EXPERIÊNCIA NQ ll - Calor de reação e calor de sobdücação
111EXPERIÊNCIA Ne ll
CALOR DE RalAÇÃO E CALOR DE SOLIDIFICAÇÃO
O1. 0BJETIVOS:
No final desta prática o aluno deverá ser capaz de:
e Compreender o funcionamento de um calorímetro
8 Comparar o calor liberado na combustão de uma vela com o calor envolvido na mudança de estado de uma substância(cera)
e Aplicar a Lei de Hess para o cálculo do calor de reação(Entalpia de reação)
02. INTRODUÇÃO:
Nesta experiência você poderá comparar o calor liberada num processo físico ordinário como a solidificação da cera com o calor de combustão da vela. A energia potencial molecular diminui à medida que o calor de solidificação é removido. Nesse processo não ocorre o rompimento de ligações químicas, como é o caso da combustão da vela. Reações de combustão são reações de oxirredução com desprendimento de grandes quantidades de calor. Esse calor é então aproveitado para proporcionar mais coMorto para nossas vidas. Assim, o calor gerado na combustão do butano(gás de cozinha), da lenha e do carvão é utilizado para cozinhar alimentos, gerar vapor para movimentar as turbinas de uma indústria ou de uma urina termoelétüca, etc.
No caso de uma urina termoelétrica, o calor é utilizado para gerar energia elétrica Esse calor hberado numa reação química provém do balanço energético da ruptura de ligações químicas e da formação de novas ligações. O rompimento de ligações químicas absorve energia. E a formação de ligações libera energia. Se o saldo for a liberação de calor para o meio ambiente, temos uma reação exotérmica.
Caso contrário, será endotérmica
Quando uma transfommção dá-se à pressão constante, e o único trabalho possível é o trabalho de expansão, o calor hberado é igual à vaüação de entalpia,(AH) Na queima do carbono com excesso de oxigénio à pressão constante, forma-se dióxido (]e carbono e são liberados 393,5 kl de calor para cada mol de carbono consumido
C(s) ' 02(g) """''»'' C02(g) A H= 393,5kl
O sinal do AH é negativo porque houve liberação de calor. Logo, a entalpia final(Hf)
é
menor do que a entalpia iMcial(Hi)
Essa reação pode ser conseguida em duas etapas: primeiro, o carbono pode ser queimado na presença de uma quantidade limitada de oxigénio
C(s) + b 02(g) ""'''»'' CO (g) A H = - 110,5 kl
Então o monóxido de carbono formado nesta reação poderá ser queimado com
oxigêMo adicional.
112 EXPERIÊNCIA NQ ll - Calor de reação e calor de sohdücação
CO(g) ' b 02(g) C02 (g) Â H - - 283,0 y
Quando as reações químicas são adicionadas como se fossem equações algébricas, os correspondentes AH podem ser adicionados da mesma maneira.
C(s) * b 02(g) co (g)
COa C02 (g)
ÂH
&
ÂH
ll0,5 y 283,0 k 393,5 y C(s) ' 02(g)
Esta é uma ilustração da Lei de Hess. Ela estabelece que a vaüação da entalpia para qualquer reação depende somente da natureza dos reagentes e dos produtos E não depende do n' de etapas ou do caminho que a conduz dos reagentes aos produtos
Uma equação, e o seu correspondente ÂH, podem ser multiplicados ou divididos pelo mesmo número. Exemplo:
C(s) * b 02(g) -' CO (g)
2C(s) * 02(g) -' 2C0 (g)
ÂH ÂH n0,5 kl 221,0 y
C) AH para uma reação pode ser expresso como a diferença entre as entalpias dos produtos e dos reagentes:
A H reação ; (H produtos) - (H reagentes)
Isto significa que o sinal de AH muda quando uma reação é invertida, porque os reagentes tornam-se produtos e vice-versa. Por exemplo
C(s) * 02(g) C02 (g) Â H ; - 393,0 y
C02 (g) C(s) ' 02(g) A H - 393,0 y
A Lei de Hess simplifica grandemente a tarefa de tabular variações de entalpia de reações. O calor de reação é igual à soma dos calores de formação dos produtos menos a soma dos calores de formação dos reagentes,
E(An
0f ./ produtos) 0f ,/ reagentes
EXPERIÊNCIA NQ ll - Calor de reação e calor de sohdíãcação
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TABELA 1. ALGUNS CALORES DE FORMAÇÃO A 25' C
Substância
74,8
Substância kjmol
187,6
239,0 '20,6
.814,0 +226,0
+52,3 84,6
46,1 ,412,1
415,9 +143,0 110,5
'393,5 '92,3 .241,8
C02 (g)
ncl (g) 296,8
'314,4
n2o (g)
n2o (1) 395,7
Nota: de um elemento : 0
Exemplo: Calcule o calor de combustão do etanol C2H50H, para formar dióxido de carbono e vapor d'água
c2H5on (1) ' 302(g) 2co 2(g) * 3n2o (g) O etanol libera uma quantidade considerável de calor quando queima
