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QUÍMICAQUÍMICA A Ciência CentralA Ciência Central 9ª Edição9ª Edição Química Geral II Profª. Drª Livia Melo Carneiro livia@dequi.eel.usp.br 29/08/2013 • Quase toda a energia de que dependemos é derivada de reações químicas: Termodinâmica • Queima de combustíveis fósseis • Reações químicas ocorridas em baterias • Formação de biomassa pela fotossíntese As relação entre mudança química e energia se mostra de diversas formas: Termodinâmica • O estudo das transformações de energia e de uma forma para outra (thérme- calor , dy’namis - energia) TermoquímicaTermoquímica • Estuda as relações entre reações químicas e variações de energia envolvendo calor. Energia Abordagem sobre termodinâmica utiliza os conceitos de.. Trabalho Calor 1ª Lei da Termodinâmica • Acompanha as variações de energia e o cálculo da quantidade de calor que uma reação produz 2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica • Explica por que algumas reações ocorrem e outras não. • As formas de energia: • Energia Cinética (Ec) Como a matéria pode possuir energia e como esta pode ser transferida de uma parte da matéria para outra? • Energia Cinética (Ec) • Energia Potencial (Ep) • Energia Interna (U ou E) Energia Cinética • É a energia de movimento: a magnitude da energia cinética de um objeto depende de sua massa, m, e de sua velocidade, v: • Os átomos e moléculas têm massa e estão em movimento, portanto, eles têm energia cinética, apesar de não ser tão aparente quanto a energia cinética de objetos maiores. Energia Potencial • Um objeto pode, também, possuir outra forma de energia, chamada energia potencial, em virtude de sua posição em relação a outros objetos. • A energia potencial surge quando há uma força operando no objeto • A força desse tipo mais conhecida é a gravidade As formas de energia são convertíveis Energia Potencial Eletrostática A energia total (potencial e cinética) em um sistema químico • Energia cinética translacional • Rotação molecular • Vibração das ligações • Atrações intermoleculares • Ligações químicas Como essa energia pode ser transferida? • Trabalho: a energia é transferida da raquete de tênis para a bola, (mudando a direção e a velocidade do movimento da bola), ao longo de uma distância w = F x dw = F x d • Onde w é trabalho, F é a força, e d é a distância ao longo da qual esta força é exercida. • Força: é qualquer tipo de tração ou compressão exercida em um objeto (a força da gravidade “puxa” a bicicleta do topo da colina para sua base, ou a força eletrostática “puxa” cargas contrárias umas contra as outras. • A energia também pode ser transferida sob forma de calor. Como essa energia pode ser transferida? • Calor: é a energia transferida de um objeto mais quente para um objeto mais frio • Ex.: combustão Energia • Capacidade de realizar trabalho ou transferir calor. A primeira lei da termodinâmica • A energia é conservada: não é possível criar ou destruir energia • Pode haver transferência de energia entre objetos; • Pode haver transformação de um tipo de energia em outro.outro. • Qualquer energia perdida pelo sistema tem de ser aproveitada pela vizinhança, e vice-versa. E em uma reação química? • A liberação de energia por substâncias quando reagem: a energia química dessas substâncias deve-se à energia potencial acumulada nos arranjos dos átomos da substância. • A energia que uma substância possui por causa de sua temperatura (energia térmica) é associada à energia cinética das moléculas na substância. • Fornecimento de calor: T ↑ Ec ↑: logo T diretamente proporcional à Ec média Relação de energia x Balanço energético Algumas unidades para medir energia.. • Unidade SI para energia: joule, J 1 J = 1 kg m2/s2 • Caloria (fora dos padrões SI):• Caloria (fora dos padrões SI): Uma caloria (cal) foi originalmente definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 g de água em 1ºC Define-se: 1 cal = 4,184 J 1ª Lei da Termodinâmica • Pode haver transferência de energia entre objetos O Fluxo de energia pode ocorrer entre: Sistema e Vizinhança Sistema: o material ou processo no qual estamos estudando variações de energia Vizinhança: todo o resto do universoVizinhança: todo o resto do universo Conservação da Energia A energia não pode ser criada e nem destruída A energia é conservada Primeira Lei da Termodinâmica Qualquer energia perdida pelo sistema tem de ser aproveitada pela vizinhança (vice-versa) No estudo da termodinâmica para analisar mudanças de energia é necessário definir: • A parte selecionada em estudo é denominada de sistema e todo o resto é chamado vizinhança. Os gases hidrogênio e oxigênio em um cilindro. Se estivermos interessados apenas em suas propriedades, os gases são o sistema, e o cilindro e o êmbolo, partes da vizinhança. � Sistema fechado, não perdeu e nem ganhou massa, não troca matéria com sua vizinhança, troca apenas energia na forma de trabalho e calor, grandezas que podem ser medidas. A primeira lei da termodinâmica é utilizada