Álcool ou gasolina ? ou termoquÍmica a quÍmica dos efeitos energÉticos
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ÁLCOOL OU GASOLINA ?
OU
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TERMOQUÍMICATERMOQUÍMICAA QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS.
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OS PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DO CALOR E DO TRABALHO SE APLICAM,
NO ESTUDO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA E NAS MUDANÇAS DO ESTADO FÍSICO
DE UMA SUBSTÂNCIA.
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pilh
a
OBSERVE OSFENÔMENOS
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NELES,OCORREM TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS E (OU) QUÍMICAS
ENVOLVENDO VÁRIOS TIPOS DE ENERGIA, INCLUSIVE ENERGIA TÉRMICA.
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Energia e Energia e QuímicaQuímica
2 H2 H22(g) + O(g) + O22(g) --> 2 H(g) --> 2 H22O(g) + O(g) + calor e luzcalor e luz Pode ser usada para fornecer Pode ser usada para fornecer ENERGIA ELÉTRICA em uma ENERGIA ELÉTRICA em uma célula a combustível.célula a combustível.Oxidação:Oxidação:2 H2 H22 ---> 4 H+ + 4 e- ---> 4 H+ + 4 e-Redução: Redução: 4 e- + O4 e- + O22 + 4H+ ---> 2 H + 4H+ ---> 2 H22OO
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Energia e QuímicaEnergia e Química
ENERGIAENERGIA é a capacidade é a capacidade de realizar trabalho ou de realizar trabalho ou transferir calor.transferir calor.
CALORCALOR é a forma de é a forma de energia que flui entre energia que flui entre dois objetos devido à dois objetos devido à sua diferença de sua diferença de temperatura. temperatura.
Outras formas de energia Outras formas de energia ——
luzluz elétricaelétrica Cinética e potencialCinética e potencial
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EnergiaEnergia PotencialPotencial e e CinéticaCinética
Energia PotencialEnergia Potencial – – energia que um energia que um
corpo estático corpo estático possui devido à sua possui devido à sua
posição.posição. Energia Energia
cinética cinética — — energia energia do movimentodo movimento
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Energia Potencial em Escala Energia Potencial em Escala AtômicaAtômica
Partículas positivas e negativas (íons) se atraem.
Dois átomos podem se ligar
À medida que as partículas se atraem, sua energia potencial diminui
NaCl — composto por íons Na+ e Cl-NaCl — composto por íons Na+ e Cl-
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Energia Interna Energia Interna (E)(E)EP + EC = Energia Interna (E ou U)EP + EC = Energia Interna (E ou U)
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Energia Interna Energia Interna (E)(E)Quanto mais alta Quanto mais alta
a temperatura, a temperatura, maior a energia maior a energia internainterna
Portanto, usamos Portanto, usamos variações de T variações de T (∆T) para (∆T) para monitorar monitorar variações em E variações em E (∆E).(∆E).
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TermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmica é a
ciência da transferência de calor (energia)
Energia térmica é Energia térmica é associada aos associada aos movimentos movimentos moleculares.moleculares.
Calor é transferido até que o equilíbrio térmico seja estabelecido.
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Direcionalidade da Direcionalidade da Transferência de CalorTransferência de Calor
Calor é sempre transferido do objeto mais quente ao mais frio.
EXOtérmico: O calor é transferido DO SISTEMA para a VIZINHANÇA
T(sistema) diminuiT(sistema) diminuiT(viz) aumentaT(viz) aumenta
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Direcionalidade da Direcionalidade da Transferência de CalorTransferência de Calor
Calor é sempre transferido do objeto mais quente ao mais frio.
ENDOtérmico: calor é transferido DA VIZINHANÇA para o SISTEMA.
T(sistema) aumentaT(sistema) aumentaT (viz) diminuiT (viz) diminui
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CALOR - energia que flui de um sistema com temperatura mais alta para o outro com temperatura mais baixa.
SISTEMA - tudo aquilo que se reserva do universo para estudo.
