Termoquímica

TermoquímicaTermoquímica


Energia é a capacidade de realizar trabalho

• Energia radiante vem do sol e é a fonte primária de i tenergia na terra

• Energia Térmica é a energia associada ao movimento aleatório de átomos e moléculas

• Energia química é a energia armazenada nas ligações químicas das substâncias

E i l é i d t õ• Energia nuclear é a energia armazanada nos neutrões e protões do núcleo atómico

• Energia potencial é a energia disponível devido à posição g p g p p çde um objecto


Variações de energia em reacções químicas

Calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos que se encontram a temperaturas diferentes.

Temperatura é a medida da energia térmica.

Temperatura = Energia Térmica

900C 400CMaior energia térmica


Variações de energia em reacções químicas

Vapor de

Termoquímica é o estudo das trocas de calor nas reacções químicas.

O sistema é a parte específica do universo de interesse para o estudo.

SISTEMAVIZINHANÇAVapor de água

SISTEMAVIZINHANÇA

CalorCalor

Troca:aberto

massa & energiafechado

energiaisolado

nada


Processos endotérmicos e exotérmicosP é i é l f lProcesso exotérmico é qualquer processo que fornece calor –transfere energia térmica do sistema para a vizinhança.

2H O 2H O i2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energia

H2O (g) H2O (l) + energia

Processo endotérmico é qualquer processo no qual o calor é fornecido da vizinhança ao sistema.

energia + H2O (s) H2O (l)


Processos endotérmicos e exotérmicos

Reacção Exotérmica

Reacção Endotérmica

Libertação de calor

Absorção de calor


TermodinâmicaFunções de Estado são propriedades que são determinadas peloFunções de Estado são propriedades que são determinadas pelo estado do sistema, independentemente do modo como esse estado foi atingido.

energia , pressão, volume, temperatura

E = Efinal - Einicial

P = Pfinal - Pinicial

V = Vfinal - Vinicial

A i t ti l d l i i t 1 d l i i t 2 é

final inicial

T = Tfinal - Tinicial

A energia potential do alpinista 1 e do alpinista 2 é a mesma, apesar deles tomarem caminhos diferentes.


1ª Lei da Termodinâmica

Primeira lei da termodinâmica – A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída.

Esistema + Evizinhança = 0

E = EEsistema = -Evizinhança

C H + 5O 3CO + 4H O

Reacção química exotérmica!

C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O

energia química perdida por combustão = energia ganha pela vizinhançasistema vizinhança


1ª Lei da TermodinâmicaO f d i i L i EOutra forma da primeira Lei para Esistema

E = q + wE é a diferença de energia interna de um sistemaç g

q é a troca de calor entre o sistema e a vizinhança

w é o trabalho realizado no (ou pelo) sistemaw é o trabalho realizado no (ou pelo) sistema

w = -PV quando um gás expande contra uma pressão exterior constante

Convenção de sinais para trabalho e calor


Trabalho

w = Fd

w = -P VV > 0

-PV < 0

P x V = x d3 = Fd = wFd2

PV 0wsis < 0

O trabalho não é umanão é uma função de estado

w = wfinal - winicial inicial final

Neve artificial

E = q + wE = q + w

q = 0

w < 0, E < 0

E = CT

T < 0 NEVE!T < 0, NEVE!


Entalpia e a 1ª Lei da Termodinâmica

E = q + wq = H e w = -PVA pressão constante:

E = H - PV

H = E + PVH E PV


Entalpia e a 1ª Lei da TermodinâmicaA E l i (H) é ili d ifi fl d d ídA Entalpia (H) é utilizada para quantificar o fluxo de entrada ou saída de calor de um sistema num processo que ocorre a pressão constante.

H = H (produtos) – H (reagentes)

H = calor fornecido ou absorvido durante uma reacção a pressão constante

Reacção Exotérmica

Reacção Endotérmica

Libertação de calor para a vizinhança

Absorção de calor da

vizinhança

Hprodutos < Hreagentes

H < 0

Hprodutos > Hreagentes

H > 0


Equações termoquímicas

H negativo ou positivo?

Si t b lAbsorção de Sistema absorve calor

Endotérmico

bso ção decalor

H = 6.01 kJ

H > 0

6.01 kJ são absorvidos por cada 1 mole de gelo que derrete a 00C e 1 atm.

