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MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Introdução A energia liberada nas reações químicas está presente em várias atividades da nossa vida diária. Por exemplo, é o calor liberado na queima do gás butano que cozinha os nossos alimentos, é o calor liberado na combustão do álcool ou da gasolina que movimenta nossos veículos e é através das reações químicas dos alimentos no nosso organismo que obtemos a energia necessária para manutenção da vida. Quando uma reação química ocorre, há quebra e formação de ligações e, consequentemente, liberação ou absorção dessa energia sob a forma de energia térmica. A Termoquímica é a parte da Termodinâmica que estuda especificamente as quantidades de energia térmica transformadas ou trocadas entre o sistema e o meio durante uma reação química. Estudaremos, também as trocas de energia envolvidas nas mudanças de estado físico e nos processos de dissolução. Conceitos Importantes Sistema, fronteira e vizinhança Tudo aquilo que é o objeto de estudo ou observação é chamado de sistema. Os arredores de um sistema são denominados meio ou vizinhança. A vizinhança é o local de onde são feitas as observações sobre a energia transferida para ou do sistema. Fronteira á o limite entre o sistema e a vizinhança. O conjunto formado por sistema, vizinhança e fronteira é denominado universo. Um sistema pode ser aberto, fechado ou isolado. Sistema aberto Pode trocar calor e matéria com a vizinhança. Ex: motores de automóveis, o corpo humano, um copo (sem tampa) com água vaporizando. Sistema fechado Não pode trocar matéria, mas pode trocar calor com a vizinhança. Ex: bolsas de gelo usadas em ferimentos de atletas. Sistema Isolado Não pode trocar nem matéria nem calor com a vizinhança. Ex: café dentro de uma garrafa térmica. Energia Energia é a capacidade de realizar trabalho.As unidades usadas para energia são: Joule (J) ⇒ é a unidade de medida utilizada pelo Sistema Internacional (SI). Um joule (1 J) é o trabalho realizado por uma força de um Newton (1 N), que, ao ser aplicada a um corpo, o deslocará por uma distância de um metro na direção de aplicação da força. 1 kJ = 1 000 J Caloria (cal) ⇒ uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 1oC a temperatura de 1 g de água de 14,5 ºC para 15,5oC (1 kcal = 1 000 cal). Fator de conversão: 1 1 cal = 4,184 J W = P.∆V U = Ec + Ep MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Trabalho (W) É a energia necessária para deslocar um corpo contra uma força, sendo definido como: Energia Interna (U) Energia interna é a energia total armazenada em um sistema como energia cinética e energia potencial, ou seja, é a soma de todas as formas de energia das partículas que compõem o sistema. Em sistemas isolados, a energia interna é constante. Assim, quando a energia cinética diminui, a energia potencial aumenta. Da mesma forma que, quando a energia potencial sofre um decréscimo, a energia cinética aumenta. CUIDADO!!! As energias cinética e potencial não são grandezas inversamente proporcionais. Em sistemas isolados elas variam de forma inversa, mas não necessariamente na mesma proporção. Energia cinética É a energia devida ao movimento das partículas. Quanto maior for o grau de agitação das partículas, maior será a energia cinética, o que contribui para o aumento da energia interna do sistema. A magnitude da energia cinética depende diretamente da massa das partículas e do quadrado de sua velocidade: As partículas podem mover – se de diferentes maneiras, dando contribuições diferentes à sua energia cinética. Movimento translacional: é o tipo de movimento em que as espécies químicas se deslocam no espaço, aproximando-se ou afastando-se de um ponto de referência. Movimento rotacional: é o tipo de movimento encontrado em espécies químicas formadas por mais de um átomo e está relacionado à capacidade dessa espécie química girar em torno de um eixo. Movimento vibracional: é o tipo de movimento em que as espécies químicas oscilam em torno de um ponto de equilíbrio. Existem 3 modos vibracionais: - Estiramento ou Deformação Axial: os átomos vibram ao longo do eixo da ligação; muda o comprimento da ligação química. Estiramento Simétrico: Estiramento Assimétrico: - Deformação Angular: os átomos vibram fora do eixo da ligação; muda o ângulo da ligação. Energia potencial É a forma de energia que se encontra armazenada em um determinado sistema devido às interações atrativas e/ou repulsivas entre as partículas que o formam. Portanto, não haverá energia potencial se não houver forças de atração e repulsão entre as partículas de um sistema. Um sistema só realiza trabalho quando parte dessa energia potencial é convertida em energia cinética. 2 Calor (Q): energia térmica transferida entre dois sistemas ou entre o sistema e o meio, devido a uma diferença de temperatura. "Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si." MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA A energia potencial de um sistema é diretamente proporcional ao produto das cargas que se atraem ou se repelem e inversamente proporcional à distância entre elas. Logo, trata-se da energia potencial elétrica, dada por: em que k = 8,99x109 J.m/C2. Quando as duas cargas têm o mesmo sinal, elas se repelem e a energia potencial é positiva. Quando os sinais das cargas são opostos, elas se atraem e a energia potencial é negativa. Dessa forma, o predomínio de interações repulsivas contribui para aumentar a energia potencial do sistema, assim como o predomínio de interações atrativas contribui para diminuir a energia potencial. Além disso, quanto mais intensas forem as interações atrativas, menor será a energia potencial e mais estável será o sistema. Calor (Q) x Temperatura (T) No dia-a-dia estamos constantemente entrando em contato com objetos ou ambientes onde podemos ter a sensação de quente ou frio, percebendo diferentes temperaturas. E é comum usarmos as palavras calor e temperatura sem deixar clara a diferença existente entre as duas. Algumas expressões podem até apresentar as palavras com seus conceitos trocados, como no caso da expressão "como está calor hoje!", onde se usa a palavra calor para expressar a temperatura do ambiente. A partir disso se deduz que as sensações de quente e frio que temos também não são sensações de calor e sim de temperatura. Apesar de, pelo senso comum, a idéia de calor estar intimamente associada à idéia de temperatura, devemos tomar cuidado com certas generalizações. CUIDADO!! Um corpo não possui calor! Entretanto, ao receber calor, essa energia se transforma e pode, por exemplo, aumentar a agitação das partículas. Isso significa que o calor recebido foi transformado em energia cinética e, por esse motivo, houve elevação da temperatura. Quando colocamos em contato térmico dois corpos de temperatura diferentes, notamos que esses buscam uma situação de equilíbrio térmico, no qual as temperaturas tornam-se iguais. Para que isso aconteça, o corpo de maior temperatura fornece, ao de menor temperatura, certa quantidade de energia térmica. Isso provoca uma diminuição em sua temperatura e um aumento na temperatura do corpo inicialmente mais frio, até que se estabeleça o equilíbrio térmico. ATENÇÃO!!! A temperatura de equilíbrio não necessariamente será igual à média das temperaturas iniciais dos dois corpos, pois ela depende do material e da massa de cada bloco. Mais adiante veremos que o calor trocado depende não só do material e da massa de cada bloco, mas também da variação de temperatura sofrida no processo. Essa energia térmica, quando e apenas enquanto está em trânsito, é denominada calor. Daí surge a Lei Zero da Termodinâmica: A temperatura expressa o grau de agitação térmica das partículas de um corpo. Quanto maior a temperatura, maior a agitação térmica dessas partículas e, consequentemente, maior sua energia cinética média, já que a distribuição da energia cinéticao metano queima completamente formando gás carbônico e água. Entretanto, em situações em que a disponibilidade de oxigênio não é abundante, forma-se monóxido de carbono, um gás extremamente tóxico. A partir das informações do diagrama de entalpia, conclui- se que para a formação de 140 g de monóxido de carbono através da combustão incompleta do metano são a) absorvidos aproximadamente 6,1 102 kJ. b) absorvidos aproximadamente 3,0 103 kJ. c) liberados aproximadamente 6,1 102 kJ. d) liberados aproximadamente 3,0 103 kJ. 44 - (ENEM) O aproveitamento de resíduos florestais vem se tornando cada dia mais atrativo, pois eles são uma fonte renovável de energia. A figura representa a queima de um bio-óleo extraído do resíduo de madeira, sendo H1 a variação de entalpia devido à queima de 1 g desse bio-óleo, resultando em gás carbônico e água líquida, e H2 a variação de entalpia envolvida na conversão de 1 g de água no estado gasoso para o estado líquido. A variação de entalpia, em kJ, para a queima de 5 g desse bio-óleo resultando em CO2 (gasoso) e H2O (gasoso) é: a) –106. b) –94,0. c) –82,0. d) –21,2. e) –16,4. 45 - (UECE) Normalmente uma reação química libera ou absorve calor. Esse processo é representado no seguinte diagrama, considerando uma reação específica. Com relação a esse processo, assinale a equação química correta. a) H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) – 68,3 kcal b) H2O(l) – 68,3 kcal H2(g) + ½ O2(g) c) H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) + 68,3 kcal d) H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) + 68,3 kcal 46 - (PUC SP) O estudo da energia reticular de um retículo cristalino iônico envolve a análise do ciclo de Born-Haber. O diagrama de entalpia a seguir exemplifica o ciclo de Born- Haber do cloreto de potássio (KCl). 28 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA A partir da análise do diagrama é INCORRETO afirmar que a) a entalpia de sublimação do potássio é de 89 kJ/mol. b) a entalpia de ligação Cl-Cl é de 244 kJ/mol. c) a entalpia de formação do KCl(s) é de –717 kJ/mol. d) o potencial de ionização do K(g) é de 418 kJ/mol. e) a reação entre o metal potássio e o gás cloro é exotérmica. 