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1 Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro – UNIRIO Centro de Ciências Biológicas e da Saúde - CCBS Instituto de Biociências - IBIO Departamento de Ciências Naturais – DCN Disciplina: Química Geral Nome: Patrícia C Curso: Biologia N° da Prática: 3 Prática realizada no dia: 04/11/2019 Data de entrega do relatório: 11/11/2019 Termoquímica - Reações envolvendo trocas de calor Rio de Janeiro 2° Semestre 2019 2 ❖ Introdução: A maior parte das transformações físicas e químicas estão relacionadas com a perda ou ganho de calor. Uma reação química é aquela em que uma ou mais substâncias reagem, sendo chamadas de reagentes, para produzir uma ou mais novas substâncias, que são chamadas de produtos. E isso acontece com liberação ou absorção de energia térmica. A importância do estudo do calor das reações na físico- química, é chamado de termoquímica, que estuda as liberações ou absorções de energia que ocorrem nas reações químicas. Há dois os processos em que há troca de energia na forma de calor: o processo exotérmico e o endotérmico. O processo exotérmico é aquele que ocorre com liberação de calor, provocando a sensação de aquecimento. Genericamente: A → B + Calor. E o processo endotérmico, é aquele que ocorre com absorção de calor. Dessa forma, um corpo absorve calor do meio em que ele está inserido. É por isso que a reação endotérmica provoca uma sensação de resfriamento. Genericamente: A + Calor → B. Exemplos de reações de liberam energia: Queima de carvão, queima de vela, queima de gasolina no carro e reação química de uma pilha. Exemplos de reações de absorvem energia: Cozimento de alimentos, pancada violenta que inicia a detonação de um explosivo, cromagem em para-choque de carro, com energia elétrica e fotossíntese das plantas, pois o sol fornece energia.[1] Na termoquímica, o calor é medido em calorias, uma caloria é a quantidade de calor necessária para se aquecer em 1°C um grama de energia, através da seguinte expressão: Q= m x c x ∆t. Cada substância deve apresentar um certo conteúdo de energia, sendo assim, denominado de entalpia, que é uma grandeza física que mede a energia térmica de um sistema, e sua unidade pelo sistema internacional é dado em Joule (J), além da entalpia ser representada pela letra H. Não se conhece nenhuma maneira de determinar o conteúdo de energia (entalpia = H) de uma substância. O que é possível medir é a variação da entalpia (ΔH) de um processo, utilizando, por exemplo, calorímetros. Essa variação corresponde à quantidade de energia liberada ou absorvida durante o processo, realizado a pressão constante. O cálculo da variação da entalpia é dado pela expressão genérica: ΔH = Hfinal – Hinicial ou ΔH = Hprodutos - Hreagentes Nas reações exotérmicas, como ocorre liberação de calor, a entalpia dos produtos (Hp) é menor do que a entalpia dos reagentes (Hr). Genericamente, temos: A → B + Calor ΔH = Hp – Hr Hr > Hp ΔH < 0 reação negativa 3 Como por exemplo: A queima do carvão: C + O2 → CO2+ Calor A combustão da gasolina: C8H18+ 252O2 → 8 CO2+ 9 H2O + Calor. O gráfico de uma reação exotérmica é representado da seguinte forma: Já nas reações endotérmicas, como ocorre absorção de calor, a entalpia dos produtos (Hp) é maior do que a entalpia dos reagentes (Hr). Genericamente, temos: A + Calor → B ΔH = Hp – Hr Hr < Hp ΔH > 0 reação positiva Como por exemplo: A decomposição do carbonato de cálcio: CaCO3+ Calor → CaO + CO2 e a síntese do óxido nítrico: N2+ O2+Calor → 2 NO. O gráfico de uma reação endotérmica é representado da seguinte forma: Os tipos de entalpia mais recorrentes são: 1.Entalpia de formação: Energia absorvida ou liberada necessária para formar 1 mol de uma substância. 