Termodinamica

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Termodinamica

  1. 1. Prof. Nunes Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Geral e Orgânica Termodinâmica Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.com1 DQOI - UFC
  2. 2. Objetivos Prof. Nunes Correlacionar os termos “endotérmico e “exotérmico com fluxo de calor endotérmico” exotérmico” entre um sistema e sua vizinhança vizinhança. Estudar funções de estado e o significado do termo entalpia e seus diferentes “tipos”. Descrever experiências que rendam informações termoquímicas termoquímicas. Estudar a lei de Hess Hess. Realizar cálculos utilizando a partir de equações termoquímicas termoquímicas.2 DQOI - UFC
  3. 3. Energia Prof. Nunes Energia é muito importante em muitos campos de nossas vidas: Alimentos Combustíveis Aquecimento Eletricidade3 DQOI - UFC
  4. 4. Energia Prof. Nunes O conceito de energia está no ”coração” da ciência. Todos os processos físicos e químicos são acompanhados da transferência de energia energia. Porque a energia não pode ser criada ou destruída devemos destruída, entender como fazer a "contabilidade das transferências de energia "contabilidade" de um corpo (ou uma substância) para outro, ou de uma forma de energia para outra outra.4 DQOI - UFC
  5. 5. Termodinâmica e Termoquímica Prof. Nunes Termodinâmica é o estudo da energia, calor e trabalho. Preocupa-se com a transformação e a transferência de energia energia. Pode ser aplicada a transformações químicas tais como: químicas, cálculo da quantidade de calor liberado ou absorvido em uma reação química5 (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 NH4SCN + Ba(OH)2.8H2O DQOI - UFC
  6. 6. Termodinâmica e Termoquímica Prof. Nunes Pode ser aplicada às transformações químicas tais como: químicas, a energia liberada ou consumida na mudança física, como a ebulição ou o congelamento da água. Curva de aquecimento calor fornecido6 DQOI - UFC
  7. 7. Leis da Termodinâmica Prof. Nunes Estudaremos somente a primeira das leis básicas da termodinâmica termodinâmica. 1ª Lei: preocupa-se em observar as variações de energia. 2ª Lei: explica porque algumas reações ocorrem e outras não. Tais leis nos auxiliam a entender por que algumas reações químicas ocorrem prontamente e outras não não. Por outro lado, nitrogênio e oxigênio têm coexistido na atmosfera há milhares de anos sem nenhuma reação química significativa ocorrendo. N2(g) + H2(g)7 DQOI - UFC
  8. 8. Leis da Termodinâmica Prof. Nunes Por exemplo, uma mistura de sódio metálico e cloro gasoso reage violentamente liberando uma grande quantidade de calor. calor + energia8 DQOI - UFC
  9. 9. Reação Química e Energia Prof. Nunes John Dalton acreditava que a transformações químicas envolviam juntar, separar, ou rearranjar átomos. átomos Mais de dois séculos mais tarde esta declaração tarde, permanece como uma descrição precisa de reações químicas. No entanto, agora sabemos muito mais sobre as variações de energia que são uma parte essencial de toda reação. reação9 DQOI - UFC
  10. 10. Sistema e Vizinhança Prof. Nunes É importante notar que não podemos medir um valor absoluto para a energia armazenada em um sistema químico. Nós só podemos medir a variação da energia (energia absorvida energia ou liberada quando uma reação química ocorre. liberada) ocorre Além disso, muitas vezes é conveniente e necessário estabelecer uma fronteira entre o sistema e sua vizinhança vizinhança. O sistema é o objeto (amostra ou mistura reacional) em estudo. A vizinhança é o resto do universo.10 DQOI - UFC
  11. 11. Sistema e Vizinhança Prof. Nunes O sistema é o objeto (amostra ou mistura reacional) em estudo. A vizinhança é o resto do universo. A energia pode ser; (a) perdida do sistema para o ambiente (b) adquirida pelo sistema do ambiente. (b) Esta variação de energia, na forma de calor pode ser medida porque a calor, temperatura do sistema (ou ambiente) pode mudar, e esta propriedade pode ser medida. Estratégias experimentais para medir variações de temperatura e cálculos de calor de reações são vistos na calorimetria calorimetria.11 DQOI - UFC
