Termoquímica. Prof. Leandro Zatta

Termoquímica

Objetivos

• Definir trabalho e calor utilizando convenções

padrões de sinais.

• Definir funções de estado e explicar sua

importância.

• Listar a primeira lei da termodinâmica em palavras

e como equação.

• Usar dados calorimétricos para obter valores de ∆E

e ∆H para reações químicas.

Objetivos

• Definir ∆H

_{e escrever reações de formação para}

compostos.

• Explicar a lei de Hess com suas próprias palavras.

• Calcular ∆H

_{para reações químicas a partir de}

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Energia é a capacidade de realizar trabalho.

• Energia Radiante originada pelo sol e é a fonte de energia primária na Terra

• Energia Térmica é a energia associada ao movimento randômico dos átomos e moléculas • Energia Química é a energia armazenada nas

ligações das substâncias químicas

• Energia Nuclear é a energia armazenada em uma coleção de nêutrons e prótons em um átomo • Energia potencial é a energia disponível em

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Todo fluxo de energia se dá na forma de calor ou trabalho

Mudanças de energia em reações químicas

Temperatura é a medida da energia

térmica.

Temperatura = energia térmica

Calor é a transferência da energia térmica entre dois corpos que estão com temperatura diferente

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Mudanças de energia em reações químicas

Em processos químicos é o trabalho pressão-volume.

Trabalho é a transferência de energia realizada por uma força movendo uma massa por uma

Transformações e Conservação de

energia

• Durante uma transformação da energia, a energia

total deve ser conservada.

• A soma de todas as conversões e transferências de energia deve ser igual à energia total a qual deve permanecer constante.

• Para contabilizar as transformações e

conservações de energia, o sistema e

vizinhanças devem ser especificadas.

• Sistema – a parte do universo sendo

considerada.

• vizinhanças – o restante do universo.

• Sistema + vizinhanças = Universo

• Sistemas e vizinhanças separados por uma

fronteira.

Transformações e Conservação de

energia

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aberto

massa & energia

Troca: fechado energia isolado nada

Tipos de sistemas

• Para um sistema ou vizinhanças, a única

forma de fluxo de energia possível é o calor,

q, e trabalho, w.

• O delta,



, significa “mudança” e é definido

como a diferença nos estados final e inicial.





E = q + w





E = E

_final

- E

_initial

Transformações e Conservação de

energia

Unidades de energia

• O Joule é a unidade de energia no SI.

• 1 Joule = 1 kg m

_/s

• Outras unidade de energia incluem o Btu e a

caloria.

• 1 Btu é a energia requerida para aumentar em

1°F a quantidade de 1 lb.

1 Btu = 1055 J

• 1 caloria é a energia necessária para aumentar

em 1 °C a massa de 1g de água.

Transformações e Conservação de

energia

• O sinal resultante da diferença entre os estados

final e inicial indicam a direção do fluxo de energia.

• Valor negativo indica que a energia está sendo liberada. • Valor positivo indica que a energia está sendo absorvida.

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Processo exotérmico é qualquer processo que libera calor – transfere energia do sistema para a vizinhança.

Processo endotérmico é qualquer processo onde o calor é fornecido da vizinhança para o sistema.

2H₂ (g) + O₂ (g) 2H₂O (l) + energia

H₂O (g) H₂O (l) + energia

energia + 2HgO (s) 2Hg (l) + O₂ (g)

Perda de energia

• Uma forma comum de se obter trabalho de um

sistema é aquecer este. O fluxo de calor é

convertido em trabalho.

• É impossível converter todo o calor em trabalho.

• Calor que não é convertido em trabalho é considerado energia perdida.

Computador a calor Nanotubos de carbono Nano tubos de carbono 2

Capacidade calorífica e Calorimetria

• Calorimetria é um conjunto de técnicas de

laboratório usadas para observar e medir o fluxo de

calor que entra ou sai de um sistema.

