Termoquímica AULA 5

Prévia do material em texto

5ºAula
Termoquímica
Objetivos de aprendizagem
Ao término desta aula, vocês serão capazes de: 
• compreender os fundamentos da termoquímica;
• interpretar reações endotérmicas e exotérmicas;
• aplicar o conceito de entalpia na termoquímica.
Caros(as) alunos(as),
 Iniciaremos a primeira seção desta aula, com a definição essencial da 
termoquímica, e prosseguiremos a seção conceituando os principais termos 
utilizados na aula, como energia, calor e trabalho. Na seção 2, serão definidos 
os termos da variação de energia, e estabelecidas condições para a definição 
de entropia, que será utilizada logo adiante para a demonstração das reações 
exotérmicas e endotérmicas, durante o estudo das equações termoquímicas, 
por meio de exemplos típicos, como a queima do gás metano. Por fim, serão 
analisadas as entalpias de reação e de formação. 
Bons estudos!
41
Química Geral e Experimental 40
1. 
Seções de estudo
Conceito
2. Calor: reações endotérmicas e exotérmicas
1 - Conceito
Durante as transformações químicas e algumas 
transformações físicas, ocorrem transferências de calor: essa 
parte da termodinâmica é abrangida pela termoquímica. Um 
sistema pode absorver ou liberar energia para as vizinhanças. 
Em uma reação química, o lado esquerdo é constituído pelos 
reagentes e o lado direito é composto pelos produtos (Figura 
5.1). E, em conformidade com a lei da conservação de energia, 
quando a energia dos produtos é menor que a dos reagentes 
no decorrer da reação, é liberada energia e, se ao contrário, a 
energia contida nos produtos for maior que a dos reagentes, 
ocorre a absorção de energia (ATKINS; JONES, 2012; 
RUSSELL; SANIOTO, 1982).
Figura 5.1 – Reagentes e produtos. Fonte: < https://sites.google.com/
site/8elementosquimicos/c?tmpl=%2Fsystem%2Fapp%2Ftemplates%2Fprint%2F
&showPrintDialog=1 >. Acesso em: 22/06/2018.
Conceitualmente, calor não pode ser confundido com 
energia. O calor é a transferência de energia entre os corpos 
propriamente dita. Considere, por exemplo, a transferência de 
energia de um corpo mais quente para um mais frio. Depois 
da quantidade de calor ser absorvida pelo corpo frio, o mesmo 
não possui a mesma quantidade que inicialmente. De maneira 
análoga, ocorre quando é exercido trabalho sobre um sistema 
(RUSSELL, SANIOTO, 1982). 
2 - Calor: reações endotérmicas e 
exotérmicas
Energia:
As variações de energia em um sistema são 
recorrentemente representadas pelo símbolo . Em uma 
reação química, as moléculas se deslocam por meio de 
rotações, vibrações localizadas e translações, como pode ser 
visualizado em (a), (b) e (c) na Figura 5.2, respectivamente.
Figura 5.2 – (a) Energia cinética vibracional. (b) Energia cinética de rotação. (c) Energia 
cinética de translação. Fonte: <http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/
meier/materiais/05_FQI1001_Termoquimica_H.pdf>. Acesso em: 22/06/2018.
A diferença de energia refere-se à subtração entre a 
energia contida no sistema em seu estado final e a energia 
contida em seu estado inicial. Veja:
Dado o calor e o trabalho , a quantidade de energia 
no sistema pode ser alterada realizando trabalho sobre ele ou 
adicionando calor (aumentando o fluxo de energia) (FELTRE, 
2005; MAHAN, 1995). Não havendo trabalho realizado pela 
vizinhança sobre o sistema, ou do sistema sobre a vizinhança, 
a variação de energia é condicionada por qualquer quantidade 
de calor absorvida, logo . E, da mesma forma, se 
não haver troca de calor entre o sistema e a vizinhança, a 
energia total no sistema será dependente de qualquer trabalho 
realizado entre este e a vizinhança, assim .
A primeira lei da termodinâmica pode ser descrita de 
forma algébrica pela soma do calor e trabalho envolvido 
(Figura 5.3). 
Figura 5.3 – Primeira lei da termodinâmica. Fonte: Anacleto e Ferreira (2008).