ENERGIA QUÍMICA - trabalho realizado por um sistema através de reações químicas.
ENERGIA - resultado do movimento e da força gravitacional existentes nas partículas formadoras da matéria.
TRABALHO - deslocamento de um corpo contra uma força que se opõe a esse deslocamento.
CONCEITOS IMPORTANTES
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SISTEMA ABERTOSISTEMA ABERTO
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SISTEMA FECHADOSISTEMA FECHADO
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SISTEMA ISOLADOSISTEMA ISOLADO
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ENTALPIA ENTALPIAENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA
SOB PRESSÃO CONSTANTE, RESUMIDAMENTE, PODEMOSDIZER QUE É O CONTÉUDO DE CALOR DA SUBSTÂNCIA.
ENERGIA INTERNA ENERGIA INTERNAENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA
SOB VOLUME CONSTANTE.
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O PROCESSO DE MEDIDA DOS CALORES DE REAÇÃO É DENOMINADO CALORIMETRIA.
O APARELHO QUE MEDE A ENTALPIA DA REAÇÃO É DENOMINADO CALORÍMETRO.
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CALORIA é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1ºC a temperatura de 1 g de água.
JOULE é a quantidade de energia necessária para deslocar uma massa de 1kg, inicialmente em repouso,fazendo percurso de 1 metro em 1 segundo.
1 cal = 4,18 J
1 kcal = 1000 cal
1 kJ = 1000 J
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EFEITOS ENERGETICOS NAS REAÇÕES QUÍMICAS
6CO 2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
LUZ
CLOROFILAGLICOSE
Na fotossíntese ocorre absorção de ENERGIA
C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O
Na combustão do etanol ocorre liberação de ENERGIA
ETANOL
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A TERMOQUÍMICA ESTUDA AS MUDANÇASTÉRMICAS ENVOLVIDAS NAS REAÇÕES QUÍMICAS
* quando envolve liberação de calor, denomina-se REAÇÃO EXOTÉRMICA.
*
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Quando envolve absorção de calor,denomina-se REAÇÃO ENDOTÉRMICA.
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EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA
É a representação de uma reação química em que estáespecificado:* o estado físico de todas as substâncias.
* o balanceamento da equação.
* a variação de calor da reação ( H ).
* as condições físicas em que ocorre a reação, ou seja, temperatura e pressão. ( 25ºC e 1atm é o comum)
* variedade alotrópica quando existir.
Segue alguns exemplos...
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REAÇÃO EXOTÉRMICA
2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) H= – 20,2 kcal
2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) + 20,2 kcal
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) H= + 267,0 kcal
Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) 267,0 kcal
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REAÇÃO EXOTÉRMICA
2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) H = – 20,2 kcal
2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) + 20,2 kcal
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) H = + 267,0 kcal
Fe3O4(s) 3 Fe(s) + 2 O2(g) 267,0 kcal
OBSERVE OS SINAIS
OBSERVE OS SINAIS
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CÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIACÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA
A + B C + D HR HP
HP ENTALPIA PRODUTO
HR ENTALPIA REAGENTE
H VARIAÇÃO DE ENTALPIA
∆H = HP - HR
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A + B C + D + CALOR
REAÇÃO EXOTÉRMICA
A + B + CALOR C + D
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
HR
HR
HP
HP
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HP ENTALPIA PRODUTO
HR ENTALPIA REAGENTE
H VARIAÇÃO DE ENTALPIA
Não esqueça:
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HR
HP
A + B C + D +
HR HP >ENTÃO
HR HP = +
REAÇÃO EXOTÉRMICA
O SENTIDO DA SETASERÁ SEMPRE DO REAGENTE
PARA O PRODUTO
CAMINHO DA REAÇÃO
∆H< 0 ∆H< 0
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HP
HR
A + B + C + D
Hp Hr >ENTÃO
Hr
Hp = +
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
O SENTIDO DA SETASERÁ SEMPRE DO REAGENTE
PARA O PRODUTO
CAMINHO DA REAÇÃO
∆H> 0 ∆H> 0
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A + B C + D + CALOR
REAÇÃO EXOTÉRMICA
A + B + CALOR C + D
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
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H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES)
Se HR HP H > 0
Se HR > HP H < 0
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
REAÇÃO EXOTÉRMICA
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* Convencionou-se entalpia zero para determinadas substâncias simples, em razão de não ser possívelmedir o valor real da entalpia de uma substância.
