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Diagramas de Energia
1.1- Análise Gráfica
Reação exotérmica Reação endotérmica
(a) Energia de ativação (Ea) para a reação inversa (b) Energia de ativação (Ea) para a reação direta (c) ΔH
1.2- Entropia (S) • É uma medida da ordem ou desordem de um sistema.
• Se a mudança da primeira para segunda houve um aumento na desordem.
•
S > 0
ordem S desordem S
Para qualquer substância, no estado sólido é mais ordenado do que o estado líquido e no estado líquido é mais ordenado do que o estado de gasoso.
Ssólido < Slíquido << Sgasoso
H2O (s) H2O (l) S > 0
1.3- Leis da Termodinâmica
• Primeira Lei da Termodinâmica
A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas a energia não pode ser criada ou destruída.
• Segunda Lei da Termodinâmica
A entropia do universo aumenta em um processo espontâneo e mantém-se inalterado, num processo de equilíbrio.
Processo espontâneo:
Processo de equilíbrio:
Suniv = Ssist + Svizinhança > 0
Suniv = Ssist + Svizinhança = 0
2-Mudanças de entropia no sistema (ΔSsist)
• A entropia padrão de reação (ΔS0) é a variação de entropia para uma reação nas condições de uma 1 atm e 250C.
aA + bB cC + dD
S0 dS0(D) cS0(C) = [ + ] - bS0(B) aS0(A) [ + ]
S0 S0(produtos) = S0(reagentes) -
Exemplo - 1
• Qual é a mudança de entropia padrão para a seguinte reação a 25oC?
2CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g)
S0(CO) = 197,9 J/K.mol
S0(O2) = 205,0 J/K.mol
S0(CO2) = 213,6 J/K.mol
S0 = 2 x S0(CO2) – [2 x S0(CO) + S0 (O2)]
S0 = 427,2 – [395,8 + 205,0] = -173,6 J/K.mol
• Quando os gases são produzidos (ou consumidos)
- Se uma reação produz mais moléculas de gás do que consome, > 0.
- Se o número total de moléculas de gás diminui, <0.
- Se não houver nenhuma alteração líquida no número total
de moléculas de gás e, em seguida pode ser positivo ou negativo, mas será um pequeno número.
2-Mudanças de entropia no sistema (ΔSsist)
S0
S0
S0
S0
Exemplo 2-
• Qual é o sinal da mudança de entropia para a seguinte reação?
2Zn (s) + O2 (g) 2ZnO (s)
O número total de moléculas de gás vai diminui, ΔS é negativo
Processos físicos e químicos Espontâneos
• Uma cachoeira corre morro abaixo • Um pedaço de açúcar se dissolva em uma xícara
de café • A 1 atm, a água congela abaixo de 00C e gelo
derrete acima de 00C • O calor flui de um objeto mais quente para um
mais frio objeto • Um gás expande-se em uma ampola evacuado • Ferro exposto ao oxigênio e água forma ferrugem
espontâneo
não espontâneo
3-Energia livre de Gibbs
• Processo espontâneo:
• Processo em equilíbrio:
Suniv = Ssist + Sviz > 0
Suniv = Ssist + sviz. = 0
Para que um processo a temperatura constante:
Energia livre de Gibbs (G) G = Hsist -T Ssist
G <0 A reação é espontânea no sentido direto.
G > 0 A reação é espontânea na direção inversa.
G = 0 A reação está no equilíbrio.
3-Energia livre de Gibbs
• G = H - T S
Reação ocorre espontaneamente a temperaturas elevadas.
A baixa temperatura, a reação é espontânea na direção inversa.
ΔG é sempre positivo . A reação é espontânea na direção
inversa em todas as temperaturas.
ΔG é sempre negativo. Se a reação ocorre espontaneamente em
qualquer temperaturas
Reações que ocorrem espontaneamente a baixas temperaturas. Em
altas temperaturas, a reação inversa torna-se espontânea.
3.1- Condições padrão de energia livre
• O padrão da energia livre de reação (ΔG0) é a variação de energia livre de uma reação quando ele ocorre sob condições de estado padrão.
• Energia livre de formação padrão (ΔGf0) é a
variação de energia livre que ocorre quando um mol de composto é formado a partir dos seus elementos nos seus estados padrão.
• ΔGf0 de qualquer elemento, na sua forma
estável é zero.
Convenções para estados
padrão
Estado da
matéria Estado
padrão
A forma mais estável
alotrópica a 25 º C e 1 atm
3.2- Calculo do ΔGo
• aA + bB cC + dD
G0 d G0 (D)
f c G0 (C) f = [ + ] - b G0 (B)
f a G0 (A)
f [ + ]
G0 G0 (produtos) f
= G0 (reagentes) f
-
Exemplo:
• Qual é a variação de energia livre padrão para a seguinte reação seguinte a 250C?
