Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares...
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Água e Termodinâmica
Alice Newton
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Molécula de água
• covalente• Polar• momento dipolar• dois pares de electrões no O• repulsão, angulo ~ 105º• atracção intermolecular• ligações (pontes) de H
(Russell cap 12)• importantes consequências• propriedades especiais da
água
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Estrutura da águaGelo: o estado
sólido
• diferentes nos estados s,l,g• (s), gelo, estrutura cristalina
(ver folha)densidade (s) <( l)
• na formação de gelo em águas naturais, o sais são inicialmente excluídos da matriz, portanto a concentração do soluto no liquido aumentaMillero & Sohn cap.4
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Água no estado liquido
• Algumas moleculas aglomeradas
• Alguns característicos cristalinos
• Algumas moleculas individuais
• Estrutura mais compacta c.f. gelodensidade (l) > (s)
(ver folha)
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Vapor: Água no estado gasoso
• Todas as ligações intermoleculares são quebradas (pontes de H)
• Expansão até encher o volume disponivel
• Pressão aumenta com temperatura ~ leis dos gases
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Propriedades especiais da água
• efeitos globais, efeitos na química
• termodinâmica• soluções• gases• equilibrio químico• Open University:
Seawater...• Millero & Sohn: Chemical
Oceanography
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Água e água do mar
• Água é componente principal da água do mar
• no entanto... água pura tem um comportamente muito diferente comparado com água do mar
• o comportamento é alterado pela presença de outras substancias
• 1º estudar comportamento de água pura
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Capacidade calorifica elevada
=4,18 kJ kg -1 ºC-1
• alterações de temperatura são lentas, efeito termoestático do oceano
• importantes transferências de calor por movimentos de água, efeito climático de correntes oceánicas
• uniformidade de temperatura, pequena gama, estabilidade do ambiente marinho para orgamnismos
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Pontos de fusão
• TºC
0
-100
H2O
H2S
H2Se
H2Te
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Calor de fusão elevado = 333 kJ kg -1 ºC-1
• Efeito termo-estatico durante a formação e fusão do geloespecialmente importante em ambientes aquaticos de alta latitudes
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Calor de fusão da água
• TºC
0
Calor adicionado (cal/g)
~ 50
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Pontos de Ebulição
• TºC
0
100 H2O
H2S
H2Se
H2Te
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Calor de evaporação
elevado =2250 kJ / kg
• Importante transferência de calor da água á atmosfera
• Efeito moderador climático em zonas costeiras
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Calor de vaporização da
água
• TºC
100
Calor adicionado (cal/g)
~ 500
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Entalpia e água
• TºC100Pe
0Pf
~500
~50> Cal/g
>Hvap
Hfus
Cc1,0 cal/g
Cc0,5 cal/g
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Expansão térmica
• densidade e volume do gelo e da água
• densidade gelo < densidade max. da água
• Estratificação térmica em ambientes aquaticos
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Tensão superficial elevada = 7,2 x 109
Nm-1
• Controla processos superficiaís,Processos das interfaces
água / atmosferaágua / organismofisiologia celular
• Importante na formação de gotas
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Constante dielectrica elevada
(80 as 20ºC)
• Importante na solubilização de iõs de sais ionicos, e formação de electrolítos
• água tem elevado poder de solubilização, é considerada “solvente universal” (no entanto muitas substâncias não são soluveis na água
• erosão de rochas e composição de águas naturais
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Grau de dissociação baixo
• água contem H+ e OH-
mas o grau de dissociação é baixo
• H+ e OH- importantes em processos geologicos e biologicos
• água pura é neutra, no entanto forma soluções acidas e basicas
• efeito tampão da água do mar
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Transparência elevada
• Energia absorvida nos UV e IR (IV)
• importante em processos físicos (optica), químicos (fotoquímica), ebiologicos (fotossintese)
• Produção primaria, pigmentos fotossinteticos,macro e microalgas
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Conductividade calorifica elevada
• Só importante em processos de microescala, por ex. processos celulares e organismos unicelulares
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Compressibilidade
• “distância” intermolecular
• relação inversa com temperatura (0º-50ºC)
• alteração de propriedades termoquímicas (p.ex. solubilidade) com temperatura.
