Processos exotérmicos e endotérmicos e as mudanças de estado físico do sistema

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APOSTILA TERMOQUÍMICA

TERMOQUÍMICA: é o estudo das energias envolvidas às transformações da matéria.

Conceitos básicos para o estudo da termoquímica

SISTEMA: é uma porção de matéria em estudo.

Exemplo: água em um copo. A água é um sistema, desde que você esteja observando o comportamento dessa água.

Copo com água

VIZINHANÇA: é toda a matéria que interage com o sistema, inclusive o ar atmosférico.

ENERGIA: é a capacidade de realizar uma ação.

Um sistema químico armazena energia devido à movimentação das espécies químicas (energia cinética) e a energia de ligação (capacidade de ligar átomos e compostos). A somatória dessas energias é denominada energia interna (U).

ENERGIA INTERNA (U): é a energia total de um sistema que “não” está em transformação. TEMPERATURA: medida do grau de agitação das partículas que formam a matéria.

CALOR: é a energia transmitida de um corpo com maior temperatura para um corpo com menor temperatura.

Exemplo: copo de água quente e ar atmosférico.

Quando um sistema se transforma química ou fisicamente ele pode trocar energia com a vizinhança na forma de calor ou trabalho.

As transformações de um sistema (reação química ou mudança de estado físico), em relação à troca de energia com a vizinhança, podem-se classificar em:

PROCESSO EXOTÉRMICO: o sistema libera energia para a vizinhança.

Transformações da Matéria

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Exemplo: combustão da madeira, solidificação da água (formação de gelo). PROCESSO ENDOTÉRMICO: o sistema absorve energia da vizinhança. Exemplo: cozimento de uma carne, ferver a água (formação de vapor d’água).

Processos exotérmicos e endotérmicos e as mudanças de estado físico do sistema

EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA: é a escrita teórica da transformação da matéria (equação química) informando a quantidade de energia envolvida no processo.

Exemplo 1: Processo Exotérmico, o valor da energia envolvida vem somado ao produto. Formação de chuva a partir de uma nuvem de vapor d’água.

H2O(g) H2O(ℓ) + 13,8Kcal

Exemplo 2: Processo Endotérmico, o valor da energia envolvida vem somado ao reagente. Formação de vapor d’água a partir da fervura da água.

H2O(ℓ) + 13,8Kcal → H2O(g)

EXERCÍCIOS

1) Classifique os processos abaixo como endotérmicos ou exotérmicos: a) Queima de parafina de uma vela...

b) Dissolução do ácido sulfúrico concentrado na água liquida... c) Combustão do álcool hidratado em motores de automóveis... d) Vaporização da água de uma piscina, pela ação da luz solar... e) Formação de iceberg a partir da água do mar...

f) Derretimento de um sorvete...

g) H2(g) + Cl2(g) 2 HCl(g) + 184,9 kJ... h) H2(g) + I2(g) + 51,8 kJ 2 HI(g)...

i) 6 CO2(g) + 6 H2O(ℓ) + calor C6H12O6(aq) + 6 O2(g)... j) Secagem de roupa no varal...

k) Umidificar o ar...

l) A + B + 20KJ AB...

EXOTÉRMICO ENDOTÉRMICO

RESSUBLIMAÇÃO

CONDENSAÇÃO VAPORIZAÇÃO SOLIDIFICAÇÃO

SUBLIMAÇÃO

FUSÃO

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2) (UFMG-2002) Ao se sair molhado em local aberto, mesmo em dias quentes, sente-se uma sensação de frio. Esse fenômeno está relacionado com a evaporação da água que, no caso, está em contato com o corpo humano. Através de seus conhecimentos termoquímicos explique essa sensação de frio pelo fato de que ocorreu a evaporação da água.

3) (Cefet-SP) Calor é:

a) energia em trânsito de um corpo para outro, quando entre eles há uma diferença de temperatura. b) medido em graus de temperatura.

c) uma forma de energia que não existe nos corpos frios. d) uma forma de energia que se atribui aos corpos quentes. e) o mesmo que temperatura.

4) De acordo com o que estudamos até o momento dê o conceito de termoquímica. 5) Dada a equação termoquímica:

H2(g) + I2(s) + 12,4 kcal → 2HI(g) Preencha a lacuna:

Dois moles de ácido iodrídico gasoso tem uma energia 12,4 kcal a ...que o sistema constituído por 1 mol de H2 e I2 gasoso e sólido respectivamente.

