Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
06/06/2019 1 Termodinâmica Química Cap.19 - Química a Ciência Central ❖ A Termodinâmica Química está relacionada com a pergunta: PORQUE UMA REAÇÃO PODE OCORRER? ❖ Um processo espontâneo é aquele tem sentido definido no qual ele acontece. Ele deve ocorrer naturalmente. Introdução Processos Espontâneos ❖ Por exemplo: Se você derrubar um ovo sobre uma superfície, ele cairá e se quebrará com o impacto. ❖ A queda e a quebra de um ovo é espontânea, no entanto, o sentido contrário não é espontâneo. Processos Espontâneos ❖ Um exemplo de um processo químico com sentido definido é a oxidação do ferro. ❖ O Fe metálico, Fe(s), contido no prego, em contato com o oxigênio presente no ar se oxida e desta reação surge a ferrugem (Fe2O3) que deteriora gradativamente o material original. Essa reação é espontânea. ❖ Obviamente o contrário é uma reação não espontânea. Processos Espontâneos ❖ A espontaneidade de um processo pode depender da temperatura. ❖ Consideremos, por exemplo, o processo endotérmico de fusão do gelo sob pressão atmosférica de 1 atm. Processos Reversíveis e Irreversíveis ❖ Dentro do tema espontaneidade surge os conceitos de processos reversíveis e irreversíveis. ❖ Processo reversível é um caminho especial no qual o estado de um sistema pode variar gradualmente. 1 2 3 4 5 6 06/06/2019 2 Processos Reversíveis e Irreversíveis ❖ Nos processos reversíveis a variação no sistema é feita de tal forma que ele possa ser restaurado ao seu estado original, ou seja, podemos reverter completamente a variação no sistema, sem variação líquida no sistema ou na vizinhança. ❖ Já um processo irreversível não pode simplesmente ser revertido para restaurar o sistema e a vizinhança a seus estados originais. ❖ Quando um sistema varia por um processo irreversível, ele deve tomar um caminho diferente (com valores diferentes de q e w) para conseguir voltar ao seu estado original. Processos Reversíveis e Irreversíveis Processos Reversíveis e Irreversíveis ❖ Existem basicamente dois conceitos importantes em relação aos processos reversíveis e irreversíveis: (1) Se um sistema químico está em equilíbrio, os reagentes e produtos podem se interconverter reversivelmente. (2) Em qualquer processo espontâneo, o caminho dos reagentes e os produtos é irreversível. N2O4(g) 2NO2(g) Processos Reversíveis e Irreversíveis QUAIS FATORES TORNAM UM PROCESSO ESPONTÂNEO? Processos Reversíveis e Irreversíveis ❖ Um desses fatores é a desordem, ou seja, a espontaneidade de um sistema depende de como sua desordem varia durante o processo. ❖ Imagine um gás ideal confinado em um frasco de 1L à 1 atm de pressão. O frasco está conectado por uma torneira a outro frasco de 1L, que está evacuado. ❖ Suponhamos que a torneira seja aberta, enquanto o sistema é mantido a temperatura constante. Processos Reversíveis e Irreversíveis 7 8 9 10 11 12 06/06/2019 3 ❖ O gás expandirá espontaneamente para o segundo frasco até que a pressão seja 0,5 atm em ambos os frascos. ❖ O processo inverso, no qual o gás igualmente distribuídos entre os dois frascos de forma espontânea move-se inteiramente para dentro de um frasco, é inconcebível. O processo nesse caso é irreversível. Processos Reversíveis e Irreversíveis ❖ Diante do exposto podemos enunciar a 2ª. Lei da Termodinâmica. “Os processos nos quais a desordem de um sistema aumenta, tendem a ocorrer espontaneamente” ❖ Essa é a base da Segunda Lei da Termodinâmica. Segunda Lei da Termodinâmica ❖ Na fusão do gelo as moléculas de água que constituem o cristal de gelo são mantidas rigidamente unidas numa rede cristalina. Grau de desordem ❖ Quando o gelo se funde, as moléculas de água podem se mover livremente ao redor umas