4 2.Entalpia de combustão: Energia liberada que resulta na queima de 1 mol de substância 3.Entalpia de ligação: Energia absorvida na quebra de 1 mol de ligação química, no estado gasoso. Nem sempre é possível calcular o ΔH de uma reação, por vários motivos: - Muitos compostos não podem ser sintetizados a partir de seus elementos - Algumas reações são extremamente lentes - Algumas reações são explosivas - Em várias reações são formados produtos indesejáveis Nesses casos, o ΔH pode ser determinado de uma maneira indiferente, com base na Lei de Hess (também pode ser chamada de lei da soma dos calores de reação). Lei de Hess: em uma reação química a variação de entalpia é sempre a mesma, quer ela ocorra em uma única etapa ou em várias. A variação da entalpia depende dos estados inicial e final. A Lei de Hess estabelece que a variação de entalpia da reação que ocorre em uma única etapa é igual à soma das variações de entalpia das etapas nas quais ela pode ocorrer. ΔH = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 + ΔH4 + .... É possível entender melhor através de um exemplo: Qual o valor da variação de entalpia da reação a seguir? C(grafite) + O2(g) ----- CO2(g) Dados (equações intermediárias): C(grafite) + ½ O2(g) --- CO(g) ΔH1 = - 110,3 KJ CO(g) +½ O2(g) --- CO2(g) ΔH2 = - 283,0 KJ Resolução: C(grafite) + ½ O2(g) --- CO(g) ΔH1 = - 110,3 KJ CO(g) +½ O2(g) --- CO2(g) ΔH2 = - 283,0 KJ ______________________________________ C(grafite) + O2(g) --- CO2(g) ΔH = -393,3 KJ = reação global ΔH = - 110,3 KJ + (-283,0 KJ) = - 393,3 KJ. ΔH1 e ΔH2 são somadas, e assim, é possível obter o valor da variação de entalpia. As equações químicas também são somadas, obtendo-se a reação global. Para montar as equações e aplicar a Lei de Hess, podemos fazer algumas alterações matemáticas, seguindo as seguintes regras: 5 1°) As equações intermediárias devem estar de acordo com a reação global. Coloca- se as equações (dados) na ordem que reagem ou são produzidas. Se não estiverem de acordo, troca-se o sinal da ΔH. 2°) Acertar os coeficientes também de acordo com a reação global. Se a equação for multiplicada, a ΔH também deve ser multiplicada pelo mesmo número. 3°) Realizar o somatório para montar a reação global. 4°) Somar os valores das ΔH das equações intermediárias para achar a ΔH da reação global. Exemplo: Calcule a variação de entalpia da seguinte reação pela Lei de Hess: C(grafite) + 2H2(g) --- CH4(g) (Reação global) ΔH= ? Dados: I – C(grafite) + O2(g) --- CO2(g) ΔH1 = - 94 KJ/mol II – H2(g) + ½ O2(g) --- H2O(l) ΔH2= - 68 KJ/mol III – CH4(g) + 2O2(g) --- CO2(g) + 2H20(l) ΔH3= - 213 KJ/mol Resolução: Deve-se escrever todas as equações intermediárias (dados) de acordo com a reação global. Na primeira equação, o que há em comum é o C(grafite). Então ele deve ser escrito da mesma forma. A segunda equação tem em comum com a reação global o H2(g). Nos dados, esta espécie química não está exatamente igual como na global. Deve-se multiplicar toda a