Termoquímica Parte 2 - UDESC - CCT · Quando um aluno mistura 50mL de 1,0 mol/L de HCl e 50 mL de 1,0 mol/L de NaOH em um calorímetro de copo de isopor, a temperatura da solução

TermoquímicaParte 2Parte 2

EntalpiasEntalpias de de mudançamudança de de estadoestadofísicofísico

O calor necessário para mudar o estado físico de uma substância é conhecido como:

• Entalpia de fusão ∆Hfus; ENDOTÉRMICO• Entalpia de vaporização ∆Hvap; ENDOTÉRMICO• Entalpia de condensação: EXOTÉRMICO• Entalpia de solidificação: EXOTÉRMICO

2Disciplina de Química Geral

Profa. Marcia Margarete Meier

Para água:

• Entalpia de fusão ∆Hfus = 333 J/g• Entalpia de vaporização ∆Hvap = 2.256 J/g

Exercite: Qual será o calor necessário para fundir 0,5 Kg de gelo?Qual será o calor necessário para vaporizar esta mesma quantidade de água?

EntalpiasEntalpias de de mudançamudança de de estadoestadofísicofísico



EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular

Lembrando....ligação iônica e a energia de rede

Existe atração entre os íons



Íons gasosos → sólido iônicoLibera ou absorve energia?


Íons gasosos → sólido iônico -Energia de rede

sólido iônico → Íons gasosos +Energia de rede

Libera Energia

Absorve Energia



Absorve Energia

Como determinar a Entalpia de Rede?

∆∆∆∆Hrede = Hm (íons, g) - Hm (sólido)

A entalpia de rede de um sólido não pode ser medida diretamente. Entretanto, podemos obtê-la indiretamente, por outro caminho.


Suponha que queremos saber a entalpia de rede de KCl:K+(g) + Cl-(g) → KCl (s)

A soma das

variações de

entalpia para um

processo cíclico é



processo cíclico é

zero.

Conservação da energia1ª Lei da Termodinâmica


Suponha que queremos saber a entalpia de rede de KCl:K+(g) + Cl-(g) → KCl (s)

sublimação

atomização

ionização

Afinidade eletrônica



89 +122 + 418 – 349 + 437 + ∆∆∆∆Hrede = 0

Este procedimento é conhecido como:Ciclo de Born-Haber

Inverso da formação

-717 kJ/mol


Suponha que queremos saber a entalpia de rede de NaCl:Na+(g) + Cl-(g) → NaCl (s)

EntalpiasEntalpias de de LigaçãoLigação

Em uma reação química ligações químicas existentes são quebradas e novas são formadas.

Energia fornecida para quebrar as ligações dos reagentes (∆∆∆∆H +)

Energia liberada em função das novas ligações formadas (∆∆∆∆H -)A força de uma ligação química é conhecida

como: Entalpia de ligação ∆∆∆∆HB.como: Entalpia de ligação ∆∆∆∆HB.

Bond = ligação


Considere um mol de moléculas de metano. Uma das ligações C-H poderia ser quebrada formando um mol de átomos de hidrogênio e um mol de radicais metila:

CH4(g) → CH3.(g) + H.(g) ∆HB ou D(C-H) = +439kJ/mol

A sucessiva quebra das outras ligações C-H no metano requer diferentes quantidades de energia:energia:

Obs.: Os pontos dos radicais foram omitidos na escrita.

D(C-H) = +416 kJ/mol

Entalpia de ligação média


Exercício: Estime a variação de entalpia da reação entre iodoetano gasoso e vapor de água:

CH3CH2I(g) + H2O(g) → CH3CH2OH(g) + HI(g)

DensidadeDensidade de de energiaenergia

As variações de entalpia de combustão dá uma medida do calor liberado quando uma substância queima a pressão constante. Normalmente, a variação de entalpia é referida simplesmente como calor de combustão.

A variação da entalpia por unidade de massa é chamada de densidade de energia.

