47
Relações de energia em Química

Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Relações de energia em Química

Page 2: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

11--

TermoquTermoquíímicamica Termodinâmica -

o estudo da energia e suas

transformações. Alterações termoquímicos -

alterações de

energia associados com reações químicas. Sistema

é

a parte específica do universo de

interesse para nós Vizinhança

ou

Arredores

a parte do universo

não contidas no sistema.

Page 3: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

1.11.1--Tipos de Tipos de sistemassistemasSistema

aberto

trocas

de massa e

energiaSistema

fechado

trocas de energia,

mas nenhuma massaSistema

isolado

nenhuma troca de

qualquer massa ou energia

Page 4: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

1.11.1--Tipos de Tipos de sistemassistemas

SistemaAberto

Isolamento

Sistema lsoladoSistema

Fechado

Tampa/cortiça

Page 5: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

1.21.2--Diferentes Diferentes tipostipos

de de energiaenergiaEnergia -

a capacidade de fazer trabalho.

A energia térmica -

associado aos movimentos aleatórios de átomos e moléculas.Energia térmica -

a transferência de

energia térmica entre dois objetos em diferentes temperaturas.

Page 6: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

1.21.2--Diferentes Diferentes tipostipos

de de energiaenergia

Energia química -

energia armazenada no interior das unidades estruturais da substância química.Energia potencial -

a capacidade de um

objeto para realizar o trabalho por causa de sua posição em um campo de força.

Page 7: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

1.21.2--

DiferentesDiferentes

tipostipos

de de energiaenergia

Energia cinética -

o trabalho que pode ser realizada por um objeto em movimento.

Unidade

de energia1 Joule (J)=1 kg m2/s2

Antiga unidade de energia1 calorie (cal)

= 4,184 J

Page 8: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

22--

Lei da ConservaLei da Conservaçção da Energiaão da Energia

A energia é

criada nem destruída em processos químicos e físicos.

Convertida de um tipo para outra.

Isso também é

expressa em termos da primeira lei da termodinâmica

Page 9: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.1-

Primeira lei da termodinâmica

if EEE

E = variação de energia interna do sistema

Ef e Ei a energia dos estados final e inicial, respectivamente

Page 10: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.12.1--

PrimeiraPrimeira

Lei Lei dada

TermodinâmicaTermodinâmica

As reações químicas absorvem ou libertaram energia.

Reação exotérmica

o sistema

libera

calor para o ambiente.Endotérmico reação calor é

fornecido ao

sistema pelo ambiente.

Page 11: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.1.12.1.1--

PrimeiraPrimeira

Lei Lei ConsolidadaConsolidada

Sistemas química -

a conversão de energia térmica em trabalho.

wqEEE if

Page 12: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.22.2--

Sinais de calor e trabalhoSinais de calor e trabalho

Trabalho realizado pelo sistema no ambiente, ou seja, o

sistema

perdeu

energia

para

sua

vizinhança.

w < 0, ou

seja, é

negativo.

Trabalho realizado pelo ambiente no sistema, ou seja , sistema

ganhou

energia

de sua

vizinhança.

w > 0, ou

seja

, é

positivo

q < 0, fluxos de calor para ambientes

Exotérmico

(negativo)

q > 0, calor flui para o sistema

Endotérmico

(positivo)

Page 13: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.32.3--

PressãoPressão--volume de volume de trabalhotrabalho

w = -Pop

V w = -Pop

(Vf

-Vi

)

Este é

o tipo de trabalho realizado pelos pistões nos motores de nossos automóveis!

Quanto maior a magnitude do Pop

, o gás tem de "trabalhar mais" para obter a mesma mudança de volume .

Page 14: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.32.3--

PressãoPressão--volume de volume de trabalhotrabalho

Page 15: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

2.42.4--

FunFunçções do Estado e Caminhoões do Estado e Caminho

E, H, V são exemplos de funções do estado. Funções

do estado–

valor numérico não depende de

como o processo é

realizado.

Trabalho (w) e q (calor) são funções caminhoA quantidade de trabalho realizado ou calor liberado

depende de como as mudanças no estados do sistema.

Page 16: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Entalpia (H) é

utilizada para quantificar o fluxo de calor para dentro ou para fora de um sistema de um processo que ocorre a uma pressão constante.

H = calor emitida ou absorvida durante a reação a uma pressão constante

Page 17: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Examine reação

química.C (s) + O2 (g)

CO2 (g)

E = E[CO2 (g)

] –

E[C(s)

] –

E[O2(g)

]

Esta reação tem uma variação de entalpia negativa (H = -393,5 kJ).

Page 18: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Pela primeira lei

meio

E + sist

E = 0meio

E = -sist

E

A energia "perdida" do sistema é

"ganha" nos arredores.