equação por 2, inclusive a ΔH2. A terceira equação tem em comum com a reação global o CH4(g). Deve-se inverter a posição desta equação e, portanto, trocar o sinal da ΔH3. Veja como deve ser feito: I – C(grafite) + O2(g) --- CO2(g) ΔH1 = - 94 KJ/mol II – 2H2(g) + O2(g) --- 2H2O(l) ΔH2= - 68 KJ/mol X 2 = -136 KJ/mol III – CO2(g) + 2H20(l) --- CH4(g) + 2O2(g) ΔH3= + 213 KJ/mol ______________________________________ C(grafite) + 2H2(g) --- CH4(g) (Reação global) Lei de Hess: ΔH = - 94 + (-136) + 213 = -17 KJ/ mol 6 Sistema é uma parte especifica do universo a qual reservamos para estudo. Em um sistema existem duas regiões importantes,que são elas: fronteira e vizinhança. A fronteira é área na qual o sistema está limitado. A vizinhança é a região que esta além da fronteira. Na região é possível analisar se a energia é transferida do sistema para a vizinhança ou o contrario, também pode-se chamar a vizinhança de ambiente ou exterior. É possível imaginar um béquer contendo uma solução qualquer como o sistema que quer ser estudado, o vidro do béquer, é a fronteira do sistema e tudo que está do lado de fora compreende-se como vizinhança. Os tipos de Sistema: Os sistemas químicos podem ser classificados em três tipos: sistema aberto, sistema fechado e sistema isolado. Sistema Aberto: Um sistema aberto pode trocar energia e matéria com a vizinhança. Sistema Fechado: No sistema fechado temos uma quantidade fixa de matéria que se mantem constante. Esse sistema não permite a troca de matéria com a vizinhança, somente energia. Sistema Isolado: A fronteira do sistema isolado é completamente restritiva à troca de matéria, à variação de volume, e ao calor. No sistema isolado não existe contato com o ambiente externo, ou seja, ele não permite troca de matéria e nem troca de energia para a vizinhança. Um sistema perfeitamente isolado só existe teoricamente, na pratica temos sistemas que mantem condições bem próximas a um sistema isolado. ❖ Objetivos: O objetivo da aula prática realizada foi observar como ocorrem as reações endotérmicas e as reações exotérmicas, além disso, realizar experiências que possibilitem calcular os calores de reação e aplicação da lei de Hess. ❖ Materiais e métodos: a. Materiais utilizados: • Erlenmeyer de 250 mL • Bastão de vidro • Proveta de 50 mL • Vidro de relógio • Balança • Espátula • Termômetro • Água destilada • Isopor com parte interna preta • HCl 0,50 mol/L • HCl 0,25 mol/L • NaOH sólido • NaOH 0,50 mol/L b. Metodologia: 7 A prática realizada foi dividida em três etapas. Na primeira etapa, foi realizada a determinação do calor de dissolução do hidróxido de sódio sólido. Para essa primeira etapa, primeiramente, foi pesado um frasco de erlenmeyer de 250 mL, e sua massa foi anotada. Em seguida, foi adicionado 50 mL de água destilada no erlenmeyer. O Erlenmeyer contendo 50 mL de água destilada foi pesado novamente para assim, verificar a massa da água. Após a massa da água ter sido anotada, foi esperado 1 minuto para medir a temperatura da água. Após aguardar 1 minuto, a temperatura da água foi anotada (Ti). Logo após, com a ajuda de um vidro de relógio, foi pesado 0,5 g de hidróxido de sódio (NaOH), e após a pesagem, o NaOH, foi rapidamente, transferido para o erlenmeyer que continha 50 mL de água destilada. O NaOH foi dissolvido com um auxílio de um bastão, e logo em seguida, foi