Dados: a mais ou a menos

6) Dada a equação termoquímica:

H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) + 68 kcal Preencha a lacuna:

Um mol de água líquida tem uma energia 68 kcal a ...que o sistema constituído por 1 mol de H2 e 1/2 O2 gasosos.

Dados: a mais ou a menos

7) Considere as transformações a que é submetida uma amostra de água, sem que ocorra variação da pressão externa:

Vapor d’água Água líquida Gelo

Pode-se afirmar que:

a) As transformações 3 e 4 são exotérmicas. b) As transformações 1 e 3 são endotérmicas.

c) A quantidade de energia absorvida em 3 é igual à quantidade liberada em 4. d) A quantidade de energia liberada em 1 é igual à quantidade liberada em 3. e) A quantidade de energia liberada em 1 é igual à quantidade absorvida em 2.

8) (UFMG) Quando colocamos água numa moringa ou jarro de barro, ela atravessa as paredes desse recipiente e, chegando à superfície externa, evapora-se lentamente. Com isso, a água restante diminui de temperatura mantendo-se fresca, ou seja, em temperatura menor que a do ambiente. Que explicação você poderia dar ao fenômeno?

a) A água que evapora coloca calor no pote e na água restante. b) A água que evapora deixa mais concentrada a solução resultante.

4 3 2

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c) A água que evapora se liquefaz umedecendo as paredes da moringa. d) A água que evapora rouba calor do pote e da água restante.

e) A água que evapora deixa uma pressão de vapor maior no interior do pote, provocando a elevação da temperatura.

9) (FUVEST) Experimentalmente se observa que, quando se dissolve etanol na água, há um aumento de temperatura da mistura. Com base nesse fato, verifique se a afirmação abaixo está correta e discuta-a.

“A dissolução de etanol em água é um processo endotérmico”. JOULE e CALORIA

A energia liberada ou absorvida durante o processo (químico ou físico) é expressa em joule ou caloria. Caloria (cal) é uma unidade de medida de energia.

Joule (J) é outra unidade de energia.

A equivalência entre caloria e joule é dada pela relação:

1cal

4,18J

Exemplo 1: Converter 600 cal em joules.

1 cal ____ 4,18J 600 cal ____ x J

x = 600.4,18

x = 2520J

Exemplo 2: Quantas calorias correspondem uma energia de 200J? 1 cal ____ 4,18J

x cal ____ 200 J 4,18x = 200

2 , 4 200 x

x = 47,6 cal

EXERCÍCIOS

1) Faça as conversões:

a) Converter 800cal em joules. b) Quantas calorias correspondem uma energia de 241,2kJ?

c) Quantas calorias correspondem uma energia de 400J?

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2) A queima de 5g de carvão (C) libera 7830 cal, de acordo com a equação: C(carvão) + O2(g) CO2(g) + calor. Determinar o calor de combustão de carvão em cal/mol. Dados: (C) = 12g.

3) Um motorista afirmou gastar em seu carro 10 litros de etanol por dia. Admitindo-se a combustão total, quantos kcal são liberados diariamente por esta quantidade de combustível?

Dados: massa de 1 litro de etanol = 7.9 x 10²g e calor de combustão do etanol = 7.2kcal/g

4) Com a atual crise energética mundial, cresceu o interesse na utilização do H2 como combustível, devido à grande quantidade de energia liberada por grama na sua combustão. Contudo, os balanços energéticos e econômicos envolvidos na utilização desse combustível ainda são desfavoráveis. Analise a reação abaixo:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) + 78kJ E a combustão de 1mol de H2(g) libera quanto de energia?

5) (UECE) Considerem-se as unidades caloria e joule. É correto afirmar:

a) A caloria e o joule não podem ser comparados, porque a caloria é unidade de quantidade de calor e o joule é unidade de energia.

b) O joule é maior que a caloria. c) A caloria e o joule são iguais. d) A caloria é maior que o joule.

6) A queima de 1 mol de C2H5OH (álcool etílico) libera 327 kcal, como mostra a reação: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

Qual a quantidade de calor liberada na queima de 141g do mesmo? Dados: massas atômicas: C = 12; H = 1; O = 16

7) A queima de 11,4g de gasolina C8H18 libera 120kcal e a de 9,2 de álcool libera 65,2 kcal. Qual dos dois combustíveis possui maior poder calorífico por grama de combustível. Justifique.

ENTALPIA (H)

Entalpia é a energia total do sistema em transformação a pressão constante.