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ



H negativo ou positivo?

Si t f lLibertação Sistema fornece calor

Exotérmico

Libertação de calor

H < 0

890.4 kJ são libertados por cada 1 mole de metano queimado a 250C e 1 atm.

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890.4 kJ



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

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ

• Se se reverter o sentido da reacção, o sinal de H mudaSe se reverter o sentido da reacção, o sinal de H muda

H2O (l) H2O (s) H = -6.01 kJ

• Se se multiplicar ambos os lados da equação por um factor n, então H tem é afectado pelo mesmo factor n.

2H2O (s) 2H2O (l) H = 2 x 6.01 = 12.0 kJ



• Os estados físicos de todos os reagentes e produtos devem ser especificados em equações termoquímicas.

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ

H2O (l) H2O (g) H = 44.0 kJ

Qual a quantidade de calor envolvida quando 266 g de fósforo branco (P4) são queimados no ar?

P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) H = -3013 kJ

266 g P41 mol P4

123.9 g P4x 3013 kJ

1 mol P4x = 6470 kJ


Comparação entre H e E

2Na (s) + 2H2O (l) 2NaOH (aq) + H2 (g) H = -367.5 kJ/mol

E = H - PV a 25 0C, 1 mole H2 = 24.5 L a 1 atm

PV = 1 atm x 24.5 L = 2.5 kJ

E 367 5 kJ/mol 2 5 kJ/mol 370 0 kJ/molE = -367.5 kJ/mol – 2.5 kJ/mol = -370.0 kJ/mol


Calor específico e capacidade caloríficaO l ífi ( ) d b â i é id d d lO calor específico (s) de uma substância é a quantidade de calor (q) necessário para elevar a temperatura de um grama de substância um grau Celsius.

A capacidade calorífica (C) de uma substância é a quantidade de calor (q) necessária para elevar a temperatura de uma dada quantidade (m) de substância um grau Celsius.

C = ms

Calor (q) absorvido ou libertado:

Calor específico de algumas substâncias

Calor (q) absorvido ou libertado:

q = mst

q = Ctq Ct

t = tfinal - tinicial


Calor específico e capacidade calorífica

Que quantidade de calor é libertada quando uma barra de 869 g de ferro arrefece de 940C para 50C?

s do Fe = 0.444 J/g • 0C

t = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C

= 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 Jq = mst

Calorimetria: Volume Constante

qsis = qwater + qbomb + qrea

qsis = 0qrea = - (qágua + qbomba)qágua = mstqbomba = Cbombat

Reacção a V constanteH = qrea

Não há entrada ou saída de calor!H ~ qrea

Calorimetria: Pressão Constante

qsis = qágua + qcal + qrea

qsis = 0qrea = - (qágua + qcal)qágua = mstqcal = Ccalt

Reacção a P constanteH = qrea

Não há entrada ou saída de calor!


Calor de reacção a pressão constante

Calores de algumas reacções medidos a pressão constante


Valor calorífico de alimentos e outras substâncias

C6H12O6 (s) + 6O2 (g) 6CO2 (g) + 6H2O (l) H = -2801 kJ/mol

1 cal = 4.184 J1 Cal = 1000 cal = 4184 J


Entalpia de formação padrãoC ã i i d di l b l d l i dComo não existe maneira de medir o valor absoluto da entalpia de uma substância temos que medir a diferença de entalpia para cada reacção de interesse.

Estabelecemos uma escala arbitrária com a entalpia de formação padrão (fH0) como ponto de referência para todas as expressões de entalpia.

Entalpia de formação padrão (fH0) é a diferença de calor que ocorre quando uma mole de um composto é formado a partir dos seus elementos a uma pressão de 1 atm.

A entalpia de formação padrão de qualquer elemento na sua forma mais estável é zero.