das outras. ❖ Portanto, a estrutura sólida bem organizada do gelo é substituída por uma estrutura líquida bem mais desordenada. Grau de desordem ❖ Situação similar acontece a um cristal de cloreto de potássio, KCl, quando ele se dissolve em água. ❖ No KCl sólido os íons K+ e Cl- estão no estado cristalino altamente organizado. KCl Grau de desordem ❖ Entretanto, quando o KCl é dissolvido em água, os íons são separados em solução e as moléculas de água são mantidas ao redor dos íons, como águas de hidratação. KCl Grau de desordem 13 14 15 16 17 18 06/06/2019 4 ❖ Como podemos observar as moléculas de água estão em estado mais ordenado do que antes porque agora elas estão confinadas em um ambiente estruturado com os íons. ❖ Portanto, a dissolução de um sal envolve ambos processos, de desordenar e de ordenar. Grau de desordem ❖ Os processos de desordem geralmente são dominantes, sendo o efeito total um aumento desordem do sistema na dissolução da maioria dos sais em água. Grau de desordem ❖ Nesse ponto surge uma pergunta: Qual é a grandeza termodinâmica que mede a desordem de um sistema? Grau de desordem ❖ A desordem de um sistema é expressa pela grandeza termodinâmica chamada entropia, S. ❖ Quanto mais desordenado ou aleatório é um sistema, maior sua entropia. ❖ A entropia constitui-se num modo melhor de prever se um processo é espontâneo ou não. Entropia Entropia Entropia 19 20 21 22 23 24 06/06/2019 5 Entropia 2ª Lei da Termodinâmica ❖ No contexto da química a 2ª Lei geralmente é descrita em termos de entropia. ❖ Expressa o conceito de que existe um sentido inerente no qual o processo ocorre. ❖ Devemos considerar tanto a variação na entropia do sistema quanto a variação na entropia da vizinhança. 2ª Lei da Termodinâmica 2ª Lei da Termodinâmica ❖ Em termos de Suniv, a 2ª Lei pode ser expressa como: ❖ Ou seja, em qualquer processo reversível, Suniv = 0 ❖ em qualquer processo irreversível (espontâneo), Suniv > 0. 2ª Lei da Termodinâmica ❖ Portanto, podemos afirmar que: 2ª Lei da Termodinâmica ❖ A 2ª Lei exige que o aumento na entropia da vizinhança deve ser maior que a diminuição na entropia do sistema, de tal forma que: Suniv > 0 ❖ Os sistemas químicos exibem o mesmo comportamento, isto é, a entropia do universo deve aumentar durante um processo espontâneo mesmo se a entropia do sistema diminuir. 25 26 27 28 29 30 06/06/2019 6 2ª Lei da Termodinâmica 2ª Lei da Termodinâmica Nenhum processo que produz ordem (diminuição na entropia) em um sistema, pode prosseguir sem produzir uma desordem igual ou ainda maior (aumento na entropia) em sua vizinhança. Entropia no zero absoluto ❖ A figura abaixo mostra esquematicamente um sólido cristalino puro. ❖ No zero absoluto (0K) as unidades de rede estão sem movimento térmico em seus sítios de rede. ❖ A condição S = 0 corresponde à ordem perfeita. Se esse arranjo pudesse ser atingido, os átomos e as moléculas individuais estariam em uma rede cristalina perfeita. Entropia no zero absoluto ❖ À medida que a temperatura aumenta, os átomos ou moléculas no cristal ganham energia na forma de movimento vibracional ao redor de suas posições na rede. Dessa forma os graus de liberdade do cristal aumentam. Entropia e a temperatura ❖ Com isso, a entropia de rede aumenta com a temperatura porque o movimento vibracional faz com que os átomos ou moléculas estejam menos ordenados. Entropia e temperatura 31 32 33 34 35 36 06/06/2019 7 O QUE ACONTECE COM A ENTROPIA DA SUBSTÂNCIA SE CONTINUARMOS A AQUECÊ-LA? ❖ Podemos analisar esse comportamento através de um gráfico que mostra como a entropia de uma substância varia com a temperatura. ❖ Observamos que a entropia do sólido continua a crescer constantemente com o aumento da temperatura