Page 19: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

33--

Entalpias de formaEntalpias de formaçção ão --

entalpias entalpias padrão de reapadrão de reaççãoão

A variação de entalpia para a reaçãor

H = H(produto) -

H(reagentes) Não podemos medir os valores absolutos

das entalpias!! Como nós, "medimos" entalpias (ou o

conteúdo de calor) de espécies químicas ?

Page 20: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.13.1--

ReaReaççãoão

de de formaformaççãoão

A Termodinâmica química é

o ponto de referência ."

Para CO e o CO2

C (s) + O2

(g) CO2

(g)C (s) + ½

O2

(g) CO (g)

A "formação" de CO e CO2

a partir de seus elementos constituintes em seus estados padrão em condições habituais.

Page 21: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Para a formação

de 1,0 mol de Na2

SO3

(s)

2 Na(s) + S(s) + 3/2 O2

(g)

Na2

SO3

(s)

A entalpia de formação "de Na2

SO3

(s)’,simbolizado

por

f

H[Na2

SO3

(s)]

3.13.1--

ReaReaççãoão

de de formaformaççãoão

Page 22: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 23: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.13.1.1--

CondiCondiçções Padrão de reaões Padrão de reaçções ões termodinâmicastermodinâmicas

O sinal de grau, seja

ou , indica condições normaisP = 1,00 atm[espécies

aquosas] = 1,00 mol/L

T = temperatura

do interesse

(nota: 25C ou 298 K é

usado nas tabelas nos textos.

Estado alotrópico

mais

estável.

Page 24: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.23.1.2--

Importância da entalpia de formaImportância da entalpia de formaççãoão

f

é

uma

quantidade

mensurável!

Compare CO (g) com CO2

(g) C (s) + 1/2 O2

(g) CO (g)f

[CO(g)] = -110,5 kJ/mol

C (s) + O2

(g) CO2

(g)f

[CO2

(g)] = -

393,5 kJ/mol

A entalpia de formação para o CO2 (g)

é

maior do que a entalpia formação de CO (g)

.

Page 25: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.33.1.3--

EntalpiasEntalpias

((calorescalores) de ) de reareaççõesõesEntalpias de formação -

ponto de

referência termodinâmica.

Formação dos elementos e substâncias simples é

uma reação nula –

f

H (elementos) = 0 kJ / mol.

Page 26: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 27: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Lei de Hess

Lei de Hess: Quando reagentes são convertidos em produtos, a variação da entalpia é

o mesmo se a reação tem lugar

em um passo/etapa ou de uma série de etapas.

Entalpia é

uma função de estado. Não importa como você chegar lá, apenas quando você começa e termina.

Page 28: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

Calcular a entalpia padrão de formação de CS2 (l) , sendo dados:

C(grafite) + O2

(g) CO2

(g)

H0

= -393.5 kJf

S(rombico)

+ O2

(g) SO2

(g)

H0

= -296.1 kJf

CS2(l)

+ 3O2

(g) CO2

(g)

+ 2SO2

(g)

H0

= -1072 kJ

Page 29: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.43.1.4--

CombustãoCombustão

de de PropanoPropanoEntalpia de formação do C3

H8(g)

: 3Cgrafite

+ 4H2(g)

→ C3

H8(g)

∆Hºf= -103,85kJ

Entalpia de formação do CO2(g)

: ∆Hºf= -

393,5 kJ

Entalpia de formação da H2

O(l) : ∆Hºf= -

285,8 kJ

CombustãoCombustão

de de PropanoPropano

C3

H8(g)

: C3

H8 (g)

+ 5 O2 (g) →

CO2 (g)

+ H2

O (l)

∆H= ?

Page 30: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.53.1.5--

EquaEquaççãoão

geralgeral

Calcule mudanças de entalpia das entalpias de formação, como segue

-Inverter uma reação, o sinal da variação de entalpia para a reação é invertida. -Multiplicar uma reação por um número inteiro, a variação de entalpia é multiplicado pelo mesmo número inteiro.

reactants HnproductsHnH frfpr

Page 31: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.63.1.6--

Outras importantes mudanOutras importantes mudançças de entalpiaas de entalpia

Muitos outros processos importantes estão associado a mudanças de entalpia. A medição das mudanças de calor para

esse processo pode nos dar alguns conhecimentos sobre as mudanças nas forças intermoleculares que ocorrem durante a transformação.

Page 32: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.1.73.1.7--

EntalpiaEntalpia

((EnergiaEnergia) de ) de ligaligaççãoão

Olhe para o seguinte processo.