H0 (O ) 0 H0 (C grafite) 0fH0 (O2) = 0

fH0 (O3) = 142 kJ/mol

fH0 (C, grafite) = 0

fH0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol

Entalpias de formação padrão de algumas substâncias inorgânicas a 25ºC


Entalpia de reacção padrãoA l i d ã d ã ( H0 ) é l i dA entalpia de reacção padrão (H0 ) é a entalpia de uma reacção realizada a 1 atm.

rea

aA + bB cC + dD

H0rea dH0 (D)fcH0 (C)f= [ + ] - bH0 (B)faH0 (A)f[ + ]

H0rea nH0 (produtos)f= mH0 (reagentes)f-

Lei de Hess: Quando os reagentes são convertidos em produtos aLei de Hess: Quando os reagentes são convertidos em produtos, a variação de entalpia é a mesma quer a reacção ocorra num só passo ou em múltiplos passos.

(A Entalpia é uma função de estado. Não interessa como chegamos ao estado final, só interessa o estado inicial e o final.

Calcule the entalpia padrão de formação do CS2 (l) sabendo que:

C(grafite) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJreaC(grafite) O2 (g) CO2 (g) H 393.5 kJrea

S(rômbico) + O2 (g) SO2 (g) H0 = -296.1 kJrea

CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) H0 = -1072 kJreaCS2(l) 3O2 (g) CO2 (g) 2SO2 (g) H 1072 kJrea

1. Escrever a entalpia de formação para o CS2

C(grafite) + 2S(rômbico) CS2 (l)

2. Adicionar as reacções de modo a obter a reacção pretendida.p

rxnC(grafite) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJ2S(rômbico) + 2O (g) 2SO (g) H0 = 296 1x2 kJ2S(rômbico) + 2O2 (g) 2SO2 (g) H0 = -296.1x2 kJrea

CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) H0 = +1072 kJrea+

C(grafite) + 2S(rômbico) CS2 (l)

H0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJrea

O Benzeno (C6H6) quando queimado no ar produz dióxido de carbono e água líquida. Que quantidade de calor é libertada por mole de benzenoágua líquida. Que quantidade de calor é libertada por mole de benzeno queimado? A entalpia padrão de formação do benzeno é 49.04 kJ/mol, do CO2 é -393,5 kJ/mol e da água líquida é -285,8 kJ/mol.

2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)

H0rea nH0 (produtos)f= mH0 (reagentes)f-

C6H6 (l) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (l)

Hrea nH (produtos)f ( g )f

H0rea 6H0 (H2O)f12H0 (CO2)f= [ + ] - 2H0 (C6H6)f[ ]

H0rea = [ 12x(–393,5) + 6x(–285,8) ] – [ 2x49,04 ] = -6535 kJ

6535 kJ-6535 kJ2 mol

= - 3267,5 kJ/mol C6H6

Calcule a entalpia de formação padrão do acetileno (C2H2):

H0 (CO ) = 393 5 H0 (H O l) = 285 8 kJH0f (CO2) = –393,5

kJH0

f (H2O, l) = –285,8 kJ

H0comb (C2H2) = –1299,4 kJ

1 E ã d f ã d C H1. Escreva a equação de formação de C2H2

2C(grafite) + H2(g) C2H2 (g)

2. Adicione as entalpias dadas:

C(grafite) + O2 (g) CO2 (g) H0reac = –393,5 kJ2 x ( ) x 2

H2 (g) + ½O2 (g) H2O(l) H0reac = –285,8 kJ

(g ) 2 (g) 2 (g) reac

C2H2(g) + 5/2 O2 (g) 2CO2 (g) + H2O (l) H0 = –1299 4 kJ-1x ( ) x(-1)+

2C(grafite) + H2(g) C2H2 (g)

C2H2(g) + 5/2 O2 (g) 2CO2 (g) + H2O (l) H reac 1299,4 kJ1x ( ) x( 1)

(g ) 2(g) 2 2 (g)

H0reac = (2 × –393,5) + (–285,8) – (-1299,4) = 226,6 kJ

Variação daVariação da Entalpia com a Temperaturap

Caso de reacção exotérmica


Entalpia de soluçãoA l i d l ã ( H ) é l d b id dA entalpia de solução (Hsol) é o calor gerado ou absorvido quando uma determinada quantidade de soluto é dissolvido numa determinada quantidade de solvente.

Hsol = Hsol - HcomponentesEntalpias de solução de alguns compostos iónicos

Que substância(s) pode ser utilizada para derreter gelo?

Que substância(s) pode ser utilizada para empacotar a frio?


O processo de dissolução do NaCl

Hsol = passo 1 + passo 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol

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