Notas de aula

1. Prof. Nunes
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Química Orgânica e Inorgânica
Química Geral e Orgânica
Termodinâmica
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
1 DQOI - UFC

2. Objetivos
Prof. Nunes
Correlacionar os termos “endotérmico e “exotérmico com fluxo de calor
endotérmico” exotérmico”
entre um sistema e sua vizinhança
vizinhança.
Estudar funções de estado e o significado do termo entalpia e seus
diferentes “tipos”.
Descrever experiências que rendam informações termoquímicas
termoquímicas.
Estudar a lei de Hess
Hess.
Realizar cálculos utilizando a partir de equações termoquímicas
termoquímicas.
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3. Energia
Prof. Nunes
Energia é muito importante em muitos campos de nossas vidas:
Alimentos
Combustíveis
Aquecimento
Eletricidade
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4. Energia
Prof. Nunes
O conceito de energia está no ”coração” da ciência.
Todos os processos físicos e químicos são acompanhados da
transferência de energia
energia.
Porque a energia não pode ser criada ou destruída devemos
destruída,
entender como fazer a "contabilidade das transferências de energia
"contabilidade"
de um corpo (ou uma substância) para outro, ou de uma forma de
energia para outra
outra.
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5. Termodinâmica e Termoquímica
Prof. Nunes
Termodinâmica é o estudo da energia, calor e trabalho.
Preocupa-se com a transformação e a transferência de energia
energia.
Pode ser aplicada a transformações químicas tais como:
químicas,
cálculo da quantidade de calor liberado ou absorvido em uma
reação química
5 (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 NH4SCN + Ba(OH)2.8H2O DQOI - UFC

6. Termodinâmica e Termoquímica
Prof. Nunes
Pode ser aplicada às transformações químicas tais como:
químicas,
a energia liberada ou consumida na mudança física, como a
ebulição ou o congelamento da água.
Curva de
aquecimento
calor fornecido
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7. Leis da Termodinâmica
Prof. Nunes
Estudaremos somente a primeira das leis básicas da termodinâmica
termodinâmica.
1ª Lei: preocupa-se em observar as variações de energia.
2ª Lei: explica porque algumas reações ocorrem e outras não.
Tais leis nos auxiliam a entender por que algumas reações químicas
ocorrem prontamente e outras não
não.
Por outro lado, nitrogênio e oxigênio têm coexistido na atmosfera há
milhares de anos sem nenhuma reação química significativa
ocorrendo.
N2(g) + H2(g)
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8. Leis da Termodinâmica
Prof. Nunes
Por exemplo, uma mistura de sódio metálico e cloro gasoso reage
violentamente liberando uma grande quantidade de calor.
calor
+ energia
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9. Reação Química e Energia
Prof. Nunes
John Dalton acreditava que a transformações
químicas envolviam juntar, separar, ou rearranjar
átomos.
átomos
Mais de dois séculos mais tarde esta declaração
tarde,
permanece como uma descrição precisa de reações
químicas.
No entanto, agora sabemos muito mais sobre as
variações de energia que são uma parte essencial
de toda reação.
reação
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10. Sistema e Vizinhança
Prof. Nunes
É importante notar que não podemos medir um valor absoluto para a
energia armazenada em um sistema químico.
Nós só podemos medir a variação da energia (energia absorvida
energia
ou liberada quando uma reação química ocorre.
liberada) ocorre
Além disso, muitas vezes é conveniente e necessário estabelecer uma
fronteira entre o sistema e sua vizinhança
vizinhança.
O sistema é o objeto (amostra ou mistura reacional) em estudo.
A vizinhança é o resto do universo.
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11. Sistema e Vizinhança
Prof. Nunes
O sistema é o objeto (amostra ou mistura reacional) em estudo.
A vizinhança é o resto do universo.
A energia pode ser;
(a) perdida do sistema para o ambiente
(b) adquirida pelo sistema do ambiente.
(b)
Esta variação de energia, na forma de calor pode ser medida porque a
calor,
temperatura do sistema (ou ambiente) pode mudar, e esta propriedade
pode ser medida.
Estratégias experimentais para medir variações de temperatura e
cálculos de calor de reações são vistos na calorimetria
calorimetria.
11 DQOI - UFC

