03 Relatório Fq Exp 1 - Energia, Trabalho e Calor

Prévia do material em texto

DISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL I
Aula 3:
Energia, Trabalho e Calor
Anápolis, 23 de março de 2018
1. Introdução
A energia é a capacidade de efetuar trabalho, onde, ela se conserva, ou seja, ela não é criada e nem destruída, e sim, se mantém constante. A propriedade mais fundamental da termodinâmica, pois fornece a base da definição dos conceitos principais, é o trabalho. Existe trabalho quando um corpo é deslocado contra uma força que se opõem ao deslocamento. Todas as formas de trabalho podem ser consideradas como equivalentes ao trabalho efetuado quando um peso é levantado contra a força da gravidade (ATKINS E PAULA, 2012).
Um exemplo de trabalho, é a expansão de um gás que empurra um pistão e provoca elevação de um peso. Outro exemplo, é uma reação química que gera uma corrente elétrica através de um condutor, pois a corrente pode passar por um motor apropriado e também provocar elevação de um peso. Quando se faz trabalho sobre um sistema, que não pode trocar energia de outra forma que não seja esta, por exemplo, a compressão de um gás, a capacidade do sistema efetuar trabalho (quando o gás comprimido empurra o pistão, ou quando a mola retorna ao comprimento inicial), há redução de energia do sistema, pois diminui a capacidade de efetuar trabalho (ATKINS E JONES, 2012).
A energia de um sistema (a capacidade de efetuar trabalho), pode ser modificada por maneiras que não envolvem o trabalho. Sendo assim, quando a energia de um sistema se altera como resultado da diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças, se diz que a energia foi transferida na forma de calor, ou seja, a energia flui na forma de calor de uma região de temperatura alta para uma região de temperatura baixa (ATKINS E PAULA, 2012; BALL, 2016).
Sendo assim, quando um sistema executa trabalho na vizinhança, sua capacidade de executar trabalho se reduz e dizemos assim, que sua energia diminuiu. Logo, se for executado trabalho em um sistema, como esticar uma mola, aumentamos a sua capacidade de executar trabalho e, portanto, se diz que sua energia aumentou. Desse modo, quando aquece a água contida num béquer por meio de um calefator, a capacidade do sistema, à água para efetuar trabalho aumenta, pois, a água quente pode proporcionar mais trabalho do que a fria. Nem todas as fronteiras permitem este tipo de transferência de energia, mesmo havendo diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças. As fronteiras que são permeáveis à passagem de energia na forma de calor são diatérmicas e, uma fronteira que não permite a transferência de energia na forma de calor é adiabática, como é mostrado na Figura 1 (ATKINS E PAULA, 2012; ATKINS E JONES, 2012).
Figura 1. a) fronteira diatérmica permeável a passagem de energia e b) fronteira adiabática impermeável.
Fonte: (ATKINS E PAULA, 2012).
Desse modo, de acordo com a primeira lei, quando um sistema sofre qualquer mudança química ou física, a variação obtida em sua energia interna, é dada pelo, o trabalho realizado sobre um sistema, é então dw; e a energia recebida como calor é dq (BALL, 2016):
2. Objetivos
Analisar a relação entre o trabalho, calor e energia, que são produzidos por uma reação química, verificando se a reação é exotérmica ou endotérmica.
3. Materiais 
3.1 Equipamentos
Agitador magnético;
Béquer;
Kitassato;
Mangueira de silicone para conexão;
Papel alumínio;
Rolha;
Seringa de vidro de 50 mL;
Suporte Universal.
3.2 Reagentes
Água destilada;
Solução de HCl 6,0 mol L-1 ;
Solução de NH4OH 30% Pa.
4. Procedimento Experimental
1. Trabalho de expansão de gás
Montou-se o esquema de aparelhagem, conforme a Figura 2, certificando-se a mangueira de conexão estava bem colocada. 
Figura 2. Representação esquemática dos equipamentos.
(Fonte: Apostila de Físico-química Experimental).
Logo em seguida, foi colocado o agitador magnético no Kitassato, certificando que o êmbolo da seringa estava na posição de leitura igual a zero mL. 
