Aula 3 Transformaçoes Energeticas na Reaçoes Quimica

Franklin Nelson da Cruz Carlos Neco da Silva Júnior T ermoquímica e Equilíbrio T ransformações energéticas nas reações químicas Autores aula 03 DISCIPLINA Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Capa1 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Capa1 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 T odos os direitos reservados. Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzida sem a autorização expressa da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Divisão de Serviços T écnicos Catalogação da publicação na Fonte. UFRN/Biblioteca Central \u201cZila Mamede\u201d Coordenadora da Produção dos Materiais Vera Lucia do Amaral Coordenador de Edição Ary Sergio Braga Olinisky Projeto Grá\ufb01 co Ivana Lima Revisores de Estrutura e Linguagem Eugenio T avares Borges Janio Gustavo Barbosa Thalyta Mabel Nobre Barbosa Revisora das Normas da ABNT Verônica Pinheiro da Silva Revisores de Língua Portuguesa Janaina T omaz Capistrano Kaline Sampaio de Araújo Samuel Anderson de Oliveira Lima Revisoras Tipográ\ufb01 cas Adriana Rodrigues Gomes Margareth Pereira Dias Nouraide Queiroz Arte e Ilustração Adauto Harley Carolina Costa Heinkel Hugenin Leonardo Feitoza Diagramadores Elizabeth da Silva Ferreira Ivana Lima Johann Jean Evangelista de Melo José Antonio Bezerra Junior Mariana Araújo de Brito Adaptação para Módulo Matemático Joacy Guilherme de A. F . Filho Governo Federal Presidente da República Luiz Inácio Lula da Silva Ministro da Educação Fernando Haddad Secretário de Educação a Distância \u2013 SEED Carlos Eduardo Bielschowsky Reitor José Ivonildo do Rêgo Vice-Reitora Ângela Maria Paiva Cruz Secretária de Educação a Distância Vera Lucia do Amaral Secretaria de Educação a Distância- SEDIS Cruz, Franklin Nelson da. T ermoquímica e equilíbrio / Franklin Nelson da Cruz, Carlos Neco da Silva Júnior . \u2013 Natal, RN: EDUFRN, 2010. 340 p. ISBN 978-85-7273-575-9 Conteúdo: Aula 01 \u2013 A energia química e sua importância; Aula 02 \u2013 Gases: modalidades e modelos; Aula 03 \u2013 T ransformações energéticas nas reações químicas; Aula 04 \u2013 T ermoquímica e equilíbrio: as transformações energéticas nas reações químicas; Aula 05 \u2013 Quando a desordem é a lei; Aula 06 \u2013 Energia livre; Aula 07 \u2013 T ermodinâmica das substâncias puras; Aula 08 \u2013 As propriedades das misturas simples; Aula 09 \u2013 A regra de fase 2; Aula 10 \u2013 Equilíbrio químico. 1. T ermoquímica. 2. Energia. 3. Entropia. 4. Equilíbrio químico. 5. Equilíbrio físico. I. Silva Júnior , Carlos Neco da. II. Título. RN/U F/BC ZM CDU 544.33 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Capa2 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Capa2 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio 1 2 3 4 5 6 1 Apresentação N a primeira aula vimos os fundamentos que regem as transformações energéticas, o que nos levou à conclusão de que a energia não pode ser criada nem destruída. Nesta aula vamos entender como ocorrem essas transformações, por quais leis são regidas e como quali\ufb01 car e quanti\ufb01 car estados e formas de energias em meio à evolução de sistemas termodinâmicos, sobretudo de sistemas termoquímicos. Objetivos Aplicar os princípios termodinâmicos a diversos sistemas de reações químicas; Aplicar as leis termodinâmicas na resolução de cálculos energéticos; Diferenciar o conceito de calor e trabalho; Identi\ufb01 car reações exotérmicas e endotérmicas; Representar corretamente as perdas ou os ganhos de energia, em qualquer equação termoquímica. Distinguir o caráter espontâneo em diversos processos físicos e químicos Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo1 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo1 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio Parede D iatérmica Parede Ad iabática A B B T A T B T C A B B T A T B T C 2 Lei zero da