12. Reações Endotérmica e Exotérmica
Prof. Nunes
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia do universo é
constante.
constante
É a lei da conservação de energia
energia.
O estudo das transformações de energia que ocorrem em
reações químicas é uma aplicação muito prática da lei.
lei
Considere, por exemplo, a reação geral:
A -B C -D
Podemos ter um processo:
processo:
endotérmico ou
exotérmico.
exotérmico
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13. Reação Exotérmica
Prof. Nunes
Se a energia necessária para quebrar a ligação A-B for menor que a
energia liberada quando a ligação C-D se forma, a reação irá liberar o
excesso de energia (exotérmica).
exotérmica).
A -B C -D
Um exemplo de uma reação exotérmica é a combustão do metano
metano:
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14. Reação Endotérmica
Prof. Nunes
Se a energia necessária para quebrar as ligações A-B for maior do que
a energia liberada quando a ligação C-D se forma , a reação vai precisar
de uma fornecimento de energia externo (endotérmico
endotérmico).
A -B C -D
Um exemplo de uma reação endotérmica é a decomposição da amônia
amônia:
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15. Variação de Entalpia
Prof. Nunes
A variação na entalpia (∆H) de um sistema é igual ao calor liberado ou
absorvido,
absorvido à pressão constante
constante.
Em um processo exotérmico (libera calor a entalpia da reação diminui.
libera calor)
Zn(s) + I2(s) → ZnI2 (s)
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16. Determinação de Experimental - Calorímetro
Prof. Nunes
A medição de variação de energia de calor em uma reação química é a
calorimetria.
calorimetria
Esta técnica envolve a medição da variação da temperatura de um
quantidade de água (ou solução) que está em contato com a reação de
interesse, e isolada da vizinhança.
Um dispositivo utilizado para essas medidas
é o calorímetro que mede as variações de
calorímetro,
calor (em calorias), através de medições de
variações de temperatura
temperatura.
16 DQOI - UFC

17. Determinação de Experimental
Prof. Nunes
Um copo de isopor é um projeto simples para um calorímetro e produz
calorímetro,
resultados surpreendentemente precisos.
É um bom isolante e, quando preenchido com solução, pode ser usado
para medir mudanças de temperatura que ocorrem como resultado de
uma reação química ocorre nessa solução.
A variação na temperatura da solução solução,
causada pela reação, pode ser usada para
calcular o ganho ou perda de energia calorífica
para a reação
reação.
17 DQOI - UFC

18. Capacidade Térmica
Prof. Nunes
Capacidade Térmica calor requerido para aumentar a temperatura de um
Térmica:
objeto em 1oC. Quanto maior a amostra, maior sua capacidade
térmica.
térmica
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19. Capacidade Térmica do Calorímetro
Prof. Nunes
A capacidade térmica de um calorímetro pode ser determinada
através da medida do aumento da temperatura do calorímetro (e da
solução que ele contém) após adição de uma quantidade conhecida de
calor.
calor.
A capacidade térmica de um calorímetro é, às vezes, chamada de
constante do calorímetro.
calorímetro
19 DQOI - UFC

20. Capacidade Térmica
Prof. Nunes
Exemplo:
Exemplo Suponha que nós medimos um aumento de temperatura de
2,0 oC quando fornecemos 98 kJ para aquecer uma amostra de
etanol. Calcule a capacidade térmica (C) do etanol
etanol.
Solução:
98 KJ
C= = + 49 KJ/oC
2,0 oC
20 DQOI - UFC