Pesou-se as amostras de alumínio (5,10,15,20 e 25 mg), anotando-os seus valores. Mediu-se 50,0 mL de ácido clorídrico (HCl) e colocou no Kitassato, em seguida, transferiu-se a amostra de alumínio previamente pesada, no Kitassato e logo após, tampou com rolha de borracha, garantindo que não houvesse vazamento.
 Ligou-se o agitador magnético e esperou até que a reação fosse completada. Após esta etapa, foi feito a leitura da expansão do gás na seringa de 50 mL, anotando o valor. Repetiu-se o mesmo procedimento para todas as amostras de alumínio. 
1. Reações exotérmicas e endotérmicas 
Colocou-se 50 mL de água em um béquer de 100 mL e mediu-se a temperatura da água. Misturou-se 20 mL de ácido clorídrico (HCl) na água. A temperatura da solução foi medida e seu valor foi anotado. Repetiu-se o mesmo procedimento para a solução de amônia. 
5. Resultados e Discussão
a) Trabalho de expansão de um gás
Quando o alumínio é adicionado a uma solução com excesso de HCl, ocorre a seguinte reação:
Essa reação libera gás hidrogênio que aumenta a pressão interna do sistema, no caso, o Kitassato. Para que o sistema volte ao equilíbrio, essa pressão move o êmbolo da seringa até que a pressão interna se iguale à pressão externa. Assim, pode-se assumir a variação do volume causada pela reação é igual ao volume de gás hidrogênio formado. É possível calcular o volume esperado de gás hidrogênio produzido por uma massa de alumínio que reagiu:
Quando o sistema voltar ao equilíbrio, a pressão de gás hidrogênio se iguala a pressão externa:
Porém, a proposta dessa aula é estudar o trabalho resultante dessa reação, e não o volume de gás hidrogênio produzido, apesar dos dois estarem relacionados. A reação produziu trabalho, uma vez que aplicou uma força no êmbolo que causou a sua movimentação. 
Esse trabalho isobárico é dado pela equação:
Como não havia barômetro, foi considerado que a pressão externa era de 1 atm, ou 101325 Pa. Para não haver problemas de unidades, foi feita a seguinte relação:
Segue os cálculos dos trabalhos realizados por cada amostra:
Tabela 1. Massa, volume e trabalho realizado das amostras.
	Propriedade
	Amostra 1
	Amostra 2
	Amostra 3
	Amostra 4
	Amostra 5
	Massa de alumínio (g)
	0,005
	0,010
	0,015
	0,020
	0,025
	Variação do volume (L)
	0,010
	0,019
	0,028
	0,043
	0,044
	Trabalho (J)
	-1,013
	-1,925
	-2,837
	-4,357
	-4,458
b) Reações exotérmicas e endotérmicas
Após a adição de 20 mL de ácido clorídrico 6 mol/L nos 100 mL água, observou-se que a temperatura variou de 27ºC à 29ºC, ou seja, houve uma variação de 2ºC causada pela adição. Isso ocorreu porque aumentando o grau de dissociação do ácido, mais íons hidrônio e cloreto são solvatados, reduzindo a energia do sistema e gerando calor. Ou seja, trata-se uma reação que libera energia, uma reação exotérmica.
Já com a adição de 20 mL de hidróxido de amônio 30% em 50 mL de água, não foi possível observar variação na temperatura. Portanto, essa reação não produz ou absorve energia suficiente para produzir ou absorver calor mensurável. Assim, não foi possível verificar se essa dissociação se tratava de uma reação exotérmica ou endotérmica.
6. Conclusão
Os resultados mostram que a reação de oxidação do alumínio por ácido produzir gás hidrogênio e causa trabalho, observado na forma de expansão do volume total da mistura gasosa. Esses valores seguiram certa linearidade, com exceção da última amostra, a de 25 mg de alumínio, onde pode ter sido cometido algum erro sistêmico. A partir dos volumes de gás hidrogênio foi verificado que o trabalho realizado é diretamente proporcional à quantidade de matéria consumida na reação.
Referências bibliográficas
ATKINS, P.W.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed.  Porto Alegre: Bookman, 2012.
ATKINS, P.W.; PAULA, J. Físico-química. v.1, 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
BALL, D.W. Físico-química. v.1, 1 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2016.