Experimentalmente podemos meda a quantidade de calor liberada usando uma bomba calorimétiíca(calorünetro). A bomba calorimétrica é um instrumento que mede o calor liberado ou absorvido por uma reação ocorrendo a volume constante. Neste tipo de calorímetro uma câmara de aço (a bomba) é imersa em um volume grande de água. O calor liberado da reação é então transferido para a água Se a reação libera calor, a temperatura aumenta. Caso contrário, a temperatura diminui. Nenhum trabalho é realizado quando a reação ocorre dentro da bomba calorimétrica, mesmo quando gases forem envolvidos, pois o volume é constante e AV : 0, assim,
 E = qv
onde, qv calor liberada a volume constante
Para as reações exotérmicas nós podemos escrever Calor liberado l
pelo sistema l Calor ganho
pelo calorímetrol
114 EXPERIÊNCIA Na ll - Calor de reação e calor de solidihcação
Para simplificar os cálculos, a quantidade de calor absorvida por um calorímetro é geralmente expressa como seu "equivalente em água", que é a quantidade de calor que o calorímetro absorve por grau de temperatura. O equivalente em água do calorímetro é determinado queimando uma amostra que produz uma quantidade conhecida de calor, e medindo o aumento de temperatura do calorímetro. Por exemplo, a queima de 1,000g de um composto produz 2,196 kcal de calor, que aumenta a temperatura do calorímetro e de suas 3.000 g de água por 0,629'C, então;
Calor ganho pelo calorímetr-ol
Calor liberada pela amostrar
Calor ganha pela água J 2196 cal(3000 g)(1,000 cal/g OC)(0,629)
L» variação da temperatura massa da água L» Calor específico da água
(2.196) - (1.887) ; 309 cd
Agora podemos determinar a quantidade de água que absorveria a mesma quantidade de calor causando a mesma variação de temperatura.
mcÂt:Q
m x 1,00 x 0,629 : 309 m : 491 g de H20
Assim, o equivalente em água do calorímetro é 491 g. Isso significa que a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura das partes internas do calorímetro de 1,00'C é a mesma quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 491g de água de 1,00'C
Nesta experiência, você não irá utilizar este tipo de calorímetro. Você montará um calorímetro bem mais simples. Uma lata pequena com
água será o calorímetro. Uma lata maior será usada para minimizar a perda de calor pelo movimento do ar(vqa figura ao lado)
O calor liberado na combustão de uma vela será, então, transmitido para a água no calorímetro, aumentando a sua temperatura. Entretanto, uma pequena parte do calor se dissipa com os gases fot'rnados na combustão e com o ar aquecido
Figura 1. Calorímetro
EXPERIÊNCIA Ne ll - Calor de reação e calor de sohdiãcação 115
03. MATERIAL:
balança vela (: 2 cm)
suporte para vela(forma de empada) latas ver lígura l
termómetro bastão de vidro
béquer 150 ml argola
suporte universal cela de amianto bico de bunsen
tubo de ensaio. previamente pesado, com cera dentro
04. PROCEDIMENTO
A. Calor de Combustão da Vela:
Pese a vela com suporte e anoto a massa na folha de dados. Pese também a lata vazia e encha-a com água até 2/3. Agora pese a lata com água. Vá anotando todas as massas e utilize sempre a mesma balança. Monte o calorímetro conforme a figura 1, e meça a temperatura da água.
Acenda a vela e deixe aquecer a água do calorímetro(a lata pequena) durante mais ou menos 5 minutos. Após esse intervalo de tempo, apague a vela
soprando-a cuidadosamente para não perder massa. Agite a água devagar com o termómetro até que a temperatura pare de subir. Anote então a temperatura mais alta que o termómetro marcar e pese novamente a vela com o suporte.
Anoto os dados l
2
B. Calor de solidificação da vela:
Uma quantidade de cera contida em um Cubo de ensaio é aquecida até completa fusão, quando então, o Cubo com a cera é imerso em um béquer com água. O calor hberado durante a solidücação da vela será transmitido para a água do béquer
aumentando sua temperatura.
l Pese o tubo com a cera dentro, com precisão de 0,01 g. O tubo de ensaio vazio já foi pesado e o seu peso está anotado no próprio tubo.
Anote esses pesos na folha de d3dotilâíae.r l,l.n. c.&\.Ptfq.-
Coloque o tubo com a cera dentro..4íl.lataj5aluena. A mesma do item A. Coloque água até que toda a cera fique imersa (Fig. 2A). Aqueça-a até a sua completa fusão. Vá devagar, não aqueça demais.
2
116 EXPERIÊNCIA Na ll - Calor de reação e calor de solidücação
Figura 2A Figura 2B
Pese um béquer vazio de 150 ml com precisão de 0,0lg. Esse béquer será o calorímerro da 2' parte. Coloque 100 ml de água suficientes para cobrir a cera do tubo(Fig. 2B). Meça a temperatura da água e pese o béquer com a água.