  12. 12. Reações Endotérmica e Exotérmica Prof. Nunes A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia do universo é constante. constante É a lei da conservação de energia energia. O estudo das transformações de energia que ocorrem em reações químicas é uma aplicação muito prática da lei. lei Considere, por exemplo, a reação geral: A -B C -D Podemos ter um processo: processo: endotérmico ou exotérmico. exotérmico12 DQOI - UFC
  13. 13. Reação Exotérmica Prof. Nunes Se a energia necessária para quebrar a ligação A-B for menor que a energia liberada quando a ligação C-D se forma, a reação irá liberar o excesso de energia (exotérmica). exotérmica). A -B C -D Um exemplo de uma reação exotérmica é a combustão do metano metano:13 DQOI - UFC
  14. 14. Reação Endotérmica Prof. Nunes Se a energia necessária para quebrar as ligações A-B for maior do que a energia liberada quando a ligação C-D se forma , a reação vai precisar de uma fornecimento de energia externo (endotérmico endotérmico). A -B C -D Um exemplo de uma reação endotérmica é a decomposição da amônia amônia:14 DQOI - UFC
  15. 15. Variação de Entalpia Prof. Nunes A variação na entalpia (∆H) de um sistema é igual ao calor liberado ou absorvido, absorvido à pressão constante constante. Em um processo exotérmico (libera calor a entalpia da reação diminui. libera calor) Zn(s) + I2(s) → ZnI2 (s)15 DQOI - UFC
  16. 16. Determinação de Experimental - Calorímetro Prof. Nunes A medição de variação de energia de calor em uma reação química é a calorimetria. calorimetria Esta técnica envolve a medição da variação da temperatura de um quantidade de água (ou solução) que está em contato com a reação de interesse, e isolada da vizinhança. Um dispositivo utilizado para essas medidas é o calorímetro que mede as variações de calorímetro, calor (em calorias), através de medições de variações de temperatura temperatura.16 DQOI - UFC
  17. 17. Determinação de Experimental Prof. Nunes Um copo de isopor é um projeto simples para um calorímetro e produz calorímetro, resultados surpreendentemente precisos. É um bom isolante e, quando preenchido com solução, pode ser usado para medir mudanças de temperatura que ocorrem como resultado de uma reação química ocorre nessa solução. A variação na temperatura da solução solução, causada pela reação, pode ser usada para calcular o ganho ou perda de energia calorífica para a reação reação.17 DQOI - UFC
  18. 18. Capacidade Térmica Prof. Nunes Capacidade Térmica calor requerido para aumentar a temperatura de um Térmica: objeto em 1oC. Quanto maior a amostra, maior sua capacidade térmica. térmica18 DQOI - UFC
  19. 19. Capacidade Térmica do Calorímetro Prof. Nunes A capacidade térmica de um calorímetro pode ser determinada através da medida do aumento da temperatura do calorímetro (e da solução que ele contém) após adição de uma quantidade conhecida de calor. calor. A capacidade térmica de um calorímetro é, às vezes, chamada de constante do calorímetro. calorímetro19 DQOI - UFC
  20. 20. Capacidade Térmica Prof. Nunes Exemplo: Exemplo Suponha que nós medimos um aumento de temperatura de 2,0 oC quando fornecemos 98 kJ para aquecer uma amostra de etanol. Calcule a capacidade térmica (C) do etanol etanol. Solução: 98 KJ C= = + 49 KJ/oC 2,0 oC20 DQOI - UFC
  21. 21. Calor Específico Prof. Nunes Cada objeto tem sua própria capacidade térmica isto é, a quantidade de térmica, calor necessária para alterar a sua temperatura em 1 oC. A capacidade térmica é a constante de proporcionalidade na equação anterior: C= A propriedade está relacionada com o calor específico (c): a (c): quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de 1 grama de uma substância por um 1 oC: c21 DQOI - UFC
  22. 22. Calor Específico Prof. Nunes O calor específico de uma substância é definido como a quantidade de energia (calorias) necessária para elevar a temperatura de 1g da substância em 1ºC. ºC O conhecimento do calor específico da água (ou da solução aquosa), juntamente com o número total de gramas de solução e do aumento da solução, temperatura (medida pela diferença entre as temperaturas final e inicial da solução), permite o cálculo do calor liberado durante a reação reação.22 DQOI - UFC