O que se refere ao enunciado da primeira lei da 
termodinâmica. Veja:
A equação acima mostra-se aplicável a todas as situações 
que envolvam a análise da energia em um sistema, visto 
que alterações de energia interna possuem um motivo 
(ANACLETO; FERREIRA, 2008). 
Exemplo – variação da energia interna em um 
sistema:
Considere a situação descrita por Moraes et al. (2008), na 
qual os gases hidrogênio e oxigênio são queimados em um 
cilindro com êmbolo. Nesse processo, o sistema perde 1150J 
de calor para a vizinhança. O êmbolo sobe com a expansão 
dos gases quentes, realizando 480J de trabalho. Como o 
sistema perde calor, o sinal é negativo, e a locomoção do 
embolo denota a realização de trabalho do sistema sobre a 
vizinhança, logo o sinal também é negativo. Com isso:
Na realidade, a variação de calor depende do trabalho 
realizado sobre o sistema. Contudo, podemos deduzir 
uma situação em que o sistema se restringe as condições 
apresentadas. 
Entalpia:
A entalpia se trata do calor absorvido pelo sistema 
42
41
a pressão constante - caso em que se demonstra mais 
próximo da realidade do que o apresentado pelo volume 
constante, pois são recorrentes as análises de sistemas em 
expansão ou compressão, como por exemplo, a realização 
de reações químicas a pressão constante da atmosfera. Essas 
condições são aproximadas em experimentos laboratoriais. 
Denominando a entalpia de , tem-se , a pressão 
constante.
Se há liberação de energia, no início estava armazenada 
nos reagentes, e se a energia é absorvida, concentrava-se 
inicialmente nos produtos. Assim, a entalpia também pode 
ser entendida com a energia armazenada nos reagentes ou 
nos produtos, definida pela quantidade de calor, a pressão 
constante. As reações químicas que absorvem calor são 
chamadas de endotérmicas, e as que liberam calor são 
denominadas de exotérmicas (BROWN et al., 2005). Veja a 
Figura 5.4.
Figura 5.4 – Reação exotérmica e endotérmica. Fonte: < http://www.madeira.ufpr.
br/disciplinasklock/Aula%207.pdf >. Acesso em: 22/06/2018.
Conforme a definição de entalpia, como a quantidade de 
calor, pode-se deduzir que se há liberação de calor ao longo 
das reações, a entalpia diminui, veja a Figura 5.5.
Figura 5.5 – Reação exotérmica, em que a entalpia decresce ao longo da reação. 
Fonte: <http://www.ensinoadistancia.pro.br/EaD/QGaula-16/Termoquimica.pdf>. 
Acesso em: 22/06/2018.
E se há absorção de energia, a entalpia aumenta, como 
na Figura 5.6.
Figura 5.6 – Reação endotérmica, onde a entalpia cresce ao longo da reação. 
Fonte: < http://www.ensinoadistancia.pro.br/EaD/QGaula16/Termoquimica.pdf >. 
Acesso em: 22/06/2018.
Por exemplo, sabendo que a queima de 1 mol de 
libera 890 KJ de calor a temperatura de (Kelvin) e a 
pressão atmosférica de , a 
reação química da combustão do metano é dada por:
Onde o calor cedido é a entalpia .
A variação da entalpia também pode ser determinada 
pelo diagrama de entalpia (Figura 5.7), onde são descritas a 
variação de entalpia entre cada reação (onde a soma de todas 
as reações corresponde a um) (SHRIVER; ATKINS, 2008). 
Uma equação termoquímica por ser decomposta em outras, 
como veremos na subseção seguinte. 
Figura 5.7 – Diagrama de entalpia. Fonte: Moraes et al. (2008).
A seguir, são dispostas algumas características 
fundamentais da entalpia nas reações químicas: a ordem 
de grandeza da variação da entalpia ( ) é diretamente 
proporcional à quantidade, por isso é uma propriedade 
extensiva (SALDANHA; SUBRAMANIAN, 1993).
Uma reação inversa apresenta a mesma magnitude de 
 que a reação original, entretanto, apresenta sinal contrário; 
diferentes estados físicos da matéria induzem diferentes 
variações de entalpia.
