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A UNIVERSIDADE MAIS PERTO DE VOCÊ. Professor: Marcelo Vizeu Disciplina: Química

Termoquímica

1 – Conceito

É a parte da Química que estuda as trocas de calor durante as transformações químicas. 2 – Calor de Reação

É a quantidade de calor liberado ou absorvido durante uma reação química à pressão constante. 3 – Entalpia (H)

É o conteúdo energético global de um sistema. 4 – Variação de Entalpia (ΔH)

Indica a quantidade de calor liberado ou absorvido durante uma transformação à pressão constante. E pode ser calculado pela diferença entre a entalpia final (Hf) e a entalpia inicial (Hi). Logo: ΔH = Hf - Hi ou ΔH = Hp - Hr 5 – Classificação das transformações termoquímicas a) Transformações exotérmicas: Ocorrem com liberação de calor. Neste caso, a entalpia final é menor que a inicial, isto é, Hf < Hi. Mas como ΔH = Hf - Hi teremos simbolicamente ΔH com sinal negativo.

Exemplo: C(S) + O2(g) à CO2(g) ΔH = - 94,0 Kcal/mol Observação: A quantidade de calor pode ser apresentada também como um participante da reação. Neste caso, é chamada de ΔQ. Exemplo: C(S) + O2(g) à CO2(g) + 94,0 Kcal/mol b) Transformações endotérmicas: Ocorrem com absorção de calor. Concluímos, então, que a entalpia final será maior que a entalpia inicial, isto é, Hf > Hi. Logo, o ΔH receberá sinal positivo. Exemplo: N2(g) + O2(g) à 2NO(g) ΔH = +43 Kcal/mol Observação:

Poderíamos também escrever: N2(g) +O2(g) + 43 Kcal/mol à 2NO(g) 6 – Gráficos de Entalpia a) Reações Exotérmicas

Observação: Chama-se energia de ativação (Ea) a quantidade mínima de energia necessária para ativar as moléculas, dando início, assim, à reação. b) Reações Endotérmicas

7 – As nomenclaturas do ΔH A variação de entalpia recebe denominações especiais em função das transformações representadas como veremos a seguir.

a) Entalpia de formação de uma substância é a variação de entalpia (ΔH) quando 1 mol da referida substância é sintetizado a partir de substâncias simples. Todas as substâncias que participam da reação devem estar em seus estados físicos normais a 25°C e 1 atm. (Condições padrão) C(S) + O2(g) à CO2(g) ΔH = - 94,0 Kcal/mol b) Entalpia de combustão é a variação de entalpia (ΔH) na reação de combustão completa de um mol da substância a 25°C e 1 atm.

C2H5OH(l) + 3 O2(g) à 2 CO2(g) + 3 H2O(l) ΔH = - 326

Kcal/mol c) Entalpia de ligação (Energia de ligação) é a energia necessária para romper um mol de ligações em condições padrão.

H2(g) à 2H(g) ΔH = + 104,2 kcal/mol

8 – Cálculo do ΔH a) Pelas entalpias de formação

As substâncias simples em seu estado físico característico (mais comum) e na variedade alotrópica mais estável tem entalpia igual a zero (Entalpia padrão). Conhecendo-se as entalpias de formação dos componentes, pode-se calcular o ΔH da transformação pela fórmula:

ΔH = Hp - Hr Exemplo:

Calcule o ΔH para a transformação: H2O(g) à H2O(l) Dados: ΔHf da H2O(g) = - 57,8 kcal/mol ΔHf da H2O(l) = - 68,3 kcal/mol Resolução: ΔH = - 68,3 – ( - 57,8) = - 10,5 kcal/mol b) Pela Lei de Hess

Também chamado de: Lei dos estados inicial e final. A variação de entalpia de uma reação química não depende dos estados intermediários pelos quais passa o processo, mas apenas dos estados inicial e final. Podemos obter NH4Cl(aq) por dois caminhos, partindo do mesmo estado inicial.