A entalpia de formação de cada substância é determinada experimentalmente, nas CNTP, através de um calorímetro e seus valores são tabelados como na figura a seguir:

Entalpia padrão de formação (∆H°) em

kcal/mol H2O (ℓ) - 68,3 HC (g) - 22,0 HBr (g) - 8,6 NH3 (g) - 11,0

CO2 (g) - 94,1 H (g) + 6,2

O que faremos é o cálculo teórico da variação de entalpia (∆H) de uma reação.

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A ∆H é a medida dessa troca de energia entre sistema e vizinhança. ∆H = Hp – Hr Onde:

Hr = Entalpia dos reagentes Hp = Entalpia dos produtos Observação:

O sinal negativo do ∆H indica reação exotérmica. H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) ΔH = - 241,2 kJ/mol

O sinal positivo do ∆H indica reação endotérmica. H2(g) + ½ O2(g) H2O(ℓ) ΔH = + 285,8 kJ/mol

EXERCÍCIOS

1) (UFRGS) Uma das etapas envolvidas na produção de álcool combustível é a fermentação. A equação que representa essa transformação é: C6H12O6 C2H5OH + CO2.

Conhecendo as entalpias de formação da glicose (C6H12O6) = 302kcal/mol, do gás carbônico (CO2) = -94kcal/mol e do álcool (C2H5OH) = -66 kcal/mol, podemos afirmar que a fermentação ocorre com:

a) liberação de 18 kcal/mol de glicose b) absorção de 18 kcal/mol de glicose c) liberação de 142 kcal/mol de glicose d) absorção de 142 kcal/mol de glicose e) variação energética nula

2) Calcular a variação de entalpia na reação: CH4 + O2 CO2 + H2O, utilizando as entalpias de formação, em kcal/mol: CH4 = – 17,9; CO2 = – 94,1 e H2O = – 68,3.

3) Quando se adiciona cal viva (CaO) à água, há uma liberação de calor devida à seguinte reação química: CaO + H‚O → Ca (OH) ∆H = ?

Sabendo-se que as entalpias de formação dos compostos envolvidos são a 1atm e 25°C (condições padrão) ∆H (CaO) = -151,9 kcal/mol

∆H(H‚O) = -68,3 kcal/mol ∆H(Ca(OH)‚) = -235,8 kcal/mol

Assim, calcule o valor de ∆H da reação. E diga se essa reação é um processo endo ou exotémico.

4) O metanol é um combustível que recentemente assumiu grande importância em nosso país. Ele pode ser preparado sinteticamente através da reação de CO em H2 segundo a reação:

CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(ℓ)

As entalpias de formação a 25°C de CO, H2 são, respectivamente: -110; 0 e -727 kJ/mol. Determine o calor da reação.

5) O ácido pirúvico (C3H4O3), ao ser oxidado, segundo equação não balanceada a seguir, produz ácido acético (C2H4O2) e gás carbônico (CO2). Sabendo-se que os calores de combustão do ácido pirúvico e do ácido acético são -277,0kcal/mol e -207,0kcal/mol, respectivamente. Determine a variação de entalpia no processo de oxidação do ácido pirúvico a ácido acético e CO2.

C3H4O3 + O2(g) C2H4O2+ CO2(g) 6) (UnB) para uma reação exotérmica, indique quais são as informações corretas: a) a entalpia decresce.

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c) a entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos reagentes. d) o calor é absorvido pelo meio ambiente.

7) A equação termoquímica abaixo corresponde a uma das etapas da produção industrial de ácido sulfúrico e ocorre também na chuva ácida.

2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g) ΔH = - 198 kJ Determine a entalpia para formação de 1 mol de SO3(g).

8) O conteúdo energético de um sistema em transformação é denominado entalpia. Em uma reação endotérmica, ocorre absorção de energia. Numa reação endotérmica, portanto, a entalpia dos reagentes é...dos produtos.

a) maior que a b) menor que a c) igual a

9) Um botijão de gás de cozinha, contendo butano, foi utilizado em um fogão durante certo tempo, apresentando uma diminuição de massa de 1,0 kg. Sabendo que

C4H10(g) + 6,5O2(g) → 4CO2(g) + 5H2O(g) ∆H = – 2900 kJ/mol a) Qual a quantidade de calor que foi produzida no fogão devido à combustão do butano? Dados: (H) = 1 g/mol; (C) = 12 g/mol; (O) = 16 g/mol.

10) O que é entalpia? Explique de acordo com o nosso estudo.