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Capacidade calorífica
• relação inversa com temperatura (0º-30ºC)
• propriedades térmicas diferentes c.f. outros solventes
• água é solvente com propriedades especiais
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Viscosidade molecular relativa
10-3 Nsm-2
• fluído, diferenças de pressão compensadas facilmente
• importante na física de ondas, interfaces água/água
• importante na biologia especialmente pequenos organismos
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Termodinâmica Química
• Calor, movimento, química• Abordagem: relação com
caracteristicas da água e água do mar
• importante no estudo de processos e espontaneidade dos processos
• 2Na(s)+Cl(g)--->2 NaCl (s) é espontaneo.
• 2 NaCl (s) ---> 2Na(s)+Cl(g) não é espontaneo
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Entalpia H
• Calor absorvido durante uma transformação a pressão constante.
• H = E + PV• No mar a pressão varia
muito com profundidade• Processo Endotérmico
absorve calor + H• Processo Exotérmico
liberta calor - H
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Entalpia de Formação
Hf
• Variação de entalpia na formação de 1 mole de composto a partir de elementos livres = Hf
• Na (s) + Cl2(g)----> NaCl (s)
Hºf = - 412,1 kJmol-1
• Condições : T=298K• Pressão: 1 atm
Hºf,298 1
2
1
2
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Hºfde alguns compostos
• H2 O (g)
• H2 O (l)
• NaCl (s)
• - 241,8 kJmol-1
• - 285,8 kJmol-1
• - 412,1 kJmol-1
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1º Principio
• “Conservação de Energia”• Diferenças de energia E
podem ser atribuídas ou a• Calor adicionado:
q = E = E2 - E1 ou a
• Trabalho executado- W= E = E2 - E1
p.ex.: trabalho de expansão contra uma pressão externaW = Pext V
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Calor e trabalho
• As vezes ganho de calor e execução de trabalho são simultaneos E = E2 - E1 = q = W
• +Energia
- Energia
Ganho de Calor
Execução detrabalho
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Calor específico
• Calor necessário para aumentar de 1ºC a temperatura de 1g de substância
H2 O (l) = 1,0 cal/gH2 O (s) = 0,5 cal/g
• a água tem um calor específico reletivamento muito elevado
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Capacidade de calor molar (25ºC)
• Cp: Calor necessário para aumentar de 1K a temperature de 1 mole de substância
• Cp de H2 O(l) = 75,3 JK-
1mol-1
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Calor de fusão molar Hfus
• calor necessário para a fusão de 1 mole de substância
• ponto de fusão é temperatura onde ocorre a mudança de estado
• H2 O (s) ----> H2 O (l)
ponto de fusão = 0ºC
Hfus = 6008 Jmol-1
~50 cal/g
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Calor de Vaporização molar
Hvap
• calor necessário para a vaporização de 1 mole de substância
• ponto de ebulição é temperatura onde ocorre a mudança de estado
• H2 O (l) ----> H2 O (g)
• ponto de ebulição = 100ºC
• Hvap = 37,56 kJmol-1
~ 500 cal g-1
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2º Principio e Entropia
S
• “Entropia aumenta constantemente”
• Entropia é uma função do estado de ordem ordem --->desordem
• Moléculas de um sólido perfeito e puro a 0 K encontram-se perfeitamente ordenadas, Entropia = 0
• Entropia Padrão é entropia de 1mol de substância (25ºC) SºJK -1 mol -1
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Entropia de algumas
substâncias
• H2 O (l) 69,9 SºJK -1 mol -1
• H2 O (g) 188,7 SºJK -1 mol -1
• H2 (g) 130,6 SºJK -1 mol -1
• O2 (g) 205,1 SºJK -1 mol -1
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Espontaneidade e Energia livre
• Energia “livre” para executar um trabalho que não seja expansão é chamada energia livre ou energia de Gibbs
• G=H - TSG: energia de GibbsH: entalpiaT: temperatura K!!!!S: entropia
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Fusão da água
ºC K -TSJmol-1
-GJmol-1
+1 274,15 -6030 -22 Esp.
