ÁLCOOL OU GASOLINA ? OU TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS

ÁLCOOL OU GASOLINA ?

OU

TERMOQUÍMICATERMOQUÍMICAA QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS.

OS PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DO CALOR E DO TRABALHO SE APLICAM,

NO ESTUDO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA E NAS MUDANÇAS DO ESTADO FÍSICO

DE UMA SUBSTÂNCIA.

pilh

a

OBSERVE OSFENÔMENOS

NELES,OCORREM TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS E (OU) QUÍMICAS

ENVOLVENDO VÁRIOS TIPOS DE ENERGIA, INCLUSIVE ENERGIA TÉRMICA.

Energia e Energia e QuímicaQuímica

2 H2 H22(g) + O(g) + O22(g) --> 2 H(g) --> 2 H22O(g) + O(g) + calor e luzcalor e luz Pode ser usada para fornecer Pode ser usada para fornecer ENERGIA ELÉTRICA em uma ENERGIA ELÉTRICA em uma célula a combustível.célula a combustível.Oxidação:Oxidação:2 H2 H22 ---> 4 H+ + 4 e- ---> 4 H+ + 4 e-Redução: Redução: 4 e- + O4 e- + O22 + 4H+ ---> 2 H + 4H+ ---> 2 H22OO

Energia e QuímicaEnergia e Química

ENERGIAENERGIA é a capacidade é a capacidade de realizar trabalho ou de realizar trabalho ou transferir calor.transferir calor.

CALORCALOR é a forma de é a forma de energia que flui entre energia que flui entre dois objetos devido à dois objetos devido à sua diferença de sua diferença de temperatura. temperatura.

Outras formas de energia Outras formas de energia ——

luzluz elétricaelétrica Cinética e potencialCinética e potencial

EnergiaEnergia PotencialPotencial e e CinéticaCinética

Energia PotencialEnergia Potencial – – energia que um energia que um

corpo estático corpo estático possui devido à sua possui devido à sua

posição.posição. Energia Energia

cinética cinética — — energia energia do movimentodo movimento

Energia Potencial em Escala Energia Potencial em Escala AtômicaAtômica

Partículas positivas e negativas (íons) se atraem.

Dois átomos podem se ligar

À medida que as partículas se atraem, sua energia potencial diminui

NaCl — composto por íons Na+ e Cl-NaCl — composto por íons Na+ e Cl-

Energia Interna Energia Interna (E)(E)EP + EC = Energia Interna (E ou U)EP + EC = Energia Interna (E ou U)

Energia Interna Energia Interna (E)(E)Quanto mais alta Quanto mais alta

a temperatura, a temperatura, maior a energia maior a energia internainterna

Portanto, usamos Portanto, usamos variações de T variações de T (∆T) para (∆T) para monitorar monitorar variações em E variações em E (∆E).(∆E).

TermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmica é a

ciência da transferência de calor (energia)

Energia térmica é Energia térmica é associada aos associada aos movimentos movimentos moleculares.moleculares.

Calor é transferido até que o equilíbrio térmico seja estabelecido.

Direcionalidade da Direcionalidade da Transferência de CalorTransferência de Calor

Calor é sempre transferido do objeto mais quente ao mais frio.

EXOtérmico: O calor é transferido DO SISTEMA para a VIZINHANÇA

T(sistema) diminuiT(sistema) diminuiT(viz) aumentaT(viz) aumenta

Direcionalidade da Direcionalidade da Transferência de CalorTransferência de Calor

Calor é sempre transferido do objeto mais quente ao mais frio.

ENDOtérmico: calor é transferido DA VIZINHANÇA para o SISTEMA.

T(sistema) aumentaT(sistema) aumentaT (viz) diminuiT (viz) diminui

CALOR - energia que flui de um sistema com temperatura mais alta para o outro com temperatura mais baixa.

SISTEMA - tudo aquilo que se reserva do universo para estudo.

ENERGIA QUÍMICA - trabalho realizado por um sistema através de reações químicas.

ENERGIA - resultado do movimento e da força gravitacional existentes nas partículas formadoras da matéria.

TRABALHO - deslocamento de um corpo contra uma força que se opõe a esse deslocamento.

CONCEITOS IMPORTANTES

SISTEMA ABERTOSISTEMA ABERTO

SISTEMA FECHADOSISTEMA FECHADO

SISTEMA ISOLADOSISTEMA ISOLADO

ENTALPIA ENTALPIAENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA

SOB PRESSÃO CONSTANTE, RESUMIDAMENTE, PODEMOSDIZER QUE É O CONTÉUDO DE CALOR DA SUBSTÂNCIA.

