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Faculdade Pitágoras Ipatinga – Campus Horto Departamento de Engenharia EXPERIMENTO 02 Entalpia Ipatinga – MG Novembro de 2017 Faculdade Pitágoras Ipatinga – Campus Horto Departamento de Engenharia EXPERIMENTO 02 Entalpia Ana Carolina Lopes de Almeida Heitor Savio de Oliveira Moacir Junior Pereira Rafaela Campus Froís Weliquis de Paula Relatório técnico–científico nº 02, apresentado na disciplina de físico-química no Curso de Engenharia Minas na turma do 6° período, na Faculdade Pitágoras de Ipatinga. Prof. Michelle Bitencourt RESUMO Entalpia é a quantidade de energia contida em uma determinada substância que sofre reação, ela calcula o calor de um sistema, é a forma mais usada de expressar o conteúdo calorífico de um componente em uma reação química. A maioria das reações químicas ocorre produzindo variações de energia, que freqüentemente se manifestam na forma de variações de calor. O principal objetivo desse experimento era de consolidar conhecimentos de termodinâmica, obtido em aulas anteriores. Como reações químicas são orientadas por transferência de energia no sistema, é fundamental ter noção da entalpia. No experimento em questão no final deverá calcular o valor da entalpia da agua. Por fim, o grupo deverá apresentar os dados e conclusões a que chegaram. Essa parte está disposta mais à frente nesse relatório. ABSTRACT Enthalpy is the amount of energy contained in a particular substance that undergoes reaction, it calculates the heat of a system, it is the most used way of expressing the calorific content of a component in a chemical reaction. Most chemical reactions occur producing variations in energy, which often manifest themselves in the form of variations in heat. The main objective of this experiment was to consolidate knowledge of thermodynamics obtained in previous classes. As chemical reactions are driven by energy transfer in the system, it is crucial to be aware of the enthalpy. In the experiment in question at the end you must calculate the enthalpy value of the water. Finally, the group should present the data and conclusions to which they arrived. That part is set out later in this report. SUMÁRIO 1. OBJETIVO 6 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA 7 3. MATERIAIS E REAGENTES 8 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 9 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 10 6. CONCLUSÃO 15 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16 6 1. OBJETIVO A prática elaborada e relatada neste, teve por objetivo, visualizar e indicar a variação da entalpia de fusão e entalpia de vaporização da água, submetendo diferentes sistemas a variação de temperatura. 7 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Entalpia é a quantidade de energia contida em uma determinada substância que sofre reação, ela calcula o calor de um sistema, é a forma mais usada de expressar o conteúdo calorífico de um componente em uma reação química. A variação da Entalpia está na diferença entre a entalpia dos produtos e a dos reagentes, sendo assim, o calor de uma reação corresponde ao calor liberado ou absorvido em uma reação, e é simbolizado pela letra H. Não há como determinar a quantidade de energia em uma substância, mas podemos conhecer e medir sua variação. Para isso utiliza-se a fórmula: ∆ܪ ൌ ܪிூே െ ܪூேூூ Em reações exotérmicas a entalpia final é menor do que a entalpia inicial, já que neste tipo de reação ocorre a liberação de energia. Exemplo: Queima de alimentos pelo organismo, reações de combustão. Em reações endotérmicas, a entalpia final é maior que a entalpia inicial, já que neste tipo de reação ocorre a absorção de energia.Exemplo: Quando a luz solar incide em uma molécula de clorofila das plantas, ocorre uma reação endotérmica, a planta absorve parte da energia luminosa permitindo a reação do gás carbônico com água, que produz carboidratos e libera oxigênio. A absorção da energia em forma de luz e sua transformação em energia química permitem o crescimento das plantas, seu florescimento e a produção de frutos. A variação da entalpia pode ser conhecida dependendo da temperatura, pressão, estado físico, número de mol e da variedade alotrópica das substâncias. Foi criada uma forma padrão de realizar tais comparações, chamada entalpia- padrão, para que as entalpias sejam comparadas de acordo com uma da mesma condição, o que leva o nome de estado-padrão. Há algumas reações químicas que não podem ser sintetizadas, o que faz com que sua entalpia seja conhecida através da entalpia de outras reações, utilizando a Lei de Hess que diz que em uma reação a variação de entalpia é a mesma independente da etapa em que a reação ocorre. 