0 273,15 -6008 0 Equil.
-1 272,15 -5986 +22 Nãoesp.
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Energia de Gibbs
• G<0 Espontaneo• G=0 Equilibrio• G>0 Não
espontaneo
• p.ex. H2 O (s) ----> H2 O (l) é controlado pela temperaturaHfus = 6008 Jmol-1
S=21,99JK-1 mol-1
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Lei de Hess
• variação de entalpia depende só dos reagentes iniciais e produtos
• não depende das etapas• permite calcular valores
de entalpias desconhecidas a partir de valores conhecidos
• construção de ciclosBorn-Harber
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Ciclo Born-Harbervaporização da
água
• 1/2 H2 (g) + O2 (g)f
f -241,8kJmol-1
f -285,8kJmol-1
H2 O(g) H2 O(l)
Hvap crist -
6,02kJmol-1 H2 O(s)
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Ciclo Born-Harber,entalpia reticular de NaCl
• Na+ (g) Cl (g) ion+496 kJmol-1 ae-349 kJmol-1
Na+ (g) + Cl- (g) Na (g) Cl (g) diss+122kJmol-1 Na (g) 1/2 Cl2 (g)sub+107kJmol-1 Hret Na (s) 1/2 Cl2 (g) f- 411kJmol-1
Na+Cl- (s)
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Fusão da água
ºC K -TSJmol-1
-GJmol-1
+1 274,15 -6030 -22 Esp.
0 273,15 -6008 0 Equil.
-1 272,15 -5986 +22 Nãoesp.
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Lei de Hess
• variação de entalpia depende só dos reagentes iniciais e produtos
• não depende das etapas• permite calcular valores
de entalpias desconhecidas a partir de valores conhecidos
• construção de ciclosBorn-Harber
![Page 45: Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070311/552fc12b497959413d8cf3c3/html5/thumbnails/45.jpg)
Ciclo Born-Harbervaporização da
água
• 1/2 H2 (g) + O2 (g)f
f -241,8kJmol-1
f -285,8kJmol-1
H2 O(g) H2 O(l)
vap crist -
6,02kJmol-1 H2 O(s)
![Page 46: Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070311/552fc12b497959413d8cf3c3/html5/thumbnails/46.jpg)
Ciclo Born-Harber,entalpia reticular de NaCl
• Na+ (g) Cl (g) ion+496 kJmol-1 ae-349 kJmol-1
Na+ (g) + Cl- (g) Na (g) Cl (g) diss+122kJmol-1 Na (g) 1/2 Cl2 (g)sub+107kJmol-1 ret Na (s) 1/2 Cl2 (g) f- 411kJmol-1
Na+Cl- (s)
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Pontos de fusão
• TºC
0
-100
H2O
H2S
H2Se
H2Te
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Pontos de Ebulição
• TºC
0
100 H2O
H2S
H2Se
H2Te
![Page 49: Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070311/552fc12b497959413d8cf3c3/html5/thumbnails/49.jpg)
Calor de fusão da água
• TºC
0
Calor adicionado (cal/g)
~ 50
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Calor de vaporização da
água
• TºC
100
Calor adicionado (cal/g)
~ 500
![Page 51: Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070311/552fc12b497959413d8cf3c3/html5/thumbnails/51.jpg)
Entalpia e água
• TºC100Pe
0Pf
~500
~50> Cal/g
>Hvap
Hfus
Cc1,0 cal/g
Cc0,5 cal/g