LEI DE HESS

Em seus experimentos Hess um químico suíço observou que: Quando a matéria se encontra no processo de transformação os reagentes se transformam em produtos intermediários (também denominados etapas da reação) antes de se tornarem produto final. Ou seja, no decorrer da reação encontramos infinitos valores de energia (entalpia) sendo trocadas com vizinhança dessa reação.

A partir dessa observação Hess enunciou uma lei, denominada Lei de Hess:

“A variação da entalpia de uma reação é igual à soma das variações de entalpia de cada etapa (produtos intermediários) da reação.”

Logo, definimos a Lei de Hess como um cálculo utilizado para prever a variação de entalpia de uma reação química. O cálculo da Lei de Hess se baseia em duas regras:

Se a equação química é invertida, o sinal de ΔH se inverte também.

Se os coeficientes são multiplicados, multiplicar ΔH pelo mesmo fator, ou em outras palavras,

multiplicando-se os coeficientes dos reagentes e produtos da equação termoquímica, o valor da variação da entalpia também será multiplicado por esse número.

Exemplo 1: (UFG GO) Determine a entalpia de formação de ácido clorídrico gasoso, segundo a reação representada pela equação:

H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g) ΔH = ? Dados:

(I) H2 (g) 2H (g) Ho = 436 kJ/mol (II) Cl2 (g) 2Cl (g) Ho = 243 kJ/mol (III) HCl (g) H (g) + Cl (g) Ho = 431 kJ/mol

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1º Passo: multiplicamos a terceira equação por 2 pois aparecem 2HCl na reação de interesse. Assim, temos: 2HCl (g) 2H (g) + 2Cl (g) Hº = 862 kJ/mol

2º Passo: invertendo a equação obtida, temos: 2H (g) + 2Cl (g) 2HCl (g) Hº = - 862 kJ/mol

3º Passo: somamos as equações cancelando os termos semelhantes que aparecem nos reagentes e produtos: H2 (g) 2H (g) Ho = 436 kJ/mol

Cl2 (g) 2Cl (g) Ho = 243 kJ/mol 2H (g) + 2Cl (g) 2HCl (g) Hº = - 862 kJ/mol ______________________________________________ H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g) H = -183 kJ

Portanto, a entalpia de formação de 2 mols de ácido clorídrico gasoso é -183 kJ, ou ainda, 91,5 kJ/mol. EXERCÍCIOS

1) (VUNESP-SP) Dadas as equações termoquímicas: (I) Pb(s) + Cl2(g) PbCl2(s) ΔH = - 359,4 KJ (II) Pb(s) + 2Cl2(g) PbCl4(ℓ) ΔH = - 329,3 KJ

Para a reação: PbCl2(s) + Cl2(g) PbCl4(ℓ) , a variação de entalpia (ΔH ) é:

a) + 30,1 KJ b) - 30,1 KJ c) + 688,7 KJ d) - 688, 7 KJ e) - 60,2 KJ 2) (UFPE) A partir das entalpias padrão das reações de oxidação do ferro dadas abaixo:

(I) Fe(s) + ½ O2(g) FeO(s) ΔH0 = -64 Kcal/mol (II) 2Fe(s) + 3/2 O2(g) Fe2O3(s) ΔH0 = - 196 Kcal/mol

Determine a quantidade de calor liberada na formação de 0,8 mols de hematita a 298K e 1 atm na reação: 2FeO(s) + ½ O2(g) Fe2O3(s)

3) (PUC - PR) Aplicando-se a lei de Hess, determine o ΔH para a reação abaixo: 3C ( grafite) + 4H2 C3H8

Conhecendo-se as seguintes equações termoquímicas: (I) C(grafite) + O2(g) CO2 ΔH = - 94,0 kcal (II) H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) ΔH = - 68,3 kcal (III) C3H8(g) + 5 O2 3CO2 + 4H2O ΔH = - 531,10 kcal O valor encontrado está representado na alternativa:

a) + 24,10 kcal b) - 24,10 kcal c) +386,80 kcal d) - 386,80 kcal e) - 20,10 kcal 4) (FUVEST) - Com base nas variações de entalpia associadas às reações abaixo:

(I) N2(g) + 2 O2(g) 2NO2(g) ΔH = + 67,6 KJ (II) N2(g) + 2 O2(g) N2O4(g) ΔH = + 9,6KJ

Pode-se prever que a variação de entalpia associada à reação de dimerização do NO2: 2NO2(g) N2O4(g) ΔH = ?

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6) Aplicando a Lei de Hess, determine a variação de energia ( H) da reação: Na(s) + ½ Cl2(g) NaCl(s)

Dados:

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