TERMOQUÍMICA PROF Dani

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TERMOQUÍMICA 
 
Química Geral e Inorgânica 
Daniele Alves Ferreira 
SUMÁRIO 
1. Natureza da energia e tipos de energia 
2. Sistema, fronteira e vizinhança 
3. Variações de energia em reações químicas 
4. A 1ª Lei da termodinâmica 
5. Entalpia (H) e Energia Interna (U) 
6. Entalpias de reações químicas 
7. Calorimetria 
8. Lei de Hess 
9. Entalpias de formação e de reação 
Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
1. Natureza da energia e tipos de energia 
 A energia é definida como a capacidade de realizar trabalho. 
 Para os químicos trabalho é: 
“A variação de energia diretamente resultante de um 
processo”. 
 Termoquímica estuda as relações entre reações químicas e 
variações de energia na forma de calor. 
03 
Termoquímica 
1.1. Tipos de energia 
 Energia cinética (Ec) é a energia produzida por um objeto 
(corpo) em movimento, essa energia depende da massa do corpo 
e da sua velocidade. 
 
 
 Energia potencial (Ep) é a energia referente a posição de um 
objeto (ou corpo) em relação a outros objetos. 
04 
(Eq. 1) 
Termoquímica 
2
2
1
mvEC
1.1. Tipos de energia 
 
05 
Termoquímica 
Ep alta 
Zero Ec 
Ep diminuindo 
Ec aumentando 
1.1. Tipos de energia 
 Quando uma forma de energia desaparece, outra (de igual 
grandeza) deve aparecer, e vice-versa. 
 Lei da conservação de energia: 
“A quantidade total de energia no universo é sempre constante.” 
 A unidade SI para a energia é o Joule, J, em homenagem a James 
Joule (1818-1889). 
1J = 1kg.m2.s-2 
06 
Termoquímica 
1.1. Tipos de energia 
 Uma outra unidade comumente utilizada para medir energia na 
forma de calor é a caloria, cal. 
 
1 cal = 4,184J (exatos) 
1 kcal = 1000cal = 103 cal 
1kJ = 1000 J = 103 J 
07 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
1.1. Tipos de energia 
 Uma forma importante de energia em química é a energia 
potencial eletrostática, Eel , que surge a partir das interações entre 
partículas carregadas. 
 
 
Onde: 
K: Constante de proporcionalidade (8,99 . 109 J.m.C-2). 
Q1 e Q2: Cargas elétricas com ordem de magnitude da carga do 
elétron (1,6 . 10-19C). 
08 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
d
21QkQEel
(Eq. 2) 
Energia potencial eletrostática, Eel 
09 
Termoquímica 
Separação menor, maior 
repulsão, maior Eel 
Maior separação, menor 
repulsão, menor Eel 
Mesma carga 
(Repulsão) 
Distância de 
separação 
Cargas opostas 
(Atração) 
Menor separação, maior 
atração, menor Eel 
Maior separação, menos atração, 
maior Eel (menos negativo). 
1.2. Outras formas de energia 
10 
Termoquímica 
2. Sistema, fronteira e vizinhança 
 Sistema: É a parte do universo em que estamos interessados. 
 
 Fronteira: É a interface entre sistema e vizinhança. 
 
 Vizinhança: É a parte externa ao sistema, onde podemos fazer as 
observações e medidas. 
11 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
2. Sistema, fronteira e vizinhança 
12 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
Fronteira 
 
Sistema = H2 (g) e O2 (g) 
Vizinhança 
 Tipos de sistemas 
13 
Termoquímica 
Aberto Fechado Isolado 
Calor Calor 
Matéria 
3. Variações de energia em reações químicas 
 A maioria das reações químicas absorvem ou liberam energia, 
geralmente na forma de calor. 
 Calor é a energia transferida de um objeto mais quente para um 
objeto mais frio. 
14 
Termoquímica 
q = + 
Calor Calor 
Processo Endotérmico Processo Exotérmico 
Calor Calor 
q = - 
Q. 5a – Sld. 42 
4. A 1ª Lei da Termodinâmica 
 Baseia-se no princípio da conservação de energia: 
 “ A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas 
não pode ser criada ou destruída.” 
 Energia interna (U): 
É a soma de toda a energia cinética (Ec) e energia potencial (Ep) 
de todos os componentes do sistema. 
15 
Termoquímica 
Daniele Alves Ferreira 
4. A 1ª Lei da Termodinâmica 
 A energia interna é uma grandeza de estado, ou seja, ela 
depende apenas do estado inicial e final. 
 