21. Calor Específico
Prof. Nunes
Cada objeto tem sua própria capacidade térmica isto é, a quantidade de
térmica,
calor necessária para alterar a sua temperatura em 1 oC. A capacidade
térmica é a constante de proporcionalidade na equação anterior:
C=
A propriedade está relacionada com o calor específico (c): a (c):
quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de 1 grama
de uma substância por um 1 oC:
c
21 DQOI - UFC

22. Calor Específico
Prof. Nunes
O calor específico de uma substância é definido como a quantidade de
energia (calorias) necessária para elevar a temperatura de 1g da
substância em 1ºC.
ºC
O conhecimento do calor específico da água (ou da solução aquosa),
juntamente com o número total de gramas de solução e do aumento da
solução,
temperatura (medida pela diferença entre as temperaturas final e inicial
da solução), permite o cálculo do calor liberado durante a reação
reação.
22 DQOI - UFC

23. Calor Específico
Prof. Nunes
A quantidade de calor absorvida ou liberada pela reação (q) é o q
produto da massa da solução no calorímetro (m), o calor específico da
m
solução (c), e variação da temperatura (∆T) da solução, quando a reação
c
vai do estado inicial ao estado final.
O calor é calculado usando-se a seguinte equação:
q = m x c x ∆T
com a unidade:
unidade:
Calorias = g x calorias x oC
g x oC
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24. Calor Específico
Prof. Nunes
24 DQOI - UFC

25. Capacidade Térmica do Calorímetro
Prof. Nunes
A um calorímetro que contém 50,00 g de água, foram adicionados 3,358 kJ de calor
para um. A temperatura da água e do calorímetro, originalmente em 22,34 °C,
aumentou para 36,74 °C. Calcule a capacidade térmica do calorímetro em J/°C. O
calor específico da água é 4,184 J/g°C.
Solução:
Solução:
∆T =
Calor absorvido pela água
A quantidade total de calor foi adicionado foi igual 3,358 kJ
kJ.
A diferença entre estes valores de calor é a quantidade de calor absorvida
pelo calorímetro.
Calor absorvido pelo calorímetro
25 continua..... DQOI - UFC

26. Capacidade Térmica do Calorímetro
Prof. Nunes
Solução:
Solução: continua...
Para se obter a capacidade térmica do calorímetro, dividimos a
quantidade de calor absorvida pelo calorímetro 346 J, por variação de
calorímetro,
temperatura
26 DQOI - UFC

27. Calorímetro
Prof. Nunes
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem
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28. Calor Específico de Metais
Prof. Nunes
28 DQOI - UFC

29. Calor Específico de Metais
Prof. Nunes
29 DQOI - UFC

30. Calculando a Energia Envolvida
Prof. Nunes
Se 0,050 mol de ácido clorídrico (HCl) é misturado com 0,050 mol de
hidróxido de sódio (NaOH) em um calorímetro, a temperatura de
100g da solução resultante aumenta de 25,0 oC para 31,5 oC. Se o
específico calor da solução é de 1,00 cal/gH2O.oC, calcule a quantidade de
energia (q) envolvida na reação. A reação é endotérmica ou exotérmica?
reação.
Solução:
Solução:
A variação na temperatura é:
q = m x c x ∆T
q = 100 x 1 x 6,5
q = 650 calorias
Logo, 650 calorias são liberadas na reação: ∆H = -650 calorias.
reação: calorias.
30 DQOI - UFC

31. Mediando Calor Usando Calorímetro
Prof. Nunes
Uma amostra de 50,0 mL de 0,400M de solução de sulfato de cobre (II) a
23,35 °C é misturada com 50,0 mL de solução 0,600 M de hidróxido de
sódio, também a 23,35 °C, no calorímetro.
Após a reação ocorrer, a temperatura da mistura resultante é medida igual
a 25,23 °C.
Sabendo-se que a densidade da solução final é 1,02 g/mL. Calcule a
quantidade de calor que foi liberada. Suponha que o calor específico da
solução é a mesma que a da água pura: 4,184 J/g° C.
31 DQOI - UFC

