Introdução à Termoquímica 1q3c48

QUÍMICA Introdução à Termoquímica TERMOQUÍMICA

energia cinética média e o grau de agitação das partículas de um sistema.

As reações químicas, transformações de determinadas substâncias em outras, têm como um de seus aspectos mais importante o aspecto energético que as acompanha. A energia dos alimentos e da queima dos combustíveis fósseis que são utilizados diretamente pelo homem são fontes secundárias, pois a fonte primária de energia do nosso planeta é o Sol. A energia transferida pelo Sol é acumulada, principalmente nos vegetais, pelo processo fotossintético, em que há a transformação de energia luminosa em energia química (armazenada nas ligações químicas das substâncias). Quando uma reação química ocorre, há tanto quebra quanto formação de ligações e conseqüentemente liberação ou absorção dessa energia sob a forma de energia térmica. A termoquímica é a parte da termodinâmica que estuda especificamente as quantidades de energia térmica transformadas ou trocadas entre o sistema e o meio ambiente durante uma reação química. Para entendermos como ocorrem tais trocas ou transformações é necessário que sigamos o raciocínio termodinâmico que está fundamentado em três princípios. Nenhum dos três princípios é demonstrável e surgiram a partir de observações do comportamento da matéria. Eles são aceitos devido à validade experimental que oferecem. Antes de começarmos a estudar os efeitos energéticos que acompanham as reações químicas, são necessários alguns conceitos básicos que vêm a seguir. CONCEITOS FUNDAMENTAIS Universo, sistema e meio ambiente Tudo aquilo que é o objeto de estudo ou observação será denominado sistema. Os arredores de um sistema são denominamos meio ambiente ou vizinhança. Existe um limite físico que separa o sistema do meio, a fronteira. O conjunto formado por sistema, meio e fronteira é denominado universo. Veja o esquema a seguir:

fronteira

sistema meio

universo Temperatura A temperatura é uma medida da energia cinética média ou do grau de agitação das partículas formadoras de um sistema. Quanto maior a temperatura, maior é a

Pelas definições de energia cinética, temos: termodinamicamente: mecanicamente:

EC =

EC = kT 1

2

mv 2

Igualando as duas equações:

kT =

1

2

mv 2

∴T ∝ v 2 A temperatura é diretamente proporcional ao quadrado das velocidades das partículas de um sistema; assim, em relação aos sistemas “A” e “B” conclui-se

EC A > ECB ∴ TA > TB

Observação: •

Quando um corpo absorve energia térmica, nem sempre haverá aumento de temperatura, pois esta pode ser utilizada apenas para aumentar a energia potencial de suas partículas sem aumentar a energia cinética.

Calor A energia térmica trocada entre dois sistemas é denominada calor ou energia calorífica. O calor só é verificado na transmissão de energia entre dois corpos com diferentes temperaturas, sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Dessa forma, podemos redefinir calor como sendo a energia térmica em trânsito. Veja o exemplo: Energia Térmica

600ºC

450ºC

300ºC

450ºC

O calor se propaga do corpo de 600ºC para o de 300ºC. Após algum tempo, estabelece-se o equilíbrio térmico entre eles. Daí surge o princípio zero da termodinâmica:

Dois corpos em contato atingem o equilíbrio térmico quando possuem a mesma temperatura, ou seja, a mesma energia cinética média entre suas partículas constituintes. As unidades de medida de calor são:

1

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•

•

Joule (J) ⇒ é a unidade de medida utilizada pelo S.I. (Sistema Internacional). Um joule é o trabalho realizado por uma força de um Newton (1 N), que ao ser aplicada a um corpo o deslocará por uma distância de um metro, na direção de aplicação da força. 1 kJ é igual a 1000 J;

Em uma reação, o estado final corresponde aos produtos, enquanto o estado inicial corresponde aos reagentes:

Caloria (cal) ⇒ uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1 g de água de 14,5ºC para 15,5ºC. Um kcal é igual a 1000 calorias.