 
 Dada uma reação química genérica: 
A + B → C + D 
 
16 
(Eq. 3) 
(Reagentes) (Produtos) 
Termoquímica 
(Eq. 4) 
inicialfinal UUU
reagentesprodutosreação UUU
4. A 1ª Lei da Termodinâmica 
 Se a variação de energia do universo é nula, logo: 
17 
(Eq. 5) 
Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
vizinhançasistema
vizinhançasistema
vizinhançasistemauniverso
UU
UU
UUU
0
0
Q. 13-Sld. 48 
4. A 1ª Lei da Termodinâmica 
 A expressão matemática da 1ª Lei da termodinâmica é: 
 
Onde: 
q: É o calor transferido. 
w: É o trabalho realizado sobre ou pelo sistema. 
18 
(Eq. 6) 
Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
wqU
4. A 1ª Lei da Termodinâmica 
 Trabalho (w) pode ser definido fisicamente como: 
 
 Considere um gás confinado em um recipiente cilíndrico, 
contendo um pistão de área A (desconsiderando o atrito, as 
imperfeições da superfície do pistão e as trocas térmicas), temos 
então a seguinte figura: 
19 
(Eq. 7) 
Termoquímica 
dZFw Z .
 Trabalho expansão: 
20 
Termoquímica 
Pressão Externa, 
PEXT 
ΔV 
 Trabalho expansão: 
 Considere que: 
21 
(Eq. 8) 
Termoquímica 
dAPw EXT ..
 Trabalho expansão: 
 Então se: 
 
 
 
 
 
 
 Então temos que: 
 
(1 atm.L = 101,325J) 
22 
Termoquímica 
Área, A 
ΔV=A.d 
 
VPw EXT .
(Eq. 9) Q. 2, 3 e 12 – Sld. 40 e 48 
5. Entalpia (H) e Energia Interna (U) 
 Dada a expressão matemática da 1ª lei da termodinâmica: 
 
 E uma das relações fundamentais da termodinâmica: 
 
 Relacionando-se a Eq. 9 com a Eq. 10 em um processo de 
variação finita de estado a pressão constante (p = cte): 
23 
(Eq. 9) 
(Eq. 10) 
(Eq. 11) 
Termoquímica 
wqU
PVUH
P
P
qH
VPVPqH
VPUH
VPPVUH
cte 
6. Entalpia de reação 
 A maioria das reações químicas ocorrem a pressão constante (p = 
cte), logo podemos considerar a Eq. 11: 
 
 Então para uma reação genérica: 
A + B → C + D 
 
 Entalpia da reação, ΔH é: 
24 
(Reagentes) (Produtos) 
Termoquímica 
reagentesprodutosreação HHH
PqH
(Eq. 12) 
Q. 7 e 8 –Sld. 44 e 45 
6.1. Reações endotérmicas 
 Ocorrem com absorção de energia na forma de calor a partir da 
vizinhança. 
25 
C + D 
A + B 
Termoquímica 
6.2. Reações exotérmicas 
 Ocorre com liberação de calor pelo sistema para vizinhança. 
26 
A + B 
C + D 
Termoquímica 
6.3. Entalpia de reações químicas 
I. A entalpia é uma propriedade extensiva, portanto o valor do ΔH é 
diretamente proporcional à quantidade de reagente ou de produto. 
Ex.: CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 + 2 H2O (g) ΔH = -890kJ 
 2CH4 (g) + 4 O2 (g) → 2CO2 + 4 H2O (g) ΔH = -1780kJ 
 
II. O ΔH para uma reação é igual em módulo (valor absoluto), mas de 
sinal contrário ao ΔH da reação inversa. 
Ex.: 
 Reação direta: C(s) + O2 (g) → CO2 ΔH = -393, 5 kJ.mol
-1 
 Reação inversa: CO2 → C(s) + O2 (g) ΔH = 393, 5 kJ.mol
-1 
27 
Termoquímica 
Daniele Alves Ferreira 
Q. 1, 4, 5b, 6, 9, 10, 11, 14, 15 e 24 
Sld. 39, 41, 42, 43, 46, 47, 49 e 56 
7. Calorimetria 
 É a medida das transferências de energia na forma de calor 
associadas a uma reação química. 
 Calorímetro é o aparelho que mede transferência de calor. 
28 
exotérmica 
Reação violenta para 
formação de H2O (g) 
H2(g) + O2 (g)Explosão e fogo: 
indicativos de liberação 
de calor para vizinhança. 
E
n
ta
lp
ia
 
H2 (g) + O2 (g)  H2O (g) 
Termoquímica 
7.1. Calor específico e capacidade calorífica 
 Calor específico (c): É a quantidade de calor necessária para 
elevar 1ºC a temperatura de 1g da substância. 
 