• Sistemas diferentes absorvem quantidades

diferentes de energia baseado em três fatores:

• A quantidade de material, m ou n. • O tipo do material, c ou C_p.

• A mudança de temperatura, T.

Capacidade calorífica e Calor específico

• A quantidade de energia (calor) absorvida pode ser

quantificada.

• c é a capacidade calorífica específica. • C_p é a capacidade calorífica molar.



q = mc



T

• A capacidade calorífica específica de uma

substância é uma propriedade física que descreve a

quantidade de calor requerido para aumentar a

temperatura em 1

_{C de um grama de substância.}

• A capacidade calorífica molar de uma substância é

uma propriedade física que descreve a quantidade

de calor requerida para aumentar a temperatura

em 1

_{C de um mol de substância.}

• Representada por C_p.

• Calor específico e capacidade calorífica em

quantidade de matéria para algumas substâncias

comuns.

Exemplos

• Qual a quantidade de calor necessária para elevar

a temperatura de 500 de chumbo (c=0.03 cal / g

ºC) de 20

_{C até 60}

_C?

• Um copo contém 250,0 g de água quente a 78,0

_C.

Um pedaço de ouro a 2,30

_{C é colocado na água. A}

temperatura final atingida por esse sistema é 76,9

_C.

Qual era a massa do ouro? O calor específico da água

é 4,184 J/g

_{C, e o do ouro 0,129 J/g}

_C.

Calorimetria

• Calorimetria é um conjunto de técnicas de

laboratório usadas para observar e medir o fluxo

de calor que entra ou sai de um sistema.

Calorimetria

• Um calorímetro mede o calor envolvido ou

absorvido em um sistema de interesse pela medida

da mudança de temperatura na vizinhança.

vizinhança

sistema

=

-

q

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Calorimetria pressão constante

Nenhum calor entra ou sai!

q_sis = q_água + q_cal + q_reação q_sys = 0

q_rxn = - (q_água + q_cal) q_água = m x c x t q_cal = C_cal x t

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Termodinâmica é o estudo científico da interconversão do calor e outros tipos de energia.

Funções de estado são propriedades que são determinadas pelo estado do Sistema, independente de como as condições foram alcançadas.

Potential energy of hiker 1 and hiker 2

is the same even though they took different paths.

energia , pressão, volume, temperatura

U = U_final - U_inicial

P = P_final - P_inicial

V = V_final - V_inicial

Prof. Leandro Zatta 31

Energia interna

Qualquer substância ou objeto é constituído de átomos e moléculas, os quais apresentam energia cinética associada a seus constantes movimentos, além de energia potencial decorrente das várias forças que exercem uns sobre os outros.

As energias cinética e potencial combinadas dos átomos e moléculas que compõem um objeto constituem a sua energia interna.

Energia interna

Energia cinética

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Primeira lei da termodinâmica – energia pode ser

convertida de uma forma a outra, mas não pode ser

criada nem destruída.

U_sistema + U_vizinhança = 0 ou

U_sistema = -U_vizinhança

C₃H₈ + 5O₂ 3CO₂ + 4H₂O Reação Química exotérmica

Entalpia

• As condições sob as quais ocorre o fluxo de calor

vai ter um impacto sobre a medida que é feita.

• A combustão do octano libera 5,45 x 103 _{kJ sob} condições de volume constante.

• A combustão do octano libera 5,48 x 103 _{kJ sob} condições de pressão constante.

Definindo Entalpia

• A maioria das reações químicas ocorrem sob

pressão constante

• Entalpia é o fluxo de calor sob condições de

pressão constante.

• A mudança na entalpia pode ser expressa como

• Ou como



H = E + PV





H =



E + P



V





H = q

Definindo Entalpia

• Quando um sistema libera calor, o processo é

dito exotérmico.

• O valor de



H é menor que zero, ou o sinal de



H é negativo.

• Quando um sistema absorve calor, o

processo é dito endotérmico.