47 - (UEFS BA) A maior importância da utilização do conceito de variação de entalpia é de permitir expressar as variações de energia de reações químicas. O gráfico representa a variação de entalpia na decomposição do óxido de mercúrio (II). Uma análise desse gráfico permite corretamente concluir: a) A entalpia de formação do óxido de mercúrio (II) é –90kJmol–1. b) As entalpias de Hg(l) e de O2(g) são diferentes de zero na formação de 1,0mol de HgO(s). c) A diferença de entalpia dos produtos e do reagente na decomposição do óxido de mercúrio (II) é igual à entalpia de formação dessa substância. d) A quantidade de energia absorvida na decomposição do óxido de mercúrio (II) é diferente da quantidade de energia liberada na formação desse óxido. e) A mudança nos estados físicos de produtos e de reagentes em uma reação química não altera o valor da variação de entalpia da reação. 48 - (FCM PB) A importância do magnésio também é relevante na formação do osso e influencia as atividades dos osteoblastos (célula formadora dos ossos) e osteoclastos (célula envolvida na reabsorção e remodelagem do tecido ósseo). Estudos encontraram associações positivas entre a ingestão de magnésio e densidade mineral óssea em homens e mulheres. O magnésio disponível no mercado é ligado a outra substância; assim, dependendo da substância utilizada, o suplemento oferece diferente absorção e biodisponibilidade do Mg. Formas de magnésio que se dissolvem bem em líquido são absorvidas no intestino. Entre elas o óxido de magnésio e o sulfato de magnésio (leite de magnésia), que têm efeito laxativo. O carbonato de magnésio é um dos suplementos que possui propriedades antiácidas e contém 45% de magnésio. Quando o óxido de magnésio está na presença de uma atmosfera de gás carbônico, este é convertido a carbonato de magnésio. São dadas as entalpias-padrão de formação: A formação de um mol de carbonato de magnésio, a partir do óxido de magnésio e gás carbônico, é uma reação a) Endotérmica, com valor absoluto de entalpia de 1 304 kJ b) Exotérmica, com valor absoluto de entalpia de 100 kJ c) Endotérmica, com valor absoluto de entalpia de 100 kJ d) Exotérmica, com valor absoluto de entalpia de 888 kJ e) Os elétrons fluem, pelo circuito externo, do cobre para o níquel. 49 - (FGV SP) Em condições adequadas, a combustão da amônia resulta em substâncias que não prejudicam o meio ambiente. 29 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 4 NH3 (g) + 3 O2(g) 2 N2(g) + 6 H2O(g) Considere as seguintes equações termoquímicas envolvendo a amônia: Com base nessas informações, podemos afirmar que o valor de H para a reação de fotossíntese é a) –1.305 kJ/mol. b) +1.305 kJ/mol. 4 NH3(g) + 7 O2(g) 4 NO2(g) + 6 H2O(g) Hº 1132 kJ c) +2.400 kJ/mol. 6 NO2(g) + 8 NH3(g) 7 N2(g) + 12 H2O(g) Hº 2740 kJ A entalpia da reação da combustão de 4 mol de amônia com a formação dos produtos N2 e H2O é a) – 317 kJ. b) – 402 kJ. c) – 968 kJ. d) – 1 268 kJ. e) – 1 608 kJ. 50 - (FCM PB) Um passo do processo de produção de ferro metálico, Fe(s), é a redução do óxido ferroso (FeO) com monóxido de carbono (CO). FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g) ∆H = x Utilizando as equações termoquímicas abaixo e baseando-se na Lei de Hess, assinale a alternativa que indique o valor mais próximo de “x”: d) –2.540 kJ/mol. e) +2.540 kJ/mol. 52 - (UNESP SP) Analise os três diagramas de entalpia. O H da combustão completa de 1 mol de acetileno, C2H2 (g), produzindo CO2 (g) e H2O (l) é a) + 1 140 kJ. b) + 820 kJ. Fe2O3(s) + 3 CO(g) 2 Fe(s) + 3 CO2(g) 3 FeO(s) + CO2(g) Fe3O4(s) + CO(g) H = –25 kJ H = –36 kJ c) – 1 299 kJ. d) – 510 kJ. e) – 635 kJ. 2 Fe3O4(s) + CO2(g) 3 Fe2O3(s) + CO(g) a) +14 kJ. b) –100 kJ. c) –17 kJ. d) –36 kJ. e) +50 kJ. 51 - (FUVEST SP) H = +47 kJ 53 - (IFBA) Para transformar grafite em diamante, é preciso empregar pressão e temperatura muito elevadas, em torno de 105 atm e 2.000 ºC. O carbono precisa ser praticamente vaporizado e, por isso, apesar de o processo ser possível, é difícil. Consideremos, então, as entalpias de combustão do grafite e do diamante: A energia liberada na combustão do etanol de cana-de- açúcar pode ser considerada advinda da energia solar, uma vez que a primeira etapa para a produção do etanol é a fotossíntese. As transformações envolvidas na produção e no uso do etanol combustível são representadas pelas seguintes equações químicas: 6 CO2 (g) + 6 H2O (g) C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g) C6H12O6 (aq) 2 C2H5OH (l) + 2 CO2 (g) H = –70 kJ/mol C2H5OH (l) + 3O2 (g) 2 CO2 (g) + 3 H2O (g) H = – 1.235 kJ/mol I. C(grafite) + O2(g) CO2(g) H = –394 kJ II. C(diamante) + O2(g) CO2(g) H = –396 kJ Quantos kJ são necessários para transformar grafite em diamante? a) +2 b) 790 c) +790 d) +10 e) 2 30 f f f r1 r2 r c c MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 54 - (UEFS BA) Por mais de 600 anos, os naturalistas sabiam que os formigueiros exalavam um vapor ácido. Em 1961, o naturalista inglês John Ray descreveu o isolamento do composto ativo desse vapor. Para fazer isso, coletou e destilou um grande número de formigas mortas. O ácido descoberto ficou conhecido como ácido fórmico (CH2O2), cuja nomenclatura IUPAC é ácido metanoico. (http://qnint.sbq.org.br. Adaptado.) A reação da combustão completa do ácido metanoico é representada pela equação: 56 - (ENEM) O ferro é encontrado na natureza na forma de seus minérios, tais como a hematita ( -Fe2O3), a magnetita (Fe3O4) e a wustita (FeO). Na siderurgia, o ferro-gusa é obtido pela fusão de minérios de ferro em altos fornos em condições adequadas. Uma das etapas nesse processo é a formação de monóxido de carbono. O CO (gasoso) é utilizado para reduzir o FeO (sólido), conforme a equação química: FeO (s) + CO (g) Fe (s) + CO2 (g) Considere as seguintes equações termoquímicas: CH2O2 (l) + 1 O2 (g) CO2 (g) + H2O(l) 2 Fe2O3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe (s) + 3 CO2 (g) = –25 kJ/mol de Fe2O3 Considere as equações a seguir para determinar a entalpia de combustão do ácido metanoico. C (gr) + O2 (g) + H2 (g) CH2O2 (l) Ho 255 kJ/mol 3 FeO (s) + CO2 (g) Fe3O4 (s) + CO (g) = –36 kJ/mol de CO2 2 Fe3O4 (s) + CO2 (g) 3 Fe2O3 (s) + CO (g) = +47 kJ/mol de CO2 C (gr) + O2 (g) CO2 (g) H2 (g) + O2 (g) H2O (l) Ho 394 kJ/mol Ho 286 kJ/mol O valor mais próximo de , em kJ/mol de FeO, para a reação indicada do FeO (sólido) com o CO (gasoso) é A entalpia de combustão do ácido metanoico é igual a a) –312 kJ/mol. b) –425 kJ/mol. c) –363 kJ/mol. d) –147 kJ/mol. e) –935 kJ/mol. 55 - (FGV SP) O arsênio é encontrado na natureza associado a minerais de certos metais de transição. Seu óxido, As2O3 é obtido como subproduto de processos de metalurgia extrativa. Esse óxido pode ser transformado em As2O5 por meio de reação com oxigênio ou com ozônio. a) –14. b) –17. c) –50. d) –64. e) –100. 57 - (ENEM) O benzeno, um importante solvente para a indústria química, é obtido industrialmente pela destilação do petróleo. Contudo, também pode ser sintetizado pela trimerização do acetileno catalisada por ferro metálico sob altas temperaturas, conforme a equação química: 3 C2H2 (g) C6H6 (l) As2O3 (s) + O2 (g) As2O5 (s) 3 As2O3 (s) + 2 O3 (g) 3 As2O5 (s) Ho 270 kJ Ho 1096 kJ A energia envolvida nesse processo pode ser calculada indiretamente pela variação de entalpia das reações de combustão das substâncias participantes, nas mesmas Com base nessas informações, é correto afirmar que o valor da entalpia padrão da reação Ho de conversão de 1 mol de oxigênio a ozônio, em kJ, é aproximadamente a) –286. condições experimentais: I. C2H2 (g) + 5 O2 (g) 2 CO2 (g) + H2O (l) 2 Ho 310 kcal/mol b) –95. c) +95. II. C6H6 (l) + 15 O2 (g) 6 CO2 (g) + 3 H2O (l) 2 d) +286. e) +810. Ho 780 kcal/mol 31 http://qnint.sbq.org.br/ MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA A variação de entalpia do processo de trimerização, em kcal, para a formação de um mol de benzeno é mais próxima de a) –1 090. b) –150. c) –50. d) +157. e) +470. 58 - (UEA AM) O estanho, metal utilizado em ligas de solda e no revestimento interno de latas de folha de flandres, é obtido pelo aquecimento do mineral cassiterita, SnO2, com carbono, em fornos a temperaturas de 1 200 ºC a 1 300 ºC. A reação que ocorre nesse processo é: SnO2 (s) + C (s) Sn (l) + CO2 (g) Considere os dados: Sn (s) + O2 (g) SnO2 (s) ; H = –578 kJ/mol C (s) + O2 (g) CO2 (g) ; H = –394 kJ/mol Sn (s) Sn (l) ; H = 7 kJ/mol A partir desses dados, é correto afirmar que a obtenção de 1 mol de Sn (l), a partir da cassiterita, a) absorve 191 kJ. b) absorve 965 kJ. c) libera 177 kJ. d) libera 191 kJ. e) libera 965 kJ. TEXTO: 1 - Comum à questão: 59 Insumo essencial na indústria de tintas, o dióxido de titânio sólido puro (TiO2) pode ser obtido a partir de minérios com teor aproximado de 70% em TiO2 que, após moagem, é submetido à seguinte sequência de etapas: I. aquecimento com carvão sólido TiO2 (s) + C (s) Ti (s) + CO2 (g ) Hreação = +550 kJ mol– 1 II. reação do titânio metálico com cloro molecular gasoso Ti (s) + 2 Cl2 (s) TiCl4 (l) Hreação = –804 kJ mol–1 III. reação do cloreto de titânio líquido com oxigênio molecular gasoso TiCl4 (l) + O2 (g ) TiO2 (s) + 2 Cl2 (g ) Hreação = –140 kJ mol–1 59 - (UNESP SP) Considerando as etapas I e II do processo, é correto afirmar que a reação para produção de 1 mol de TiCl4 (l) a partir de TiO2 (s) é a) exotérmica, ocorrendo liberação de 1 354 kJ. b) exotérmica, ocorrendo liberação de 254 kJ. c) endotérmica, ocorrendo absorção de 254 kJ. d) endotérmica, ocorrendo absorção de 1 354 kJ. e) exotérmica, ocorrendo liberação de 804 kJ. TEXTO: 2 - Comum à questão: 60 Na produção industrial dos comercialmente chamados leites “sem lactose”, o leite integral é aquecido a altas temperaturas. Após o resfriamento, adiciona-se ao leite a enzima lactase. Com esse processo, o produto gera menos desconforto aos intolerantes à lactose, que é o carboidrato presente no leite integral. 