 
Onde: 
c: calor específico. 
q: calor transferido. 
m: massa da substância. 
ΔT: variação da temperatura. 
29 Daniele Alves Ferreira 
(Eq. 13) 
Termoquímica 
Tm
q
c
.
Q. 17, 22 e 23 – Sld. 50 e 55 
7.1. Calor específico e capacidade calorífica 
 Capacidade calorífica (C) é a quantidade de calor necessária 
para elevar 1ºC a temperatura de uma determinada quantidade de 
substância. 
 
 
 Substituindo a Eq. 14 na Eq. 15, temos, 
 
30 Daniele Alves Ferreira 
(Eq. 14) 
(Eq. 15) 
Termoquímica 
cmC .
Tcmq ..
TCq .
(Eq. 16) Q. 18 e 19 -Sld. 51 e 52 
Q. 17, 22 e 23 -Sld. 50, 55 
7.2. Calorimetria a volume constante 
 As reações químicas de combustão são mais convenientemente 
estudadas utilizando-se um bomba calorimétrica. 
 
 Considerando que o sistema (bomba calorimétrica ) é isolado, 
 
 Logo, 
31 Daniele Alves Ferreira 
(Eq. 17) 
(Eq. 18) 
Termoquímica 
reaçãocalsistema qqq
0sistemaq
calreação
reaçãocal
reaçãocalsistema
qq
qq
qqq
0
0
7.2. Calorimetria a volume constante 
32 
(Eq. 19) 
Termoquímica 
TCq calreação .
 O calorímetro a pressão constante, 
é utilizado em trocas de calor em 
reações que não sejam de 
combustão. 
33 
qr = - (calor específico) . m . ΔT 
Como p = cte, logo, 
ΔHreação = qr 
Termoquímica 
7.3. Calorimetria a pressão constante 
Termômetro 
Agitador 
Tampa de 
cortiça 
Dois copos 
de isopor. 
Reagentes 
em solução 
8. Lei de Hess 
“O valor do ΔH para uma reação é o mesmo, seja a reação direta 
ou em etapas”. 
 
Ex.: 
34 
(Eq. 20) 
(Somar) 
A equação global é: 
Termoquímica 
nreação HHHH ...21
Q. 01, 09, 10, 11e 24-Sld. 39, 46, 47 e 56 
9. Entalpias de formação e de reação 
 A variação de entalpia associada a formação de um determinado 
composto é chamada de entalpia de formação, ΔHf . 
 Para se comparar as entalpias de diferentes reações, temos que 
definir um conjunto de condições, chamado de estado padrão. 
1 bar de pressão 
25ºC (298K) de temperatura 
35 
Termoquímica 
Daniele Alves Ferreira 
9. Entalpias de formação e de reação 
 Entalpia padrão de formação, ΔHfº: 1 mol de composto é 
formado a partir de substâncias em seus estados padrão. 
 Se existe mais de um estado para uma substância sob 
condições padrão, o estado mais estável é utilizado. 
 A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um 
elemento é zero. 
36 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
9. Entalpias de formação e de reação 
 Entalpias padrão de formação de diferentes substâncias a 298K 
37 
Termoquímica 
9. Entalpias de formação e de reação 
 A entalpia-padrão de reação, ΔHºReação para uma reação 
realizada à pressão de 1 bar, pode ser calculada a partir da ΔHºf 
(reagentes) e ΔHºf (produtos). 
 Dada a reação genérica abaixo: 
aA + bB → cC + dD 
38 
Termoquímica 
(Eq. 21) 
)()( reagentes
o
produtos
o
freação
o
fHmHnH
(Conforme a Lei de Hess) Q. 07 e 08-Sld. 45, 46 
EXERCÍCIOS 
1. Benzeno pode ser obtido a partir de hexano por reforma catalítica. 
Considere as reações da combustão: 
H2(g) + 1/2O2(g)  H2O(ℓ) ΔH = -286 kJ/mol 
C6H6(ℓ)+15/2O2(g)  6CO2(g)+3H2O(ℓ) ΔH = -3268 kJ/mol 
C6H14(ℓ)+19/2O2(g)  6CO2(g)+7H2O(ℓ) ΔH = -4163 kJ/mol 
Quanto de energia é liberada ou absorvida durante a formação de 
1mol de benzeno, a partir de hexano? 
39 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
2. O volume de um gás aumenta de 2,0 L para 6,0 L, a temperatura 
constante. Calcule o trabalho realizado pelo gás se ocorrer sua 
expansão (a) contra o vácuo e (b) contra uma 
pressão constante de 1,2 atm. 
 