ENERGIA INTERNA ENERGIA INTERNAENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA

SOB VOLUME CONSTANTE.

O PROCESSO DE MEDIDA DOS CALORES DE REAÇÃO É DENOMINADO CALORIMETRIA.

O APARELHO QUE MEDE A ENTALPIA DA REAÇÃO É DENOMINADO CALORÍMETRO.

CALORIA é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1ºC a temperatura de 1 g de água.

JOULE é a quantidade de energia necessária para deslocar uma massa de 1kg, inicialmente em repouso,fazendo percurso de 1 metro em 1 segundo.

1 cal = 4,18 J

1 kcal = 1000 cal

1 kJ = 1000 J

EFEITOS ENERGETICOS NAS REAÇÕES QUÍMICAS

6CO 2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

LUZ

CLOROFILAGLICOSE

Na fotossíntese ocorre absorção de ENERGIA

C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O

Na combustão do etanol ocorre liberação de ENERGIA

ETANOL

A TERMOQUÍMICA ESTUDA AS MUDANÇASTÉRMICAS ENVOLVIDAS NAS REAÇÕES QUÍMICAS

* quando envolve liberação de calor, denomina-se REAÇÃO EXOTÉRMICA.

*

Quando envolve absorção de calor,denomina-se REAÇÃO ENDOTÉRMICA.

EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA

É a representação de uma reação química em que estáespecificado:* o estado físico de todas as substâncias.

* o balanceamento da equação.

* a variação de calor da reação ( H ).

* as condições físicas em que ocorre a reação, ou seja, temperatura e pressão. ( 25ºC e 1atm é o comum)

* variedade alotrópica quando existir.

Segue alguns exemplos...

REAÇÃO EXOTÉRMICA

2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) H= – 20,2 kcal

2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) + 20,2 kcal

REAÇÃO ENDOTÉRMICA

Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) H= + 267,0 kcal

Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) 267,0 kcal


2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) H = – 20,2 kcal

2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) + 20,2 kcal


Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) H = + 267,0 kcal

Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) 267,0 kcal

OBSERVE OS SINAIS

OBSERVE OS SINAIS

CÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIACÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA

A + B C + D HR HP

HP ENTALPIA PRODUTO

HR ENTALPIA REAGENTE

H VARIAÇÃO DE ENTALPIA

∆H = HP - HR

A + B C + D + CALOR


A + B + CALOR C + D


HR

HR

HP

HP

HP ENTALPIA PRODUTO

HR ENTALPIA REAGENTE

H VARIAÇÃO DE ENTALPIA

Não esqueça:

HR

HP

A + B C + D +

HR HP >ENTÃO

HR HP = +


O SENTIDO DA SETASERÁ SEMPRE DO REAGENTE

PARA O PRODUTO

CAMINHO DA REAÇÃO

∆H< 0 ∆H< 0

HP

HR

A + B + C + D

Hp Hr >ENTÃO

Hr

Hp = +


O SENTIDO DA SETASERÁ SEMPRE DO REAGENTE

PARA O PRODUTO

CAMINHO DA REAÇÃO

∆H> 0 ∆H> 0

A + B C + D + CALOR


A + B + CALOR C + D


H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES)

Se HR HP H > 0

Se HR > HP H < 0



* Convencionou-se entalpia zero para determinadas substâncias simples, em razão de não ser possívelmedir o valor real da entalpia de uma substância.

* Foram escolhidas condições-padrão para estabelecer medidas relativas.

* Terá entalpia zero qualquer substância simples que se apresente nos estados

físico e alotrópico mais comum, a 25ºC e 1atm de pressão.

OBS.:

ENTALPIA ZEROHº = 0

ENTALPIA MAIOR QUE

ZERO Hº 0H2(g), N2(g) e etc

O2(g)

C(grafite)

S(rômbico)

P(vermelho)

--- O3(g)

C(diamante)

S(monoclínico)

P(branco)

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ENTALPIA ZEROHº = 0

ENTALPIA MAIOR QUE

ZERO Hº 0H2(g), N2(g) e etc

O2(g)

C(grafite)

S(rômbico)

P(vermelho)

--- O3(g)

C(diamante)

S(monoclínico)

P(branco)

* A forma alotrópica menos estável tem entalpia maior que zero.

Observe a reação de formação (síntese )de um mol de água, a 25ºC e 1 atm de pressão.

H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g)

Cálculo da entalpia de formação:

H = H(produtos) - H(reagentes)

H = H(produtos) – H(reagentes)

H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = ?