• O valor de



H é maior que zero, ou o sinal de

Exemplos

Dadas as equações, informe quais são endotérmicas

e quais são exotérmicas: (CNTP)

a) Fe(S) + ½ O

(g) → FeO(s) + 64,04 Kcal

b) H

O(ℓ) → H

(g) + ½O

(g) ∆H= + 68,3 Kcal

c) 2C(graf) + 3H

(g) → C

H

(g) ∆H=─20,5 Kcal

d) CO

(g) → C(graf) + O

(g) ∆H= + 94,14 Kcal

e) CaO(S) + 151,9 Kcal → Ca(s) + ½ O

(g)

f) 6CO

(g) + 6H

O(ℓ) + calor → C

H

O

(aq) +6 O

(g)

Exemplos

Analise o gráfico e respondas as questões:

a) Qual a energia do produto?

b) Qual a energia do reagente?

c) Qual a energia do complexo ativado?

d) Qual o valor de ∆H?

e) A reação é exotérmica ou endotérmica?

∆H de mudanças de fases

• Mudanças de fases ocorrem sob condições de

pressão constante.

• O fluxo de calor durante uma mudança de fase é uma mudança de entalpia.

• Durante uma mudança de fase, a temperatura não muda com o fluxo de calor devido a formação ou quebra de

∆H de mudanças de fases

• Entalpias molares padrão e temperaturas para

mudanças de fase da águaStandard molar enthalpies

and temperatures for phase changes of water.

∆H de mudanças de fases

• Curva de aquecimento para 500 g de gelo

em -50

C a 200

C.

FATORES QUE INFLUEM NO VALOR DA ENTALPIA

2. Estado alotrópico dos reagentes e produtos (lembre-se: Alotropia

ocorre quando um mesmo elemento químico forma diferentes substâncias simples).

Principais variedades alotrópicas :

Gás oxigênio (O₂) = mais estável, menor entalpia. Gás ozônio (O₃) = mais reativo, maior entalpia.

Carbono grafite (C₆) = mais estável, menor entalpia. Carbono diamante (C₆) = mais reativo, maior entalpia.

Fósforo vermelho (P_n) = mais estável, menor entalpia. Fósforo branco (P₄) = mais reativo, maior entalpia.

Enxofre rômbico (S₈) = mais estável, menor entalpia. Enxofre monoclínico (S₈) = mais reativo, maior entalpia.

3. Temperatura: as determinações de ∆H devem ser

feitas a temperatura constante, pois ela influi no seu valor. Geralmente as transformações são feitas em condições-padrão, a 25ºC.

4. Quantidades de reagentes e produtos: o valor do ∆H é

proporcional as quantidades dos reagentes e dos produtos da reação.

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Equações termoquímicas

H₂O (s) H₂O (l) H = 6.01 kJ/mol

H é negativo or positivo?

O Sistema absorve calor Endotérmico

H > 0

6,01 kJ são absorvidos para cada 1 mol de gelo que funde à 00C e 1 atm.

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Equações termoquímicas

CH₄ (g) + 2O₂ (g) CO₂ (g) + 2H₂O (l) H = -890.4 kJ/mol H é negativo or positivo?

Sistema libera calor Exotérmico

H < 0

890,4 kJ são liberados para cada 1 mol de metano que é queimado à 250C e 1 atm.

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H₂O (s) H₂O (l) H = 6.01 kJ/mol

• Os coeficientes estequiométricos sempre se referem ao número de mols de uma substância

Equações termoquímicas

• Se você inverter uma reação, o sinal de H muda H₂O (l) H₂O (s) H =

-

• Se você multiplicar os dois lados da equação por um fator n, então H deve mudra pelo mesmo fator n.

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• A equação

• Nos diz que ∆H pode ser calculado a partir das entalpias de todos os reagentes e produtos.

• Não há como determinar o valor absoluto de H.