Equações termoquímicas:
A equação da combustão do metano é chamada de 
equação termoquímica, onde se caracteriza fundamentalmente 
por associar-se a variação da entalpia. O número a esquerda 
de cada substância na equação é denominado de coeficiente 
estequiométrico, e a proporção entre os componentes é 
chamado de proporção estequiométrica (BRADY et al., 2011; 
FELTRE, 2005). A equação termoquímica corresponde 
diretamente ao número de , onde os valores são 
diretamente proporcionais a variaçãode entropia. Por exemplo, 
ao multiplicar todos por 2 os coeficientes estequiométricos da 
equação da combustão do metano, temos:
E a entalpia também é multiplicada por dois, resultando 
em .
Repare que a equação termoquímica deve estar balanceada, 
o que significa que os coeficientes estequiométricos devem 
estar ajustados para que haja o mesmo número de átomos 
nos reagentes e nos produtos (RUSSELL; SANIOTO, 1982).
O sinal negativo de indica que a reação é do tipo 
exotérmica, enquanto o sinal positivo denota uma equação 
endotérmica. 
Observe na Figura 5.8 a formação de do gás 
43
Química Geral e Experimental 42
dióxido de carbono e de da água líquida a partir da 
queima de do gás metano com o consumo de 
de . Nesse caso, os reagentes e os produtos encontram-se 
no estado puro, no valor de pressão padrão ( ) 
e temperatura de (não é um padrão, somente a adotada 
com maior recorrência). A entalpia padrão indica justamente 
a variação de entropia entre os produtos e reagentes puros. 
Figura 5.8 – Combustão do metano (gás) em dióxido de carbono (gás) e água 
(líquido). Fonte: Atkins e Jones (2012).
Esta propriedade é denominada de lei de Hess, em que 
independentemente do número de etapas do processo ou da 
forma de realização da reação, a variação da entalpia depende 
somente das propriedades dos reagentes e produtos. Com 
isso, ao invés de serem tabeladas uma enorme quantidade 
de reações e os respectivos valores de , apenas dispõe-
se da chamada reação de formação, definida como a reação 
na qual um mol de um produto é originado simplesmente 
pela combinação de seus elementos, e a partir das reações de 
formação são obtidos os valores de para outras reações 
(ATKINS; JONES, 2012).
A entalpia de reação corresponde a demonstrada até 
momento, na qual há mais de um em pelo menos uma 
das substâncias dos reagentes, onde os elementos geralmente 
não encontram-se separados. Visualize a Figura 5.5, em que 
a entalpia de reação é igual a entalpia dos reagentes menos a 
entalpia dos produtos, e pode ser encontrada por meio das 
entalpias de formação, pois, desse modo, basta conhecer a 
entalpia de formação de cada composto dos reagentes e dos 
produtos para somá-las conforme a disposição destes na 
equação termoquímica, como veremos a seguir.
Figura 5.5 – Cálculo da entalpia de reação.Fonte: Atkins e Jones (2012).
Para que uma reação seja classificada com reação de 
formação, os reagentes não podem ser dispostos de forma 
combinada. Cada reagente precisa ser formado por um 
único elemento. Os valores de entalpia para estas reações 
encontram-se tabelados, com as substâncias a pressão de 
 e geralmente a temperatura de . Nesse caso, 
a entalpia é denominada entalpia padrão de formação, e o 
calor é o calor padrão de formação, denotado por , onde 
 representa o estado padrão e que se trata de uma reação 
de formação. 
Verifique a tabela a seguir com alguns dos valores de 
calores-padrão:
Tabela 5.1 – Calores-padrão de formação a temperatura 
de e a pressão padrão de . 
Substância ( )
Fonte: (RUSSELL; SANIOTO 1982).
Elementos não combinados possuem entalpia-padrão de 
formação igual a zero. Isso porque a diferença entre a entalpia 
dos produtos e dos reagentes é igual a zero. Com todos os 
produtos e reagentes no estado padrão de entalpia ou de calor 
trocado, tem-se denominação entalpia-padrão de reação e 
calor padrão de reação, respectivamente.