introduzido um termômetro no erlenmeyer para anotar a temperatura máxima atingida (Tf). E para finalizar a primeira etapa, foi calculado o calor absorvido pela água, através da expressão: Q1 = M1 x c1 x ΔT, onde: Q1 é a quantidade de calor (cal), M1 é a massa de água, c1 é o calor específico da água ( 1 cal g°C-1) e ΔT é a variação de temperatura (°C), e o calor absorvido pelo vidro, que no caso, era o erlenmeyer, utilizando a mesma expressão, Q2 = M2 x c2 x ΔT; onde: Q2 é a quantidade de calor (cal), M2 é a massa do erlenmeyer, c1 é o calor específico do vidro (1 cal g°C-1) e ΔT é a variação de temperatura (°C). E o calor absorvido pela água e pelo vidro foi calculado, resultando em um valor Q3 (Q1 + Q2 = Q3), que é o calor liberado na dissolução do NaOH(s). Na segunda etapa da prática, foi realizada a determinação do calor de dissolução do hidróxido de sódio sólido e reação com ácido clorídrico em solução aquosa. Para essa etapa, foi pesado um frasco de erlenmeyer de 250 mL, e sua massa foi anotada. Em seguida, foi adicionado ao erlenmeyer, 50 mL de solução aquosa 0,25 mol/L de HCl. Um termômetro foi mergulhado no erlenmeyer que continha o HCl e após aguardar 1 minuto, foi verificado a temperatura da solução (Ti). Em seguida, o erlenmeyer que continha o HCl, foi pesado, para assim, descobrir o peso da solução de HCl. Para saber a massa da solução de HCl, foi subtraido o peso do erlenmeyer junto com o HCl, menos a massa do erlenmeyer vazio, e assim a massa da solução de HCl foi anotada. Após isso, em um vidro de relógio, foi pesado 0,5 grama de hidróxido de sódio (NaOH), e rapidamente, foi transferido para o erlenmeyer, que continha HCl. O NaOH, foi dissolvido com a ajuda de um bastão de vidro, e em seguida, sua temperatura, com a ajuda de um termômetro, foi verificada novamente, que no caso, é a temperatura máxima atingida (Tf). Em seguida, foi calculado o calor absorvido pela solução utilizando a expressão: Q1 = M1 x c1 x ΔT, onde: Q1 é a quantidade de calor (cal), M1 é a massa de HCl, c1 é o calor específico da água ( 1 cal g°C-1) e ΔT é a variação de temperatura (°C), e o calor absorvido pelo vidro (erlenmeyer), utilizando a mesma expressão: Q2 = M2 x c2 x ΔT; onde: Q2 é a quantidade de calor (cal), M2 é a massa do erlenmeyer, c2 é o calor específico do vidro (1 cal g°C-1) e ΔT é a variação de temperatura (°C). E o calor absorvido pela solução aquosa e pelo vidro foi calculado, resultando em um valor Q3 (Q1 + Q2 = Q3), que é o calor liberado na dissolução do NaOH(s) e reação com HCl(aq). Na terceira etapa da aula prática, foi realizado a determinação do calor de neutralização na reação do hidróxido de sódio em solução aquosa com o ácido clorídrico em solução aquosa. Para essa terceira etapa, foi pesado um frasco de erlenmeyer de 250 mL, e sua massa foi anotada. Em seguida, foi adicionado ao erlenmeyer, 25 mL de solução 8 aquosa 0,5 mol L-1 de HCl. Um termômetro foi mergulhado no erlenmeyer que continha a solução aquosa de HCl, e após aguardar 1 minuto, foi verificado a temperatura da solução (Ti). Em seguida, foi acrescentado ao erlenmeyer, que continha HCl, 25 mL de solução aquosa de 0,5 mol L-1 de NaOH. A partir disso, o erlenmeyer foi agitado para que a reação se completasse, e assim, foi introduzido um termomômetro, para verificar a temperatura máxima atingida (Tf). Logo após verificar a