* Foram escolhidas condições-padrão para estabelecer medidas relativas.
* Terá entalpia zero qualquer substância simples que se apresente nos estados
físico e alotrópico mais comum, a 25ºC e 1atm de pressão.
OBS.:
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ENTALPIA ZEROHº = 0
ENTALPIA MAIOR QUE
ZERO Hº 0H2(g), N2(g) e etc
O2(g)
C(grafite)
S(rômbico)
P(vermelho)
--- O3(g)
C(diamante)
S(monoclínico)
P(branco)
[email protected]@svn.com.br
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ENTALPIA ZEROHº = 0
ENTALPIA MAIOR QUE
ZERO Hº 0H2(g), N2(g) e etc
O2(g)
C(grafite)
S(rômbico)
P(vermelho)
--- O3(g)
C(diamante)
S(monoclínico)
P(branco)
* A forma alotrópica menos estável tem entalpia maior que zero.
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Observe a reação de formação (síntese )de um mol de água, a 25ºC e 1 atm de pressão.
H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g)
Cálculo da entalpia de formação:
H = H(produtos) - H(reagentes)
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H = H(produtos) – H(reagentes)
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = ?
H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))
Hº H2(g )= Hº O2(g) = zero
H = HºH2O(l) HºH2O(l)= – 68,4kcal/mol
COMO
eENTÃO
H = – 68,4kcal/mol
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H = H(produtos) – H(reagentes)
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = ?
H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))
Hº H2(g )= Hº O2(g) = zero
H = HºH2O(l) HºH2O(l)= – 68,4kcal/mol
H = – 68,4kcal/mol
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H = H(produtos) – H(reagentes)
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g ) H = –68,4kcal/mol
H = HºH2O(l) – ( Hº H2(g) + 1/2 Hº O2(g))
Hº H2(g )= Hº O2(g) = zero
H = HºH2O(l) HºH2O(l)= – 68,4kcal/mol
H = – 68,4kcal/mol
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CÁLCULOS DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA
LEI DE HESSA entalpia de uma reação depende apenas dos estados iniciais
e finais da reação, não depende dos estados intermediários, ou seja a reação é a mesma para uma ou mais etapas.
Ex. 1 - Cálculo da entalpia da reação de formação do gás carbônico:
C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = ? kcal/mol
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OBSERVE AS EQUAÇÕES:
C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H = – 26,4kcal/mol
CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H = – 67,6kcal/mol
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EFETUAMOS A SOMA ALGÉBRICA DAS MESMAS.
1ª etapa: C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = – 26,4kcal/mol
2ª etapa: CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = – 67,6kcal/mol
H = – 94,0kcal/mol
CONCLUINDO H = H1 + H2
H = – 94,0kcal/mol
Note que os termos semelhantes em membros opostos se anulam.
Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g)
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1ª etapa : C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = -26,4kcal/mol
2ª etapa : CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = -67,6kcal/mol
Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = -94,0kcal/mol
Observe que o processo é puramente algébrico.
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1ª etapa : C(grafite)+ 1/2O2(g) CO(g) H1 = -26,4kcal/mol
2ª etapa : CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H2 = -67,6kcal/mol
Etapa final: C(grafite)+ O2(g) CO2(g) H = -94,0kcal/mol
Observe que o processo é puramente algébrico.
H = H1 + H2 = -94,0kcal/mol
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Ex 2 - Dadas as equações:
C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0kcal/mol
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol 68,4kcal/mol
C(grafite)+ 2H2(g) CH4(g) H3 = – 17,9kcal/mol
Calcular a entalpia da reação:
CH4(g) + O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)
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Resolução:As equações dadas deverão ser arrumadas de tal modoque a sua soma resulte na equação-problema.