3. Um gás expande-se de 264 mL para 971 mL, a temperatura 
constante. Calcule o trabalho realizado (em joules) pelo gás se a 
expansão ocorrer (a) no vácuo e (b) contra uma pressão constante de 
4,00 atm. 
40 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
4. Com base nos valores aproximados de ΔH para as reações de 
combustão do metano (gás natural) e do hidrogênio: 
CH4(g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O (l) ΔH = –900 kJ/mol 
2 H2 (g) + O2 (g)  2 H2O (l) ΔH = – 600 kJ/mol 
Calcule a energia correspondente a 16 kg de metano. 
(Dados: MMC = 12 g/mol, MMH = 1 g/mol e MMO = 16 g/mol) 
41 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
5. Relativamente à reação dada pela equação: 
CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2 (g) ∆H = + 42 kcal/mol 
pede-se: 
a) Indicar o sentido da troca de calor entre sistema e vizinhanças; 
b) Calcular a quantidade de calor trocada por um sistema no qual são 
obtidos 224 g de óxido de cálcio. 
42 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
6. Na reação representada por: 
CH4(g) + Cℓ2(g) → CCℓ4(ℓ) + HCℓ(g) 
Há liberação de 108 kJ.mol-1 de HCℓ(g) formado. Nas mesmas 
condições: 
a) Faça o balanceamento da reação. 
b) Qual será a energia térmica na formação de 73,0 g de HCℓ(g)? 
Dados: massas atômicas H = 1,0; Cℓ = 35,5. 
43 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
7. São dadas as seguintes energias de ligação em kJ/mol de ligação 
formada: 
H ─ Cℓ = - 431,8; H ─ F = - 563,2; 
Cℓ ─ Cℓ = - 242,6; F ─ F = - 153,1. 
Com os dados acima é possível calcular o valor do ∆H para a reação 
abaixo? 
HCℓ(g) + F2(g) → HF(g) + Cℓ(g) 
44 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
8. Os clorofluorcarbono (CFC’s) são usados extensivamente em aerosóis, 
ar-condicionado, refrigeradores e solventes de limpeza. Os dois principais 
tipos de CFC’s são o triclorofluorcarbono (CFCl3) ou CFC-11 e 
diclorodifluormetano (CF2Cl2) ou CFC-12. O triclorofluorcarbono é usado 
em aerosóis, enquanto que o diclorodifluormetano é tipicamente usado em 
refrigeradores. Determine o ΔH para a reação de formação do CF2Cl2: 
CH4(g) + Cl2(g) + F2(g)  CF2Cl2(g) + HF(g) + HCl(g) 
(não-balanceada) 
[Dados: Energia de ligação em kJ/mol: C-H (413); Cl-Cl (239); F-F (154); 
C-F (485); C-Cl (339); H-F (565); H-Cl (427)]. 
45 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
9. Através das equações a seguir determine o calor de combustão do 
acetileno (C2H2). 
I – Cgrafite + O2(g)  CO2(g) ∆H1 = -94Kcal 
II – H2(g) + ½O2(g)  H2O(l) ∆H2 = -68Kcal 
 III – 2Cgrafite + H2(g)  C2H2(g) ∆H3 = +54,2Kcal 
10. Dadas as equações abaixo: 
Eq. 1: C(s) + O2(g)  CO2(g) ∆H1 = -94,0 kcal 
Eq. 2: H2(g) + 1/2O2(g)  H2O(l) ∆H2 = -68,4 kcal 
Eq. 3: CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l) ∆H3 = -219,9 kcal 
Determine o calor de formação do metano. 
46 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
11. 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: 
Eq. 1: Mg(s) + ½ O2(g)  MgO(s) ∆H1 = -602 kJ/mol 
Eq. 2: C(graf) + O2(g)  CO2(g) ∆H2 = -394 kJ/mol 
Eq. 3: Mg(s) + C(graf) + 3/2O2(g)  MgCO3(s) ∆H3 = -1096 kJ/mol 
Qual o valor da variação de entalpia de formação de 210g de carbonato de 
magnésio, a partir do óxido de magnésio? 
47 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
12. Um gás expande-sede 264 mL para 971 mL, a temperatura 
constante. Calcule o trabalho realizado (em joules) pelo gás se a 
expansão ocorrer (a) no vácuo e (b) contra uma pressão constante de 
4,00 atm. 
 