temperatura máxima atingida, o erlenmeyer que continha solução de HCl e de NaOH, foi pesado, para que assim, fosse anotado a massa da solução. Para saber a massa da solução de HCl e NaOH, foi subtraido o peso do erlenmeyer junto com o HCl e NaOH, menos a massa do erlenmeyer vazio, e assim, a massa da solução foi anotada. Em seguida, foi calculado o calor absorvido pela solução resultante, utilizando a expressão: Q1 = M1 x c1 x ΔT, onde: Q1 é a quantidade de calor (cal), M1 é a massa de solução resultante, c1 é o calor específico da água ( 1 cal g°C-1) e ΔT é a variação de temperatura (°C), e o calor absorvido pelo vidro, que no caso, era o erlenmeyer, utilizando a mesma expressão, Q2 = M2 x c2 x ΔT; onde: Q2 é a quantidade de calor (cal), M2 é a massa do erlenmeyer, c1 é o calor específico do vidro (1 cal g°C- 1) e ΔT é a variação de temperatura (°C). E o calor absorvido pela solução aquosa e pelo vidro foi calculado, resultando em um valor Q3 (Q1 + Q2 = Q3), que é o calor liberado na reação do NaOH(aq) com o HCl(aq). Antes de verificar a temperatura, em todas as etapas, antes o Erlenmeyer foi colocado no isopor. Depois, utilizando as equações das etapas I,II e III a Lei de Hess foi comprovada. ❖ Resultados e discussão: As massas e temperaturas anotadas na etapa 1 para determinação do calor de dissolução do hidróxido de sódio sólido encontram-se na tabela 1, onde ti é a temperatura inicial do erlenmeyer e da água; tf é a temperatura final de ambos; Δt, a variação de temperatura; c1 o calor específico da água; c2, o calor específico do erlenmeyer; Q1, a quantidade de calor absorvida pela água e Q2, a quantidade de calor absorvida pelo vidro. Equação para o calculo da quantidade de calor absorvido: Q=mCΔtTabela 1: Massa do erlenmeyer (m2) Ti Tf ΔT c2 Q2 = m2 X c2 X ΔT 85,47 g 24,1°C 26,0°C 1,9°C 0,2 cal g°C -1 32,5 cal Massa da água (m1) Ti Tf ΔT c1 Q1 = m1 X c1 X ΔT 49,12 g 24,1°C 26,0°C 1,9°C 1,0 cal g°C -1 93,3 cal Massa de NaOH(s) = 0,50 g Q2 + Q1 = 125,8 cal O calor absorvido pela água e pelo vidro é o calor liberado na dissolução de 0,50 g de hidróxido de sódio, ou seja: 125,8 cal. NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq) + 1,0 X 104 cal. 9 Q2 = m2 X c2 X ΔT Q1 = m1 X c1 X ΔT Q2 = 85,47 g X 0,2 cal g°C -1 X 1,9° C Q1 = 49,12 g X 1,0 g°C -1 X 1,9°C Q2 = 32,4786 cal Q1 = 93,328 cal Q2 = 32,5 cal Q1 = 93,3 cal Q2 + Q1 = 32,4786 cal + 93,328 cal 125,8 cal ---------- 0,50g NaOH Q2 + Q1 = 125,8066 cal x --------- 40 g NaOH Q2 + Q1 = 125,8 cal x = 10.064 cal X = 1,0 X 104 cal As pesagens anotadas e o cálculo do calor absorvido pela solução do HCl e pelo vidro do erlenmeyer estão representadas na tabela 2. Onde as temperaturas iniciais do erlenmeyer e da solução do HCl estão representadas por ti e as finais por tf, enquanto a variação de temperatura está representada por Δt. C1 é o calor específico da solução ácida; c2, o calor específico do erlenmeyer; Q1, o calor absorvido pela solução ácida e Q2 o calor absorvido pelo erlenmeyer. O calor absorvido tanto pelo vidro, quanto pela solução, quando somados obtém-se o valor do calor liberado na dissolução do NaOH(s) em reação com o HCl(aq). Etapa 2: Massa do erlenmeyer (m2) Ti Tf ΔT c2 Q2 = m2 X c2 X ΔT 130, 74 g 24, 5 °C 28,8 °C 4,3 °C 0,2 cal g°C- 1 112,44 cal Massa da solução de HCl 0,25 mol L-1 (m1) Ti Tf ΔT c1 Q1 = m1 X c1 X ΔT 49,35 