60 - (UERJ) A lactose é hidrolisada no leite “sem lactose”, formando dois carboidratos, conforme a equação química: lactose + água glicose + galactose Se apenas os carboidratos forem considerados, o valor calórico de 1 litro tanto do leite integral quanto do leite “sem lactose” é igual a –90 kcal, que corresponde à entalpia-padrão de combustão de 1 mol de lactose. Assumindo que as entalpias-padrão de combustão da glicose e da galactose são iguais, a entalpia de combustão da glicose, em kcal/mol, é igual a: a) 45 b) 60 c) 120 d) 180 Gabarito dos Exercícios Propostos 1) Gab: E 2) Gab: D 3) Gab: A 4) Gab: E 32 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 5) Gab: D 6) Gab: C 7) Gab: B 8) Gab: D 9) Gab: A 10) Gab: A 11) Gab: C 12) Gab: A 13) Gab: E 14) Gab: B 15) Gab: D 16) Gab: B 17) Gab: C 18) Gab: B 19) Gab: C 20) Gab: E 21) Gab: D 22) Gab: D 23) Gab: C 24) Gab: 01 25) Gab: A 26) Gab: B 27) Gab: A 28) Gab: D 29) Gab: A 30) Gab: E 31) Gab: B 32) Gab: A 33) Gab: B 34) Gab: B 35) Gab: A 36) Gab: C 37) Gab: C 38) Gab: E 39) Gab: A 40) Gab: D 41) Gab: A 42) Gab: B 43) Gab: D 44) Gab: C 45) Gab: D 46) Gab: C 47) Gab: A 48) Gab: B 49) Gab: D 50) Gab: C 51) Gab: E 52) Gab: C 53) Gab: A 54) Gab: B 55) Gab: B 56) Gab: B 33 34 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 57) Gab: B 58) Gab: A 59) Gab: B 60) Gab: Aentre as partículas de um sistema não é uniforme. OBSERVAÇÃO: Quando um corpo absorve energia térmica, nem sempre haverá aumento de temperatura, pois esta pode ser utilizada apenas para aumentar a energia potencial de suas partículas sem aumentar a energia cinética. 3 http://pt.wikipedia.org/wiki/Equil%C3%ADbrio_t%C3%A9rmico http://pt.wikipedia.org/wiki/Equil%C3%ADbrio_t%C3%A9rmico ∆U = Q - W ∆H = QP MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Sensação Térmica Quando dois corpos a temperaturas diferentes entram em contato, há uma modificação dessas temperaturas (Lei Zero da Termodinâmica). Ao segurarmos dois blocos, um de metal e o outro de madeira, inicialmente à temperatura ambiente, com as mãos, ocorre transferência de calor do nosso corpo para os blocos, já que a temperatura corporal é maior que a temperatura ambiente. Porém, a temperatura do metal se modifica mais rapidamente do que a da madeira, o que provoca a sensação de que o metal está mais frio do que a madeira, apesar de estarem inicialmente numa mesma temperatura. Esse comportamento diferenciado do metal e da madeira está associado a uma propriedade chamada condutividade térmica. Os metais são bons condutores de calor, enquanto a madeira é um isolante térmico. Portanto, frio e quente são sensações provenientes da perda e do ganho de calor, respectivamente. associadas a ela, como parece ter segundo a nossa interpretação neurológica baseada no sentido do tato. Portanto, nossa impressão de “quente” e “frio” é bastante qualitativa e pessoal, não servindo para a medição precisa de temperatura. Por isso a necessidade de construirmos termômetros. Entalpia É a energia total de um sistema medida à pressão constante, sendo representada por H. Não é conhecida nenhuma maneira de determinar o conteúdo de energia (entalpia) de uma substância. Na prática, o que conseguimos medir é a variação de entalpia (∆H) de um processo, utilizando calorímetros. Essa variação corresponde à quantidade de energia liberada ou absorvida durante o processo, realizado a pressão constante. O cálculo da variação da entalpia é dado pela expressão genérica: OBSERVAÇÃO: A sensação de “quente” e “frio” imposta pelos nossos sentidos não é utilizada para a medida de temperatura. O sentido do tato não é adequado, pois trata-se de uma sensação neurológica que varia de indivíduo para individuo. O que é “quente” para uma pessoa pode ser “frio” para outra. Nossos sentidos não sugerem um padrão fixo para a medida de “quente” e “frio”. Se mergulharmos uma mão numa vasilha com água morna e a outra mão numa vasilha com água que acabou de sair da geladeira, sentiremos as sensações distintas imposta pelo líquido contido em cada vasilha. Mas se retirarmos ambas as mãos e mergulharmos numa terceira vasilha com água a temperatura ambiente, teremos um resultado estranho, pois para a mão que estava na água “fria” a água a temperatura ambiente parecerá quente e para a mão que estava mergulhada na água morna, a água a temperatura ambiente parecerá fria. Mas a água a temperatura ambiente não pode ter “duas temperaturas” A alteração da energia interna (U) durante um processo depende do calor trocado (Q) e do trabalho realizado (W). A variação de entalpia em processos isobáricos (pressão constante) é quantitativamente igual à energia trocada entre sistema e meio. Assim, temos: ∆U = QP – W ∆U = ∆H – p.∆V 4 FRIO: perda de calor QUENTE: ganho de calor ∆H = Hfinal – Hinicial ou ∆H = Hprodutos – Hreagentes ∆H = ∆U + p.∆V ∆H = ∆U Q = m.c.∆T MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Caso o processo ocorra a volume constante, não haverá realização de trabalho. Neste caso, a variação de entalpia do processo será igual à variação de energia interna. Calorímetro O calor liberado ou absorvido por um sistema que sofre uma reação química é determinado em aparelhos chamados calorímetros. Estes variam em detalhes e são adaptados para cada tipo de reação que se quer medir o calor. Basicamente, no entanto, um calorímetro é constituído de um recipiente com paredes adiabáticas (que não permitem trocas de calor), contendo uma massa conhecida de água, onde se introduz um sistema em reação. O recipiente é provido de um agitador e de um termômetro que mede a variação de temperatura ocorrida durante a reação. A determinação do calor liberado ou absorvido numa reação química á efetuada através da expressão: onde: Q é a quantidade de calor liberada ou absorvida pela reação. Esta grandeza pode ser expressa em calorias (cal) ou em Joules (J). O Sistema Internacional de Medidas (SI) recomenda a utilização do Joule, no entanto, a caloria ainda é muito utilizada. m é a massa, em gramas, de água presente no calorímetro; c é o calor especifico do líquido presente no calorímetro. Para a água seu valor é 1 cal/g .oC; ∆T é a variação de temperatura sofrida pela massa de água devido a ocorrência da reação. É medida em graus Celsius. Reações Exotérmicas e Endotérmicas Em relação às trocas de calor, as reações químicas se classificam em dois tipos: reações exotérmicas e reações endotérmicas, conforme liberem ou absorvam o calor respectivamente. Exotérmicas O prefixo exo significa "para fora". Reações exotérmicas são aquelas que liberam energia na forma de calor e nos transmitem sensação de aquecimento. Se uma reação é exotérmica, então a entalpia dos reagentes (HR) é maior que a entalpia dos produtos (HP), pois uma parte da energia que estava contida nos reagentes foi liberada para o meio na forma de calor e apenas uma outra parte dessa energia ficou contida nos produtos. Como nas reações exotérmicas: HR > HP e ∆H = Hprodutos – Hreagentes, neste tipo de reação a variação de entalpia é sempre negativa. REAÇÃO EXOTÉRMICA: ∆H HR e ∆H = Hprodutos – Hreagentes, neste tipo de reação a variação de entalpia é sempre positiva. REAÇÃO ENDOTÉRMICA: ∆H > 0 O esquema geral de uma reação endotérmica pode ser escrito da maneira a seguir: REAGENTES + CALOR → PRODUTOS Representando essa reação em um sistema de coordenadas, temos: Graficamente, temos: Um exemplo desse processo é a decomposição térmica do carbonato de cálcio. CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) ∆H = +178 kJ 6 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Durante as reações endotérmicas, as ligações químicas rompidas nos reagentes são mais fortes do que as formadas nos produtos. Logo, a energia potencial média das partículas do sistema aumenta. Consequentemente,ocorre uma diminuição da energia cinética média das partículas e, portanto, uma diminuição da temperatura do sistema. Como a temperatura do sistema é menor do que a temperatura do meio, parte da energia cinética deste é absorvida pelo sistema, aumentando a sua temperatura e diminuindo a do meio, até que haja o equilíbrio térmico entre os dois. Após o estabelecimento do equilíbrio térmico, as temperaturas do sistema e do meio são iguais, porém menores do que as temperaturas iniciais dos mesmos. Variação de energia térmica em processos físicos Os processos físicos que ocorrem com variação de temperatura são classificados como exotérmicos ou endotérmicos. Nos processos físicos endotérmicos, ocorre um aumento na energia potencial do sistema devido à diminuição da intensidade das interações coesivas entre as partículas que o formam. Caso o sistema seja isolado durante o processo físico endotérmico, ocorrerá uma diminuição da energia cinética média das partículas e, consequentemente, de sua temperatura. Exemplo: A vaporização da água. Nos processos físicos exotérmicos, ocorre uma diminuição na energia potencial do sistema devido ao aumento da intensidade das interações coesivas entre as partículas que o formam. Caso o sistema seja isolado durante o processo físico exotérmico, ocorrerá um aumento da energia cinética média das partículas e, consequentemente, de sua temperatura. Exemplo: A condensação do vapor de água. Considere que um béquer aberto, contendo acetona, tenha sido mergulhado em outro béquer maior, isolado termicamente, o qual contém água, conforme mostrado na figura. A temperatura da água foi monitorada durante o processo de evaporação da acetona, até que o volume desta se reduz à metade do valor inicial. A evaporação da acetona é um processo endotérmico, pois envolve o rompimento de interações interpartículas. Logo, o processo envolve redução da temperatura do sistema e das vizinhanças, como representado no gráfico a seguir: Caso a temperatura da água fosse monitorada até a acetona evaporar completamente, a temperatura registrada pelo termômetro diminuiria e, após o frasco menor secar, permaneceria constante. Obs: dependendo das quantidades de água e acetona utilizadas no experimento, a temperatura da água poderia diminuir a ponto de provocar a sua solidificação. 