13. Um gás expande-se e realiza um trabalho (P-V) de 279 J sobre a 
vizinhança. Ao mesmo tempo, absorve 216 J de calor a partir da 
vizinhança. Qual é a variação de energia do sistema? 
48 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
14. Dada a equação termoquímica: 
SO2(g) + ½ O2(g)  SO3 (g) ΔH = -99,1 kJ/mol 
Calcule o calor liberado quando 74,6 g de SO2 (massa molar = 64,07 
g/mol) se convertem em SO3. 
 
15. Calcule a quantidade de calor liberada durante a combustão de 
266 g de fósforo branco (P4) em ar, de acordo com a equação: 
P4 (s) + 5O2(g)  P4O10 (s) ΔH = -3013 kJ/mol 
 
49 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
16. Calcule a variação da energia interna quando 2 moI de CO são 
convertidos em 2 mol de CO2, a 1 atm e 25ºC: 
2CO (s) + O2(g)  2 CO2 (g) ΔH = -566,0 kJ/mol 
 
17. Uma amostra de 466 g de água é aquecida de 8,5 C a 74,6 C. 
Calcule a quantidade de calor (em quilojoules) absorvida pela água. 
Dado: Calor específico da água (cágua ) = 4,184J/g.ºC) 
50 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
18. A massa de 1,435 g de naftaleno (C10H8) - uma substância de 
odor pungente usada como repelente de traças - foi queimada em 
uma bomba calorímétrica a volume constante. Em conseqüência, a 
temperatura da água elevou-se de 20,28 C para 25,95ºC. 
Considerando que a capacidade calorífica da bomba mais a da água é 
10,17 kJ/ºC, calcule o calor de combustão do naftaleno em termos de 
mol, isto é, determine o calor molar de combustão. 
51 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
19. A massa de 1,922 g de metanol (CH3OH) foi queimada em uma 
bomba calorimétrica a volume constante. Em conseqüência, a 
temperatura da água elevou-se de 4,20 C. Calcule o calor molar de 
combustão do metanol sabendo que a capacidade calorífica da 
bomba mais a da água é igual a 10,4 kJ/ºC. 
52 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
20. Uma esfera de chumbo, com 26,47 g de massa a 89,98 C, foi 
colocada em um calorímetro a pressão constante, cuja capacidade 
calorífica é desprezível, contendo 100,0 mL de água. A temperatura 
da água aumentou de 22,50 C até 23,17 C. Qual é o calor específico 
da esfera de chumbo? 
53 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
21. Um rolamento de esferas de aço inoxidável de 30,14 g, a 
117,82 C, é colocado em um calorímetro a pressão constante que 
contém 120,0 rnL de água a 18,44 C. Sabendo que o calor específico 
do rolamento de esferas é 0,474 J/g . C, calcule a temperatura final 
da água. Suponha que a capacidade calorífica do calorímetro pode 
ser desprezada. 
54 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
22. Uma barra de ferro de massa igual a 869 g é resfriada de 94 C 
até 5ºC. Calcule o calor (em quilojoules) liberado pelo metal. (cFe = 
0,444J/g.ºC) 
 
23. Um pedaço de cobre metálico com massa de 6,22 kg, a 20,5 C, é 
aquecido a 324,3 C. Calcule o calor (em kJ) absorvido pelo metal. 
55 
Termoquímica 
EXERCÍCIOS 
24. Calcule a variação de entalpia-padrão da reação 
2Al(s) + Fe2O3(s)  2Fe(s) + Al2O3(s) 
Sabendo que 
2 Al(s) + 3/2 O2(g)  Al2O3(s) ΔHºreação = -1601 kJ/mol 
2Fe(s) + 3/2 O2(g )  Fe2O3(s) ΔHºreação = -821 kJ/mol 
56 Daniele Alves Ferreira 
Termoquímica 
56 
Termoquímica 
REFERÊNCIAS 
1. Atkins, P. W. e Jones, L. Chemical principles: The Quest for Insight, 
Bookman, 5ª. Ed. 2010. 
2. Atkins, P. W. e de Paula, J. Physical Chemistry, Oxford University 
Press, 8ª. Ed. 2006. 
3. Brown, T.L. et al. Chemistry: The central science, Prentice Hall, 
Pearson,12ª. Ed., 2012. 
4. Chang, R. Chemistry, McGraw-Hill, 10ª. Ed, 2010. 
5. Miessler, G.L. Inorganic Chemistry, Pearson, 5ª. Ed, 2014. 
6. Shriver, D.F. e Atkins, P. W. Inorganic Chemistry, W. H. Freeman and 
Company, New York, 5ª. Ed, 2010.