32. Mediando Calor Usando Calorímetro
Prof. Nunes
Solução:
Solução: d = m/v
m/v
logo:
logo: m = v x d
volume densidade
Quantidade de calor Quantidade de calor
absorvido pelo calorímetro absorvida pela solução
Q= C x ∆T + m x c x ∆T
(A reação deve ter liberado)
32 DQOI - UFC

33. Calculando a Energia Envolvida
Prof. Nunes
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem
33 DQOI - UFC

34. Calculando a Energia Envolvida
Prof. Nunes
0,10 mol de cloreto de amônio (NH4Cl) é dissolvido em água produzindo
100g de solução, a temperatura da água diminui de 25,0 oC para 18,0 oC.
Se o calor específico da solução resultante é 1,00 cal/g.oC, calcule a
cal/g.
quantidade de energia (q) envolvida no processo. A dissolução do cloreto
processo.
de amônio é endotérmica ou exotérmica?
Solução:
Solução:
A variação na temperatura é:
q = m x c x ∆T
q = 100 x 1 x (-7)
q = - 700 calorias
Logo, 700 calorias são absorvidas da vizinhança: ∆H = +700 calorias.
vizinhança: calorias.
34 DQOI - UFC

35. Calculando a Energia Envolvida
Prof. Nunes
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#thermoChem
35 DQOI - UFC

36. Calorias Nutricionais
Prof. Nunes
Muitas reações químicas que produzem calor são reações de
combustão.
combustão
Em nossos corpos, alimentos (carboidratos, proteínas e gorduras) são
oxidados para liberar energia.
O valor energético é geralmente reportado em unidades de calorias
nutricionais, também conhecida como Calorias (com C maísculo).
36 DQOI - UFC

37. Bomba Calorimétrica
Prof. Nunes
Um tipo especial de calorímetro, uma bomba calorimétrica, é útil para a
calorimétrica
medição do valor energético (calorias) de alimentos.
37 DQOI - UFC

38. Calculando o Valor Energético de Alimentos
Prof. Nunes
Um grama de glicose foi queimado em uma bomba calorimétrica. A
temperatura de 1000g de água foi aumentada de 25,0 oC para 28,8 oC.
Calcule o valor energético da glicose (em Kcal/g)
Kcal/g).
Solução:
Solução:
A variação na temperatura é: ∆T = 3,8 oC
q = m x c x ∆T
q = 1000 x 1 x (3,8)
q = 3800 calorias = 3,8 Cal
Logo, o valor energético da glicose é: 3,8 Kcal/g.
Kcal/g.
38 DQOI - UFC

39. Entalpia
Prof. Nunes
Entalpia é o termo usado para representar a energia, a pressão
constante.
É uma função de estado, isto quer dizer que a ∆H não depende da
estado
maneira pela qual é feita, mas depende somente do estado inicial e do
estado final do sistema.
39 DQOI - UFC

40. Variação de Entalpia
Prof. Nunes
Para qualquer função de estado X que tenha um valor Xi inicialmente e
um valor Xf no estado final do sistema, podemos escrever:
∆X = Xf - Xi
40 DQOI - UFC

41. Variação de Entalpia
Prof. Nunes
A variação na entalpia (∆H) de um sistema é igual ao calor liberado ou
absorvido,
absorvido a pressão constante.
Em um processo endotérmico (absorve calor a entalpia da reação
absorve calor)
aumenta.
NH4SCN + Ba(OH)2.8H2O
41 DQOI - UFC

42. Variação de Entalpia de Reações
Prof. Nunes
A variação de entalpia entre reagentes e produtos de uma reação
química é simbolizada como ∆Ho.
Por convenção:
a energia liberada é representada com um sinal negativo (indicando
um processo exotérmico):
a energia absorvida é mostrada com um sinal positivo (indicando
uma reação endotérmica).
42 DQOI - UFC

43. ∆H de Fusão
Prof. Nunes
É a variação de entalpia (∆H) que acompanha a fusão, por mol de
moléculas.
A fusão é endotérmica ∆Hfusão > 0
endotérmica:
43 DQOI - UFC