termodinâmica (Aluno) \u2013 Olá Carlos, hoje é nossa terceira aula da disciplina termoquímica e equilíbrio e vamos tratar dos princípios da termodinâmica, você tem noção de algum deles? (Aluno) \u2013 Olha José, acredito que inicialmente vamos estudar a questão do equilíbrio térmico decorrente do contato entre corpos com diferentes temperaturas e lembro ainda do ensino médio, que esse é o principio zero da termodinâmica. A temperatura é uma grandeza física que permite medir o estado em que se encontra um determinado sistema, esteja ele quente ou frio. Os sistemas termodinâmicos podem ser aquecidos ou resfriados a partir do ganho ou da perda de calor , respectivamente. A grandeza que nos permite medir esta alteração de estado do sistema é a temperatura. Dois sistemas com diferentes temperaturas, postos em contato um com o outro, no decorrer do tempo, irão convergir para um estado, no qual, ambos alcançarão a mesma temperatura. Podemos então dizer que no \ufb01 m desse processo, o sistema conjugado encontra-se em equilíbrio térmico. De tal observação, surge em 1931, a caçula das leis termodinâmicas, também conhecida como princípio zero. Para compormos seu enunciado, vamos considerar três corpos A , B e C isolados do ambiente. Inicialmente, dispomos entre A e C uma parede diatérmica, assim como entre B e C . Por sua vez, A e B estão isolados por uma parede adiabática. Uma vez atingido o equilíbrio térmico, permutamos as paredes adiabática e diatérmica, Figura 1. Assim procedendo, percebemos que nada se passa com o sistema conjugado A , B e C , haja vista os corpos constituintes já se encontrarem em equilíbrio térmico entre eles, fato que con\ufb01 gura o princípio zero da termodinâmica. Figura 1 \u2013 Caracterização do princípio zero da termodinâmica Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo2 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo2 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio AB C 3 Enunciado do princípio zero da termodinâmica: Se dois sistema A e B , encontram-se em equilíbrio térmico e um ter ceiro sistema C está em equilíbrio térmico com A , então podemos dizer que os sistemas B e C também estão em equilíbrio. Esse resultado é fornecido pela observação da natureza e não corresponde a nenhuma conclusão extraída através de qualquer dedução teórica (ver Figura 2). Figura 2 \u2013 Equilíbrio térmico entre os corpos T A = T B \u2227 T A = T C \u2192 T B = T C Eq. 1 A leitura da Eq. 1 é feita como a seguir: Se a temperatura do corpo A for igual à temperatura do corpo B e se a temperatura do corpo A for igual à temperatura do corpo C , então a temperatura do corpo B será igual à temperatura do corpo C . Como sabemos, essa lei fundamental da termodinâmica só foi percebida na primeira metade do século XX, bem depois que as três primeiras leis já estavam em uso e pode ser enunciado da seguinte forma: Se dois sistemas termodinâmicos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então, todos devem estar em equilíbrio térmico entre si. Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo3 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo3 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio 4 Calor , trabalho: fundamentações O estilo de vida do homem foi adaptado, ao longo de sua existência, de acordo com o ciclo solar . V ários foram os momentos em que o homem, ainda chamado de nômade, transitava de um lugar a outro de acordo com as condições climatológicas. Certamente, uma das descobertas mais importantes da história da humanidade foi a do domínio do fogo, o que possibilitou luz à escuridão, calor ao frio e o cozimento dos alimentos necessários a sua subsistência, como exempli\ufb01 cado na Figura 3. Figura 3 \u2013 O homem e o fogo. Fonte: . Acesso em : 31 jul. 2009. A forma de produção do fogo evoluiu com o passar dos anos. Na Antiguidade, a maior fonte de energia para a produção de alimentos cozidos era