7 Hsólido │∆H1│ MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Estado alotrópico dos reagentes e produtos LEMBRETE!!! Alotropia: é o fenômeno em que um mesmo elemento químico forma duas ou mais substâncias simples diferentes. Os casos mais comuns na natureza são os seguintes: Elemento Alótropos Carbono Grafite: Cgrafite Diamante: Cdiamante Oxigênio Oxigênio: O2 Ozônio: O3 Enxofre Rômbico:Sr Monoclínico: Sm Fósforo Vermelho: Pv Branco: Pb Entre as formas alotrópicas de um mesmo elemento químico a forma mais estável tem um menor conteúdo de energia (menor entalpia), enquanto a forma menos estável possui um maior conteúdo energético (maior entalpia). Portanto, o ∆H de uma reação envolvendo alótropos depende do tipo de alótropo (estável ou instável). Seja, por exemplo, uma reação química exotérmica: Partindo-se do reagente na forma alotrópica mais estável (menos energética) obtém-se menor quantidade de energia liberada na reação. Partindo-se do mesmo reagente na forma alotrópica menos estável (mais energética) obtém-se maior quantidade de energia liberada na reação. Exemplo: Note que a combustão do carbono diamante libera mais energia que a combustão do carbono grafite. Logo o carbono diamante possui maior entalpia que o carbono grafite. Conclusões idênticas são válidas para as formas alotrópicas de outros elementos químicos. Assim, podemos dizer que: • o enxofre rômbico é mais estável (menos reativo) que o monoclínico; • o fósforo vermelho é mais estável (menos reativo) que o branco; • o oxigênio (O2) é mais estável (menos reativo) que o ozônio (O3). Temperatura O valor de ∆H varia com a temperatura, pois a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura dos produtos é diferente do calor necessário para elevar a temperatura dos reagentes. Exemplo: 9 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Ou, graficamente: A figura a seguir mostra como a entalpia dos reagentes e dos produtos de uma reação química do tipo A (g) → B (g) varia com a temperatura: Observe que, numa dada temperatura, a entalpia do produto é menor que a entalpia do reagente, o que indica que a reação é exotérmica. Entretanto, com o aumento da temperatura, o módulo do ∆H aumenta. Significa que a entalpia do reagente aumentou mais que a entalpia do produto, para uma mesma variação de temperatura (de T1 para T2). Concluimos, então, que o calor específico do reagente (A(g)) é maior que o calor específico do produto (B(g)), ou seja, a energia necessária para aumentar a temperatura de A(g) (de T1 para T2) é maior do que a energia necessária para provocar a mesma variação de temperatura em B(g). Por isso a entalpia do reagente aumentou mais do que a do produto, justificando o aumento do módulo do ∆H. Pressão A pressão só influencia no valor de ∆H se o sistema for gasoso. Para sistemas sólidos e / ou líquidos, haverá variação do ∆H de modo significativo a pressões da ordem de 2 000 atm. Presença do solvente Todo processo de dissolução acarreta uma liberação ou uma absorção de energia sob a forma de calor. Assim, ao medirmos o ∆H de uma reação em meio a um solvente, estamos medindo também o calor liberado ou absorvido no processo de dissolução. Exemplo: H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g) ∆H = –44,2kcal H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(aq) ∆H = –80,2 kcal A diferença [-80,2 – (-44,2)] = -36 kcal corresponde ao calor devido à presença do solvente. Notação de equações termoquímicas Como o valor do H de uma reação varia em função de vários fatores, é preciso fornecer na equação termoquímica as seguintes informações: 1 C(grafita) + ½ O2(g) ⎯ 1 CO2 (g) H = - 94,0 kcal/mol 25°C e 1 atm As substâncias que reagem e que são produzidas, com os respectivos coeficientes (da equação balanceada). A fase de agregação (sólida, líquida ou gasosa) em que se encontra cada substância participante da reação. Substâncias na fase de agregação (sólida, líquida ou gasosa) comum nessas condições de pressão e temperatura. Exemplo: o oxigênio é gasoso a 25°C e 1 atm; portanto, em condições padrão, trabalha-se com o oxigênio na fase gasosa e não nas fases sólida e líquida. A variedade alotrópica de cada substância simples que participa da reação (no caso das substâncias apresentarem formas alotrópicas). A substância deve estar na forma alotrópica mais estável. A quantidade de calor (∆H) que foi liberada ou absorvida durante a reação. A temperatura e a pressão nas quais se deu a reação. 10 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Em termoquímica, a menos que se faça alguma ressalva, os valores de H fornecidos foram medidos em condições padrão, que são as seguintes: Pressão : 1 atmosfera Temperatura : 25°C ou 298 K Estado Padrão Experimentalmente é praticamente impossível determinar a entalpia absoluta dos reagentes e produtos. Para resolver esse problema, estabeleceu-se uma escala arbitrária de entalpia em que o padrão de entalpia são os elementos químicos em sua forma mais estável a 25oC e 1 atm de pressão. Estado padrão: é a forma mais comum (estado físico e variedade alotrópica) de uma substância nas condições padrão (25oC e 1 atm). A determinação de todas as demais entalpias dá- se em função desse padrão, e é representada por ∆Ho. Veja exemplos de alguns alótropos: Forma alotrópica mais estável (Hof = 0) Forma alotrópica menos estável (Hof 0) Gás oxigênio: O2(g) Gás ozônio: O3(g) Carbono grafita Carbono diamante Enxofre rômbico Enxofre monoclínico Entalpia de Formação São denominadas reações de formação aquelas em que ocorre a formação (síntese) de 1 mol de uma substância a partir de substâncias simples, no estado padrão. A variação de entalpia (∆H) nessas reações pode receber os seguintes nomes: entalpia de formação, calor de formação, ∆H de formação ou entalpia padrão de formação (∆Hof). Entalpia de formação: é o calor liberado ou absorvido na formação de 1 mol de uma substância a partir de substâncias simples, no estado padrão, com H = 0. Exemplo: ½N2(g) + ½ O2(g) → 1NO(g) ∆H = +90,4 kJ/mol 1Cgrafite + 1O2(g) → 1CO2(g) ∆H = -394 kJ/mol CUIDADO!!! O valor negativo não significa que o CO2 tem “energia negativa”, mas sim que seu conteúdo energético (entalpia) é menor do que as entalpias do Cgrafite e do O2(g), as quais, por convenção, são iguais a zero. Entalpia de combustão São classificadas como reações de combustão aquelas em que uma substância, denominada combustível, reage com o gás oxigênio (O2), denominado comburente. Por serem sempre exotérmicas, as reações de combustão apresentam ∆H │∆H2│ > │∆H1│ Quanto mais incompleta é a combustão, menos energia é liberada, pois o produto formado ainda 11 12 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA armazena energia que poderá ser liberada numa posterior combustão. Potencial Energético dos Combustíveis Uma aplicação importante dos calores de combustão é a escolha dos combustíveis a serem usados nas indústrias. Sem dúvida, é muito importante considerar a quantidade de calor que o combustível é capaz de produzir. Essa propriedade se denomina poder calorífico e geralmente é medida em kcal/kg ou kJ/kg. A tabela a seguir fornece o poder calorífico aproximado de alguns combustíveis. Às vezes o potencial energético é expresso por grama do combustível. Poder CaloríficoCombustível (kcal/kg) (kJ/kg) Gasolina 11400 47800 Óleo diesel 10700 44700 Álcool combustível 6500 27200 Gás liquefeito de petróleo 11600 48500 Gás natural 11700 49000 Carvão metalúrgico 7600 32000 Lenha (pinho) 4300 18000 Hidrogênio 33900 142000 Sem dúvida, outro fator importante na escolha de um combustível industrial é o seu preço por quilograma. Um terceiro fator a se considerar é a poluição causada pela queima do combustível. O ideal é que se produza o mínimo possível de poluição, mas acontece que os combustíveis mais “limpos” são, em geral, os mais caros. É o caso do hidrogênio, cuja queima gera muito calor e produz água, que não é poluente; mas o hidrogênio, como combustível, ainda tem uso limitado, devido a seu alto custo. Exemplo 1: Indique o combustível com maior potencial energético, em kJ/g: H2(g) ou CH4(g). Dados: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆Hocomb = - 286 kJ/mol CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ∆Hocomb = - 890 kJ/mol Resolução: M (H2) = 2 g/mol 2 g de H2-------------------286 kJ 1 g de H2 ----------------------x M (CH4) = 16 g/mol 16 g de CH4-------------------890 kJ 1 g de CH4 ----------------------y y = 55,6 kJ Logo, o H2(g) é o combustível com maior potencial energético. Obs: o potencial energético é obtido dividindo-se o ∆Hocomb pela massa molar do combustível. Exemplo 2: A entalpia padrão de combustão do etanol (C2H6O, álcool comum) líquido é -1.367 kJ/mol e sua densidade é 0,80 g/mL. Qual a energia liberada na queima de 1,0 L de etanol? Resolução: d = m/v metanol = 0,80 g/mL . 1000 mL = 800 g C2H6O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆H = -1.367 kJ/mol Massa Energia liberada 46 g --------------- 1.367 kJ 800 g x x = 2,38 . 104 kJ Exemplo 3: Indique o combustível que, quando queimado, libera mais CO2(g) no ambiente pela mesma quantidade de energia produzida. Dados: ∆Hocomb CH4(g) = - 890 kJ/mol ∆Hocomb C8H18(g) = - 5471 kJ/mol Resolução: A quantidade de energia escolhida fica a critério de cada um, desde que seja a mesma para os dois combustíveis. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) 890 kJ ---------------1 mol de CO2 1000 kJ----------------x C8H18(g) + 25/2 O2(g) → 8 CO2(g) + 9 H2O(l)x = 143 kJ x ≈ 1,12 mol de CO2 f 13 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 5471 kJ -------------8 mol de CO2 1000 kJ--------------y y ≈ 1,46 mol de CO2 Logo, o C8H18(g), quando queimado, libera mais CO2(g) no ambiente pela mesma quantidade de energia produzida. Cálculo do ∆H a partir do calor de formação Como falado anteriormente, o calor de formação é a variação de entalpia de uma reação de formação de um mol de um determinado produto a partir das substâncias simples que lhe deram origem, na forma alotrópica mais estável e no estado padrão (H=0). Exemplo: H2(g) + ½O2(g) → H2O(l) Como H2(g) e O2(g) possuem H=0, calculamos o ∆Hoda água da seguinte maneira: ∆Hof(H2O) = HoP – HoR ∆Hof(H2O) = Ho(H2O) – [Ho(H2) + Ho(O2)] ∆Hof(H2O) = Ho(H2O) – 0 ∆Ho (H O) = Ho(H O)f 2 2 Assim, verifica – se que o calor de formação é igual ao valor da entalpia da substância a ser formada. Como os valores de ∆Hof de muitas substâncias são tabelados, podemos calcular o ∆H de diversas reações utilizando o calor de formação pela expressão: Exemplo 1: Dados os calores de formação, no estado padrão: Substância ∆Hof (kcal/mol) N2H4(l) +12,0 H2O2(l) -46,0 H2O(l) -57,8 Calcule o ∆H para a seguinte reação: N2H4(l) + 2 H2O2(l) → N2(g) + 4 H2O(l) Resolução: ∆Ho = ∑∆Hof (produtos) - ∑∆Hof (reagentes) ∆Ho = [ (0) + 4(-57,8)] – [ (+12) + 2(-46)] ∆Ho = -151,2 kcal Lei de Hess A determinação do calor de reação em um calorímetro é impossível para muitas reações químicas. Considere, por exemplo, a oxidação do carbono ao monóxido de carbono. C(s) + ½ O2(g) → CO(g) Algum CO2 sempre irá se formar nas reações de carbono com oxigênio, mesmo que haja uma deficiência de oxigênio. A reação entre CO e O2 é muito favorável; portanto, assim que CO é formado, ele reage com O2 para formar CO2. Consequentemente, o uso da calorimetria para determinar o calor liberado na formação do CO é impossível. Felizmente, o calor liberado na reação que forma CO(g) a partir de C(s) e O2(g) pode ser calculado a partir dos calores determinados para outras reações. Esse cálculo baseia – se na Lei de Hess, que diz que se uma reação for a soma de outras duas ou mais reações, o ∆H para o processo global é a soma dos valores de ∆H daquelas reações. Lei de Hess: A entalpia de uma reação é uma função de estado, ou seja, depende apenas da entalpia final e inicial dos produtos e reagentes, respectivamente, seja ela realizada em uma única etapa ou em várias etapas. ∆H = ∑∆Ho - ∑∆Ho f (produtos) f (reagentes) ∆H = -17,7 kcal 14 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA A oxidação de C(s) a CO2(g) pode ser vista como ocorrendo em duas etapas, primeiro a oxidação de C(s) a CO(g) (equação 1), e então a oxidação de CO(g) a CO2(g) (equação 2). A soma dessas duas reações dá a equação para a oxidação de C(s) a CO2(g) (equação 3). Eq. 1: C(s) + ½ O2(g) → CO(g) ∆H=? Eq. 2: CO(g) + ½ O2(g) → CO2(g) ∆H=-283,0 kJ Eq. 3: C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H=-393,5 kJ A Lei de Hess diz que a variação de entalpia para a reação global (∆H3) igualará a soma das variações de entalpia para as equações 1 e 2 (∆H1 + ∆H2). Os valores de ∆H2 e ∆H3 podem ser medidos. Esses valores são usados para determinar a variação de entalpia para a reação 1. ∆H3 = ∆H1 + ∆H2 -393,5 kJ = ∆H1 + (-283,0) ∆H1 = -110,5 kJ A Lei de Hess também se aplica a processos físicos. A variação de entalpia para a reação entre H2(g) e O2(g) para formar 1 mol de H2O líquido é diferente da variação de entalpia para formar 1 mol de vapor de H2O. A diferença é o calor de vaporização da água, ∆H2. A relação ∆H3 = ∆H1 + ∆H2 torna possível calcular o valor de ∆H2, o calor de vaporização da água (44,0 kJ, com todas as substâncias a 25ºC). O processo para a resolução consiste em trabalhar convenientemente com as equações fornecidas de modo que, de sua soma algébrica, resulta na equação principal, possibilitando o cálculo do ∆H. Além disso, devemos lembrar que: invertendo uma equação, o ∆H muda de sinal, multiplicando os coeficientes de uma equação por um número, o ∆H também fica multiplicado por esse número. dividindo os coeficientes de uma equação por um número, o ∆H também fica dividido por esse número. Exemplo 1: O calor de formação do metano, CH4, não pode ser determinado por medidas calorimétricas, pois a reação é lenta e apresenta reações secundárias. A partir das seguintes equações I. C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94 kcal II. H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = - 68,3 kcal III. CH4(g) + 2 O2(g) ® CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = - 212,9 kcal Determine a variação da entalpia da reação de formação do metano: Cgrafite + 2H2(g) → CH4(g) ∆H=? Resolução: As seguintes operações devem ser feitas: manter a equação I multiplicar a equação II por 2 inverter a equação III Assim, C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94 kcal 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ∆H = 2(-68,3) kcal CO2(g) + 2 H2O(l) → CH4(g) + 2 O2(g) ∆H = +212,9 kcal Eq. 1: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H1=-285,8 kJ Eq. 2: H2O(l) → H2O(g) ∆H2=? C(grafite) + 2H2(g) → CH4(g) Eq. 3: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(g) ∆H1=-241,8 kJ Quebra de ligações → Processo ENDO Formação de ligações → Processo EXO MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Exemplo 2: O ferro é encontrado na natureza na forma de seus minérios, tais como a hematita (α-Fe2O3), a magnetita (Fe3O4) e a wustita (FeO). Na siderurgia, o ferro gusa é obtido pela fusão de minérios de ferro em altos fornos em condições adequadas. Uma das etapas nesse processo é a formação de monóxido de carbono. O CO (gasoso) é utilizado para reduzir o FeO (sólido), conforme a equação química: FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) Considere as seguintes equações termoquímicas: I. Fe2O3(s) + 3 CO(g) → 2Fe(s) + 3 CO2(g) ∆H = –25 kJ/mol de Fe2O3 II. 3 FeO(s) + CO2(g) → Fe3O4(s) + CO(g) ∆H = –36 kJ/mol de CO2 III. 2 Fe3O4(s) + CO2(g) → 3 Fe2O3(s) + CO(g) ∆H = +47 kJ/mol de CO2 Determine o valor de ∆Ho, em kJ/mol de FeO, para a reação indicada do FeO (sólido) com o CO (gasoso). Resolução: As seguintes operações devem ser feitas: dividir a equação I por 2 dividir a equação II por 3 dividir a equação III por 6 Assim, 1/2 Fe2O3(s) + 3/2 CO(g) → Fe(s) + 3/2 CO2(g) ∆H = –12,5 kJ/mol FeO(s) + 1/3 CO2(g) → 1/3 Fe3O4(s) + 1/3 CO(g) ∆H = –12 kJ/mol 1/3 Fe3O4(s) + 1/6 CO2(g) → 1/2 Fe2O3(s) + 1/6 CO(g) ∆H = +7,83 kJ/mol Energia de Ligação Energia de ligação é a energia envolvida na ruptura ou na formação de 1 mol de determinada ligação química, no estado gasoso. Quando dois átomos se ligam esses tendem a adquirir estabilidade, ou seja, passar de um estado de alta energia para um estado de mais baixa energia. Isso é conseguido ao se liberar energia. Logo, a formação de ligações é um processo exotérmico. Por outro lado, se houver o rompimento de uma ligação, os átomos irão absorver toda a energia que haviam liberado, voltando a uma situação de instabilidade (processo endotérmico). Os valores das energias de ligação nos mostram o quanto uma ligação é mais estável do que outra. Considere os dados a seguir: Ligação Energia de ligação (kcal/mol) Si – Si 226 Si – O 466 As ligações Si-O são mais estáveis (mais fortes) do que as ligações Si-Si, pois requerem uma quantidade de energia maior para que sejam rompidas. Para se determinar o ∆H de uma reação a partir dos valores das energias de ligação devemos considerar: Que todas as ligações dos reagentes são rompidas e determinar a quantidade de energia consumida nesse processo; Que as ligações existentes nos produtos foram todas formadas a partir de átomos isolados e determinar a quantidade de energia liberada nesse processo. O ∆H será correspondente à soma algébrica das energias envolvidas (positiva para reagentes e negativa para produtos) nos dois processos, o de ruptura e o de formação de ligações. FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) Observe que a equação III só foi necessária para cancelarmos o Fe2O3(s) e o Fe3O4(s) que apareceram nas outras equações e não estão presentes na equação cujo ∆H foi pedido. Exemplo 1: Calcule o ∆H da reação entre hidrogênio e cloro gasosos, com formação de cloreto de hidrogênio, a partir das energias de ligação: 15 ∆H = ∑∆HLig.rompidas nos reag. + ∑∆HLig.formadas nos prod. ∆H = -16,67 kJ/mol MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Ligação Energia de ligação (kJ/mol) H – H 104 Cl – Cl 58 H – Cl 103 H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g) ∆H = ? Resolução: Escrevendo as fórmulas estruturais planas dos participantes da reação, temos: H – H + Cl – Cl → 2 H – Cl Então: ∆H = ∑∆HLig. rompidas nos reag. + ∑∆HLig. formadas nos prod. ∆H = [1.(104) + 1(.58)] + [2.(-103)] ∆H = -44 kcal ou -22 kcal/mol Observe que é necessáriomultiplicar a energia de ligação pelo coeficiente estequiométrico, uma vez que a energia de ligação se refere a apenas 1 mol de ligações. Exemplo 2: Calcule o ∆H da reação de combustão completa do metano (CH4), a partir das energias de ligação: pressão. A partir dos dados abaixo, é correto que o valor da entalpia-padrão de combustão para o gás acetileno é de a) –451,9 kJ·mol–1. b) –679,3 kJ·mol–1. c) –845,4 kJ·mol–1. d) –906,7 kJ·mol–1. e) –1300,2 kJ·mol–1. 02 - (ACAFE SC) A nitroglicerina, além da produção de explosivos, pode ser utilizada na medicina como medicamento no tratamento de insuficiência cardíaca congestiva (após infarto agudo do miocárdio); hipertensão (pré-operatória) e indução de hipotensão controlada durante cirurgia. A decomposição da nitroglicerina (C3H5N3O9(l)) nas condições padrão libera gás nitrogênio, gás carbônico, água líquida e gás oxigênio. Assinale a alternativa correta que contém o valor da energia liberada (em módulo) na decomposição de 6,81g de nitroglicerina sob condições padrão: Dados: Massa molar da nitroglicerina: 227 g/mol; o f (C3H5N3O9 (l )) kJ/mol; Ho = –364 kJ/mol; = –285,8 kJ/mol. o f (CO2 (g)) = –393,5 Resolução: ∆H = ∑∆HLig. rompidas nos reag. + ∑∆HLig. formadas nos prod. ∆H = [4.(416) + 2.(498)] + [2.(-805) + 2.2.