até o ponto de fusão do sólido. Entropia e temperatura ❖ Quando o sólido se funde, os átomos ou moléculas podem se mover livremente ao redor de todo o volume da substância. ❖ Os graus de liberdade adicionados para moléculas individuais aumentam a entropia da substância. ❖ Consequentemente observamos um aumento acentuado na entropia até o ponto de fusão. Entropia e temperatura ❖ Depois que todo o sólido se fundiu em líquido, a temperatura aumenta novamente e, com ela, a entropia. ❖ No ponto deebulição do líquido ocorre outro aumento abrupto na entropia. ❖ Esse aumento pode ser entendido como resultante do volume aumentado no qual as moléculas podem ser encontradas. Entropia e temperatura ❖ Importante ressaltar que aumento de volume significa aumento na aleatoriedade. ❖ À proporção que o gás é aquecido, a entropia aumenta continuamente à medida que mais energia é adicionada no movimento translacional das moléculas de gás. Entropia e temperatura Entropia e temperatura ❖ À temperaturas mais altas, a expansão da faixa de velocidades das moléculas de um gás leva a maior energia cinética das moléculas, aumentando, portanto, a desordem, consequentemente há maior entropia. ❖ A entropia geralmente aumenta com o aumento da temperatura. ❖ Ssólido < Slíquido < Sgás Entropia • Portanto, a entropia aumenta quando: – líquidos ou soluções são formados a partir de sólidos, – gases são formados a partir de sólidos ou líquidos, – o número de moléculas de gás aumenta, – a temperatura aumenta. 37 38 39 40 41 42 06/06/2019 8 3ª Lei da Termodinâmica ❖ A 3a Lei afirma que a entropia de um substância cristalina pura no 0 absoluto é zero. S (0 K) = 0 Entropia Aspectos Gerais ❖ Como vimos, a entropia (S) é usada para quantificar a extensão da desordem que resulta da dispersão de energia e de matéria. ❖ Quanto > a desordem de um sistema > o valor de S. ❖ Assim como a energia interna (E) e a entalpia (H), a entropia é uma função de estado. Isso significa que a variação de entropia para qualquer processo depende apenas dos estados inicial e final do sistema, e não do caminho pelo qual ocorre. Entropia Aspectos Gerais ❖ Vimos também, que o ponto de referência para os valores de entropia é determinado pela 3a Lei da Termodinâmica. ❖ Definida por Ludwig Boltzmann, a 3a Lei afirma que não há desordem em um cristal perfeito, a 0 K, isto é S = 0. ❖ História de Boltzmann. Entropia Aspectos Gerais ❖ A entropia de uma substância em qualquer temperatura pode ser obtida pela determinação do calor adicionado para elevar a temperatura de 0 K , com a condição específica de que a conversão deve ser efetuada por um processo reversível. ❖ A adição de calor em pequenos incrementos corresponde a um processo reversível. Aumento de temperatura Entropia Aspectos Gerais ❖ A entropia adicionada pela variação a cada incremento de calor é calculada pela equação. ❖ qrev = calor absorvido, T = temperatura em Kelvin na qual a variação ocorre. 𝑆 = 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 Entropia Aspectos Gerais ❖ A entropia padrão, So, de uma substância é a entropia ganha quando se converte um cristal perfeito a 0 K para as condições de estado padrão (1 atm e 298 K). ❖ A unidade da entropia padrão molar é J/K.mol. ❖ Alguns valores de So foram acondicionados em tabelas. 