para analisar as variações de energia de sistemas químicos. Para isso deve-se considerar todas as fontes de energia cinética e potencial no sistema. • Energia Interna: é a soma de toda a energia cinética e potencial de todos os componentes do sistema A natureza da energia É a quantidade total de energia cinética e potencial que um sistema possui Energia Interna: � A variação da energia interna de um sistema depende apenas das quantidades de energia inicial e final • A variação da energia interna de um sistema depende apenas das quantidades de energia inicial e final Variação de Energia Interna: ∆E = Efinal – Einicial Energia Interna É uma função de estado: uma função matemática cujo resultado depende apenas das condições inicial e final, e não do processo usado Em uma ração química: Estado inicial: Reagentes Estado final: Produtos ∆Ereação = Eprodutos – Ereagentes �Einterna = Eprodutos - Ereagentes Função de Estado Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de como a energia interna é utilizada. Trabalho (w) e calor (q) não são funções de estado • A quantidade de calor e trabalho transferidos entre o sistema e a vizinhança depende do modo pelo qual o sistema vai de um estado a outro � O valor de ∆∆∆∆E é o� O valor de ∆∆∆∆E é o mesmo para ambos os processos, mas o valor de q e de w são diferentes A primeira lei da termodinâmica • A partir da primeira lei da termodinâmica: Quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, ∆E, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema (q) mais o trabalho realizado pelo ou no sistema (w): ∆E = q + w∆E = q + w Se o calor (q) for absorvido pelo sistema Se o trabalho (w) for realizado no sistema A energia interna do sistema aumenta A relação de ∆∆∆∆E a calor e a trabalho Como ocorre a troca de energia? A relação de ∆∆∆∆E a calor e a trabalho • O calor, q, absorvido pelo sistema e o trabalho, w, realizado no sistema são grandezas positivas. Ambos servem para aumentar a energia interna, E, do sistema: • Quando um sistema sofre qualquer mudança química ou física, a variação obtida em sua energia interna, ∆E, é dada pelo calor adicionado ou liberado do sistema,q, mais o trabalho realizado peloadicionado ou liberado do sistema,q, mais o trabalho realizado pelo ou no sistema, w: ∆E = q + w Entalpia � Entalpia (H) é uma propriedade extensiva de uma substância � Em reações químicas as variações de calor ou energia são medidas pela chamada Entalpia: calor absorvido ou liberado por uma reação química a pressão constante �Entalpia (H) é uma propriedade que mede o fluxo de calor nas mudanças químicas que ocorrem a pressão constante. � As reações químicas podem absorver ou liberar calor, mas também podem provocar a realização de trabalho. � Por exemplo, quando um gás é produzido,ele pode ser utilizado para empurrar um pistão, realizando, assim, trabalho. Entalpia Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) O trabalho liberado em uma reação química é o chamado trabalho de pressão-volume Em uma reação química podemos ter: ∆∆∆∆E + trabalho O trabalho realizado pela reação é denominado trabalho de pressão- volume. w = - P x ∆∆∆∆V H = E + P V ����H = ����E + ����(PV) w = F x d w = P x A x ∆h → ∆V = A x ∆h Trabalho de pressão-volume w = P x ∆V w = - P x ∆V O sistema realiza trabalho na vizinhança Um pistão em movimento realiza trabalho na vizinhança. A quantidade de trabalho realizada é w = - P x ∆V ����H = ����E + P ����V ����H = q + w -w q + w - w ����H = q A variação de entalpia é igual ao calor obtido ou dispendido à pressão constante Por isso podemos dizer que o calor de uma reação à pressão constante é aproximadamente constante é aproximadamente igual a variação da energia interna. � Quando ����H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança. • Endotérmicas: Entalpia – São as que absorvem calor da vizinhança – Aumento de energia • Ex: fusão do gelo em um chá quente (a temperatura do chá diminui). H2O (s) + calor� H2O (l) • Exotérmicas: – São as que transferem calor para a vizinhança – � Quando ����H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança. Entalpia – São as que transferem calor para a vizinhança – Diminuição de energia • Ex: queima de carvão (fornece calor para o ar que aumenta a sua temperatura). C(s) + O2(g) ⃗ CO2(g) + calor Manter o Equilíbrio Térmico entre o sistema e a sua vizinhança �H = �q �H = Hfinal - Hinicial Para uma reação Química: Entalpia �H = Hprodutos - Hreagentes Para uma reação Química: Processo EndotérmicoProcesso Exotérmico ∆H>0∆H<0 Diagramas de Entalpia �H = Hprodutos - Hreagentes A madeira ao queimar LIBERA energia na forma de CALOR O gelo para fundir ABSORVE energia na forma de CALOR � A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do �H é diretamente proporcional à quantidade): Entalpias de Reação Equações Termoquímicas CO (g) + 2H O(l) CH (g) + 2O (g) �H = +890 kJ �A variação de entalpia é igual em valores absolutos, mas opostas em sinais para reações inversas. Entalpias de Reação CO2(g) + 