(-464)] ∆H = - 806 kJ/mol Exercícios Propostos 01 - (Mackenzie SP) Considere a combustão completa do gás acetileno, utilizado em maçaricos para soldas em serralherias e na fabricação de estruturas metálicas na construção civil, sendo realizada sob temperatura de 25 ºC e 1 atm de f (H2O(l )) a) 7,4 kJ b) 67,8 kJ c) 9,8 kJ d) 45,9 kJ 03 - (FM Petrópolis RJ) Dióxido de Nitrogênio (NO2) é um gás poluente com ação altamente oxidante, e sua presença na atmosfera é fator chave na formação do ozônio troposférico. Além de efeitos sobre a saúde humana, ele apresenta, também, efeitos sobre as mudanças climáticas globais. Disponível em: . Acesso em: 10 jul. 2018. Adaptado. A reação do NO2 com a água presente no ar atmosférico é representada pela equação 2 NO2(g) + O3(g) + H2O(g) 2 HNO3(aq) + O2(g) 16 H H Ligação Energia de ligação (kJ/mol) C – H 416 O = O 498 C = O 805 O – H 464 http://www.mma.gov.br/cidades-sustentaveis/ r MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Com base na Tabela acima, e sabendo que a reação libera 383,0 kJ, a entalpia de formação do dióxido de nitrogênio, em kJ/mol, é a) +34 b) +68 c) –75 d) +75 e) –25 04 - (UEL PR) A hipoglicemia é caracterizada por uma concentração de glicose abaixo de 0,70 g L–1 no sangue. O quadro de hipoglicemia em situações extremas pode levar a crises convulsivas, perda de consciência e morte do indivíduo, se não for revertido a tempo. Entretanto, na maioria das vezes, o indivíduo, percebendo os sinais de hipoglicemia, consegue reverter este déficit, consumindo de 15 a 20 gramas de carboidratos, preferencialmente simples, como a glicose. A metabolização da glicose, C6H12O6, durante a respiração, pode ser representada pela equação química de combustão: C6H12O6(s) + 6O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(l) No quadro a seguir, são informadas reações químicas e seus respectivos calores de formação a 25 ºC e 1 atm: Sabendo que a Massa Molar (MM) da glicose é igual a 180,0 g mol–1, determine a quantidade aproximada de energia liberada em kJ mol–1 no estado padrão, Ho , na combustão da glicose, consumida em 350 mL de refrigerante do tipo Cola, o qual possui, em sua composição, 35 g de glicose. a) –315 b) –113 c) 471 d) 257 e) 548 05 - (UFGD MS) Atualmente, a grande produção de lixo tornou-se um problema mundial, pois o tratamento inadequado pode acarretar sérios problemas na área da saúde pública, em virtude de facilitar o ressurgimento de diferentes epidemias a partir do contato humano com materiais contaminados. Visando a diminuir esse contato com o lixo, um dos métodos de tratamento pode ser o aterro sanitário. Os gases produzidos em um aterro sanitário podem ser reutilizados como fonte de energia (biogás), diminuindo assim o consumo de fontes de energias não renováveis. Sabendo que o metano é o principal componente do biogás e que sua reação de combustão é dada pela equação: CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l), na qual as entalpias de formação padrão para: CH4(g) = –17,9 kcal/mol, CO2(g) = –94,1 kcal/mol e H2O(l) = –68,3 kcal/mol. Assinale a alternativa que corresponde à variação da entalpia (H) para a combustão completa de 1 mol de metano. a) –144,5 kcal b) –180,3 kcal c) +318,4 kcal d) –212,8 kcal e) –348,6 kcal 06 - (UNICAMP SP) Mesmo em manhãs bem quentes, é comum ver um cão tomando sol. O pelo do animal esquenta e sua língua do lado de fora sugere que ele está cansado. O pelo do animal está muito quente, mas mesmo assim o cão permanece ao sol, garantindo a produção de vitamina D3. Durante essa exposição ao sol, ocorrem transferências de energia entre o cão e o ambiente, por processos indicados por números na figura abaixo. 17 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA (Adaptado de KHAN ACADEMY, Endotherms and ectotherms. Disponível em www.khanacademy.org. Acessado em 26/07/17.) Em ordem crescente, os números correspondem, respectivamente, aos processos de a) convecção, evaporação, radiação, condução e radiação. b) convecção, radiação, condução, radiação e evaporação. c) condução, evaporação, convecção, radiação e radiação. d) condução, radiação, convecção, evaporação e radiação. 07 - (FCM PB) O número total de bovinos no País foi de 215,2 milhões de cabeças em 2015, um aumento de 1,3% em relação a 2014. O maior rebanho era o de São Félix do Xingu (PA), com 2.222.949 cabeças no último dia do ano, seguido por Corumbá (MS), Ribas do Rio Prado (MS), Cáceres (MT) e Marabá (PA). Os dados são da Pesquisa Pecuária Municipal 2015, divulgada nesta quinta-feira, dia 29, pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estática (IBGE). Por dia, cada cabeça de gado produz cerca de (50/365) kg de metano. Se fosse possível recolher essa quantidade de gás, poderia haver valiosa aplicação, uma vez que, na combustão total do metano é gerada energia térmica que poderia ser utilizada para aquecer água. Com essa massa de metano quantos kg de água poderiam ser aquecidos de 25ºC a 43ºC? Dados: Calor de combustão do metano = 210 kcal / mol Massa molar do metano = 16 g / mol Calor específico da água = 1,0 cal g–1 ºC–1 a) 1,0 10 kg b) 1,0 102 kg c) 1,0 103 kg d) 2,0 104 kg e) 2,0 105 kg 08 - (UNESP SP) O esquema representa um calorímetro utilizado para a determinação do valor energético dos alimentos. (https://quimica2bac.wordpress.com. Adaptado.) A tabela nutricional de determinado tipo de azeite de oliva traz a seguinte informação: “Uma porção de 13 mL (1 colher de sopa) equivale a 108 kcal.” Considere que o calor específico da água seja 1 kcal kg–1 ºC–1 e que todo o calor liberado na combustão do azeite seja transferido para a água. Ao serem queimados 2,6 mL desse azeite, em um calorímetro contendo 500 g de água inicialmente a 20,0 ºC e à pressão constante, a temperatura da água lida no termômetro deverá atingir a marca de a) 21,6 ºC. b) 33,2 ºC. c) 45,2 ºC. d) 63,2 ºC. e) 52,0 ºC. 18 http://www.khanacademy.org/ 19 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 09 - (ENEM) Num experimento, um professor deixa duas bandejas de mesma massa, uma de plástico e outra de alumínio, sobre a mesa do laboratório. Após algumas horas, ele pede aos alunos que avaliem a temperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos afirmam, categoricamente, que a bandeja de alumínio encontra-se numa temperatura mais baixa. Intrigado, ele propõe uma segunda atividade, em que coloca um cubo de gelo sobre cada uma das bandejas, que estão em equilíbrio térmico com o ambiente, e os questiona em qual delas a taxa de derretimento do gelo será maior. O aluno que responder corretamente ao questionamento do professor dirá queo derretimento ocorrerá a) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem uma maior condutividade térmica que a de plástico. b) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem inicialmente uma temperatura mais alta que a de alumínio. c) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem uma maior capacidade térmica que a de alumínio. d) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem um calor específico menor que a de plástico. e) com a mesma rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a mesma variação de temperatura. 10 - (FATEC SP) Fazer a mala para uma viagem poderá ser tão simples como pegar algumas latas de spray, que contenham uma mistura de polímero coloidal, para fazer suas próprias roupas “spray-on”. Tanto faz se é uma camiseta ou um traje noturno, o tecido “spray-on” é uma novidade para produzir uma variedade de tecidos leves. A fórmula consiste em fibras curtas interligadas com polímeros e um solvente que produz o tecido em forma líquida. Esse tecido provoca uma sensação fria ao ser pulverizado no corpo, mas adquire a temperatura corporal em poucos segundos. O material é pulverizado diretamente sobre a pele nua de uma pessoa, onde seca quase (http://tinyurl.com/qermcv6 Acesso em: 29.08.2014. Adaptado. Original colorido) A sensação térmica provocada pelo tecido “spray-on”, quando pulverizado sobre o corpo, ocorre porque o solvente a) absorve calor do corpo, em um processo endotérmico. b) absorve calor do corpo, em um processo exotérmico. c) condensa no corpo, em um processo endotérmico d) libera calor para o corpo, em um processo exotérmico. e) libera calor para o corpo, em um processo endotérmico. 11 - (UNIFOR CE) Em nosso cotidiano, é possível observar que várias reações químicas ocorrem envolvendo troca de calor com a vizinhança, as reações que absorvem calor são conhecidas como reações endotérmicas e as que liberam calor são conhecidas como exotérmicas. Uma das aplicações práticas destas reações são as compressas de emergência, quentes ou frias, que, ao utilizar diferentes sais, podem produzir uma compressa quente ou uma compressa fria. Considere que os sais NH4NO3 e CaCl2 sejam usados para obtenção das compressas I e II. instantaneamente. Compressa I: NH4NO3(s) + H2O NH4NO3 (aq) 26,3 KJ/mol H = Compressa II: CaCl2 (s) + H2O CaCl2 (aq) KJ/mol H = –82,7 Em relação ao uso das compressas I e II, separadamente, sobre o corpo humano, é correto o que se afirma em a) a compressa I provoca uma sensação de aquecimento em contato com o corpo. http://tinyurl.com/qermcv6 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA b) a compressa II provoca uma sensação de resfriamento em contato com o corpo. c) a compressa I provoca uma sensação de resfriamento em contato com o corpo. d) em temperatura ambiente, não se observam trocas de calor entre a compressa e o corpo. e) o poder de resfriamento da compressa II é 4 vezes maior do que a compressa I. 12 - (ETEC SP) Leia o trecho da letra da música Química, de João Bosco e Vinícius de Moraes. Desde o primeiro dia que a gente se viu Impressionante a química que nos uniu E o tempo foi tornando tão intenso o nosso amor Faróis iluminavam o meu coração Feito faísca que virou uma explosão E o tempo foi tornando tão intensa a nossa paixão Na segunda estrofe, a faísca desencadeia uma transformação a) química e exotérmica, pois há liberação de energia. b) química e endotérmica, pois há absorção de energia. c) física e exotérmica, pois há absorção de energia. d) física e endotérmica, pois há liberação de energia. e) física e sem variação de energia. 