Independentemente do número de etapas utilizadas, o ΔH

foi o mesmo, ficando provado, assim, que somente

interferem as substâncias iniciais e finais, e não os estados

intermediários. d) Pelas energias de ligação Neste caso, o ΔH da reação pode ser obtido como resultado da diferença entre a energia necessária para romper as ligações existentes nos reagentes e a energia envolvida na formação das novas ligações. Exemplo:

Por meio das energias de ligação da tabela a seguir, calcule a variação de entalpia para reação correspondente a cloração do eteno.

Reagentes: 1 C=C = 145,0 1 Cl – Cl = 58,0 ΔHreag = + 203 kcal Produtos: 1 C – C = - 83,0 2 Cl – Cl = 2 x ( - 78,5) ΔHprod = - 240 kcal Logo: ΔH = 203 – 240 = - 37 kcal Exercícios 1 - O alumínio é utilizado como redutor de óxidos, no processo denominado aluminotermia, conforme mostra a equação química: 8 Al (s) + 3 Mn3O4 (s) → 4 Al2O3 (s) + 9 Mn (s) Observe a tabela:

Substância Entalpia de formação Al2O3 (g) - 1667,8 Mn3O4 - 1385,3

Determine, segundo a equação acima, para a obtenção do Mn (s), a variação de entalpia, na temperatura 298 K, em Kj. 2 - Calcular o ΔH da reação abaixo usando os dados da tabela de energia de ligação. C2H6(g) + Cl2(g) → C2H5Cl(g) + HCl(g) Dados de energia de ligação: C – H : 99,0 Kcal Cl – Cl : 57,9 Kcal C – Cl : 81,0 Kcal H – Cl : 103,1 Kcal 3 - Calcule a energia liberada na “queima” metabólica de glicose: C6H12O6(aq) + 6O2(g) → 6CO2(aq) + 6H2O(l). Use os valores das energias (em kJ/mol) das seguintes reações: 6C(s) + 6H2(g) + 3O2(g) → C6H12O6(aq) ΔH = - 1263

C(s) + O2(g) → CO2(aq) ΔH = -413

H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ΔH = -286

4 - Dadas as equações termoquímicas: C (grafite) + O2 (g) → CO2 (g) ΔH1 = - 94,1 Kcal

H2 (g) + 1/2O2 (g) → H2O (l) ΔH2 = - 68,3 Kcal

CH4 (g) + 2O2 ( g) → CO2 (g) + 2 H2O (l)

ΔH3 = - 212 Kcal

Calcule o valor do ΔH da reação C (grafite) + 2H2 (g) → CH4 (g) 5 - O gráfico a seguir representa a variação de energia potencial quando o monóxido de carbono, CO, é oxidado a CO2 pela ação do NO2, de acordo com a equação: CO(g) + NO2(g) CO2(g) + NO(g) Com relação a esse gráfico e à reação acima, a afirmativa FALSA é

a) a energia de ativação para a reação direta é cerca de 135kJ/mol. b) a reação inversa é endotérmica. c) em valor absoluto, o ΔH da reação direta é cerca de 225kJ/mol. d) em valor absoluto, o ΔH da reação inversa é cerca de 360kJ/mol. e) o ΔH da reação direta é negativo. 6 - (Uerj 2002) O propeno (ΔHo = + 5 kcal/mol), um composto utilizado largamente em síntese orgânica, produz propano (Ho = - 25 kcal/mol), por redução catalítica, de acordo com a reação a seguir. Observe, na tabela, os valores aproximados das energias de ligação nas condições-padrão. a) Calcule o valor da energia de dissociação para um mol de ligações H - H, em kcal/mol . b) Escreva a equação química que representa a reação do propeno com ácido clorídrico. 7 - (Ufrj 2002) O benzaldeído utilizado na indústria de perfumes e condimentos é produzido pela oxidação direta do tolueno, em fase vapor, segundo a equação: Dado que a entalpia é uma função de estado e que as entalpias-padrão de formação, em fase gasosa, do tolueno e da água são respectivamente iguais a 12,0 kcal/mol e -57,8 kcal/mol, determine a entalpia-padrão de formação (em kcal/mol) do benzaldeído.