C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0kcal/mol
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol68,4kcal/mol
C(grafite)+ 2H2(g) CH4(g) H3 = – 17,9kcal/mol
Equação-problema:
CH4(g) + O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)
I)
II)
III)
Agora vamos identificá-las com algarismos romanos.
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Agora, invertemos a equação III de modo a obter ometano ( CH4 ) como reagente.
CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9kcal/mol
Observe a inversão de sinal do H3
Devemos manter a equação I pois dessa formaobteremos gás carbônico como produto.
C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0kcal/mol
2( H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) H2 = – 68,4kcal/mol– 68,4kcal/mol))
Multiplicar por 2 a equação II para que os coeficientesfiquem ajustados.
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/molO H2 também é
multiplicado
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Finalmente aplica-se a soma algébrica das equações, inclusive das variações de entalpia.
CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9 kcal/mol
C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0 kcal/mol
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/mol
_____________________________________________________________
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CH4(g) C(grafite)+ 2H2(g) H3 = + 17,9 kcal/mol
C(grafite )+ O2(g) CO2(g) H1 = – 94,0 kcal/mol
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) H2 = – 136,8 kcal/mol– 136,8 kcal/mol
_____________________________________________________________
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g)+ 2H2O(l) H = – 212,9 kcal/mol– 212,9 kcal/mol
Observe os cortes:
H = H1 + H2 + H3
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CALORES PADRÃO DE FORMAÇÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO
O índice sobrescrito º significa estado
padrão.
O índice subscrito f significa formação.
.
É o calor desenvolvido na formação de um mol de determinado composto, a partir das substâncias
simples correspondentes no estado padrão.
Representa-se por: Hfº
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REAÇÃO DE FORMAÇÃO - é aquela em que um mol de um único composto é formado a partir de substâncias simples no estado padrão.Exs.: C(grafite )+ O2(g) CO2(g)
H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l)
Os valores de H são pré-estabelecidos e encontrados em tabelas, para aqueles compostos que estejam na sua
forma mais estável a 1 atm de pressão, ou seja, no estado padrão.
1 mol
1 mol
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SUBSTÂNCI A Hº (kcal/mol) SUBSTÂNCI A Hº (kcal/mol)
H2O(v) -57,8 NH3(g) -11,0
H2O(l) -68,4 HF(g) -64,2
H2O(s) -69,8 HCl(g) -22,1
CO(g) -26,4 HBr(g) -8,7
CO2(g) -94,1 HI (g) -6,2
CH4(g) -17,9 HNO3(l) -41,5
H3COH(l) -57,0 C12H22O11(s) -531,5
C2H5OH(l) -66,4 NaCl(s) -98,5
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CALOR PADRÃO DE COMBUSTÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE COMBUSTÃO
É o calor liberado na combustão total de um mol de uma substância em que os componentes dessa reação estão noestado-padrão.
H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l) H=–68,4kcal/mol
C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l) H=–325 kcal/mol
COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O2) em queocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )
COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O2) em queocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )
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O PODER CALÓRICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS
A gasolina possui maior poder clalorífico que o álcool. Para cada litro de gasolina queimado são produzidos
aproximadamente 8000 quilocalorias, enquanto para cada litro de álcool queimado, temos a produção de
aproximadamente 5000 quilocalorias.
Veja a tabela de calorias de alguns alimentos, a seguir.
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ALIMENTO Kcal/g ALIMENTO kcal/g
Cerveja 0,3 Feijão 3,5
Leite 0,7 Arroz 3,6
Peixe carne branca 0,8 Queijo prato 3,7
Batata 1,1 Carne de vaca 3,9
Ovos 1,6 Açúcar 3,9
Sorvete 1,7 Farinha de soja 4,3
Frango 2,3 Chocolate 5,2
Pão branco 2,3 Amendoim 5,6
Bife 2,7 Carne de porco 5,8
Milho 3,4 Manteiga 7,5
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CALOR DE DISSOLUÇÃO OU ENTALPIA DE DISSOLUÇÃO
É o calor desenvolvido ( liberado ou absorvido) provocado pela dissolução de um mol de substância, numa quantidade
de água suficiente para se obter uma solução diluída, no estado padrão.