13 - (UDESC SC) O uso de hidrogênio, como combustível para automóveis, é uma das apostas da indústria automobilística para o futuro, já que a queima do gás hidrogênio libera apenas água como produto da reação e uma grande quantidade de calor. A reação de combustão do gás hidrogênio é apresentada abaixo. d) endotérmica, com liberação de 483,6 kJ por mol de gás hidrogênio. e) exotérmica, com liberação de 241,8 kJ por mol de gás hidrogênio. 14 - (UniCESUMAR PR) A garrafa, que se chama Fontus e foi criada por um designer austríaco, usa um mecanismo inteligente para extrair a umidade do ar. Ela deve ser presa ao quadro de uma bicicleta. Quando você sai pedalando, e a bicicleta se desloca, uma grande quantidade de ar passa por dentro da garrafa – que, ao mesmo tempo, capta eletricidade por um painel solar. A energia é usada para alimentar uma placa que resfria o ar dentro da garrafinha. Isso faz com que a umidade condense, formando gotículas de água. Segundo o criador do produto, ele coleta até 500 mL por hora. A garrafa tem um filtro que retém poeira e alguns poluentes do ar. (Adaptado de: Superinteressante. Março de 2016, p. 18) O texto descreve a mudança de estado físico denominada ...I..., ...II..., e o fracionamento de mistura ...III..., pelo processo de ...IV.... As lacunas I, II, III e IV são, correta e respectivamente, preenchidas por a) liquefação – endotérmica – homogênea – sedimentação. b) liquefação – exotérmica – heterogênea – filtração. c) sublimação – exotérmica – heterogênea – sedimentação. d) fusão – endotérmica – heterogênea – sedimentação. e) fusão – exotérmica – homogênea – filtração. 15 - (UNICAMP SP) “Quem tem que suar é o chope, não você”. Esse é o slogan que um fabricante de chope encontrou para evidenciar as qualidades de seu produto. Uma das interpretações desse 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) A reação acima é uma reação: H 483,6 kJ slogan é que o fabricante do chope recomenda que seu produto deve ser ingerido a uma temperatura bem baixa. Pode-se afirmar corretamente que o chope, ao suar, tem a sua temperatura a) endotérmica, com absorção de 241,8 kJ por mol de gás hidrogênio. b) exotérmica, com liberação de 483,6 kJ por mol de gás hidrogênio. c) endotérmica, com absorção de 483,6 kJ por mol de gás hidrogênio. a) diminuída, enquanto a evaporação do suor no corpo humano evita que sua temperatura aumente. b) aumentada, enquanto a evaporação do suor no corpo humano evita que sua temperatura diminua. c) diminuída, enquanto a evaporação do suor no corpo humano evita que sua temperatura diminua. 20 4 3 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA d) aumentada, enquanto a evaporação do suor no corpo humano evita que sua temperatura aumente. 16 - (ENEM) Atualmente, soldados em campo seja em treinamento ou em combate, podem aquecer suas refeições, prontas e embaladas em bolsas plásticas, utilizando aquecedores químicos, sem precisar fazer fogo. Dentro dessas bolsas existe magnésio metálico em pó e, quando o soldado quer aquecer a comida, ele coloca água dentro da bolsa, promovendo a reação descrita pela equação química: Mg (s) + 2 H2O (l) Mg(OH)2 (s) + H2 (g) + 350 kJ O aquecimento dentro da bolsa ocorre por causa da a) redução sofrida pelo oxigênio, que é uma reação exotérmica. b) oxidação sofrida pelo magnésio, que é uma reação exotérmica. c) redução sofrida pelo magnésio, que é uma reação endotérmica. d) oxidação sofrida pelo hidrogênio, que é uma reação exotérmica. e) redução sofrida pelo hidrogênio, que é uma reação endotérmica. 17 - (FAMERP SP) Analise o esquema, que representa o processo de fotossíntese. (http://portaldoprofessor.mec.gov.br) É correto afirmar que a fotossíntese é uma reação a) endotérmica, que produz 2 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. b) endotérmica, que produz 6 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. c) endotérmica, que produz 1 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. d) exotérmica, que produz 1 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. e) exotérmica, que produz 2 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. 18 - (UNICAMP SP) Hot pack e cold pack são dispositivos que permitem, respectivamente, aquecer ou resfriar objetosrapidamente e nas mais diversas situações. Esses dispositivos geralmente contêm substâncias que sofrem algum processo quando eles são acionados. Dois processos bastante utilizados nesses dispositivos e suas respectivas energias estão esquematizados nas equações 1 e 2 apresentadas a seguir. NH4NO3(s)+H2O(l) NH +(aq)+NO –(aq) Η = 26 kJ mol–1 1 CaCl2(s)+H2O(l) Ca2+(aq)+2Cl– (aq) Η = –82 kJ mol–1 2 De acordo com a notação química, pode-se afirmar que as equações 1 e 2 representam processos de a) dissolução, sendo a equação 1 para um hot pack e a equação 2 para um cold pack. b) dissolução, sendo a equação 1 para um cold pack e a equação 2 para um hot pack. c) diluição, sendo a equação 1 para um cold pack e a equação 2 para um hot pack. d) diluição, sendo a equação 1 para um hot pack e a equação 2 para um cold pack. 19 - (PUC RS) A maior parte da energia de que o nosso corpo necessita vem da combustão de carboidratos por meio da respiração celular. O corpo utiliza a energia para contrair os músculos, construir e reparar os tecidos e manter a temperatura corporal. O excesso é armazenado como gordura, reserva de energia para o corpo. A composição de óleos e gorduras, de origem animal ou vegetal, comumente indicados nas embalagens dos alimentos, é expressa como “gorduras”. Um tipo de óleo vegetal geralmente usado pela população é o óleo de soja. 21 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Considere a fórmula do óleo de soja como sendo C56H100O6 (massa molar = 868 g/mol) e os dados da tabela a seguir: Adaptada de Costa, R.A.B. Estudo das eficiências de operação e consumo de energia em plantas de produção de biodiesel. Escola Politécnica da USP, São Paulo, 2009. A partir dos dados, conclui-se que a energia liberada na combustão completa de 1g do referido óleo de soja é de aproximadamente a) 34500 kJ b) 1129 kJ c) 39,74 kJ d) 1,30 kJ 20 - (FMSanta Casa SP) A propanona é um solvente muito empregado na indústria química e é o principal componente do removedor de esmalte de unhas. A combustão completa de 1 mol desta substância libera 604 kJ de energia por mol de CO2 produzido. Na combustão completa de 1 mol de propanona, a energia liberada para cada mol de O2 consumido é a) 220 kJ. b) 805 kJ. c) 906 kJ. d) 403 kJ. e) 453 kJ. 21 - (UERJ) A capacidade poluidora de um hidrocarboneto usado como combustível é determinada pela razão entre a energia liberada e a quantidade de CO2 formada em sua combustão completa. Quanto maior a razão, menor a capacidade poluidora. A tabela abaixo apresenta a A partir da tabela, o hidrocarboneto com a menor capacidade poluidora é: a) octano b) hexano c) benzeno d) pentano 22 - (UNITAU SP) O gás acetileno é muito utilizado em operações de soldagem de metais, devido a sua natureza inflamável. A combustão completa do gás acetileno com oxigênio libera 650 kJ de calor para 1,0 mol de CO2 formado. A equação de combustão é C2H2(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g) + calor A quantidade de calor liberada pela combustão de 104 g de acetileno é de a) 4550 kJ b) 3900 kJ c) 3250 kJ d) 5200 kJ e) 2600 kJ 23 - (UNCISAL) De acordo com uma reportagem da revista Superinteressante, a Organização Mundial do Comércio (OMC) afirma, em seu relatório World Trade Report – Natural Resources, que recursos naturais são “estoques de materiais existentes em ambiente natural que são escassos e economicamente úteis”. Ou seja, se forem usados de forma excessiva, se esgotarão e teremos grandes problemas no que se refere aos combustíveis. Fatos desse tipo têm levado à especulação sobre combustíveis alternativos, em particular sobre o uso do hidrogênio (H2). Se compararmos o hidrogênio ao propano, que também tem sido utilizado em alguns veículos, temos os seguintes dados: H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g) entalpia-padrão de combustão de quatro hidrocarbonetos. o reação 241,83 kJ/mol H2 22 H MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) 03) A equação I é termoquímica, pois representa as o reação 2043,15 kJ/mol C3H8 espécies que participam do processo e os estados físicos dessas substâncias. Referente à comparação entre os dois combustíveis, assinale a a lternativa correta. a) Na comparação da combustão do hidrogênio com a do propano, pode-se perceber que o propano produz mais energia por grama que o hidrogênio. b) A vantagem de se utilizar o hidrogênio é que ele é menos poluente e de fácil obtenção e armazenamento. c) A energia produzida por grama de hidrogênio é 2,6 vezes maior que a energia produzida por grama de propano. d) São necessários 5 mols de hidrogênio para produzir a mesma quantidade de energia que 1 mol de propano. e) Por serem substâncias puras, as Entalpias Padrão de Formação tanto do gás Hidrogênio quanto do Propano são iguais a zero. 24 - (UESB BA) A pirometalurgia do ferro é um processo industrial que se baseia na obtenção do ferro metálico a partir do aquecimento do minério de ferro. As equações químicas I, II e III representam a conversão do minério de ferro em ferro metálico, e a tabela, os valores de entalpia-padrão de formação de algumas substâncias a 25ºC. I. 3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g) II. Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g) III. FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g) + 16,3kJ Com base nas equações químicas, nas informações do texto, da tabela e considerando-se que os processos ocorrem na condição padrão, é correto afirmar: 01) Na formação de 3,0mol de FeO(s), a partir do Fe3O4(s), são necessários 19,0 kJ de energia. 02) Na formação de um mol de FeO(s), a partir do Fe3O4(s), são necessários 20,0 kJ de energia. 04) Na reação química representada na equação I, são liberados 46,4 kJ de energia por mol de Fe2O3(s), que reage. 05) A equação III indica que a reação do FeO(s) com CO(g) para formar Fe(l) e CO2(g) é endotérmica. 