Substância Composição típica

Mw(g/mol) ∆∆∆∆Hc kJ/mol ∆∆∆∆Hc kJ/gtípica

Gasolina C8H18 114 -5470 47,98

Óleo diesel C20H42 282 -8090 28,68

Gás natural CH4 16 -890 55,62

Hidrogênio H2 2 -286 143,0

Metanol CH3OH 32 -726 22,68

etanol C2H5OH 46 -1367 29,72

Fonte: Kotz, e col., 2012

Maior densidade de energia

DensidadeDensidade de de energiaenergia

CalorimetriaCalorimetria

Será que toda matéria absorve a mesma quantidade de calor?






1 kg de isopor1 Kg de ferro

Ambos são colocados sobre uma chapa aquecida e recebem a mesma quantidade de energia.Depois de 1 min qual deles estará com a maior temperatura?


A Capacidade calorífica (C) de um objeto é a quantidade de calor necessária para aumentar sua

temperatura em 1 K (ou 1oC).

Capacidade calorífica específica de 1 g de substânciaCapacidade calorífica molar de 1 mol de substância

Isopor / Ferro



Capacidade calorífica molar de 1 mol de substância

Capacidade calorífica= quantidade de calor transferidomassa(g) . Variação da temperatura

Experimentalmente: São necessários 209J para aumentar a temperatura de 50 g de água em 1K.

Isopor / Ferro

Capacidade caloríficaEspecífica (J/g)

OuCapacidade caloríficaMolar(J/mol)


Substância Calor específico(J/gK

H2O (l) 4,18

CH4(g) 2,20

CO2(g) 0,84

Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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CO2(g) 0,84

Al(s) 0,90

Fe(s) 0,45

H2O(s) 2,06

H2O(v) 1,92

O alto calor específico da água afeta o clima da Terra.


Exercício: A capacidade calorífica específica da águalíquida é 4,18 J/K.g. Calcule a energia necessária paraaquecer 1,0 mol de água de 298 K até 363 K.

Resposta: 4,9 KJ


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Exercício: Qual será a temperatura atingida pelasseguintes substâncias se receberem a mesmaquantidade de energia calculada na questão anterior?a) Glicerina (congelante) Cs = 2,42x103 J/Kg.Kb) Marmore Cs = 900 J/Kg.K

Calorimetria a pressão constante


• As paredes não perdem ou ganham calor;• O calor não escapa do calorímetro;• O calor dispendido pela reação é obtido pelasolução, onde se mede a temperatura.



A variação de temperatura ocorrida em um objetoquando ele absorve certa quantidade de energia é

determinada por sua capacidade calorífica. ∆∆∆∆T


1)Exercite:Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água nas seguintessituações:a) -50 oC a 0oC?b) 0 oC a 100oC?c) 100 oC a 200oC?



Exercite:Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água que está à-50 oC até 200oC?


C = q

Capacidade calorífica= quantidade de calor transferidomassa(g) . Variação da temperatura


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C = qm.∆T

q = C. m . ∆Tuniverso

vizinhança

sistema

q

∆H = qp

Bomba calorimétrica

(calorimetria de volume constante)


Conhecendo Ccal, determina-se qr



qr = -Ccal x ∆T


2) Exercício:Quando um aluno mistura 50mL de 1,0 mol/L de HCl e 50 mL de 1,0 mol/L de NaOHem um calorímetro de copo de isopor, a temperatura da solução resultante aumenta21oC para 27,5 oC. Calcule a variação da entalpia para a reação de neutralização, supondo que o calorímetro perde apenas uma quantidade desprezível de calor, que o volume total da solução é 100mL, que sua densidade é 1,0 g/mL e que seu calorespecífico é 4,18 J/g K.


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específico é 4,18 J/g K.


O calor que sai dos sistema é recebido na vizinhança.

Se uma reação química de combustão ocorre dentro da bomba preenchida com oxigênio, este calor causará aumento da

temperatura da vizinhança. Portanto:


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qreação = q vizinhançaÁgua e paredes do calorímetro

Capacidade calorífica do calorímetro, Ccal

qreação = Ccal.∆T


Exercício: Determinando a produção de calor através de um calorímetro calibrado:

1) Calibração do calorímetro (quanto calor o equipamento absorve)

Suponha que tenhamos fornecido 80,0 kJ de calor para um calorímetro aquecendo-o eletricamente e que observamos que a temperatura do calorímetro aumento em 8,40 oC.