QUESTÕES ENEM 1. (Enem 2017) O ferro é encontrado na natureza na forma de seus minérios, tais como a hematita 2 3( Fe O ),α − a magnetita 3 4(Fe O ) e a wustita (FeO). Na siderurgia, o ferro-gusa é obtido pela fusão de minérios de ferro em altos fomos em condições adequadas. Uma das etapas nesse processo é a formação de monóxido de carbono. O CO (gasoso) é utilizado para reduzir o FeO (sólido), conforme a equação química:

(s) (g) (s) 2(g)FeO CO Fe CO+ → +

Considere as seguintes equações termoquímicas:

2 3(s) (g) (s) 2(g) rFe O 3CO 2Fe 3CO H 25 kJ molΔ+ → + ° = − de 2 3Fe O

(s) 2(g) 3 4(s) (g) r3 FeO CO Fe O CO H 36 kJ molΔ+ → + ° = − de 2CO

3 4(s) 2(g) 2 3(s) (g) r2Fe O CO 3Fe O CO H 47 kJ molΔ+ → + ° = + de 2CO O valor mais próximo de rH ,Δ ° em kJ mol de FeO, para a reação indicada do FeO (sólido) com o CO (gasoso) é a) 14.− b) 17.− c) 50.− d) 64.− e) 100.− 2. (Enem 2016) O benzeno, um importante solvente para a indústria química, é obtido industrialmente pela destilação do petróleo. Contudo, também pode ser sintetizado pela trimerização do acetileno catalisada por ferro metálico sob altas temperaturas, conforme a equação química:

2 2(g) 6 6( )3 C H C H→ !

A energia envolvida nesse processo pode ser calculada indiretamente pela variação de entalpia das reações de combustão das substâncias participantes, nas mesmas condições experimentais: I.

02 2(g) 2(g) 2(g) 2 ( ) c

5C H O 2CO H O H 310 kcal mol2

+ → + Δ = −!

II.

06 6( ) 2(g) 2(g) 2 ( ) c

15C H O 6 CO 3H O H 780 kcal mol2

+ → + Δ = −! !

A variação de entalpia do processo de trimerização, em kcal, para a formação de um mol de benzeno é mais próxima de a) 1.090.− b) 150.− c) 50.− d) 157.+ e) 470.+

3. (Enem 2015) O aproveitamento de resíduos florestais vem se tornando cada dia mais atrativo, pois eles são uma fonte renovável de energia. A figura representa a queima de um bio-óleo extraído do resíduo de madeira, sendo 1HΔ a variação de entalpia devido à queima de 1g desse bio-óleo, resultando em gás carbônico e água líquida, e 2H ,Δ a variação de entalpia envolvida na conversão de 1g de água no estado gasoso para o estado líquido.

A variação de entalpia, em kJ, para a queima de 5 g desse bio-óleo resultando em 2CO (gasoso) e 2H O (gasoso) é: a) 106.− b) 94.− c) 82.− d) 21,2.− e) 16,4.− 4. (Enem 2011) Um dos problemas dos combustíveis que contêm carbono é que sua queima produz dióxido de carbono. Portanto, uma característica importante, ao se escolher um combustível, é analisar seu calor de combustão o

c( h )Δ , definido como a energia liberada na queima completa de um mol de combustível no estado padrão. O quadro seguinte relaciona algumas substâncias que contêm carbono e seu o

cHΔ .

Substância Fórmula ocHΔ (kJ/mol)

benzeno 6 6C H ( ! ) - 3 268 etanol 2 5C H OH ( ! ) - 1 368 glicose 6 12 6C H O (s) - 2 808 metano 4CH (g) - 890 octano 8 18C H ( ! ) - 5 471

Neste contexto, qual dos combustíveis, quando queimado completamente, libera mais dióxido de carbono no ambiente pela mesma quantidade de energia produzida? a) Benzeno. b) Metano. c) Glicose. d) Octano. e) Etanol.