H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))

Hº H2(g )= Hº O2(g) = zero

H = HºH2O(l) HºH2O(l)= – 68,4kcal/mol

COMO

eENTÃO

H = – 68,4kcal/mol


H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = ?

H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))





H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = –68,4kcal/mol

H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))




CÁLCULOS DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA

LEI DE HESSA entalpia de uma reação depende apenas dos estados iniciais

e finais da reação, não depende dos estados intermediários, ou seja a reação é a mesma para uma ou mais etapas.

Ex. 1 - Cálculo da entalpia da reação de formação do gás carbônico:

C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = ? kcal/mol

OBSERVE AS EQUAÇÕES:

C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H = – 26,4kcal/mol

CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H = – 67,6kcal/mol

EFETUAMOS A SOMA ALGÉBRICA DAS MESMAS.

1ª etapa: C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = – 26,4kcal/mol

2ª etapa: CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = – 67,6kcal/mol


CONCLUINDO H = H1 + H2


Note que os termos semelhantes em membros opostos se anulam.

Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g)

1ª etapa : C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = -26,4kcal/mol

2ª etapa : CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = -67,6kcal/mol

Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = -94,0kcal/mol

Observe que o processo é puramente algébrico.

1ª etapa : C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = -26,4kcal/mol

2ª etapa : CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = -67,6kcal/mol

Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = -94,0kcal/mol

Observe que o processo é puramente algébrico.

H = H1 + H2 = -94,0kcal/mol

Ex 2 - Dadas as equações:

C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0kcal/mol

H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol 68,4kcal/mol

C(grafite)+ 2H2(g) CH4(g) H3 = – 17,9kcal/mol

Calcular a entalpia da reação:

CH4(g) + O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)

Resolução:As equações dadas deverão ser arrumadas de tal modoque a sua soma resulte na equação-problema.


H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol68,4kcal/mol

C(grafite)+ 2H2(g) CH4(g) H3 = – 17,9kcal/mol

Equação-problema:

CH4(g) + O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)

I)

II)

III)

Agora vamos identificá-las com algarismos romanos.

Agora, invertemos a equação III de modo a obter ometano ( CH4 ) como reagente.

CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9kcal/mol

Observe a inversão de sinal do H3

Devemos manter a equação I pois dessa formaobteremos gás carbônico como produto.


2( H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol– 68,4kcal/mol))

Multiplicar por 2 a equação II para que os coeficientesfiquem ajustados.

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/molO H2 também é

multiplicado

Finalmente aplica-se a soma algébrica das equações, inclusive das variações de entalpia.

CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9 kcal/mol

C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0 kcal/mol

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/mol

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CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9 kcal/mol

C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0 kcal/mol

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/mol

_____________________________________________________________

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g)+ 2H2O(l) H = – 212,9 kcal/mol– 212,9 kcal/mol

Observe os cortes:

H = H1 + H2 + H3

CALORES PADRÃO DE FORMAÇÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO

O índice sobrescrito º significa estado

padrão.

O índice subscrito f significa formação.

.

É o calor desenvolvido na formação de um mol de determinado composto, a partir das substâncias

simples correspondentes no estado padrão.

Representa-se por: Hfº

REAÇÃO DE FORMAÇÃO - é aquela em que um mol de um único composto é formado a partir de substâncias simples no estado padrão.Exs.: C(grafite )+ O2(g) CO2(g)

H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l)

Os valores de H são pré-estabelecidos e encontrados em tabelas, para aqueles compostos que estejam na sua

forma mais estável a 1 atm de pressão, ou seja, no estado padrão.

1 mol

1 mol

SUBSTÂNCI A Hº (kcal/mol) SUBSTÂNCI A Hº (kcal/mol)

H2O(v) -57,8 NH3(g) -11,0

H2O(l) -68,4 HF(g) -64,2

H2O(s) -69,8 HCl(g) -22,1

CO(g) -26,4 HBr(g) -8,7

CO2(g) -94,1 HI (g) -6,2

CH4(g) -17,9 HNO3(l) -41,5

H3COH(l) -57,0 C12H22O11(s) -531,5

C2H5OH(l) -66,4 NaCl(s) -98,5

CALOR PADRÃO DE COMBUSTÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE COMBUSTÃO

É o calor liberado na combustão total de um mol de uma substância em que os componentes dessa reação estão noestado-padrão.

H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l) H=–68,4kcal/mol

C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l) H=–325 kcal/mol

COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O2) em queocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )

COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O2) em queocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )

O PODER CALÓRICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS

A gasolina possui maior poder clalorífico que o álcool. Para cada litro de gasolina queimado são produzidos

aproximadamente 8000 quilocalorias, enquanto para cada litro de álcool queimado, temos a produção de

aproximadamente 5000 quilocalorias.