  23. 23. Calor Específico Prof. Nunes A quantidade de calor absorvida ou liberada pela reação (q) é o q produto da massa da solução no calorímetro (m), o calor específico da m solução (c), e variação da temperatura (∆T) da solução, quando a reação c vai do estado inicial ao estado final. O calor é calculado usando-se a seguinte equação: q = m x c x ∆T com a unidade: unidade: Calorias = g x calorias x oC g x oC23 DQOI - UFC
  24. 24. Calor Específico Prof. Nunes24 DQOI - UFC
  25. 25. Capacidade Térmica do Calorímetro Prof. Nunes A um calorímetro que contém 50,00 g de água, foram adicionados 3,358 kJ de calor para um. A temperatura da água e do calorímetro, originalmente em 22,34 °C, aumentou para 36,74 °C. Calcule a capacidade térmica do calorímetro em J/°C. O calor específico da água é 4,184 J/g°C. Solução: Solução: ∆T = Calor absorvido pela água A quantidade total de calor foi adicionado foi igual 3,358 kJ kJ. A diferença entre estes valores de calor é a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro. Calor absorvido pelo calorímetro25 continua..... DQOI - UFC
  26. 26. Capacidade Térmica do Calorímetro Prof. Nunes Solução: Solução: continua... Para se obter a capacidade térmica do calorímetro, dividimos a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro 346 J, por variação de calorímetro, temperatura26 DQOI - UFC
  27. 27. Calorímetro Prof. Nunes http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem27 DQOI - UFC
  28. 28. Calor Específico de Metais Prof. Nunes28 DQOI - UFC
  29. 29. Calor Específico de Metais Prof. Nunes29 DQOI - UFC
  30. 30. Calculando a Energia Envolvida Prof. Nunes Se 0,050 mol de ácido clorídrico (HCl) é misturado com 0,050 mol de hidróxido de sódio (NaOH) em um calorímetro, a temperatura de 100g da solução resultante aumenta de 25,0 oC para 31,5 oC. Se o específico calor da solução é de 1,00 cal/gH2O.oC, calcule a quantidade de energia (q) envolvida na reação. A reação é endotérmica ou exotérmica? reação. Solução: Solução: A variação na temperatura é: q = m x c x ∆T q = 100 x 1 x 6,5 q = 650 calorias Logo, 650 calorias são liberadas na reação: ∆H = -650 calorias. reação: calorias.30 DQOI - UFC
  31. 31. Mediando Calor Usando Calorímetro Prof. Nunes Uma amostra de 50,0 mL de 0,400M de solução de sulfato de cobre (II) a 23,35 °C é misturada com 50,0 mL de solução 0,600 M de hidróxido de sódio, também a 23,35 °C, no calorímetro. Após a reação ocorrer, a temperatura da mistura resultante é medida igual a 25,23 °C. Sabendo-se que a densidade da solução final é 1,02 g/mL. Calcule a quantidade de calor que foi liberada. Suponha que o calor específico da solução é a mesma que a da água pura: 4,184 J/g° C.31 DQOI - UFC
  32. 32. Mediando Calor Usando Calorímetro Prof. Nunes Solução: Solução: d = m/v m/v logo: logo: m = v x d volume densidade Quantidade de calor Quantidade de calor absorvido pelo calorímetro absorvida pela solução Q= C x ∆T + m x c x ∆T (A reação deve ter liberado)32 DQOI - UFC
  33. 33. Calculando a Energia Envolvida Prof. Nunes http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem33 DQOI - UFC
  34. 34. Calculando a Energia Envolvida Prof. Nunes 0,10 mol de cloreto de amônio (NH4Cl) é dissolvido em água produzindo 100g de solução, a temperatura da água diminui de 25,0 oC para 18,0 oC. Se o calor específico da solução resultante é 1,00 cal/g.oC, calcule a cal/g. quantidade de energia (q) envolvida no processo. A dissolução do cloreto processo. de amônio é endotérmica ou exotérmica? Solução: Solução: A variação na temperatura é: q = m x c x ∆T q = 100 x 1 x (-7) q = - 700 calorias Logo, 700 calorias são absorvidas da vizinhança: ∆H = +700 calorias. vizinhança: calorias.34 DQOI - UFC
  35. 35. Calculando a Energia Envolvida Prof. Nunes http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem35 DQOI - UFC
  36. 36. Calorias Nutricionais Prof. Nunes Muitas reações químicas que produzem calor são reações de combustão. combustão Em nossos corpos, alimentos (carboidratos, proteínas e gorduras) são oxidados para liberar energia. O valor energético é geralmente reportado em unidades de calorias nutricionais, também conhecida como Calorias (com C maísculo).36 DQOI - UFC
  37. 37. Bomba Calorimétrica Prof. Nunes Um tipo especial de calorímetro, uma bomba calorimétrica, é útil para a calorimétrica medição do valor energético (calorias) de alimentos.37 DQOI - UFC