8 3. MATERIAIS E REAGENTES Experimento 1 Proveta de 10 mL Béquer de 1L Termômetro Placa de aquecimento Experimento 2 2 Termômetros Balança semi-analítica 300 mL de água destilada Gelo (protegido com isopor) Béquer 250 mL Proveta de 100 mL Chapa de Aquecimento 2 Copos de Café em Isopor Tesoura 9 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Experimento 1 Iniciamos o experimento medindo a pressão atmosférica do laboratório e logo em seguida realizamos as devidas conversões. Posteriormente o grupo encheu a proveta de 10 mLcom 5 mL de água destilada para assim obtermos maior precisão com o liquido, também se encheu o béquer de 1 L com água destilada. Em seguida tapamos com o dedo a tampa da proveta de 10 mLe a inseridos de cabeça para baixo dentro do béquer de 1L, logo em seguida completamos com água destilada para que assim o volume de água ultrapassar a altura da proveta, podendo assim a retirada do dedo que estava submerso sobre a água. Posteriormente foi adicionado um termômetro no sistema, aguardamos 10 minutos para assim atingir o equilíbrio químico e em seguida obtermos a temperatura e o volume de ar. Aqueceu-se o sistema na placa de aquecimento ate 80°C e foi deixado na bancada para que assim pudesse ser resfriado, em seguida foi anotado os valores de temperatura e volume de ar com intervalos de 5°C ate chegarmos a 50°C. Experimento 2 Iniciamos o experimento com a confecção do calorímetro com dois copos de café onde furamos a tampa do copo para que o termômetro possa passar, pesamos o calorímetro com o termômetro. Em seguida aquecemos 100 ml de água destilada no Becker até aproximadamente 40°C e a colocamos no calorímetro. Fechamos o calorímetro e aguardamos 5 minutos para atingirmos o equilíbrio químico e novamente foi pesado para obtenção de valores. Posteriormente foi adicionado gelo no calorímetro e aguarmos 5 minutos ate atingir o equilíbrio, fechamos o sistema e anotamos o valor da temperatura e do peso do calorímetro, esse processo foi realizado por três vezes. 10 0,0031 0,00315 0,0032 0,00325 0,0033 0,00335 101190,23 101190,24 101190,25 101190,26 101190,27 101190,28 101190,29 101190,3 1/ Te m pe ra tu ra Pressão (H2O) P(H2O) X 1/Temperatura 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Experimento 01 Para calcular a Pressão de H2O no experimento, inicialmente calcula-se a pressão do ar na proveta através da fórmula: P(ar) *V = nRT, ondeܖ ൌ ࡹ, e m = d*V sendo assim, temos: ۾ሺ܉ܚሻ ൌ ࢊࢂ ࡹ∗ࡾ∗ࢀࢂ Após calcular o valor da pressão do ar, calcula-se a Pressão de H2O através da fórumas: PH2O = Patm-Par Informações: Massa molar Mm(ar atmosférico)=28,9645 mol/L Densidade d(ar atmosférico)= 1,2922 g/L Pressão Atmosférica = 101191,4 atm Análise 01: Para volume 9,8 ml e temperatura 46,2ºC: PH2O = 101190,23atm Análise 02: Para volume 9,4 ml e temperatura 41,2ºC: PH2O = 101190,25atm Análise 03: Para volume 9,1 ml e temperatura 36,2ºC: PH2O = 101190,27atm Análise 04: Para volume 8,85 ml e temperatura 31,2ºC: PH2O = 101190,29atm Análise 05: Para volume 8,6 ml e temperatura 27ºC: PH2O = 101190,3atm Com os dados obtidos, foi possível relacioná-los com o inverso da temperatura, gerando o seguinte gráfico. Gráfico 01: Gráfico P(H2O) x 1/Temperatura. Fonte: Própria 11 Pelo gráfico fica possível verificar que devido a impossibilidade de coletar informações em temperaturas abaixo de 27ºC (temperatura ambiente), houve uma pequena variação na linha do gráfico, onde esta, se mantinha constante até o valor coletado no último estágio de temperatura. O experimento realizado apresentou a seguinte ilustrada na imagem abaixo: Apesar de não ser totalmente visível, na temperatura ambiente 27ºC, é formada uma pequena camada de vapor d’agua entre as camadas de água e ar atmosférico. Imagem 01: Esquema inicial entalpia de vapor. Fonte: Própria Na medida em que o sistema foi submetido a variação de temperatura, aumentou-se a quantidade de vapor de água, como mostra o esquema abaixo: Imagem 02: Esquema: variação da entalpia de vapor, conforme variação da temperatura. Fonte: Própria 12 Iremos considerar a passagem da água líquida para vapor. Nesse caso, temos uma vaporização, em que é necessário absorver energia para que se consiga romper as ligações entre as moléculas da água, pois no estado gasoso elas estão mais afastadas do que no estado líquido. Isso significa que a vaporização é um processo endotérmico. Também é possível determinar o valor de ∆Hvaporização por meio das entalpias de formação da água no estado líquido e no estado de vapor: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(?) ?H = -285,5 kJ H2(g) + ½ O2(g) → H2O(v) ?H = -241,6 kJ H2O(?) → H2O(v) ∆Hvaporização = (-241,6 – (-285,6)) kJ ∆Hvaporização = + 44 kJ Experimento 2 A tabela abaixo apresenta todos os dados que foram obtidos no experimento: Massa do calorímetro vazio Massa do calorímetro + água Massa do calorímetro + água + gelo Temperatura inicial Temperatura final Experimento 1 121,86 gramas 132,36 gramas 45°C 32°C Experimento 2 121,58 gramas 136,90 gramas 42°C 29°C Experimento 3 122,89 gramas 144,16 gramas 44°C 21°C Valor Médio 122,11 gramas 137,80 gramas 43,6°C 27,3°C Tabela 1: dados obtidos em laboratório. Fonte: Própria Para representação da curva de aquecimento da água e do gelo conforme solicitado no roteiro o grupo fez o uso das temperaturas iniciais e finais de cada experimento para assim podermos ter uma melhor analise. 13 Gráfico 2: comparação de temperatura Fonte: própria Com base no gráfico podemos analisar que ambas as curvas não se permaneceram constantes pelo fato que uma apresenta o aquecimento e outra já mostra o resfriamento da temperatura para o mesmo experimento. A troca de calor acontece quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato em um mesmo ambiente (sistema isolado) e, depois de certo tempo, alcançam o equilíbrio térmico. As trocas de calor acontecem porque o calor é um tipo de energia que transita entre os corpos, ocasionando esse movimento, fato que acontece até que haja o equilíbrio térmico entre ambos. Esse processo acontece porque os corpos sentem a necessidade de ceder e receber calor. A seguir, observe a troca de calor que acontece com a água até chegar ao equilíbrio térmico, conhecido popularmente como água morna. Imagem 3: Transferência de calor entre corpos com temperaturas diferentes. Fonte: Google 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 Te m pe ra tu ra s Comparação da temperaturas temperatura inicial temperatura final 14 Para que o gelo derreta, passando do estado sólido para o líquido (fusão), é necessário que ele absorva uma determinada quantidade de energia. A transformação da água sólida em líquida absorve energia porque no estado sólido as moléculas possuem ligações intermoleculares mais energéticas que as moléculas no estado líquido. Assim, para que as ligações da água sólida fiquem mais fracas, é preciso fornecer energia às moléculas. Visto que absorve calor, a fusão é um processo endotérmico: H2O(s) + energia → H2O(?) ou H2O(s) → H2O(?) ?H > 0 É possível descobrir isso por meio dos valores da variação da entalpia de formação da água no estado líquido e no estado sólido. Para a formação de cada uma, os valores de ∆H são diferentes; assim, basta diminuir os valores e ver a diferença: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(?) ?H = -285,6 kJ H2(g) + ½ O2(g) → H2O(s) ?H = -292,6,6 kJ Observamos que a energia liberada na formação da água líquida é maior que na formação da água sólida, mostrando novamente que, para passar do estado sólido para o líquido, a água precisa absorver energia. Visto que em condições padrão as entalpias de substâncias simples, tais como H2 e O2, são iguais a zero, podemos concluir que os valores das variações da entalpia dadas nas reações acima são iguais às entalpias dos produtos, isto é, o H de H2O(?) é igual a 285,5 kJ e de H2O(s) é igual a 296,6 kJ. Diminuindo esses valores sabemos quanto de energia o gelo precisa ganhar para derreter, ou seja, o valor do H da fusão: H2O(s) → H2O(?) ∆Hfusão = (-292,6 – (-285,5)) kJ ∆Hfusão = + 7 kJ 15 6. CONCLUSÃO Diante dos resultados alcançados, apresentados e discutidos neste, podemos concluir que ocorre deforma visível a variação da entalpia de vaporização e de fusão, quando submetemos o meio em análise a variações de temperatura. Ainda foi possível constatar que o experimento foi provido de dados analíticos de pequena proporção, ocorrendo uma variação mínima da pressão de Vaporização e fusão da água em análise. 16 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/entalpia.htm>. Acessado em 27/11/2017 às 15:10 hrs. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/trocas-calor.htm>. Acessado em 27/09/2017 às 16:11 hrs. Disponível em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física 2. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 2 Disponível em: RAMALHO JÚNIOR, Francisco; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antônio de Toledo. Física 2: os fundamentos da física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. 10. ed. São Paulo: Moderna, 2009. 3 v Disponível em: SEARS, Francis Weston; ZEMANSKY, Mark Waldo; YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física II: Termodinâmica e Ondas. São Paulo: Pearson Addison Wesley, 2008. 2
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