H2SO4(l) + aq H2SO4(aq) H = – 22,9 kcal/mol– 22,9 kcal/mol
KNO3(s) + aq KNO3(aq) H = + 8,5 kcal/mol,5 kcal/mol
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CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO OU ENTALPIA DE NEUTRALIZAÇÃO
É o calor liberado na neutralização de um equivalente-grama de um ácido por um equivalente-grama de uma base, ambos
em soluções aquosas diluídas, no estado padrão.
HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l) H = –13,8 kcal/eq-g–13,8 kcal/eq-g
HNO3(aq) + LiOH(aq) LiNO3(aq) + H2O(l) H = –13,8 kcal/eq-g–13,8 kcal/eq-g
OBS.: Para ácidos e bases fortes o H será sempre o mesmo.
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A variação de entalpia de uma reação pode ser calculada, conhecendo-se apenas as entalpias de formação dos seus reagentes e produtos.
H = H(produtos) – H(reagentes)
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C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) H = ? – kcal/mol
Consultando a tabela de calores de formação:
SUBSTÂNCIAS
C3H8(g)
CO2(g)
H2O(g)
O2(g)
-24,8kcal/mol-94,1kcal/mol-57,8kcal/mol
zero
Observe a equação:
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H = H(produtos) – H(reagentes)
H = [ 3(-94,1) + 4(-57,8)] - (-24,8 + zero)
H = [3HCO2(g)+ 4H H2O(g) ] - ( HC3H8(g)+ 5 HO2(g) )
H = - 488,7 kcal/mol
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ENERGIA DE LIGAÇÃOENERGIA DE LIGAÇÃO
É A ENERGIA NECESSÁRIA PARA ROMPER UM MOL DE LIGAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA NO ESTADO GASOSO.
EX. Para romper um de ligação H – O são necessárias 110kcal.
Para romper um de ligação H – C são necessárias 100kcal.
Para romper um de ligação O = O são necessárias 118kcal.
.* esses valores são tabelados
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Para romper um mol de água no estado gasoso, teremos:
H2O(l) 2H(g) + O(g) H = ? kcal/mol
O
H H
110Kcal 110kcal
H2O(l) 2H(g) + O(g) H = 220 kcal/mol
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Observe a reação em que todos os participantes estão no estado gasoso:
H |
C— O — H + 3/2O2 O = C = O + 2H2O |H
H—
Para romper as ligações intramoleculares do metanol e dooxigênio, serão absorvidos, para:1 mol de O — H +464,0 kj + 464,0 kj1 mol de C — O +330,0 kj + 330,0 kj3 mols de C — H 3 (+413,0 kj) + 1239,0 kj 3/2 mols de O = O 3/2 (+493,0 kj) + 739,5 kj TOTAL ABSORVIDO + 2772,5 kj
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H |
C— O — H + 3/2O2 O = C = O + 2H2O |H
H—
Para formar as ligações intramoleculares do CO2 e da água, serão liberadas:
2 mols de C = O 2 (-7444,0 kj) -1 488,0 kj2 mols de H — O 2 ( - 464,0 kj) - 928,0 kj TOTAL LIBERADO -2 416,0 kj
Cômputo dos produtos:
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+ LIGAÇÃO ROMPIDAreagentes)
- LIGAÇÃO FORMADA(produtos)
O cálculo final será:
H = 2 772,5kj + (- 2 416kj)
H = 356,5kj
CALOR LIBERADO
CALOR ABSORVIDO
H =
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A quebra de ligação envolve absorção de calor
Processo endotérmico
A formação de ligação envolve liberação de calor
Processo exotérmico
H H—
H H—
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FIM