∆H = H produtos − H reagentes

Inicial ⇒ Final Reagentes ⇒ Produtos Assim:

REAÇÕES EXOTÉRMICAS E ENDOTÉRMICAS Em reações químicas, o ∆H pode assumir os seguintes valores, ∆H > 0 ou ∆H < 0, o que determina o tipo de reação, endotérmica ou exotérmica, respectivamente.

Fatores de conversão:

1 J = 0,239 cal 1 cal = 4,184 J Observe que há equivalência entre energia e trabalho na definição de Joule, porque apesar de não ser definida a energia pode ser conceituada como sendo a capacidade de realizar trabalho. Entalpia (H) Como a maioria das reações químicas ocorrem em sistemas abertos em contato com a atmosfera, e itindo-se que a pressão atmosférica se mantém constante no local onde se realiza a reação, o calor trocado entre o sistema e o meio é denominado entalpia.

Entalpia ⇒ Calor a pressão constante. A entalpia de um sistema corresponde à energia cinética de suas moléculas, à energia potencial dos elétrons e dos núcleos dos átomos formadores das moléculas. Após uma transformação, a entalpia do sistema é alterada. A entalpia é uma função de estado, pois é uma grandeza que independe dos estados intermediários pelos quais a a reação, mas sim de seus estados inicial e final.

processo I

Observação: Em uma reação o ∆H não poderá ser igual a zero, pois se isso ocorrer o conteúdo energético total dos reagentes e dos produtos é o mesmo, o que só ocorrerá se os produtos e reagentes forem iguais. Isso ocorrerá quando não houver uma reação, já que os reagentes não se transformaram. Exotérmicas Essas são reações que liberam energia térmica. Os reagentes são mais energéticos do que os produtos. A energia liberada pelo sistema promove um aumento de temperatura do meio ambiente. ∆H < 0, logo Hp < Hr Esquema:

Representação por meio de equações:

H2(g) + ½ O2(g) → H2O + 68,3 kcal/mol ou H2(g) + ½ O2(g) − 68,3 kcal/mol → H2O ou H2(g) + ½ O2(g) → H2O ∆H = − 68,3 kcal/mol

i

processo II

f

processo III Definiremos variação de entalpia (∆H) como sendo:

∆H = H final − H inicial Para os processos I, II e III, temos o mesmo ∆H, pois os estados final e inicial são os mesmos, e o ∆H independe dos estados intermediários desses processos.

2

Representando essa reação em um sistema de coordenadas, temos: Energia

Hi Hf

reagentes

∆ H<0 produtos

Hf < Hi sentido da reação

Endotérmicas

QUÍMICA – Introdução à Termoquímica Endotérmicas são reações que absorvem energia térmica. Os reagentes são menos energéticos do que os produtos. A energia absorvida pelo sistema promove diminuição de temperatura do meio ambiente. ∆H > 0, logo Hp > Hr Esquema:

Representação por meio de equações:

H2(g) + I2(g) + 12,4 kcal/mol → 2HI(g)

ou

H2(g) + I2(g) → 2HI(g) − 12,4 kcal/mol

ou

H2(g) + I2(g) → 2HI(g) ∆H = + 12,4 kcal/mol Representando essa reação em um sistema de coordenadas, temos:

