TermoquímicaTermoquímicaTermoquímicaTermoquímicaIntrodução Introdução Por que as reações liberam ou Por que as reações liberam ou

absorvem calor?absorvem calor?Fatores que influem nas entalpias Fatores que influem nas entalpias das reaçõesdas reações

Equação termoquímicaEquação termoquímicaCasos particulares de entalpias Casos particulares de entalpias

de reaçãode reaçãoLei de HessLei de HessEntropia e energia Entropia e energia

livrelivreFontes de energiaFontes de energia

IntroduçãoIntrodução

Diariamente podemos observar que as reações químicas causam variações de energia ou vice-versa.

1.1 Reações químicas de energia

Exemplos de reações Exemplos de reações químicas que produzem químicas que produzem energiaenergia

Exemplos de reações químicas Exemplos de reações químicas que são produzidas por que são produzidas por variações de energiavariações de energiaNa queima de carvão, a Na queima de carvão, a

variação de energia se variação de energia se manifesta como manifesta como calorcalor..Na queima de uma vela, Na queima de uma vela, a variação de energia se a variação de energia se manifesta como luz manifesta como luz (energia luminosa).(energia luminosa).Da reação química de uma Da reação química de uma pilha (ou bateria), pilha (ou bateria), aproveitamos a aproveitamos a energia energia elétrica.elétrica.No motor de um No motor de um automóvel, a queima da automóvel, a queima da gasolina é transformada gasolina é transformada em em energia mecânica energia mecânica (ou seja, (ou seja, movimentomovimento).).

Com o aquecimento (Com o aquecimento (calorcalor) ) cozinhamos os alimentos.cozinhamos os alimentos.A A energia luminosaenergia luminosa (luz) provoca a (luz) provoca a fotossíntese clorofiliana nos fotossíntese clorofiliana nos vegetais.vegetais.Com a Com a energia elétricaenergia elétrica pode-se pode-se provocar a reação de cromação provocar a reação de cromação de um pára-choque de automóvel.de um pára-choque de automóvel.

Uma pancada violenta (Uma pancada violenta (energia energia mecânicamecânica) pode provocar a ) pode provocar a detonação de um explosivo.detonação de um explosivo.

1.2 Calorimetria

Calorimetria é a medição da quantidade de calor liberada ou absorvida durante um fenômeno. É usual expressar quantidade de calor em calorias (cal).

Caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC para 15,5º a temperatura de 1g de água.

Experiência de Joule:

1.2 Calorimetria

Calorimetria é a medição da quantidade de calor liberada ou absorvida durante um fenômeno. É usual expressar quantidade de calor em calorias (cal).A medida da quantidade de calor é feita em aparelhos denominados calorímetros. Neles, o calor liberado (ou absorvido) por um sistema irá aquecer (ou resfriar) certa quantidade de água; pelo aquecimento ou resfriamento da água determina-se a quantidade de calor posta em jogo no fenômeno, com auxílio da expressão:

Q = m . c . Δt

Onde:

Q = calor liberado ou absorvido pelo sistema

m = massa do sistema

c = calor específico do sistema

Δt = variação de temperatura

Porque o calor é a forma mais freqüente de variação de energia que acompanha as reações químicas.

Termoquímica é o estudo das quantidades de calor liberadas ou absorvidas durante as reações químicas.

Mas o que é termoquímica?

Reações exotérmicas – as que produzem ou liberam calor, como a queima do carvão ( C + O2 CO2)

Reações endotérmicas – as que absorvem calor, como a decomposição do carbonato de cálcio (CaCO3 CaO + CO2)

Por que a Termoquímica é importante?

Para a termoquímica, as reações químicas classificam-se em:

Diagrama de uma reação exotérmica

Diagrama de uma reação endotérmica

2 Porque as reações liberam ou absorvem calor?

Imaginemos um recipiente hermeticamente fechado, dentro do qual ocorra uma reação química. Podemos admitir que qualquer substância possui certa quantidade de energia interna armazenada em seu interior, principalmente na forma de energia de ligação entre seus átomos. Desse modo, ao se processar a reação química, podem ocorrer duas hipóteses:

a)Se a soma das energias internas dos reagentes for maior que a soma das energias internas dos produtos formados, haverá uma sobra de energia e, conseqüentemente, a reação irá liberar calor.b)Caso contrário, se a energia das moléculas iniciais for menor que a das moléculas finais, a reação só poderá se processar se nós fornecermos, no mínimo, a energia que está faltando, em outras palavras, a reação só poderá caminhar absorvendo calor.