43 44 45 46 47 48 06/06/2019 9 Entropia Aspectos Gerais ❖ Podemos observar que ao compararmos substâncias iguais ou semelhantes, as entropias dos gases, são muito maiores que as dos líquidos, que por sua vez são maiores que as dos sólidos. ❖ As moléculas maiores possuem entropias maiores e moléculas mais complexas possuem entropias maiores que as moléculas mais simples. PORQUE??? ❖ S é uma propriedade extensiva e depende do número de graus de liberdade. ENERGIA LIVRE DE GIBBS ❖ Como vimos até o momento, o método utilizado para determinar se um processo é espontâneo requer a determinação da entropia. ❖ No entanto, existe uma função termodinâmica que serve para o mesmo propósito sem a necessidade de uma avaliação da vizinhança. ❖ Essa função é a chamada Energia Livre de Gibbs (G), nome dado em homenagem a J. Willard Gibbs, um dos pioneiros no estudo da termodinâmica. ENERGIA LIVRE DE GIBBS ❖ A energia livre é definida matematicamente como: onde H é a entalpia, T é a temperatura em Kelvins e S é a entropia. ❖ Nessa equação, G, H e S se referem ao sistema. ❖ G também é uma função de estado. G = H –TS ENERGIA LIVRE DE GIBBS ❖ Para processos químicos e físicos que ocorrem a temperatura constante, a variação na energia livre do sistema, G, é dada pela expressão: G = H –TS ENERGIA LIVRE DE GIBBS Gsis = Hsis -TSsis ❖ Portanto, em uma reação química o valor de Greação = Gsis. Existem três condições importantes: – Se G < 0, então a reação direta é espontânea. – Se G = 0, então a reação está em equilíbrio e não ocorrerá nenhuma reação liquída. – Se G > 0, então a reação direta não é espontânea. Se G > 0, trabalho deve ser fornecido dos arredores para guiar a reação. ❖ Para uma reação, a energia livre dos reagentes diminui para um mínimo (equilíbrio) e então aumenta para a energia livre dos produtos. ❖ ANALOGIA: A energia potencial em um campo gravitacional leva a pedra até ela atingir um estado de energia potencial mínima de equilíbrio no vale. ENERGIA LIVRE DE GIBBS 49 50 51 52 53 54 06/06/2019 10 ANALOGIA ENERGIA LIVRE ❖ Analogamente, a energia livre de um sistema químico diminui até que ela atinja um valor mínimo. ❖ Quando esse mínimo é atingido, existe um estado de equilíbrio. Em um processo espontâneo a temperatura e pressão constantes, a energia livre sempre diminui. ❖ A energia livre também pode ser definida sob condições padrão. ❖ Gosis é também usada como critério de espontaneidade de reação. Gosis = H o sis -TS o sis ENERGIA LIVRE DE GIBBS Variações de Energia Livre padrão Gof ❖ A energia livre de formação padrão (Gof) de um composto, é a variação de energia livre quando se forma um mol do composto a partir de substâncias elementares, com os reagentes e produtos em seus estados padrão. ❖ As energias livres padrão de formação são úteis no cálculo da energia livre padrão (Go) para processos químicos. ❖ O G para um processo químico é dado por: Variações de Energia Livre padrão Gof ❖ Condições padrão: sólido puro, líquido puro, 1 atm (gás), 298K, 1 mol/L de concentração (solução) e G = 0 para os elementos. Cálculo do Goreação Exemplo: Calcule a variação de energia livre padrão para a combustão de 1,0 mol de metano a partir das energias livres de formação padrão dos produtos e reagentes. Temos que: Cada valor de Gof deve ser multiplicado pelo número de mols definido pelo coeficiente estequiométrico na equação química balanceada. Cálculo do Goreação Portanto: O valor negativo de Goreação indica que a reação é espontânea sob condições padrão. 55 56 57 58 59 60 06/06/2019 11 Energia Livre e Temperatura ❖ A definição de energia livre, G = H –TS, mostra que a energia é função de uma contribuição entálpica e de uma contribuição entrópica dependente da temperatura. ❖ T sempre será um número positivo em todas as temperaturas que não sejam zero absoluto (0 K). ❖ H e S podem assumir valores negativos ou positivos. Energia Livre e Temperatura ❖ Quando S é positivo, ou seja, o estado final é mais ordenado que o estado inicial, o termo -TS é negativo. ❖ Quando S é negativo, o termo -TS é positivo. ❖ Portanto, o sinal de G dependerá dos sinais e dar ordens de grandeza de H e -TS. ❖ Quando