5. (Enem 2010) No que tange à tecnologia de combustíveis alternativos, muitos especialistas em energia acreditam que os alcoóis vão crescer em importância em um futuro próximo. Realmente, alcoóis como metanol e etanol têm encontrado alguns nichos para uso doméstico como combustíveis há muitas décadas e, recentemente, vêm obtendo uma aceitação cada vez maior como aditivos, ou mesmo como substitutos para gasolina em veículos. Algumas das propriedades físicas desses combustíveis são mostradas no quadro seguinte.

Álcool Densidade a 25°C (g/mL)

Calor de Combustão

(kJ/mol) Metanol (CH3OH) 0,79 – 726,0

Etanol (CH3CH2OH) 0,79 – 1367,0

Dados: Massas molares em g/mol: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Considere que, em pequenos volumes, o custo de produção de ambos os alcoóis seja o mesmo. Dessa forma, do ponto de vista econômico, é mais vantajoso utilizar a) metanol, pois sua combustão completa fornece

aproximadamente 22,7 kJ de energia por litro de combustível queimado.

b) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 29,7 kJ de energia por litro de combustível queimado.

c) metanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 17,9 MJ de energia por litro de combustível queimado.

d) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 23,5 MJ de energia por litro de combustível queimado.

e) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 33,7 MJ de energia por litro de combustível queimado.

6. (Enem 2010) O abastecimento de nossas necessidades energéticas futuras dependerá certamente do desenvolvimento de tecnologias para aproveitar a energia solar com maior eficiência. A energia solar é a maior fonte de energia mundial. Num dia ensolarado, por exemplo, aproximadamente 1 kJ de energia solar atinge cada metro quadrado da superfície terrestre por segundo. No entanto, o aproveitamento dessa energia é difícil porque ela é diluída (distribuída por uma área muito extensa) e oscila com o horário e as condições climáticas. O uso efetivo da energia solar depende de formas de estocar a energia coletada para uso posterior. BROWN, T. Química, a ciência central. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. Atualmente, uma das formas de se utilizar a energia solar tem sido armazená-la por meio de processos químicos endotérmicos que mais tarde podem ser revertidos para liberar calor. Considerando a reação:

CH4(g) + H2O(v) + calor CO(g) + 3H2(g) e analisando-a como potencial mecanismo para o aproveitamento posterior da energia solar, conclui-se que se trata de uma estratégia a) insatisfatória, pois a reação apresentada não permite que

a energia presente no meio externo seja absorvida pelo sistema para ser utilizada posteriormente.

b) insatisfatória, uma vez que há formação de gases poluentes e com potencial poder explosivo, tornando-a uma reação perigosa e de difícil controle.

c) insatisfatória, uma vez que há formação de gás CO que não possui conteúdo energético passível de ser aproveitado posteriormente e é considerado um gás poluente.

d) satisfatória, uma vez que a reação direta ocorre com absorção de calor e promove a formação das substâncias combustíveis que poderão ser utilizadas posteriormente para obtenção de energia e realização de trabalho útil.

e) satisfatória, uma vez que a reação direta ocorre com liberação de calor havendo ainda a formação das substâncias combustíveis que poderão ser utilizadas posteriormente para obtenção de energia e realização de trabalho útil.

7. (Enem 2009) Nas últimas décadas, o efeito estufa tem-se intensificado de maneira preocupante, sendo esse efeito muitas vezes atribuído à intensa liberação de CO2 durante a queima de combustíveis fósseis para geração de energia. O quadro traz as entalpias-padrão de combustão a 25 ºC (ÄH0

25) do metano, do butano e do octano.

composto fórmula molecular

massa molar (g/moℓ)

ÄH025

(kj/moℓ)

