Termoquímica Parte 2 - UDESC - CCT · Quando um aluno mistura 50mL de 1,0 mol/L de HCl e 50 mL de...
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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
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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
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EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular
Lembrando....ligação iônica e a energia de rede
Existe atração entre os íons
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Íons gasosos → sólido iônicoLibera ou absorve energia?
EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular
Íons gasosos → sólido iônico -Energia de rede
sólido iônico → Íons gasosos +Energia de rede
Libera Energia
Absorve Energia
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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.
EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular
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
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processo cíclico é
zero.
Conservação da energia1ª Lei da Termodinâmica
EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular
Suponha que queremos saber a entalpia de rede de KCl:K+(g) + Cl-(g) → KCl (s)
sublimação
atomização
ionização
Afinidade eletrônica
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89 +122 + 418 – 349 + 437 + ∆∆∆∆Hrede = 0
Este procedimento é conhecido como:Ciclo de Born-Haber
Inverso da formação
-717 kJ/mol
EntalpiasEntalpias de de RedeRede: : energiaenergia reticularreticular
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
EntalpiasEntalpias de de LigaçãoLigação
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
EntalpiasEntalpias de de LigaçãoLigação
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?
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CalorimetriaCalorimetria
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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?
CalorimetriaCalorimetria
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
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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)
CalorimetriaCalorimetria
Substância Calor específico(J/gK
H2O (l) 4,18
CH4(g) 2,20
CO2(g) 0,84
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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.
CalorimetriaCalorimetria
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
CalorimetriaCalorimetria
• 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.
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A variação de temperatura ocorrida em um objetoquando ele absorve certa quantidade de energia é
determinada por sua capacidade calorífica. ∆∆∆∆T
CalorimetriaCalorimetria
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?
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Exercite:Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água que está à-50 oC até 200oC?
CalorimetriaCalorimetria
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)
CalorimetriaCalorimetria
Conhecendo Ccal, determina-se qr
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qr = -Ccal x ∆T
CalorimetriaCalorimetria
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.
CalorimetriaCalorimetria
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
CalorimetriaCalorimetria
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.