  38. 38. Calculando o Valor Energético de Alimentos Prof. Nunes Um grama de glicose foi queimado em uma bomba calorimétrica. A temperatura de 1000g de água foi aumentada de 25,0 oC para 28,8 oC. Calcule o valor energético da glicose (em Kcal/g) Kcal/g). Solução: Solução: A variação na temperatura é: ∆T = 3,8 oC q = m x c x ∆T q = 1000 x 1 x (3,8) q = 3800 calorias = 3,8 Cal Logo, o valor energético da glicose é: 3,8 Kcal/g. Kcal/g.38 DQOI - UFC
  39. 39. Entalpia Prof. Nunes Entalpia é o termo usado para representar a energia, a pressão constante. É uma função de estado, isto quer dizer que a ∆H não depende da estado maneira pela qual é feita, mas depende somente do estado inicial e do estado final do sistema.39 DQOI - UFC
  40. 40. Variação de Entalpia Prof. Nunes Para qualquer função de estado X que tenha um valor Xi inicialmente e um valor Xf no estado final do sistema, podemos escrever: ∆X = Xf - Xi40 DQOI - UFC
  41. 41. Variação de Entalpia Prof. Nunes A variação na entalpia (∆H) de um sistema é igual ao calor liberado ou absorvido, absorvido a pressão constante. Em um processo endotérmico (absorve calor a entalpia da reação absorve calor) aumenta. NH4SCN + Ba(OH)2.8H2O41 DQOI - UFC
  42. 42. Variação de Entalpia de Reações Prof. Nunes A variação de entalpia entre reagentes e produtos de uma reação química é simbolizada como ∆Ho. Por convenção: a energia liberada é representada com um sinal negativo (indicando um processo exotérmico): a energia absorvida é mostrada com um sinal positivo (indicando uma reação endotérmica).42 DQOI - UFC
  43. 43. ∆H de Fusão Prof. Nunes É a variação de entalpia (∆H) que acompanha a fusão, por mol de moléculas. A fusão é endotérmica ∆Hfusão > 0 endotérmica:43 DQOI - UFC
  44. 44. ∆H de Congelamento Prof. Nunes É a variação de entalpia (∆H) que acompanha o líquido retornar ao estado sólido, por mol, de moléculas. O congelamento é exotérmico ∆Hcongelamento < 0 exotérmico:44 DQOI - UFC
  45. 45. ∆H de Vaporização Prof. Nunes É a variação de entalpia (∆H), por mol de moléculas, entre os estados líquido e vapor de uma substância. A vaporização é endotérmica ∆Hvaporização > 0 endotérmica:45 DQOI - UFC
  46. 46. ∆H de Sublimação Prof. Nunes É a variação de entalpia (∆H), por mol de moléculas, quando o sólido sublima. A sublimação é endotérmica ∆Hsublimação > 0 endotérmica:46 DQOI - UFC
  47. 47. Equação Termoquímica Prof. Nunes A equação química balanceada, juntamente com o seu valor de H, é balanceada chamada de equação termoquímica Por exemplo, termoquímica. é uma equação termoquímica que descreve a combustão (queima) de um mol de etanol líquido a uma determinada temperatura e pressão. Os coeficientes estequiométricos de tal equação devem ser interpretados como números de mols mols. Assim, 1.367 kJ de calor é liberado quando um mol de C2H5OH(l) reage com três mols de O2(g) para dar dois mols de CO2(g) e três mols de H2O(l).47 DQOI - UFC
  48. 48. ∆H de Reação Prof. Nunes aumentando a Entalpia Processo exotérmico48 DQOI - UFC
  49. 49. ∆H de Reação Prof. Nunes A reação inversa exigiria a absorção de 1.367 kJ nas mesmas condições. aumentando a Entalpia + Processo endotérmico49 DQOI - UFC
  50. 50. ∆H de Reação Prof. Nunes Multiplicando- Multiplicando-se todos os coeficientes estequiométrico de uma equação termoquímica por 2 (por exemplo), a variação da entalpia da reação ∆Hreação será duas vezes maior maior. Exemplo: xemplo: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = - 890J 2 CH4(g) + 4 O2(g) 2 CO2(g) + 4 H2O(l) ∆H = -1780J50 DQOI - UFC
  51. 51. Exercitando Prof. Nunes Quando 2,61 gramas de éter dimetílico, CH3OCH3, são queimados à pressão constante, 82,5 kJ de calor são liberados Determine a entalpia 82, liberados. da reação (por mol) mol). MM = 46g/mol Solução: Solução: Número de mols = 2,61 g = 0,0567 mols 46 g/mol Q liberado = 82,5 KJ = 1455 KJ/mol mol 0,0567 mols ∆H = - 1455 KJ/mol51 DQOI - UFC
  52. 52. Exercitando Prof. Nunes Quando o alumínio é exposto ao oxigênio atmosférico (como em portas e janelas de alumínio), ele é oxidado para formar óxido de alumínio. Quanto calor é liberado pela oxidação completa de 24,2 gramas de alumínio a 25 °C e 1 atm? A equação termoquímica é: Solução: Solução: Q liberado por 4 mols = Q liberado por 108 (4x27)g = - 3352 KJ Q liberado por 1 mol = Q liberado por 27g = - 3352 KJ = 838 KJ 4 Q liberado por 24,2 g = X X = ∆H = 751,1 KJ52 DQOI - UFC