metano CH4 16 - 890 butano C4H10 58 - 2.878 octano C8H18 114 - 5.471

À medida que aumenta a consciência sobre os impactos ambientais relacionados ao uso da energia, cresce a importância de se criar políticas de incentivo ao uso de combustíveis mais eficientes. Nesse sentido, considerando-se que o metano, o butano e o octano sejam representativos do gás natural, do gás liquefeito de petróleo (GLP) e da gasolina, respectivamente, então, a partir dos dados fornecidos, é possível concluir que, do ponto de vista da quantidade de calor obtido por mol de CO2 gerado, a ordem crescente desses três combustíveis é a) gasolina, GLP e gás natural. b) gás natural, gasolina e GLP. c) gasolina, gás natural e GLP. d) gás natural, GLP e gasolina. e) GLP, gás natural e gasolina. 8. (Enem cancelado 2009) Vários combustíveis alternativos estão sendo procurados para reduzir a demanda por combustíveis fósseis, cuja queima prejudica o meio ambiente devido à produção de dióxido de carbono (massa molar igual a 44 g mol–1). Três dos mais promissores combustíveis alternativos são o hidrogênio, o etanol e o metano. A queima de 1 mol de cada um desses

combustíveis libera uma determinada quantidade de calor, que estão apresentadas na tabela a seguir.

Combustível Massa molar (g mol–1)

Calor liberado na queima (kJ mol–1)

H2 2 270 CH4 16 900 C2H5OH 46 1350

Considere que foram queimadas massas, independentemente, desses três combustíveis, de forma tal que em cada queima foram liberados 5400 kJ. O combustível mais econômico, ou seja, o que teve a menor massa consumida, e o combustível mais poluente, que é aquele que produziu a maior massa de dióxido de carbono (massa molar igual a 44 g mol–1), foram, respectivamente, a) o etanol, que teve apenas 46 g de massa consumida, e o

metano, que produziu 900 g de CO2. b) o hidrogênio, que teve apenas 40 g de massa consumida,

e o etanol, que produziu 352 g de CO2. c) o hidrogênio, que teve apenas 20 g de massa consumida,

e o metano, que produziu 264 g de CO2. d) o etanol, que teve apenas 96 g de massa consumida, e o

metano, que produziu 176 g de CO2. e) o hidrogênio, que teve apenas 2 g de massa consumida,

e o etanol, que produziu 1350 g de CO2. 9. (Enem PPL 2015) O urânio é um elemento cujos átomos contêm 92 prótons, 92 elétrons e entre 135 e 148 nêutrons. O isótopo de urânio 235U é utilizado como combustível em usinas nucleares, onde, ao ser bombardeado por nêutrons, sofre fissão de seu núcleo e libera uma grande quantidade de energia 10(2,35 10 kJ mol).× O isótopo 235U ocorre naturalmente em minérios de urânio, com concentração de apenas 0,7%. Para ser utilizado na geração de energia nuclear, o minério é submetido a um processo de enriquecimento, visando aumentar a concentração do isótopo 235U para, aproximadamente, 3% nas pastilhas. Em décadas anteriores, houve um movimento mundial para aumentar a geração de energia nuclear buscando substituir, parcialmente, a geração de energia elétrica a partir da queima do carvão, o que diminui a emissão atmosférica de 2CO (gás com massa molar igual a 44 g mol). A queima do carvão é representada pela equação química:

2 2C(s) O (g) CO (g) H 400 kJ mol+ → Δ = − Qual é a massa de 2CO , em toneladas, que deixa de ser liberada na atmosfera, para cada 100 g de pastilhas de urânio enriquecido utilizadas em substituição ao carvão como fonte de energia? a) 2,10 b) 7,70 c) 9,00 d) 33,0 e) 300

10.(EnemPPL2014)Aescolhadeumadeterminada

substânciaparaserutilizadacomocombustívelpassa

pelaanálisedapoluiçãoqueelacausaaoambientee

pelaquantidadedeenergialiberadaemsuacombustão

completa.Oquadroapresentaaentalpiadecombustão

dealgumassubstâncias.Asmassasmolaresdos

elementosH, CeO são,respectivamente,iguaisa

1g mol, 12g mol e16g mol.

Substância Fórmula Entalpia de combustão ( )kJ mol

Acetileno 2 2C H 1298− Etano 2 6C H 1558− Etanol 2 5C H OH 1366− Hidrogênio 2H 242− Metanol 3CH OH 558−

Levando-seemcontasomenteoaspectoenergético,a

substânciamaiseficienteparaaobtençãodeenergia,na

combustãode1kg decombustível,éo

a) etano. b) etanol. c) metanol. d) acetileno. e) hidrogênio.