ambos forem negativos (H e -TS), o G sempre será negativo e o processo será espontâneo em todas as temperaturas. Por outro lado, quando tanto H quanto H e -TS forem positivos, G será sempre positivo e o processo será não espontâneo. Energia Livre e Temperatura ❖ Entretanto, quando H e -TS tiverem sinais contrários, o sinal de G dependerá das ordens de grandeza desses dois termos. ❖ Nesse instante, a temperatura passa a ser uma importante consideração. ❖ Geralmente, H e S variam muito pouco com a temperatura. Entretanto, o valor de T afeta diretamente a ordem de grandeza de -TS. ❖ À medida que a temperatura aumenta, a ordem de grandeza do termo -TS aumenta e ele se tornará relativamente mais importante na determinação do sinal de G. Energia Livre e Temperatura ❖ Portanto: – Se H < 0 e S < 0, então G é negativo em baixas termperaturas. – Se H > 0 e S > 0, então G é negativo em altas temperaturas. Energia Livre e Temperatura ❖ Os sinais relativosde H e S em diversas situações possíveis podem ser tabelados. Energia Livre e Temperatura ❖ A abordagem da dependência de G com a temperatura é também relevante para as variações da energia livre padrão. ❖ A variação de energia livre padrão para uma reação, Go, é o aumento ou diminuição da energia livre à medida que os reagentes são completamente convertidos aos produtos em seus estados padrão. ❖ Portanto, sob condições padrão temos que: Go= Ho - TSo = 0 61 62 63 64 65 66 06/06/2019 12 Energia Livre e a Constante de Equilíbrio ❖ Na conversão de reagentes em produtos nem sempre a reação ocorre completamente (100%). ❖ Por exemplo: Uma reação reagente-favorecida prossegue apenas parcialmente na direção dos produtos antes que a mesma atinja o equilíbrio. ❖ Como vimos anteriormente, quando reagentes são misturados em um sistema químico, o sistema prosseguirá espontaneamente para a posição de menor energia livre, atingindo o estado de equilíbrio. Energia Livre e a Constante de Equilíbrio ❖ Em qualquer ponto ao longo do caminho entre os reagentes puros e o equilíbrio, os reagentes não estão em suas condições padrão. ❖ A variação de energia livre sob essas condições fora do estado padrão é dada pela reação. G = Go + RTlnQ Energia Livre e a Constante de Equilíbrio G = Go + RT lnQ ❖ R é a constante universal dos gases, T a temperatura em Kelvins e Q é o quociente da reação. aA + bB → cC + dD 𝑸 = |𝑪|𝒄|𝑫|𝒅 |𝑨|𝒂|𝑩|𝒃 Energia Livre e a Constante de Equilíbrio G = Go + RT lnQ ❖ Sob condições padrão as concentrações de todos os reagentes e produtos são igual a 1. ❖ Portanto, Q = 1, consequentemente, ln Q = 0. Então temos que G = Go Como deveria ser!! Energia Livre e a Constante de Equilíbrio ❖ Quando as concentrações de reagentes e produtos não são padrão, devemos calcular o valor de Q para determinar o valor de G. ❖ Quando o sistema estiver em equilíbrio, G = 0, o quociente da reação Q é igual a constante de equilíbrio Keq, então temos: eq eq KRTG KRTG QRTGG ln ln0 ln −= += += Energia Livre e a Constante de Equilíbrio • A partir do descrito acima, podemos concluir: – Se G < 0, logo K > 1. – Se G = 0, logo K = 1. – Se G > 0, logo K < 1. eq eq KRTG KRTG QRTGG ln ln0 ln −= += += 67 68 69 70 71 72 06/06/2019 13 Energia Livre e a Constante de Equilíbrio eqKRTG ln−= ❖ A eq. acima nos permite também calcular o valor de Keq se conhecemos o valor de Go. ❖ Rearranjando a eq. acima temos: RTG eq eK /−= REVISÃO: ENTROPIA E ENERGIA LIVRE Resumo ❖ ESPONTANEIDADE : ❖ PROCESSO REVERSÍVEL: ❖ PROCESSO IRREVERSÍVEL: Está relacionada com o caminho termodinâmico que o sistema toma a partir do estado inicial para o estado final. O processo pode ir e voltar entre os estados ao longo de um mesmo caminho. Ex: fusão e congelamento do gelo a 0oC. O sistema