2H2O(l) CH4(g) + 2O2(g) �H = +890 kJ � A variação da entalpia depende do estado dos reagentes e dos produtos: Entalpias de Reação Como o valor de ����H (Calor de Reação) pode ser determinado/medido???? Determinado experimentalmente pela medida do fluxo/transferência de calor que acompanha uma fluxo/transferência de calor que acompanha uma reação química CALORIMETRIA Medição da Variação da Temperatura Calorímetro Calorimetria: técnica experimental que mede o calor transferido em um processo químico ou físico � Quando um sistema absorve calor sua temperatura aumenta q ∝∝∝∝ ∆∆∆∆T q = C . ∆∆∆∆T � Portanto: � Pela diferença de temperatura é possível saber quanto de calor foi Capacidade calorífica (calor específico) e quantidade de calor absorvido � Pela diferença de temperatura é possível saber quanto de calor foi absorvido ou cedido pelo sistema q : calor transferido com a variação de temperatura depende de: � Quantidade do material; � Magnitude da variação de temperatura; � Identidade do material que ganha ou perde calor C (J/g ºC) � Capacidade calorífica = propriedade extensiva, é a quantidade de calor necessária que um objeto deve absorver para aumentar sua temperatura em 1 K ou 1°C ). Quanto maior a capacidade calorífica maior o calor necessário para produzir determinado aumento de temperatura Conceitos: � = � ∆� produzir determinado aumento de temperatura � Capacidade calorífica molar = a capacidade calorífica de 1 mol de uma substância. (J/mol.K) � Calor específico = capacidade calorífica de 1g de uma substância. (J/g.K) Calor específico de algumas substâncias a 298 K � 200 g de água requer 2 vezes mais calor para elevar sua T em 1ºC do que 100 g de água � São necessários 1000J para elevar a temperatura de 100 g de areia (0,84 J/g K) em 12ºC e essa mesma quantidade de calor para elevar a temperatura de 100g de água em 2,4ºC Tm q c ∆× = Tcmq ∆⋅⋅= Exemplo: É possível utilizar a capacidade calorífica específica do cobre (0,385 J/gK) ou da água (4,18 J/gK) para calcular a quantidade de calor necessária para que 10 g de cada substância tenha a temperatura aumentada de 298 K (25ºC) para 598 K (325ºC) � Para o cobre: q = 1,2 kJ � Para a água: q = 12,5 kJ Tcmq ∆⋅⋅= •P = cte, •Não há perdas nem ganho de calor pela vizinhança, •A diferença de temperatura antes e depois Cálculo de ����H (calor) de uma reação experimentalmente •A diferença de temperatura antes e depois da reação ocorreu devido a reação química. HTcmqsolução ∆=∆⋅⋅= Exemplo Quando se mistura 50 mL 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 resultante aumenta de 21,0ºC para 27,5ºC. Calcule a variação de entalpia para a reação, 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 calor específico é100mL, que sua densidade é 1,0 g/mL e que seu calor específico é 4,18 J/g.K Tcmq ∆⋅⋅= q = ∆H = - 2,7 kJ - 54 kJ/mol Lei de Hess É possível calcular o �H para uma reação a partir dos valores de �H tabelados para outras reações. • A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o �H para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais. Ex: Lei de Hess �H �H �H O valor final de �H para uma reação depende da forma em que a decompomos para utilizar a Lei de Hess??? H é uma Função de Estado Lei de Hess H é uma Função de Estado Sempre teremos o mesmo valor de �H para uma reação global, não importando quantas etapas aplicarmos para chegar aos produtos finais. Observe que: ∆H1 = ∆H2 + ∆H3 Lei de Hess �Existem diferentes tipos de Tabelas com valores de Entalpias. Ex: Entalpias de vaporização, fusão, combustão etc. �Um processo particularmente importante utilizado para arranjar dados termoquímicos em tabela é a formação de um composto a Entalpia de Formação dados termoquímicos em tabela é a formação de um composto a partir de seus elementos constituintes �A entalpia associada a esse processo é chamada entalpia de formação (ou calor de formação). ENTALPIA DE FORMAÇÃO (CALOR DE FORMAÇÃO) ����Hf � Para podermos comparar os valores de entalpia de diferentes substâncias� precisamos definir um conjunto de condições. � Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). Entalpia de Formação � A Entalpia padrão, ∆∆∆∆Hof, é a variação de entalpia medida quando todos os reagentes e produtos estão no seu estado padrão. � Entalpia padrão de formação (∆∆∆∆Hof): é a variação de entalpia para a formação de 1 mol de composto a partir das substâncias no estado padrão. • Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado. 2C (grafite) + 3H2 (g) + ½ O2 (g) � C2H5OH (l) �H°f = -277,7 KJ/mol Entalpia de Formação C(grafite) O2(g) • A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zero. �H°f = 0 �H°f = 0 Não existe reação de formação quando o elemento já está em seu estado padrão!!! Entalpia Padrão de Formação Entalpias Padrão de Formação, ∆∆∆∆Hof, a 298 K Como calcular a Entalpia de uma reação empregando os valores Tabelados? Entalpias de Reação ����H°reação= Σ�H°f (produtos) - Σ�H°f (reagentes)
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