g 24,5 °C 28,8 °C 4,3°C 1,0 cal g°C- 1 212,21 cal Massa de NaOH(s) = 0,50 g Q2 + Q1 = 324,64 cal O calor absorvido pela água e pelo vidro é o calor liberado na dissolução e reação de 0,50 g de hidróxido de sódio com o HCl(aq); ou seja, 324,64 cal. NaOH(s) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq) + 2,5 X 104 cal Q2 = m2 X c2 X ΔT Q1 = m1 X c1 X ΔT Q2 = 130,74 g X 0,2 cal g°C -1 X 4,3° C Q1 = 49,35 g X 1,0 g°C -1 X 4,3°C Q2 = 112,4364 cal Q1 = 212,205 cal 10 Q2 = 112,44 cal Q1 = 212,21 cal Q2 + Q1 = 112,4364 cal + 212,205 cal 324,64 cal ------- 0,50g NaOH Q2 + Q1 = 324,6414 cal x ------- 40 g NaOH Q2 + Q1 = 324,64 cal x = 25.971 cal X = 2,5 X 104 cal As pesagens anotadas e o cálculo do calor absorvido pela solução do HCl + NaOH e pelo vidro do erlenmeyer estão representadas na tabela 3. Onde as temperaturas iniciais do erlenmeyer e da solução do HCl + NaOH estão representadas por ti e as finais por tf, enquanto a variação de temperatura está representada por Δt. C1 é o calor específico da solução de NaOH + HCl; c2, o calor específico do erlenmeyer; Q1, o calor absorvido pela solução e Q2 o calor absorvido pelo erlenmeyer. O calor absorvido tanto pelo vidro, quanto pela neutralização na reação do NaOH com o HCl em solução aquosa. Tabela 3: Massa do erlenmeyer (m2) Ti Tf ΔT c2 Q2 = m2 X c2 X ΔT 118,05 g 24,5 °C 27,9 °C 3,4°C 0,2 cal g°C-1 80,274 cal Massa das soluções de HCl e NaOH (m1) Ti Tf ΔT c1 Q1 = m1 X c1 X ΔT 49,87 g 24,5°C 27,9°C 3,4°C 1,0 cal g°C-1 169,558 cal Q2 = m2 X c2 X ΔT Q1 = m1 X c1 X ΔT Q2 = 118,05 g X 0,2 cal g°C -1 X 3,4° C Q1 = 49,87 g X 1,0 g°C -1 X 3,4°C Q2 = 80,274 cal Q1 = 169,558 cal Q2 = 80,274 cal Q1 = 169, 56 cal Q2 + Q1 = 80,274 cal + 169,56 cal 249,8 cal ------- 0,50g NaOH Q2 + Q1 = 249,832 cal x ------- 40 g NaOH Q2 + Q1 = 249,8 cal NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + HCl(l) 11 25,00 mL 25,00 mL 0,50 mol/L 0,50 mol/L 1000 mL ------ 0,5 mol 25,00 mL ------ nNaOH nNaOH = nHCl = 0,0125 mol 0,0125 mol = 12,5 X 10–3 mol = 12,5 mmols O calor absorvido pela água e pelo vidro é o calor liberado na reação de 12,5 mmols (n) de NaOH com 12,5 mmols de HCl e formação de 12,5 mmols de H20; ou seja, 249,8 cal. nNa+(aq) + OH-(aq) + H+(aq) + nCl- (aq) → nH2O(l) + nNA+(aq) + nCl-(aq)+ 1,9 X 104 cal 0,0125 mol ------ 249,8 cal 1 mol ------ X X = 19.984 cal X = 1,9 X 104 cal Etapa IV: Comprovação da lei de Hess, a partir das equações das etapas I, II e III. Etapa I: NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq) Etapa II: Etapa 3: ❖ Conclusão: 12 Através da prática realizada foi possível observar que há liberação de calor em certos tipos de reação, mesmo que pequena e, com as equações dadas a Lei de Hess foi comprovada. ❖ Referências Bibliográficas: • [1]Toda matéria, 2019. Disponível em: <https://www.todamateria.com.br/termoquimica/>. Acessado em: 08/11/2019 às 22:10 • Brasil escola,2019. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/o-que- e/quimica/o-que-e-termoquimica.htm>. Acessado em: 08/11/2019 às 22:31 • Termoquímica. Disponível em<http://guiadoestudante.abril.com.br/estudar/quimica/termoquimica- 677397.shtml> Acessado em 08/11/2019 às 23:16 • Lei de Hess. Disponível em <http://educacao.globo.com/quimica/assunto/termoquimica/lei-de-hess.html> Acessado em: 08/11/2019 às 00:11
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