não pode retornar ao seu estado inicial ao longo do mesmo caminho. Qualquer processo espontâneo é irreversível!!!! Ex: Prego inferrujando Resumo ❖ ENTROPIA (S) : Está relacionada com a natureza espontânea de um processo. Ela exprime aleatoriedade ou desordem. Quanto > S > a desordem do sistema. Ex: a expansão de um gás leva a um valor de entropia positivo. Para um processo que ocorre a temperatura constante, a variação de entropia do sistema (S) é determinada pelo calor absorvido pelo sistema ao longo de um caminho reversível, dividido pela temperatura. 𝑺 = 𝒒𝒓𝒆𝒗 𝑻 Resumo ❖ 2ª LEI DA TERMODINÂMICA: Rege a maneira pela qual a entropia controla a espontaneidade dos processos. A 2ª Lei governa a variação de entropia do universo. Suniv = Ssis + Sviz A 2ª Lei afirma que em um processo reversível Suniv = 0 e que em um processo irreversível (espontâneo) Suniv > 0 Souniv = Soviz + Sosis Variação de entropia sob condições padrão. Resumo ❖ 2ª LEI DA TERMODINÂMICA: Cálculo de Sosis : a dispersão de energia nesse processo ocorre totalmente dentro do sistema. Sosis = nSo (produtos) - mSo (reagentes) 73 74 75 76 77 78 06/06/2019 14 Resumo ❖ GRAU DE LIBERDADE MOLECULAR: São formas de movimentos dos átomos em uma molécula. Estão associados com três tipos de movimentos para a molécula. – translação (o movimento de uma molécula de um ponto no espaço para outro); – vibração (o encurtamento e o alongamento de ligações, incluindo a mudança nos ângulos de ligação); – rotação (o giro de uma molécula em torno de algum eixo). – Quanto maior a energia química armazenada nos movimentos translacional, vibracional e rotacional, maior a entropia. Resumo ❖ 3ª LEI DA TERMODINÂMICA: A 3a Lei afirma que a entropia de um substância cristalina pura no 0 absoluto é zero. S (0 K) = 0 Resumo ❖ ENTROPIA MOLAR PADRÃO (So): A 3a Lei permite determinar valores de entropia para substâncias a diferentes temperaturas. Sob condições padrão a entropia de um mol de substância é chamada ENTROPIA MOLAR PADRÃO. A partir de valores tabelados podemos calcular a variação de entropia para qualquer processo sob condições- padrão. Sosistema = nSo (produtos) - mSo (reagentes) Resumo ❖ ENERGIA LIVRE DE GIBBS (G): G é uma função de estado termodinâmica que combina a entalpia e a entropia. G = H –TS Para processos que ocorrem a temperatura constante temos: G = H –TS Para uma reação ocorrendo a temperatura constante e pressão constantes, o sinal de G relaciona-se a espontaneidade do processo. – Se G < 0, reação direta é espontânea. – Se G = 0, reação está em equilíbrio – Se G > 0, então a reação direta não é espontânea. ❖ VARIAÇÃO DE ENERGIA LIVRE PADRÃO (Go): - É a variação de energia livre quando se forma um mol do composto a partir de substâncias elementares, com os reagentes e produtos em seus estados padrão. - Pode ser calculada a partir de tabelas de energia livre padrão de formação Gof , que são definidas de maneira semelhante à das entalpias padrão de formação. - A Gof , para um elemento puro em seu estado padrão é definido como zero. Resumo ❖ ENERGIA LIVRE DE GIBBS E TEMPERATURA Resumo 79 80 81 82 83 84 06/06/2019 15 ❖ G E O QUOCIENTE DA REAÇÃO - Resumo - Sob condições não-padrão, G está relacionado com Go e o valor do quociente da reação. QRTGG ln+= 𝑸 = |𝑪|𝒄|𝑫|𝒅 |𝑨|𝒂|𝑩|𝒃 Para uma reação do tipo: aA + bB → cC + dD temos: Resumo ❖ G E A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO - No equilíbrio, G = 0, Q = Keq , então temos: - Portanto, a variação da energia livre está diretamente relacionada à constante de equilíbrio para a reação. - A eq. acima rearranjada nos permite também calcular o valor de Keq se conhecemos o valor de Go. eq eq KRTG KRTG ln ln0 −= += RTG eq eK /−= 85 86
Compartilhar