Energia produtos

Hf Hi

QUESTÃO 2 Linus Pauling desenvolveu o conhecimento relativo a princípios fundamentais relacionados à natureza das ligações químicas e à estrutura das moléculas, propiciando explicações em torno das propriedades da matéria. A partir de 1936, juntamente com assistentes e colegas, dedicou-se ao estudo das propriedades de sistemas vivos. Em 1960, introduziu a Medicina Ortomelecular, termo utilizado por Pauling para denominar uma nova área do conhecimento, que consiste no estudo do uso racional de nutrientes, que inclui a istração e megadoses de minerais e vitaminas. Pauling assegurou, em 1972, que a vitamina C poderia aliviar, prevenir e, em certos casos, curar o câncer, o que gerou uma polêmica que dura até hoje. Tanto as vitaminas quanto os sais minerais agem nos diferentes ciclos metabólicos do organismo, ajudando na produção de trifosfato de adenosina (ATP), fonte mais comum de energia nos sistemas biológicos. (UnB – com adaptações) Acerca dos metabolismos do organismo e da energia envolvida nos mesmos, julgue os itens seguintes. u Alterando-se alguma etapa química da degradação da glicose, não ocorrerá variação do calor da reação global, desde que os produtos finais sejam os mesmos. v O diagrama a seguir representa, de modo simplificado, a variação energética da reação sofrida pela glicose no organismo humano.

∆ H>0

reagentes

Hf >Hi sentido da reação

EXERCÍCIOS QUESTÃO 1 (UnB 2º/2000 – com adaptações) Os foguetes são projéteis impulsionados pela ejeção de gases quentes através de um bocal. Os gases quentes provêm de uma reação entre uma substância combustível e uma substância oxidante. O módulo de descida na Lua, da missão Apollo, utilizou um sistema que envolvia a reação representada pela seguinte equação para a produção dos gases quentes:

N2O4(l) + 2N2H4(l) → 3N2(g) + 4H2O(g). Com base nessas informações e considerando que o ∆H da referida reação é igual a –2.000 kJ, julgue o item que se segue.

u A energia dos produtos é menor que a energia dos reagentes.

QUESTÃO 3 Analise o esquema a seguir:

E n t a lp ia ½ 2(g)N +2 2H(g) +½ 2(g)C ∆H = 1 –1 k c a l N 3(g)H +½ 2(g)H +½ 2(g)C N 3(g)H +H (g)C

∆H = 2 –2 k c a l

∆H = 7 –5 k c a l N 4CH ( s )

Pode-se afirmar que há absorção de 42 kcal na reação representada por: a) NH4C(s) → ½ N2(g) + 2H2(g) +½ C2(g) 3

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b) c) d) e)

NH4C(s) → NH3(g) + HC(g) NH3(g) + HC(g) → 2H2(g) + ½N2(g) + ½ C2(g) HC(g) → ½ H2(g) + ½ C2(g) ½N2(g) + 2H2(g) + ½C2(g) → NH3(g) + HC(g)

QUESTÃO 4 O álcool, ao entrar em contato com a pele, evapora. Classifique esse processo em endotérmico ou exotérmico. QUESTÃO 5 Julgue os itens. u Reações que liberam calor chamam-se exotérmicas, quando absorvem calor se chamam endotérmicas. v Calorímetros são aparelhos usados para medir a quantidade de calor que é liberada ou absorvida numa transformação física ou química. w O Princípio de Conservação da Energia diz que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. x Reações endotérmicas são aquelas em que há aumento de entalpia; as exotérmicas são aquelas em que há diminuição de entalpia. QUESTÃO 6 Julgue os itens. u C2H6O(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) ∆H = − 3270 kcal corresponde a uma reação exotérmica. v ½H2(g) + ½Br2(g) → HBr(g) + 8,66 kcal corresponde a uma reação endotérmica. w A entalpia é uma medida do conteúdo energético de um sistema. QUESTÃO 7 (UnB 1º/2001 – com adaptações) Atualmente, uma opção também considerada para o problema dos combustíveis é o uso de gás hidrogênio. Esse gás apresenta diversas vantagens, entre as quais o fato de sua combustão não gerar substâncias poluentes. O calor latente de vaporização, a 100ºC, do produto obtido na combustão do gás hidrogênio é igual a 539 cal/g. Considerando essas informações, julgue os itens que seguem. u A quantidade de calor envolvida na vaporização de 1 mol do produto da combustão do H2 é superior a 9 kcal. v Independentemente da quantidade de H2(g) utilizada na queima, a variação de entalpia será a mesma. QUESTÃO 8 Julgue os itens. u No processo A + B → C + D, ∆H < 0, o patamar energético dos reagentes é maior que o dos produtos.