44. ∆H de Congelamento
Prof. Nunes
É a variação de entalpia (∆H) que acompanha o líquido retornar ao
estado sólido, por mol, de moléculas.
O congelamento é exotérmico ∆Hcongelamento < 0
exotérmico:
44 DQOI - UFC

45. ∆H de Vaporização
Prof. Nunes
É a variação de entalpia (∆H), por mol de moléculas, entre os estados
líquido e vapor de uma substância.
A vaporização é endotérmica ∆Hvaporização > 0
endotérmica:
45 DQOI - UFC

46. ∆H de Sublimação
Prof. Nunes
É a variação de entalpia (∆H), por mol de moléculas, quando o sólido
sublima.
A sublimação é endotérmica ∆Hsublimação > 0
endotérmica:
46 DQOI - UFC

47. Equação Termoquímica
Prof. Nunes
A equação química balanceada, juntamente com o seu valor de H, é
balanceada
chamada de equação termoquímica Por exemplo,
termoquímica.
é uma equação termoquímica que descreve a combustão (queima) de um
mol de etanol líquido a uma determinada temperatura e pressão. Os
coeficientes estequiométricos de tal equação devem ser
interpretados como números de mols
mols.
Assim, 1.367 kJ de calor é liberado quando um mol
de C2H5OH(l) reage com três mols de O2(g) para dar dois mols de CO2(g) e
três mols de H2O(l).
47 DQOI - UFC

48. ∆H de Reação
Prof. Nunes
aumentando a Entalpia
Processo exotérmico
48 DQOI - UFC

49. ∆H de Reação
Prof. Nunes
A reação inversa exigiria a absorção de 1.367 kJ nas mesmas
condições.
aumentando a Entalpia
+ Processo endotérmico
49 DQOI - UFC

50. ∆H de Reação
Prof. Nunes
Multiplicando-
Multiplicando-se todos os coeficientes estequiométrico de uma equação
termoquímica por 2 (por exemplo), a variação da entalpia da reação
∆Hreação será duas vezes maior
maior.
Exemplo:
xemplo:
CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = - 890J
2 CH4(g) + 4 O2(g) 2 CO2(g) + 4 H2O(l) ∆H = -1780J
50 DQOI - UFC

51. Exercitando
Prof. Nunes
Quando 2,61 gramas de éter dimetílico, CH3OCH3, são queimados à
pressão constante, 82,5 kJ de calor são liberados Determine a entalpia
82, liberados.
da reação (por mol)
mol).
MM = 46g/mol
Solução:
Solução:
Número de mols = 2,61 g = 0,0567 mols
46 g/mol
Q liberado = 82,5 KJ = 1455 KJ/mol
mol 0,0567 mols
∆H = - 1455 KJ/mol
51 DQOI - UFC

52. Exercitando
Prof. Nunes
Quando o alumínio é exposto ao oxigênio atmosférico (como em portas e
janelas de alumínio), ele é oxidado para formar óxido de alumínio. Quanto
calor é liberado pela oxidação completa de 24,2 gramas de alumínio a
25 °C e 1 atm? A equação termoquímica é:
Solução:
Solução:
Q liberado por 4 mols = Q liberado por 108 (4x27)g = - 3352 KJ
Q liberado por 1 mol = Q liberado por 27g = - 3352 KJ = 838 KJ
4
Q liberado por 24,2 g = X
X = ∆H = 751,1 KJ
52 DQOI - UFC

53. Lei de Hess
Prof. Nunes
É muito importante saber a quantidade de calor transferida numa
reação química.
Todavia, isto nem sempre é possível de ser feito diretamente.
Medições experimentais não são viáveis para todas as reações
reações.
Seria muito demorado medir os valores para toda reação
imaginável.
Felizmente, há outro caminho, baseado na conservação da massa e da
energia.
energia
53 DQOI - UFC