3 Fatores que influem nas entalpias das reações

Evidentemente, a quantidade de calor liberada ou absorvida numa reação depende, em primeiro lugar, das quantidades de reagentes que participam da reação. Por convenção, considera-se que o valor de H, escrito ao lado de uma equação química, seja referente às quantidades (em mols) escritas na equação. Por exemplo:

2 H2 + O2 2 H2O(v) Δ H = -486,35 kJ

A entalpia de uma reação depende também de uma série de fatores físicos, dos quais os principais são:

• o estado físico dos reagentes e produtos da reação

• a forma alotrópica dos reagentes e produtos da reação

• o fato de os reagentes e produtos estarem ou não em solução e a concentração desta

• a temperatura na qual se efetua a reação

É a equação química a que acrescentamos a entalpia da reação e onde mencionamos todos os fatores que possam influir no valor dessa entalpia, conforme mencionado no item anterior. Exemplos:

4 Equação termoquímica

5 Casos particulares de entalpias de reação

Por convenção, chama-se estado-padrão às seguintes condições:

_ temperatura de 25ºC_ pressão de 1 atm_ forma alotrópica ou cristalina e estado físico mais

estável e comum do elemento ou do composto

O elemento químico no estado-padrão (na forma alotrópica mais estável, no estado físico usual, a 25ºC e 1 atm) tem entalpia igual a zero.

Entalpia-padrão de formação de uma substância

É a variação de entalpia (quantidade de calor liberada ou absorvida)verificada na formação de um mol da substância considerada, a partir das substâncias simples correspondentes, admitindo-se todas as substâncias no estado-padrão.

2 C(grafite) + 3 H2(g) + ½ O2(g) 1 C2H5OH(l) ΔH= -277,8 kJ/mol

Entalpia de combustão de uma substância

É a variação de entalpia verificada na combustão total de um mol da substância considerada, supondo-se todas as substâncias no estado-padrão.

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) ΔH= -890,4 kJ/mol

Entalpia de neutralização

É a variação de entalpia verificada na neutralização de um molde um ácido por um mol de uma base, supondo-se todas assubstâncias em diluição total ou infinita, a 25ºC e 1 atm.

HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l) ΔH= -57,9 kJ/mol

Energia de ligação

É a variação de entalpia verificada na quebra de um mol (6 * 10²³) deuma determinada ligação química, supondo-se todas as substâncias noestado gasoso, a 25ºC e 1 atm.

H--/--H ou H2(g) 2 H(g) ΔH= +436,0 kJ/mol

6 Lei de Hess

A Lei de Hess é uma lei experimental que tem importância fundamentalno estudo da Termoquímica. Ela estabelece que:

A variação de entalpia numa reação química depende apenas dos estados inicial e final da reação.

CO2(g)(estado final)

CO(g) + ½ O2(g)(estado intermediário)

C(grafite) + O2(g)(estado inicial)

1º caminho

2º caminho 2º caminho

7 Entropia e energia livre

Existe outro fator, além da liberação de calor, que influi na espontaneidade de um processo. Esse novo fator é a tendência natural de todo sistema de caminhar para uma situação de maior desordem. Para avaliar o grau de desordem de um sistema, os cientistas imaginaram uma grandeza denominada entropia, usualmente designada por S, tal que:Aumento de desordem Aumento de entropia

Onde: ΔG = variação de energia livre ΔH = variação de entalpia T = temperatura absoluta da reação ΔS = variação de entropia

Agora pode-se dizer com toda certeza que:

- Uma reação é espontânea quando ΔG < 0- Uma reação não é espontânea quando ΔG > 0- Uma reação está em equilíbrio quando ΔG = 0

Criou-se também uma nova grandeza, chamada energia livre, tal que sua variação obedece à relação matemática:

ΔG = ΔH – T * ΔS

8 Fontes de Energia8.1 Carvão

C(s) + O2(g) CO2(g) ΔH = -393,5 kJ/mol

8.2 Energia Nuclear²³U + ¹n Sr + Xe + 2 ¹n ΔH = -2 1010 kJ (fissão nuclear)²H + ³H He + ¹n ΔH = - 3,4 10 kJ/g (fusão nuclear)8.3 Energia solar

92 0 38 54 0

Rodolfo Sulmonetti Cavalcante

e

Rafael Guimarães Landi

Seminário de Química - Termoquímica

Engenharia de Controle e Automação

Universidade Federal de Itajubá 2007