• Valores relativos de H.

Entalpia padrão de formação

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Como não existe um caminho para medir o valor absoluto da entalpia de uma substância, devo medir a variação de

entalpia para cada reação de interesse?

É determinado uma escala arbitrária com a entalpia padrão

de formação (H0_{) como um ponto de referência para todas}

expressões de entalpia.

f

Entalpia padrão de formação (H0_{) é a mudança de calor} resultante quando um mol de um composto é formado a partir de seus elementos sob pressão de 1 atm.

f

A entalpia padrão de formação de um elemento em sua forma mais estável é zero.

H0 _(O 2) = 0 f H0 _(O 3) = 142 kJ/mol f H0 _{(C, graphite) = 0} f H0 _{(C, diamante) = 1.90 kJ/mol} f

Prof. Leandro Zatta 52

• Qual das seguintes entalpias padrão de formação é

diferente de zero a 25 ⁰C?

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A entalpia padrão de reação (H0 _{) é a entalpia de uma} reação conduzida a 1 atm.

r aA + bB cC + dD H0 r = [cH0f (C) + dH0f (D)] - [aH0f (A) + bH0f (B)] H0 r = SnH0f (produtos) - SmHf0 (reagentes)

Lei de Hess: quando os reagentes são convertidos em produtos, a variação da entalpia é a mesma, quer a reação se dê em uma só etapa ou em uma série de etapas.

(entalpia é uma função de estado. Não importa a maneira como você chega lá, importa apenas de onde você partiu e onde chegou)

Prof. Leandro Zatta 54

Método 1

Os romanos utilizavam CaO como argamassa nas construções rochosas. O CaO era misturado com água, produzindo Ca(OH)₂, que reagia lentamente com o CO₂‚ atmosférico, dando calcário:

Ca(OH)_2(s) + CO_2(g) → CaCO_3(s) + H₂O_(g)

A partir dos dados da tabela anterior, a variação de entalpia da reação, em kJ/mol, será igual a:

a)138,2 b) - 69,1 c)-2828,3 d)+ 69,1 e)-220,8

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Método 1

Os romanos utilizavam CaO como argamassa nas construções rochosas. O CaO era misturado com água, produzindo Ca(OH)₂, que reagia lentamente com o CO₂‚ atmosférico, dando calcário:

Ca(OH)_2(s) + CO_2(g) → CaCO_3(s) + H₂O_(g)

A partir dos dados da tabela anterior, a variação de entalpia da reação, em kJ/mol, será igual a:

a)138,2 b) - 69,1 c)-2828,3 d)+ 69,1 e)-220,8

The thermite reaction involves aluminum and iron(III) oxide

This reaction is highly exothermic and the liquid iron formed is used to weld metals.

Calculate the heat released in kilojoules per gram of Al reacted with Fe₂O₃. The for Fe(l) is 12.40 kJ/mol.

The molten iron formed in a thermite reaction is run down into a mold between the ends of two railroad rails. On cooling, the rails are welded together.

Solution Using the given value for Fe(l) and other values in Appendix 3 and Equation (6.18), we write

This is the amount of heat released for two moles of Al reacted. We use the following ratio

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Chemistry in Action: Bombardier Beetle Defense

C₆H₄(OH)₂ (aq) C₆H₄O₂ (aq) + H₂ (g) H0 = 177 kJ/mol

H₂O₂ (aq) H₂O (l) + ½O₂ (g) H0 = -94.6 kJ/mol

H₂ (g) + ½ O₂ (g) H₂O (l) H0 = -286 kJ/mol

H0 = 177 - 94.6 – 286 = -204 kJ/mol

Exothermic!

Método 2

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C (graphite) + 1/2O₂ (g) CO (g)

CO (g) + 1/2O₂ (g) CO₂ (g)

Calculate the standard enthalpy of formation of acetylene (C₂H₂) from its elements:

The equations for each step and the corresponding enthalpy changes are