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v Em um tubo de ensaio, houve a dissolução de determinada quantidade de KNO3 em água. Em um calorímetro, mediu-se a variação de entalpia do sistema, sendo ela igual a + 8 kcal/mol. Após o processo de dissolução, houve aquecimento do tubo de ensaio. w As reações endotérmicas são mais espontâneas do que as exotérmicas, via de regra. QUESTÃO 9 (ITA/2001) A figura a seguir mostra como a entalpia dos reagentes e dos produtos de uma reação química do tipo A(g) + B(g) → C(g) varia com a temperatura. Entalpia A(g) + B(g)

C(g)

T1 T2 Temperatura

Levando em consideração as informações fornecidas nesta figura, e sabendo que a variação de entalpia (∆H) é igual ao calor trocado pelo sistema à pressão constante, é errado afirmar que: a) Na temperatura T1 a reação ocorre com liberação de calor. b) Na temperatura T1 a capacidade calorífica dos reagentes é maior que a dos produtos. c) No intervalo de temperatura compreendido entre T1 e T2, a reação ocorre com absorção de calor (∆H > zero). d) O ∆H, em módulo, da reação aumenta com o aumento de temperatura. e) Tanto a capacidade calorífica dos reagentes como a dos produtos aumenta com o aumento da temperatura. QUESTÃO 10 Julgue os itens. u A evaporação da água de uma piscina é um processo exotérmico. v Ao queimar combustíveis, o Homem está aumentando a poluição atmosférica e diminuindo a energia do meio ambiente. w Os produtos obtidos em um processo endotérmico são mais estáveis do que os obtidos em processos exotérmicos. QUESTÃO 11 (UCB 2º/2000) Numa sauna a vapor, o calor envolvido na condensação do vapor d’água é, em parte, responsável pelo aquecimento da superfície da pele das pessoas que

QUÍMICA – Introdução à Termoquímica estão em seu interior, de acordo com o diagrama a seguir: H H 2(g) + ½O 2(g) ∆ H = – 241,8 kJ H 2O (v)

∆ H = – 285,8 kJ H 2O(l) Sentido da reação

De acordo com as informações fornecidas, o que ocorrerá na transformação de 1 mol de água vaporizada em 1 mol de água líquida? a) Liberação de 44 kJ. b) Absorção de 44 kJ. c) Liberação de 527,6 kJ. d) Absorção de 527,6 kJ. e) Nenhuma das anteriores. QUESTÃO 12 O diagrama a seguir representa as variações de entalpia para as interconvenções da água no estado gasoso, no estado líquido e as suas substâncias formadoras.

Analisando o diagrama, é correto afirmar que: u o ∆H de formação de água líquida, a partir de suas substâncias formadoras, é dado por f; v a representa um processo endotérmico; w o valor de d pode ser obtido por (e − a) e corresponde à energia fornecida a H2O(g) para levá-la a H2O(líq); x a variação de entalpia para a obtenção de água no estado gasoso a partir de suas substâncias formadoras é maior que para obtê-la no estado líquido, a partir dos gases hidrogênio e oxigênio, uma vez que a quantidade de energia de uma amostra de água no estado gasoso é maior que quando essa mesma amostra está no estado líquido; y e é o valor do ∆H de vaporização da água líquida;

z e e f são numericamente idênticos, porém, representam processos endotérmico exotérmico, respectivamente. QUESTÃO 13