Retine o tubo com a cera líquida do banho-mana e espere até que o primeiro sinal de solidihcação apareça(a cera começa a apresentar manchas opacas) Quando isso acontecer, coloque rapidamente o tubo com a cera no béquer de
150 ml, que serve de calorímetro, agitando levemente a água com o próprio t:ubo de ensaio até notar que a temperatura parou de subir. Anoto então a temperar:ura(a temperatura máxima).
3.
4
Obs: Nesta experiência não foram gerados resíduos químicos 05. PRÉ,LABORATÓRIO
l 2
Calcule AHO para a combustão do acetileno, C2H2 a 25' C.(Admita que são fonnados C02 gasoso e H20 liquido). Utilize a tabela 1, calores de formação a 25'C
CC) dióxido de enxofre, S02, é um gás poluente existente em regiões industriais Ele pode ser removido e oxidado a anidro sulfúrico, S03, que tem importância comercial. Calcule AH' por mol para a reação de S02 com 02(g)
2S02 (g) ' 02(g) 2S03(g)
3
Calcule a variação de entalpia padrão a 25'C(z\H') que acompanha a reação de 39,2 g de S03 com suficiente quantidade de água:
so3 (g)'n2o (1) ; n2so4(1)
4 A tenção abaixo é uma das que oconem no processo de redução de ferro na produção de aço nos alto-fornos:
Fe203 (s) * 3CO (g) "'''''» 2Fe(s) * 3C02(g)
EXPERIÊNCIA Na ll - Calor de reação e calor de solidificação 117
Determine AH' para esta reação a 298K dados os valores de AH' para as reações abaixo
3Fe203 (s) * CO (g) ---» 2Fe304(s) * C02(g) AH' ; -46,4kl FeO (s) * CO (g) ---» Fe(s) * C02(g) AH' ; 9,0kl Fe304(s) * CO (g) ---» 3FeO(s) * C02(g) AH' ; -41,0ül 5. A reação que ocorre durante a descarga de uma bateria típica de automóvel é
pb (s) ' pbo2 (s) * 2n2so4 (aq) 2PbS04(s) * 2H20 (1) Dertermine o AH' para a reação utilizando a seguinte informação:
S03(g) ' H20(1) -- -» H2S04(aq.) AH': -133 kl pb(s) * pbo2(s) * 2so3(g) o4(s) An' : -77s kl 6. A combustão de 1,048 g de benzeno, C6H6(1) em uma bomba calorímétrica submersa em 826 g de água, aumentou a temperatura da água de 23,64'C para 33,70'C. O equivalente em água do calorímetro é 216 g de água.
(a) Escreva a equação balanceada para a reação de combustão. Assuma que os únicos produtos são C02 (g) e H20 (1).
(b) Calcule o calor de combustão do benzeno em kcal/g, kcal/mol, kl/g e kJ/mol.
7. Nessa experiência você usa um calorímetro bem simples. Os resultados que você obterá serão maiores ou menores do que aqueles que obteria se utilizasse um calorímetro melhor. Por quê?
nà nT TFÇTTnNÁ p Tn
1.
Uti[ize os ca]ores especíHcos da água, c : 1,00 caVg'C e o da ]ata c : 0,10 ca]/
g'C e calcule a quantidade de calor absorvido pela água e pela lata. Expresse o resultado em kcal e em kJ. (l cal : 4,18Joule)
Lembre-se; Q: m.c.A.T
2
Determine o calor de combustão da vela em kcal/g e em kl/g. Expresse o resultado na forma da variação de entalpia de combustão, ÂHcomb.. Lembre- se, AH : - calor liberado à pressão constante(que foi o caso dessa expeüência).
3.
4.
Na 2: parte dessa experiência, determine a quantidade de calor transmitida para a água e para o béquer(c do béquer ; 0, 12 ca]/g'C)
Determine o ca]or de so]idificação da cera em kca]/g e kl/g. Expresse o resultado
em AH solid.
118
EXPERIÊNCIA Ne ll - Calor de reação e calor de solidificação
Compare os calores de combustão da vela e o de solídiHcação da cera
ÁHcomb.
AHsolid. Explique por que AHcomb. >' AHsolid.
6
Calcule o equivalente em água do calorímetro da parte A e do calorímetro da parte B. Note que na parte A o calorímetro é a lata pequena. E na parte B, é o béquer.
7. Sugira como melhorar o nosso calorímetro para que os resultados sejam mais próximos dos obtidos por um calorímetro ideal, isto é, que todo o calor liberada na combustão da vela ou na solidificação da cera sqa transmitido para a água do calorímetro, e que a perda do calor seja mínima ou nenhuma(sistema ideal)
(Folha de dados)
EXPERIÊNCIA Ne ll
EQUIPE: .TURMA
DATA: ..../..../. Ne da bancada
Parte A: Calor de combustão e
e e e e e
Massa da vela com suporte antes de queimar(g) Massa da vela com suporte depois de queimar(g) Massa da lata vazia (g):
Massa da lata com água (g):
Temperatura da água antes do aquecimento('C) Temperatura da água depois do aquecimento('C) Pente B: Calor de solidiÊcação
e e e e e
©