  53. 53. Lei de Hess Prof. Nunes É muito importante saber a quantidade de calor transferida numa reação química. Todavia, isto nem sempre é possível de ser feito diretamente. Medições experimentais não são viáveis para todas as reações reações. Seria muito demorado medir os valores para toda reação imaginável. Felizmente, há outro caminho, baseado na conservação da massa e da energia. energia53 DQOI - UFC
  54. 54. Função de Estado Prof. Nunes Entalpia é uma função de estado estado. Sua variação é, portanto, independente do caminho pelo qual uma reação ocorre.54 DQOI - UFC
  55. 55. Lei de Hess Prof. Nunes Em 1840, G.H. Hess (1802-1850) publicou sua “lei da soma de calor”, que ele derivou com base em numerosas observações termoquímicas termoquímicas. A variação de entalpia de uma reação é a mesma se ela ocorrer em uma única etapa ou por qualquer série de etapas. etapas.55 DQOI - UFC
  56. 56. Lei de Hess Prof. Nunes ?56 DQOI - UFC
  57. 57. Exercitando Prof. Nunes Utilize as reações termoquímicas abaixo para calcular a variação de entalpia da reação: reação:57 DQOI - UFC
  58. 58. Exercitando Prof. Nunes Utilize as reações termoquímicas a seguir para calcular a variação de entalpia da reação: reação:58 DQOI - UFC
  59. 59. Lei de Hess – Outra Interpretação Prof. Nunes Outra interpretação da Lei Hess nos permite usar tabelas de valores de ∆H0f para calcular a variação de entalpia para uma reação reação. Vamos considerar novamente a reação: valores tabelados59 DQOI - UFC
  60. 60. Lei de Hess – Outra Interpretação Prof. Nunes Outra interpretação da Lei Hess nos permite usar tabelas de valores de ∆H0f para calcular a variação de entalpia para uma reação reação. Vamos considerar novamente a reação: valores tabelados60 DQOI - UFC
  61. 61. Lei de Hess – Outra Interpretação Prof. Nunes A variação de entalpia padrão de uma reação é igual à soma das entalpias de formação molar padrão dos produtos cada uma multiplicada por seus coeficientes, produtos, n, na equação balanceada, menos a soma correspondente do entalpias padrão molar de formação dos reagentes reagentes.61 DQOI - UFC
  62. 62. Lei de Hess – Outra Interpretação Prof. Nunes Esta interpretação da Lei de Hess supõe que a reação ocorre pela conversão de reagentes nos elementos em seus estados padrões, em seguida, converte os elementos nos produtos produtos.62 DQOI - UFC
  63. 63. Exercitando Prof. Nunes Calcule o ∆Ho da seguinte reação: valores tabelados63 DQOI - UFC
  64. 64. Exercitando Prof. Nunes Calcule o ∆Hfo do PbO (s, yellow): valores tabelados64 DQOI - UFC
  65. 65. Exercício Prof. Nunes O peróxido de hidrogênio, H2O2, é um líquido incolor cujas soluções são alvejantes e antissépticas. A H2O2 é preparada num processo cuja reação global é: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O2(l) Calcular a ∆H com os seguintes dados: dados: H2O2(l) → H2O(l) + ½ O2(g) ∆H = -98,0 KJ 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ∆H = -571,6 KJ Resposta: ∆H = -187,8 KJ65 DQOI - UFC
  66. 66. Exercício Prof. Nunes A amônia, na presença de um catalisador de platina, queima no oxigênio e produz óxido nítrico, NO. 4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g) Calcule o calor da reação, à pressão constante, sabendo-se que: sabendo- que: N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) ∆H = 180,6 KJ N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = -91,8 KJ 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) ∆H = -483,7 KJ Resposta: ∆H = -906,3 KJ66 DQOI - UFC
  67. 67. Exercício Prof. Nunes Os compostos com ligações duplas carbono-carbono (C=C), como o eteno (C2H4), fixam hidrogênio numa reação conhecida como hidrogenação. C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g) Calcule o calor da reação, à pressão constante, sabendo-se que: sabendo- que: C2H4(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = -1401 KJ C2H6(g) + 7/2 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆H = -1550 KJ H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = -286 KJ Resposta: ∆H = - 137 KJ67 DQOI - UFC

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