obtida através da madeira. Hoje em dia, as cozinhas modernas são providas de fogão a gás. A combustão do gás liquefeito de petróleo fornece energia (calor) não só para o cozimento dos alimentos, mas também em diversas aplicações industriais e agrícolas. Em termodinâmica, a quantidade de calor é representada por Q , sendo definida como a energia transferida em consequência da diferença de temperatura entre o sistema termodinâmico e suas vizinhanças. Quando o calor é transferido da vizinhança para o sistema, chamamos o processo de endotérmico e dizemos que o calor é positivo ou maior que zero, ( Q = + ou Q > 0 ), pois o sistema ganha energia na forma de calor . Da mesma forma que quando o calor é transferido do sistema para a vizinhança, dizemos que o processo é exotérmico e que Q é negativo ou menor que zero, ( Q = \u2013 ou Q 0 ), pois o sistema perde energia na forma de calor . Ao chutar uma bola de futebol (Figura 4), podemos perceber que a direção e a velocidade de movimento podem mudar pela transferência de energia do pé para a bola. Quando uma força provoca o deslocamento de um objeto, dizemos que ela realiza trabalho ( w ) sobre o objeto. Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo4 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo4 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio \u03b8 dx x F O 5 Figura 4 \u2013 Jogador ao chutar uma bola Fonte: novidades-no-mundo-do-futebol/>. Acesso em : 31 jul. 2009. Como você deve ter visto na disciplina Energia, o trabalho realizado pela força F , que imprime a certo objeto O um deslocamento dx (in\ufb01 nitesimal), na direção Ox (Figura 5) é de\ufb01 nido pelo produto escalar dos vetores F e dx , Eq. 2. Figura 5 \u2013 T rabalho de uma força \u0111w = F \u22c5 co s \u03b8 \u22c5 dx\ue003 ou \ue003\u0111w = f \u22c5 dx Eq. 2 na qual f é a componente da força F na direção do deslocamento. T ambém, o chute realizado pelo jogador é um exemplo de energia química (potencial) acumulada nos tecidos musculares na forma de A TP (trifosfato de adenosina) que é transformada em energia mecânica ou energia para movimentar órgãos e membros do corpo humano. Como o próprio nome informa, a molécula em questão é constituída de adenosina, portanto de adenina e ribose ( \u03b2 -D-ribofuranose) e de três grupamentos fosfatos, conforme exemplo na Figura 6. Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo5 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo5 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio N NH 2 Adenina Adenosin a Ribose T rifosfato N NN O CH 2 O OH OH P OH O O P OH O OO H P OH O 6 Figura 6 \u2013 Molécula de A TP A molécula de A TP , um nucleotídeo, apresenta como característica as ligações responsáveis pela união dos grupamentos fosfatos, ricas em energia, sendo utilizadas pelos organismos vivos para fornecer energia às reações químicas consumidoras. Assim, a molécula de A TP é a molécula responsável pela reser va de energia da célula. (Aluno) \u2013 Professor Igor , não consigo antever a relação do conceito de trabalho com a química! De que forma podemos veri\ufb01 car quando uma reação química realiza trabalho? (Professor) \u2013 Pois bem, caro José, em química pode-se evidenciar pelo menos dois tipos de trabalho, realizados quando da ocorrência de uma reação química, são eles: T rabalho de expansão ocorre quando um gás contido em um cilindro ao ser liberado desloca a atmosfera ambiente e então realiza trabalho sobre ela. Essa forma de trabalho pode ser promovida, por exemplo, por uma reação química de simples troca, na qual, um metal reage com um ácido dando origem a um sal e a um gás, como a que ocorre entre o zinco metálico e o ácido clorídrico aquoso, r . 1. Zn ( s ) +2 HC l ( aq ) \u2192 Zn Cl 2( s ) + H \ue002 2 r. 1 Devido à reação se dá com desprendimento do gás hidrogênio é bastante comum recolhermos o gás sobre uma substância líquida, sendo a mais utilizada a água, como representado na Figura 7. Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo6 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo6 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H 2 Zn HCl ( aq ) H 2 O H 2 p ext p ext h i dh h f p i ,V i ,T m Gá s Ide al Es t ad o Inic ia l Es t ad o Fi nal deslocamento p f ,V f ,T m Gá s Ide al 7 Figura 7 \u2013 Gás recolhido sobre água Precisamos ajustar a de\ufb01 nição de trabalho, expressa pela Eq. 2, às variáveis pressão e volume que se associam à reação em estudo. Para isso, vamos imaginar a expansão de um gás ideal em um cilindro de êmbolo móvel, desprovido de massa, isento de atrito com as paredes internas do cilindro, ao se deslocar , e da ação da pressão atmosférica ambiente, segundo descrito pela Figura 8. Observe que nesse exemplo, o peso sobreposto sobre o cilindro exerce o mesmo papel da coluna d\u2019água atuando sobre o gás hidrogênio, quando da reação de deslocamento. Figura 8 \u2013 Expansão de um gás ideal Assim, o peso sobreposto ao êmbolo do cilindro é o único agente a exercer uma for ça que se opõe ao deslocamento do êmbolo promovido pela pressão do gás. Desde já lembramos que em termodinâmica, o trabalho é produzido por forças externas (peso) ao sistema (gás ideal). Portanto, a força externa atuando sobre o êmbolo móvel do cilindro é de\ufb01 nida analiticamente pela equação: p ext = F ext A \u2234 F ext = p ext · A Eq. 3 na qual A representa a área da seção reta do êmbolo do cilindro. Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo7 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo7 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39 Aula 03 T ermoquímica e Equilíbrio Amb iente Sistema E x pan s ão is ot érm ic a de u m gá s id ea l V i V f e p i > p f + Q \u2013 w Amb iente Sistema Com pre s sã o iso tér mi c a de um g ás i de al V i > V f e p i p f \u2013 Q + w 8 Por sua vez, o trabalho realizado pela força externa, quando do deslocamento in\ufb01 nitesimal do êmbolo, dh , em direção oposta à referida força, será expresso analiticamente de acordo com a Eq. 2 como a seguir: \ue004 w = F ext · cos \u03b8 · dh = p ext · A · cos 180 \u25e6 · dh \u2234 \u0111 w = \u2013p ext \u22c5 dV Eq. 4 onde o produto ( A \u22c5 dh ) é igual à variação in\ufb01 nitesimal de volume dV . Como vemos, o trabalho de expansão se traduz no aumento de energia potencial do ambiente o que em outras palavras signi\ufb01 ca a\ufb01 rmar que o gás, atuando sobre o sistema, forneceu energia ao meio ambiente sob forma de trabalho. Analiticamente antevemos tal fato quando da integração da Eq. 4. \ue005 \ue002 f i dw = \u2212 p ext · \ue002 V f V i dV \u2234 w = \u2212 p ext · ( V f \u2212 V i ) Eq. 5 Como na Eq. 5, ( V f > V i ) , o sinal negativo denota a perda de energia do sistema para o ambiente. Assim, concluímos que ao receber energia na forma de calor ( + Q ), o sistema cedeu energia ao ambiente na forma de trabalho ( \u2013 w ) . Fato que expressa a conservação da energia em sua essência. A Figura 9 resume a correlação existente entre calor , trabalho e o comportamento de um gás ideal no interior de um cilindro de êmbolo móvel. Figura 9 \u2013 Calor , trabalho e um gás ideal em um cilindro de êmbolo móvel Exercício resolvido 1 O hélio, importante gás nobre, é encontrado em diversas fontes naturais em quantidade su\ufb01 ciente para exploração. Atualmente um de seus principais usos é o enchimento de balões de pesquisa meteorológicas e dirigíveis. Quando 0, 200 mol de hélio a 298 K é colocado em um balão, o volume inicial é de 1,5 L . À medida que o balão sobe, ele aumenta continuamente seu volume. Determine o trabalho realizado na expansão desse balão quando ele atingir um volume \ufb01 nal de 3,8 L . Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo8 Ter_Equi_A03_RF_MBZMZ_SF_SI_SE_071009.indd Miolo8 14/05/10 16:39 14/05/10 16:39

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