e

Julgue os itens. u Quando um fenômeno se desenvolve liberando calor, dizemos tratar-se de um fenômeno exotérmico. v O conteúdo de calor de uma reação química é chamado de entalpia e depende das substâncias envolvidas na reação. w A temperatura e pressão constantes, o ∆H de uma reação só depende dos estados inicial e final, não importando os estados intermediários. x Numa reação endotérmica a entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes. QUESTÃO 14 (UnB 2º/2006 – com adaptações) A produção de biodísel pode ser realizada por meio do craqueamento térmico, que consiste na conversão de substâncias por meio do uso de calor. Assim, a obtenção de biodísel a partir de óleos vegetais in natura ou saponificados, por craqueamento térmico, leva à formação de uma mistura de substâncias da qual pode-se obter a gasolina vegetal, o dísel vegetal e o querosene vegetal, a serem usados diretamente em motores convencionais. A partir dessas informações, julgue os itens que se seguem. u Os produtos do craqueamento possuem entalpia total inferior à entalpia total dos reagentes. v A variação de entalpia na combustão de um biocombustível é negativa. w A combustão completa de biocombustível produz C(s). x A produção do biodísel é um processo de obtenção de energia a partir da biomassa. y Um dos produtos liberados na combustão do biodísel pode ser utilizado por seres fotossintéticos. QUESTÃO 15 (UnB 1º/2006) O funcionamento das máquinas a vapor baseia-se, principalmente, em processos cujas equações são mostradas abaixo.

C(s) + O2(g)  CO2(g) ΔH < 0 (equação I) H2O(l)  H2O(g) ΔH > 0 (equação II) A partir dessas informações, julgue o item que se segue. u O aspecto energético apresentado da reação I é coerente com a representação gráfica abaixo.

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v A variação de entalpia da produção de uma molécula de ATP a partir de uma molécula de ADP está corretamente representada no esquema mostrado a seguir.

QUESTÃO 16 (UnB 2º/2006 – com adaptações) O teste do pezinho, como programa de triagem, permite diagnosticar e evitar, entre outras doenças, a fenilcetonúria, cuja transmissão é autossômica recessiva. A fenilcetonúria é o mais comum dos erros do metabolismo de aminoácidos, sendo o defeito bioquímico básico a deficiência da enzima fenilalanina hidroxilase hepática, que catalisa a transformação da fenilalanina em tirosina. A fenilcetonúria ainda não é curável por via medicamentosa, mas é possível evitar suas conseqüências desde que o diagnóstico seja feito precocemente. Uma dessas conseqüências é o desenvolvimento anormal do sistema nervoso central. Quando a fenilcetonúria é diagnosticada em bebês, devese submetê-los imediatamente a uma dieta especial, pobre em fenilalanina. A partir dessas informações, julgue os itens que se seguem. u A energia necessária para iniciar a reação de transformação bioquímica de fenilalanina em tirosina é reduzida pela presença da fenilalanina hidroxilase hepática. v A ausência de enzimas nos organismos faz que as reações metabólicas sejam desenvolvidas com maior rapidez. QUESTÃO 17 (UnB 1º/2007 – com adaptações) Atualmente, biotecnologia pode ser entendida como sendo o desenvolvimento, com base nas ciências biológicas, de produtos e processos que podem ser utilizados e(ou) transferidos para aplicação e produção em grande escala. O emprego dessa tecnologia em processos de produção data de, pelo menos, 1800 a.C., época em que, por meio de uma reação de fermentação que produz etanol e CO2 a partir do açúcar (C6H12O6), obtinha-se vinhos e pães, com o uso de leveduras. Essa reação permite que fungos formem 2 mol de ATP por 180,1548 g de açúcar consumido. No entanto, se os fungos estiverem em um ambiente com grande quantidade de oxigênio, o consumo de C6H12O6 produzirá ATP, segundo a reação a seguir. C6H12O6 + O2 + 36 ADP + PO43-  6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

A partir dessas informações, julgue os itens que se seguem. u A entalpia de degradação de um mol de glicose pela via aeróbica é igual a 36 vezes a entalpia da degradação de um mol de glicose pela via anaeróbica.

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GABARITOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

E CC b Endotérmico. CCCC CEC CE CEE c EEE a CCECEC CCCC ECECC E CE EE