54. Função de Estado
Prof. Nunes
Entalpia é uma função de estado
estado.
Sua variação é, portanto, independente do caminho pelo qual
uma reação ocorre.
54 DQOI - UFC

55. Lei de Hess
Prof. Nunes
Em 1840, G.H. Hess (1802-1850) publicou sua “lei
da soma de calor”, que ele derivou com base em
numerosas observações termoquímicas
termoquímicas.
A variação de entalpia de uma reação é a mesma
se ela ocorrer em uma única etapa ou por qualquer
série de etapas.
etapas.
55 DQOI - UFC

56. Lei de Hess
Prof. Nunes
?
56 DQOI - UFC

57. Exercitando
Prof. Nunes
Utilize as reações termoquímicas abaixo para calcular a variação de
entalpia da reação:
reação:
57 DQOI - UFC

58. Exercitando
Prof. Nunes
Utilize as reações termoquímicas a seguir para calcular a variação de
entalpia da reação:
reação:
58 DQOI - UFC

59. Lei de Hess – Outra Interpretação
Prof. Nunes
Outra interpretação da Lei Hess nos permite usar tabelas de valores
de ∆H0f para calcular a variação de entalpia para uma reação
reação.
Vamos considerar novamente a reação:
valores tabelados
59 DQOI - UFC

60. Lei de Hess – Outra Interpretação
Prof. Nunes
Outra interpretação da Lei Hess nos permite usar tabelas de valores
de ∆H0f para calcular a variação de entalpia para uma reação
reação.
Vamos considerar novamente a reação:
valores tabelados
60 DQOI - UFC

61. Lei de Hess – Outra Interpretação
Prof. Nunes
A variação de entalpia padrão de uma reação é igual à soma das entalpias de
formação molar padrão dos produtos cada uma multiplicada por seus coeficientes,
produtos,
n, na equação balanceada, menos a soma correspondente do entalpias padrão
molar de formação dos reagentes
reagentes.
61 DQOI - UFC

62. Lei de Hess – Outra Interpretação
Prof. Nunes
Esta interpretação da Lei de Hess supõe que a reação ocorre pela
conversão de reagentes nos elementos em seus estados padrões, em
seguida, converte os elementos nos produtos
produtos.
62 DQOI - UFC

63. Exercitando
Prof. Nunes
Calcule o ∆Ho da seguinte reação:
valores tabelados
63 DQOI - UFC

64. Exercitando
Prof. Nunes
Calcule o ∆Hfo do PbO (s, yellow):
valores tabelados
64 DQOI - UFC

65. Exercício
Prof. Nunes
O peróxido de hidrogênio, H2O2, é um líquido incolor
cujas soluções são alvejantes e antissépticas.
A H2O2 é preparada num processo cuja reação
global é:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O2(l)
Calcular a ∆H com os seguintes dados:
dados:
H2O2(l) → H2O(l) + ½ O2(g) ∆H = -98,0 KJ
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ∆H = -571,6 KJ
Resposta: ∆H = -187,8 KJ
65 DQOI - UFC

66. Exercício
Prof. Nunes
A amônia, na presença de um catalisador de platina, queima no oxigênio e
produz óxido nítrico, NO.
4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g)
Calcule o calor da reação, à pressão constante, sabendo-se que:
sabendo- que:
N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) ∆H = 180,6 KJ
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = -91,8 KJ
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) ∆H = -483,7 KJ
Resposta: ∆H = -906,3 KJ
66 DQOI - UFC

67. Exercício
Prof. Nunes
Os compostos com ligações duplas carbono-carbono (C=C), como o eteno
(C2H4), fixam hidrogênio numa reação conhecida como hidrogenação.
C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)
Calcule o calor da reação, à pressão constante, sabendo-se que:
sabendo- que:
C2H4(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = -1401 KJ
C2H6(g) + 7/2 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆H = -1550 KJ
H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = -286 KJ
Resposta: ∆H = - 137 KJ
67 DQOI - UFC