2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)
G0 G0 (produtos) f
= G0 (reagentes) f
-
G0 6 G0 (H2O) f 12 G0 (CO2) f
= [ + ] - 2 G0 (C6H6) f
[ ]
G0 = [ 12x–394,4 + 6x–237,2 ] – [ 2x124,5 ] = -6405 kJ
É a reação espontânea a 250 C?
G0 = -6405 kJ < 0 Espontânea
Recapitulando: Sinais de Valores termodinâmicos
Negativo Positivo
Entalpia (ΔH) Exotérmica Endotérmica
Entropia (ΔS)
Menor
desordem ou
maior ordem
Maior
desordem ou
menor ordem
Energy Livre
Gibbs (ΔG)
Espontâneo Não
espontâneo
3.3- Energia livre de Gibbs e Equilíbrio Químico
• G = G0 + RT lnQ ,
Onde:
R é a constante de gases (8,314 J / K.mol)
T é a temperatura absoluta (K)
Q é o quociente da reação
4- Energia livre de Gibbs e Equilíbrio Químico
• No equilíbrio
G = 0 Q = K
0 = G0 + RT lnK
G0 = RT lnK
Relação entre ΔGo e K como previsto pela equação
Produtos são favorecidos sobre os reagentes no
estado de equilíbrio Produtos e reagentes são igualmente favorecidos
no equilíbrio
Reagentes são favorecidos em relação aos
produtos no equilíbrio
4- Calor específico • O calor específico (cs) [a maioria dos livros utilizar
letras minúsculas c] de uma substância é a quantidade de calor (q) necessária para elevar a temperatura de um grama da substância em um grau Celsius.
• A capacidade de calorífica (C) de uma substância é a quantidade de calor (q) necessária para elevar a temperatura de uma dada quantidade (m) da substância em um grau Celsius.
C = m.cs
4.1- Quantidade de Calor
• Calor (q) pode ser absorvido ou liberado:
Q = mcs . t
Q = C t
t = tfinal - tinicial
Exemplo:
• Quanto calor é emitido quando uma barra de ferro 869g resfria de 940 C a 50C?
cs Fe = 0,444 J/g . 0C
t = tfinal – tinitial = 50C – 940C = -890C
Q = mcs t
Q = 869 g x 0.444 J/g . 0C x (– 890C)
Q = -34,000 J
4.2-Pressão constante - Calorimetria
qsist = qH2O + qcal + qpadrão
qsist = 0
qpadrão = - (qH2O + qcal)
qH2O = mcs t
qcal = Ccal t
Reação em P Constante
H = qpadrão Nenhum calor entra ou sai!
4.3- Mudanças de Fase • O ponto de ebulição é a temperatura na qual o (equilíbrio) de pressão de
vapor de um líquido é igual à pressão externa.
• O ponto de ebulição normal é a temperatura na qual um líquido ferve quando a pressão externa é de 1 atm.
4.4- Temperatura crítica
• A temperatura crítica (Tc) é a temperatura acima da qual o gás não pode ser liquefazer, não importa quão grande pressão aplicada.
• A pressão crítica (Pc) é a pressão mínima que deve ser aplicada para provocar a liquefação à temperatura crítica.
Você pode encontrar ...
O Ponto Triplo?
Pressão crítica?
Temperatura crítica?
Onde ocorre a fusão?
Onde ocorre a vaporização?
Ponto de fusão? (a 1 atm)?
Ponto de ebulição? (a 6 atm)?
Dióxido de Carbono
4.3- Mudanças de Fase
• O ponto de fusão de um sólido, ou o ponto de congelação de um líquido é a temperatura a que as fases sólida e líquida
coexistem em equilíbrio.
H2O (s) H2O (l)
4.5- Calor de fusão
• Calor molar de fusão (Δhfus) é a energia necessária para fundir a 1 mol de uma substância sólida.
4.6- Calor de sublimação
• Calor molar de sublimação (ΔHsub) é a energia necessária para 1 mol sublime de um sólido.
Hsub = Hfus + Hvap
5- Segunda lei da Termodinâmica
A entropia de um sistema isolado aumenta no decorrer de uma mudança espontânea.
No calculo da variação de entropia que ocorre quando uma substância é aquecida, precisamos usar cálculo integral, ou seja para transferências infinitesimais dq à temperatura T , o aumento da entropia também é infinitesimal :
5- Segunda lei da Termodinâmica
Quando uma quantidade infinitesimal de energia dq é fornecida como calor, a temperatura aumenta uma quantidade infinitesimal dT, logo:
Se a variação na temperatura é a volume constante, usamos a capacidade Calorífica a volume constante, Cv e se for a pressão constante Cp
5- Segunda lei da Termodinâmica
5- Considerações para expansão isotérmica
5- Considerações para expansão isotérmica
Como a pressão é inversamente proporcional ao volume