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calorímetro aumento em 8,40 oC. Qual a capacidade calorífica do calorímetro? Resposta: 9,52 kJ/K

2) Utilizando o calorímetro calibrado

Se sob condições idênticas, uma reação ocorrendo no calorímetro resulta em um aumento na temperatura de 20,0oC para 25,2oC, qual será a quantidade de calor liberada da reação química? Resposta: -50kJ

3) Exercício:Determine ∆Hor para a reação de combustão do etanol gasoso?

Sabe-se que:∆Ho

f etanol(g) = -234,8 kJ/mol∆Ho

f CO2(g) = -393,5 kJ/mol∆Ho

f H2O(g) = -241,8 kJ/mol

4) Um botijão de gás de uso doméstico contém 13 Kg de butano. A)Qual a energialiberada na combustão completa de um botijão de butano?


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liberada na combustão completa de um botijão de butano?B) Quanta água consegue-se evaporar com um botijão de gás doméstico?C) Se 13Kg de etanol for utilizada para gerar energia para vaporizar água, qualcombustível (etanol ou butano)conseguirá evaporar mais água?

Dado :∆Ho

f butano(g) = -125,7 kJ/mol

Para entregar próxima aula:

Quanto calor deve ser absorvido para aquecer 25,0 g de metanol líquido, CH3OH, de 25,0 oC a seu ponto de ebulição (64,6 oC) e para evaporar então completamente o metanol nessa temperatura? O calor específico do metanol líquido é 2,53 J/g.K e o calor de vaporização do metanol é 2,00 x 103 J/g.


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Faça um diagrama de temperatura vs. calor para o processo.

CapacidadeCapacidade caloríficacalorífica de gasesde gases

Para os gases, a capacidade calorífica depende se o aquecimento do gás é realizado à pressão constante ou à volume constante.

Cp Cv


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Cp Cv

Cp,m = Cv,m +RPara gases ideais de moléculas lineares: Cv,m = 5/2 R

de moléculas não lineares: Cv,m = 3R

CapacidadeCapacidade caloríficacalorífica de gasesde gasesComo chegamos:

O que esta equação significa?

A capacidade de armazenar calor dos gases é maior quando estão à pressão constante do que quando estão à volume contante.

CapacidadeCapacidade caloríficacalorífica de gasesde gases

Exercício:

Calcule a temperatura final quando 500J de energia são transferidos como calor a 0,900 mol de O2 a 298 K e 1,00 atm.a) à volume constante; Resposta: +26,7 Kb) à pressão constante Resposta: +19,1 Kb) à pressão constante Resposta: +19,1 K

Considere comportamento de gás ideal.

Observe que à pressão constante a temperatura do gás não tanto quanto à volume constante, apesar da mesma quantidade de energia ter sido transmitida. Por que?

Para que a pressão se mantenha constante quando calor é fornecido ao sistema, o volume irá aumentar, exercendo trabalho sobre a vizinhança.Portanto, parte da energia fornecida (500J) transformou-se em trabalho e parte causou aumento da velocidade de agitação das moléculas.

w

VariaçãoVariação de Cde Cpp emem funçãofunção de Tde T

Gás a b (10-3K-1) c(10-5K2)

Br2 37,32 0,50 -1,26

Variação das capacidades caloríficas molares com a temperatura


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Cl2 37,03 0,67 -2,85

NH3 29,75 25,1 -1,55

O2 29,96 4,18 -1,67

CCpp e Ce Cvv

1) Avalie ∆E para um mol de oxigênio, O2, indo de -20,0 oC até 37oC a volume constante, nos seguintes casos:

a) Comporta-se como gás ideal com Cv = 20,78 J/mol.Kb) Comporta-se como gás real com Cv = 21,6 + 4,18x10-3 T – (1,67x105)/T2


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2) Considere 1 mol de gás ideal a uma pressão inicial de 1,00 atm e temperatura inicial de 273,15 K. Assuma que ele se expande adiabaticamente (sem troca de calor) contra uma pressão externa de 0,435 atm, até que seu volume se duplique. Calcule o trabalho a temperatura final e o ∆E do processo.

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