25 - (ENEM) Por meio de reações químicas que envolvem carboidratos, lipídeos e proteínas, nossas células obtêm energia e produzem gás carbônico e água. A oxidação da glicose no organismo humano libera energia, conforme ilustra a equação química, sendo que aproximadamente 40% dela é disponibilizada para atividade muscular. C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O(l) cH 2800 kJ Considere as massas molares (em g mol–1): H = 1; C = 12; O = 16. LIMA, L. M.; FRAGA, C. A. M.; BARREIRO, E. J. Química na saúde. São Paulo: Sociedade Brasileira de Química, 2010 (adaptado). Na oxidação de 1,0 grama de glicose, a energia obtida para atividade muscular, em quilojoule, é mais próxima de a) 6,2. b) 15,6. c) 70,0. d) 622,2. e) 1 120,0. 26 - (FCM MG) Utilize os dados da tabela abaixo para responder esta questão. Considere a situação de uma pessoa que ingere duas frutas pesando 180 g e contendo 1,8 104 mg de frutose cada uma. O valor, em kcal, que contribui para o conteúdo calórico desse indivíduo é, aproximadamente, de (Lembre-se que 1kcal = 4,18 kJ). a) 67. b) 134. c) 671. d) 1342. 23 H MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 27 - (ENEM) Para comparar a eficiência de diferentes combustíveis, costuma-se determinar a quantidade de calor liberada na combustão por mol ou grama de combustível. O quadro mostra o valor de energia liberada na combustão completa de alguns combustíveis. As massas molares dos elementos H, C e O são iguais a 1 g/mol, 12 g/mol e 16 g/mol, respectivamente ATKINS, P. Princípios de química. Porto Alegre: Bookman, 2007 (adaptado). Qual combustível apresenta maior liberação de energia por grama? a) Hidrogênio. b) Etanol. c) Metano. d) Metanol. e) Octano. 28 - (UNIFOR CE) A tabela apresenta informações sobre a composição química e a energia liberada na combustão para três diferentes combustíveis que podem ser usados em motores de combustão interna. Com base nas informações apresentadas e comparando os três combustíveis, é correto afirmar que a) o metanol apresenta o menor impacto sobre o efeito estufa, porém maior vantagem energética em relação ao etanol. b) a gasolina é o que apresenta menor impacto sobre o efeitoestufa dentre os três combustíveis, porém com maior vantagem energética. c) o etanol apresenta menor impacto sobre o efeito estufa, porém maior vantagem energética dentre os três combustíveis. d) o etanol apresenta menor vantagem energética que a gasolina, porém maior impacto sobre o efeito estufa que o metanol. e) o metanol e o etanol têm maior vantagem energética e maior impacto sobre o efeito estufa que a gasolina. 29 - (UEMG) “Está chegando ao Brasil, o café “hot when you want” (em português, “quente quando você quiser”), da Nescafé, desenvolvido na Universidade de Southampton, Inglaterra. Basta apertar um botão no fundo da lata, esperar três minutos e pronto! Café quentinho (a 60ºC) durante 20 minutos! Mas, afinal, qual será a tecnologia de ponta do “hot when you want”? Apenas um compartimento no fundo da lata que contém, separadamente, a cal viva (a mesma do fogo grego!) e a água. Ao apertar o botão no fundo da lata, a placa que separa essas duas substâncias se rompe e a reação começa. O calor desprendido na reação é então aproveitado para aquecer o café na parte superior da lata. Simples, mas genial!” http://www1.folha.uol.com.br/folha/educacao/ult305u10268.shtml. Acesso em 3/7/2014 A reação e a energia envolvidas estão descritas na equação abaixo: CaO (s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq) H = –20,4 kcal/mol Considere que são necessários 0,3 kcal de energia para se elevar em 1°C a temperatura de 300mL de água contida numa latinha de café “hot when you want” e que toda energia liberada seja utilizada para aquecer a bebida. Qual a massa aproximada de óxido de cálcio (CaO) que será utilizada na reação para que a temperatura da bebida passe de 20ºC para 60ºC ? a) 33g b) 0,014g c) 12g d) 0,82g 30 - (UFT TO) O poder calorífico é um parâmetro de comparação de diferentes combustíveis. Ele é definido como o calor liberado na combustão de um quilo de determinada substância. A tabela abaixo mostra a entalpia de combustão de alguns combustíveis comuns. 24 http://www1.folha.uol.com.br/folha/educacao/ult305u10268.shtml MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA Marque a alternativa que mostra o combustível de MAIOR poder calorífico. a) –102 kJ/mol b) +102 kJ/mol c) +367 kJ/mol d) –367 kJ/mol e) +17 kJ/mol a) Iso-octano (gasolina) b) Metanol c) Metano d) Etanol e) Hidrogênio 31 - (UNITAU SP) O gás propano pode ser obtido pela hidrogenação do propeno. Assinale a alternativa com o valor CORRETO da entalpia de reação, e a classificação da reação como endotérmica ou exotérmica. Dados: a) H 126 kJ/mol; reação endotérmica b) H 126 kJ/mol; reação exotérmica c) H 562 kJ/mol; reação exotérmica d) H 562 kJ/mol; reação endotérmica e) H 1173 kJ/mol; reação exotérmica 32 - (Unioeste PR) Os organoclorados são poluentes considerados perigosos, mas, infelizmente, têm sido encontradas quantidades significativas destas substâncias em rios e lagos. Uma reação de cloração comumente estudada é a do etano com o gás cloro, como mostrada abaixo: C2H6 (g) + Cl2(g) CH3CH2Cl(g) + HCl(g) Sabendo os valores de H de cada ligação (Tabela abaixo), determine o valor de H da reação pelo método das energias de ligação. 33 - (UFRGS RS) Considere a reação de hidrogenação do ciclopenteno, em fase gasosa, formando ciclopentano, e a tabela de entalpias de ligação, mostradas abaixo. Qual será o valor da entalpia da reação de hidrogenação do ciclopenteno em kJ/mol? a) – 265. b) – 126. c) + 126. d) + 265. e) + 335. 34 - (Univag MT) Considere a tabela a seguir. Com base nos dados apresentados, a energia liberada na combustão total de 10 g de hidrogênio gasoso (H2) é, aproximadamente, a) 2 200 kJ. b) 1 200 kJ. c) 1 800 kJ. d) 600 kJ. 25 Combustível Fórmula ΔHcomb(kJ/mol) Iso- octano (gasolina) C8 H18 - 5100 Metanol CH 3OH - 760 Metano CH 4 - 213 Etanol CH 3CH 2OH - 286 Hidrogênio H2 - 278 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA e) 2 600 kJ. 35 - (PUC SP) Dados os valores de energia de ligação em kJ/mol e a reação a seguir, calcule o ΔH desse processo. H2(g) + Cl2(g) 2 HCl(g) a) – 184 kJ/mol. b) + 184 kJ/mol. c) + 247 kJ/mol. d) – 247 kJ/mol. 36 - (UFGD MS) A amônia é produzida a partir de nitrogênio e hidrogênio usando-se o processo Harber. A equação que representa a reação química é: N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Usando as energias de ligação dadas na tabela a seguir, marque a alternativa que apresenta a variação de energia (H) da reação de formação da amônia. Ligação Energia (kJ / mol) N N 941 H H 436 N H 391 Em um caderno foram encontradas algumas afirmações a respeito desse diagrama. I. O calor de formação da água líquida no estado padrão é de 971 kJ/mol. II. A combustão de um mol de gás hidrogênio gerando água no estado líquido libera 286 kJ. III. A energia de ligação O=O é de 498 kJ/mol. IV. A vaporização de um mol de água libera 44 kJ. Estão corretas apenas as afirmações a) I e II. b) I e III. c) II e III. d) I e IV. e) II, III e IV. 38 - (UFRGS RS) A reação de cloração do metano, em presença de luz, é a) H 2249 kJ b) H 2346 kJ c) H 97 kJ d) H 97 kJ mostrada abaixo. CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl H = –25 kcal.mol–1 e) H 2346 kJ 37 - (PUC SP) O diagrama de entalpia a seguir representa a energia envolvida em uma série de transformações nas quais participam os elementos hidrogênio e oxigênio. Considere os dados de energia das ligações abaixo. C-H = 105 kcal.mol–1 Cl-Cl = 58 kcal.mol–1 H-Cl = 103 kcal.mol–1 A energia da ligação C-Cl, no composto CH3Cl, é a) 33 kcal.mol–1. b) 56 kcal.mol–1. c) 60 kcal.mol–1. d) 80 kcal.mol–1. e) 85 kcal.mol–1. 26 MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA 39 - (FCM MG) Analisando o seguinte diagrama de entalpia, nas condições padrão, e sabendo-se que a ligação C – C no etano vale 79,1 kcal, assinale a afirmativa FALSA: a) A entalpia de cada ligação C – H, no etano, é de 199,0 kcal.mol–1. b) A entalpia de cada ligação H – H, no H2, é de 104,2 kcal.mol–1. c) A entalpia de formação do etano, a partir das substâncias elementares, é de –20,3 kcal.mol–1. d) A entalpia de sublimação de 12,0 g de carbono grafita é 171,7 kcal.mol–1. 40 - (FCM MG) Considerando os seguintes dados: Ligaçãoquímica Energia de ligação (kcal. Mol 1 ) H O q1 O O q2 O O q3 2H – O – O – H (g) 2H – O – H(g) + O = O (g) + 16 kcal (H = –16 kcal ) Conclui-se que: a) q3 > q2 + q1. b) q3 > q2 >q1. c) q3 = 2q2. d) q3 > 2q2. 41 - (FCM MG) O diagrama de entalpia para a combustão de 1,0mol do gás propano pode ser representado através de 3 etapas. (BROWN,T. Química, a ciência central, SP, Pearson Prentice Hall – 9º Edição, 2005, p.164.) Analisando o diagrama e utilizando seus conhecimentos de termoquímica pode-se afirmar que: a) a formação do propano gasoso libera cerca de 103,85kJ/mol deste alcano. b) a formação de 72,0g de água gasosa apresenta um valor de H de – 1.143kJ. c) a combustão completa de 26,0g de propano gasoso libera cerca de 2.220kJ. d) a formação de 3mols de dióxido de carbono gasoso libera cerca de 1.183kcal. 42 - (UFU MG) A obtenção do cloreto de sódio, utilizado como sal de cozinha, pode ser analisada por meio do processo termoquímico a que está associada essa transformação. Disponível: Acesso em: 23 abr. 2017. Desse modo, a partir da análise do gráfico, é possível inferir que a) as reações endotérmicas associadas ao processo levam a produtos mais estáveis que seus constituintes. 27 http://zeus.qui.ufmg.br/ MÓDULO 15 TERMOQUÍMICA b) a estabilidade do cloreto de sódio é maior que a dos constituintes do estado intermediário que o formam. c) a formação do cloro atômico gasoso é um processo espontâneo e uma das etapas finais de obtenção do cloreto de sódio. d) a emissão de energia na forma de calor produz substâncias mais estáveis energeticamente que o cloreto de sódio, tais como o sódio gasoso e o gás cloro. 43 - (FMABC SP) O metano é o principal componente do gás natural, importante combustível doméstico e industrial. Em condições de excesso de gás oxigênio,