NaCl

(s) Na+

(g) + Cl-(g)

H = Hlig

. = +788 kJ/mol Energia

de ligação

Na+

(g) + Cl-(g) H2

O

Na+

(aq) + Cl-(aq)H = -784 kJ/mol

A 1ª

é

uma

reação

muito

endotérmica, devido

à

força da ligação

iônica!

Page 33: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 34: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 35: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 36: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.23.2--

Calor de dissoluCalor de dissoluççãoão..

dissol

H

= o calor absorvido ou emitido quando uma quantidade de soluto (1mol) é

dissolvido numa

quantidade grande de solvente.

NaCl

(s) + H2

O Na+

(aq) + Cl-

(aq) H = + 4 kJ/mol

Page 37: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.33.3--

Calor de diluiCalor de diluiççãoão

Para o processo,HCl

(aq, 6 M) HCl

(aq, 1 M).

Uma quantidade significativa de calor é libertado quando a solução de ácido é

diluída.

Esta é

a entalpia de diluição do ácido. dil

H = H(sol 2) – H(sol,1)

Page 38: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

3.43.4--Calor Calor latentelatente

Calor Latente são as mudanças de entalpia associados com as transições de fase.

H2

O (l) H2

O (g) r

H = vap

H

entalpia

de vaporizaçãoH2

O (s) H2

O (l) r

H = fus

H

entalpia

de fusão

.H2

O (s) H2

O (g) r

H = sub

H

entalpia

de sublimação

.

Page 39: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal
Page 40: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

44--

AlimentosAlimentos

e e combustcombustííveisveis A maioria das reações químicas que

produzem calor são reações de combustão. Nota -

todas as reações de combustão são

exotérmicas. Valores de combustível são geralmente

relatados como quantidades positivas .Obtendo valores dos combustíveis –

calorimetria .

Page 41: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.14.1--

Calorias, calorias dos alimentos, e kJCalorias, calorias dos alimentos, e kJ

Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte1 porção

cereal = 30 g cereal = 132 cal (490 kJ).

Não

é

1 caloria

= 4,184 J (não

4184 kJ)?Os valores de combustível de alimentos são

relatados como calorias alimentares (cal). 1,00 teor

calórico

dos alimentos

= 1000

calorias

térmicas

(cal) = 4184 J = 4,184 kJ.

Page 42: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.24.2--

Combustão de carboidratos e Combustão de carboidratos e gordurasgorduras

A maior parte das necessidades energéticas do nosso corpo vem da queima de açúcar e gorduras.

Para a glicose (açúcar no sangue) de combustão

C6

H12

O6 (s) + 6O2

(g)6 CO2 (g)

+6H2

O(l) r

H

= -2816 kJ

Esta energia é

fornecida rapidamente para o corpo !

Valor médio de combustível de carboidratos =

17 kJ/g.

Page 43: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.34.3--

GordurasGorduras

A combustão (metabolismo) de gorduras também produz CO2

e H2

O.

A combustão

de triestearina

C57

H110

O6 (s)

+163/2 O2

(g) 57 CO2 (g)

+ 55 H2

O (l).r

H

= -37.8 x 104

kJ

Page 44: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.3.14.3.1--

Valor de energValor de energéético de Gordurastico de Gorduras

As gorduras são reservas de energia do corpo!

Insolúvel

em

água.

Valor médio

de energia

= 38 kJ/g –

cerca de duas vezes a dos hidratos de carbono.

Page 45: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.44.4--

ConteConteúúdodo

calcalóóricorico

Para as proteínas -

valor médio do combustível = 17 kJ / g, aproximadamente o mesmo valor que para os hidratos de carbono.

As quantidades relativas de proteínas, gorduras e hidratos de carbono em alimentos determina o teor calórico.

Page 46: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.54.5--

CombustCombustííveisveis

FFóósseissseis

Carvão, petróleo e gás natural são conhecidos como combustíveis fósseis. Eles são coletivamente a principal fonte de energia para o consumo comercial e pessoal.

Os combustíveis fósseis são misturas de vários tipos diferentes de compostos orgânicos.

Os valores de combustível de combustíveis fósseis está

diretamente relacionada com a quantidade de

carbono e hidrogênio no combustível.

Page 47: Relações de energia em Química - joinville.udesc.br · 4.1-Calorias, calorias dos alimentos, e kJ Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal

4.54.5--

HidrogênioHidrogênio

comocomo

combustcombustíívelvel

O hidrogênio tem um valor de combustível enorme (142 kJ/g).

O produto da combustão é

inócuo -

a água.Obviamente, existem

problemas

!

Duas grandes dificuldades com H2

como uma fonte de combustível Onde é

que vamos obter o hidrogênio?

Como podemos armazenar o hidrogênio?