Exemplo – entalpia padrão:
Calcule a entalpia padrão de formação para a reação 
abaixo:
Solução
A entalpia, nas condições padrão de pressão ( ) e a 
temperatura de pode ser obtida por meio da tabela 5.1, 
obtendo cada substância apresentada na reação termoquímica 
(MAHAN, 1995; RUSSELL; SANIOTO, 1982). Mas, 
não pode-se esquecer que entre os produtos obtidos, serão 
encontrados os reagentes ou os produtos da equação, sendo 
que para os reagentes é preciso inverter o sinal de , 
apresentado na tabela 5.1, e se tratando dos produtos, o sinal é 
mantido. Verifiquemos a seguir os valores da entalpia padrão 
de formação, como aparecem na Tabela 5.1 :
44
43
Veja que e aparecem acima como 
produtos, porém são reagentes na reação que pretendemos 
obter a entalpia padrão de formação. Então, os respectivos 
sinais precisam ser invertidos. Como é produto 
tanto na reação de formação como na reação termoquímica 
em análise, o sinal negativo de precisa ser mantido. 
Realizando estas modificações, é determinado:
Dispostos todos os valores de , foi realizada a soma 
algébrica para encontrar a entalpia padrão. Perceba que se 
trata de uma inversão entre os produtos e os reagentes, ou 
seja, quando os produtos se tornam reagentes ou os reagentes 
se tornam produtos, o sinal da entalpia é também invertido, 
o que é válido mesmo que não se trate de uma reação de 
formação (BROWN et al., 2005). 
Exemplo – variação da quantidade de calor em uma 
equação termoquímica:
Calcule a quantidade de calor liberada na queima de 
 de carvão, consumindo de oxigênio a pressão 
constante (conforme demonstra a equação termoquímica 
a seguir), para a produção de de dióxido de carbono 
liberando (RUSSELL; SANIOTO, 1982). 
Solução
A equação pode ser representada da mesma forma, a 
separando em partes: primeiro realizando a queima de carvão, 
com de oxigênio, e depois, com o produto formado 
(monóxido de carbono), realiza-se novamente a queima, com 
 mol de oxigênio, formando ao fim o dióxido de carbono. 
As equações podem ser somadas algebricamente para resultar 
em uma única equação termoquímica que represente todo o 
processo. Da mesma forma procede-se com as entalpias em 
cada processo. A notação desses processos é:
Portanto, foi liberado para a produção de 
dióxido de carbono.
Retomando a aula
que estudamos?
1 - Conceito
Nesta seção, vimos que a termoquímica é o estudo das 
transformações químicas e de algumas transformações físicas 
com transferências de calor. Segundo a lei da conservação de 
energia, em uma reação química onde a energia dos produtos 
é menor que a dos reagentes, ocorre a liberação de energia, 
e, sendo a energia contida nos produtos maior que as dos 
reagentes, haverá absorção de energia. O calor é a transferência 
de energia entre os corpos. Assim, se há transferência de 
energia de um corpo mais quente para um mais frio, este 
último possui menos calor que inicialmente.
2 - Calor: reações endotérmicas e exotérmicas
É válido considerar que a quantidade de energia depende 
fundamentalmente do calor cedido ou recebido pelo sistema, 
e do trabalho realizado pelo sistema ou sobre o mesmo. Dessa 
forma, vimos que em uma reação exotérmica, a entalpia 
diminui, e em uma reação endotérmica, a entalpia aumenta. 
Aprendemos que a lei de Hess afirma que, independentemente 
do número de etapas do processo ou de como ocorre a reação, 
a variação de entropia apenas depende das características dos 
reagentes e dos produtos. Logo, a entalpia de reação é a que 
existe mais de um em pelo menos uma das substâncias 
nos reagentes. E, na entalpia de formação, os reagentes não 
são encontrados de forma combinada.
TERMOQUÍMICA: ENERGIA E AMBIENTE:
Disponível em: <http://pat.educacao.ba.gov.br/
emitec/disciplinas/exibir/id/6042 >.
Vale a pena acessar
Vale a pena
Disponível em: <https://www.youtube.com/
watch?v=y8Vz_QzGmiU>.
Disponível em: <https://www.youtube.
Vale a pena assistir
45
Química Geral e Experimental 44
c o m / w a t c h ? v = V N t s x 0 b 3 l D o & i n d e x = 
1&list=PLxI8Can9yAHdHkbSPYe4rHWJowtWadyEI>.
Disponível em: <https://www.youtube.com/
watch?v=VJiaCJf1pxM>.
Disponível em: <https://www.youtube.com/
watch?v=EfBXpvkqwwk>. 
Minhas anotações
46