Veja a tabela de calorias de alguns alimentos, a seguir.

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ALIMENTO Kcal/g ALIMENTO kcal/g

Cerveja 0,3 Feijão 3,5

Leite 0,7 Arroz 3,6

Peixe carne branca 0,8 Queijo prato 3,7

Batata 1,1 Carne de vaca 3,9

Ovos 1,6 Açúcar 3,9

Sorvete 1,7 Farinha de soja 4,3

Frango 2,3 Chocolate 5,2

Pão branco 2,3 Amendoim 5,6

Bife 2,7 Carne de porco 5,8

Milho 3,4 Manteiga 7,5

CALOR DE DISSOLUÇÃO OU ENTALPIA DE DISSOLUÇÃO

É o calor desenvolvido ( liberado ou absorvido) provocado pela dissolução de um mol de substância, numa quantidade

de água suficiente para se obter uma solução diluída, no estado padrão.

H2SO4(l) + aq H2SO4(aq) H = – 22,9 kcal/mol– 22,9 kcal/mol

KNO3(s) + aq KNO3(aq) H = + 8,5 kcal/mol,5 kcal/mol

CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO OU ENTALPIA DE NEUTRALIZAÇÃO

É o calor liberado na neutralização de um equivalente-grama de um ácido por um equivalente-grama de uma base, ambos

em soluções aquosas diluídas, no estado padrão.

HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l) H = –13,8 kcal/eq-g–13,8 kcal/eq-g

HNO3(aq) + LiOH(aq) LiNO3(aq) + H2O(l) H = –13,8 kcal/eq-g–13,8 kcal/eq-g

OBS.: Para ácidos e bases fortes o H será sempre o mesmo.

A variação de entalpia de uma reação pode ser calculada, conhecendo-se apenas as entalpias de formação dos seus reagentes e produtos.


C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) H = ? – kcal/mol

Consultando a tabela de calores de formação:

SUBSTÂNCIAS

C3H8(g)

CO2(g)

H2O(g)

O2(g)

-24,8kcal/mol-94,1kcal/mol-57,8kcal/mol

zero

Observe a equação:


H = [ 3(-94,1) + 4(-57,8)] - (-24,8 + zero)

H = [3HCO2(g)+ 4H H2O(g) ] - ( HC3H8(g)+ 5 HO2(g) )

H = - 488,7 kcal/mol

ENERGIA DE LIGAÇÃOENERGIA DE LIGAÇÃO

É A ENERGIA NECESSÁRIA PARA ROMPER UM MOL DE LIGAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA NO ESTADO GASOSO.

EX. Para romper um de ligação H – O são necessárias 110kcal.

Para romper um de ligação H – C são necessárias 100kcal.

Para romper um de ligação O = O são necessárias 118kcal.

.* esses valores são tabelados

Para romper um mol de água no estado gasoso, teremos:

H2O(l) 2H(g) + O(g) H = ? kcal/mol

O

H H

110Kcal 110kcal

H2O(l) 2H(g) + O(g) H = 220 kcal/mol

Observe a reação em que todos os participantes estão no estado gasoso:

H |

C— O — H + 3/2O2 O = C = O + 2H2O |H

H—

Para romper as ligações intramoleculares do metanol e dooxigênio, serão absorvidos, para:1 mol de O — H +464,0 kj + 464,0 kj1 mol de C — O +330,0 kj + 330,0 kj3 mols de C — H 3 (+413,0 kj) + 1239,0 kj 3/2 mols de O = O 3/2 (+493,0 kj) + 739,5 kj TOTAL ABSORVIDO + 2772,5 kj

H |

C— O — H + 3/2O2 O = C = O + 2H2O |H

H—

Para formar as ligações intramoleculares do CO2 e da água, serão liberadas:

2 mols de C = O 2 (-7444,0 kj) -1 488,0 kj2 mols de H — O 2 ( - 464,0 kj) - 928,0 kj TOTAL LIBERADO -2 416,0 kj

Cômputo dos produtos:

+ LIGAÇÃO ROMPIDAreagentes)

- LIGAÇÃO FORMADA(produtos)

O cálculo final será:

H = 2 772,5kj + (- 2 416kj)

H = 356,5kj

CALOR LIBERADO

CALOR ABSORVIDO

H =

A quebra de ligação envolve absorção de calor

Processo endotérmico

A formação de ligação envolve liberação de calor

Processo exotérmico

H H—

H H—

FIM

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ÁLCOOL OU GASOLINA ? OU TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS