Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Química Ensino Médio, 2ª Série Entalpia das reações químicas QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Duas colheres de arroz = 88 kcal Uma porção de carne de vaca = 140 kcal Uma concha de feijão = 137 kcal Um cheeseburger (150 g) possui 600 kcal de energia. Dez palitinhos de batata frita (100 g) têm valor calórico de 274 kcal. Mais informações em http://www.chi.pt/extras/tabela_calorias.htm acesso em 01/07/2012. Imagem : (a) Henrique Dante de Almeida/ Creative Commons AtribuiçãoPartilha nos Termos da Mesma Licença 3.0 Unported; (b) Michael Dorausch / Creative Commons 2.0; (c) Miansari66/Domínio Público. Valor Calórico dos Alimentos QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Informações Nutricionais Quantidade por porção Valor energético 116 kcal = 487 kJ 6% Lembrete: kcal = Quilocaloria kJ = Quilojoule Carboidratos 18 g, dos quais: 6% Açúcares 0g ** Proteínas 1,6 g 2% Gorduras Totais 4,3 g, das quais: 8% Gorduras Saturadas 0,9 g 4% Gorduras Trans 0g ** Gorduras monoinsaturadas 2,7 g ** Gorduras poli-insaturadas 0,5 g ** Colesterol 0 mg 0% Fibra alimentar 0g 0% Sódio 169 mg 7% Potássio 31 mg ** Ácido Fólico*** 28 mcg 12% Para uma porção de 25 g (2 xícaras) * %VD são os valores diários com base numa dieta de 2.000 kcal; ** Valores diários não estabelecidos; *** Nutriente naturalmente presente. Tabela retirada de um salgadinho Cheetos, da PepsiCo. %VD* QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas ATIVIDADE: Informações Nutricionais 1) Utilizando a informação sobre o valor energético na tabela anterior, quantos quilojoules (kJ) correspondem a 1 quilocaloria (kcal)? 2) Comendo todo o conteúdo (48g) do salgadinho, quantas calorias estamos consumindo? 3) O que significa mcg na tabela? QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Atividade Resolvida 1) Por regra de três simples, podemos determinar que: 116 kcal 1 kcal correspondem a deve ser igual a 487 kJ x • multiplicando-se os meios pelos extremos, temos que: 1 kcal = 4,198 kJ 2) Também, por regra de três simples, determinamos que: • para um consumo de 48 gramas, consumimos 222,72 kcal = 222.720 cal 3) mcg significa microgramas, mas deveria ser representado por m. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Quantas calorias gastamos? Tabela baseada numa pessoa de 60 kg de massa corporal em atividades físicas cotidianas, num tempo de 30 minutos. Para saber sobre quantas calorias gastamos em outras atividades físicas, consulte o site: Atividade Física Gasto Calórico (kcal) Alongamento 90 Andar de patins 196 Andar de bicicleta 126 Andar no mar com água nas canelas 140 Arrumar a cama 66 Assistir a televisão 41 Bater a tecla do computador 48 Beijar 30 Correr a 12 km/h 445 Dormir 30 Levar o cachorro para passear 150 http://cyberdiet.terra.com.br/gasto-calorico-dos-exercicios-3-1-2-326.html, acesso em 19/06/2012. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Imagem : Harbor1/ GNU Free Documentation License Como se mede o calor dos alimentos? Normalmente, realiza-se a combustão dos alimentos em aparatos chamados de CALORÍMETROS. Usamos a equação fundamental da calorimetria para calcular a quantidade de calor liberado nas combustões: Substância Q = m.c.t Onde Q = Calor liberado (em cal) m = Massa dos reagentes (em g) t = Variação da temperatura (em ºC) c = Calor específico (em cal/g°C) c (cal/g°C) Água 1,0 Álcool 0,6 Alumínio 0,22 Ar 0,24 Restante da tabela disponível em http://fep.if.usp.br/~profis/experimentando/diurno/downloads/Tabela%20de%20Calor%20Especifico%20de%20V arias%20Substancias.pdf, acesso em 21/06/2012. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas 1. Termômetro 2. Arame (agitador)* 3. Tampa de isopor 4. Lata de refrigerante 5. Porta-mamadeira de isopor * Opcional Para visualizar a construção do calorímetro, você pode visitar http://www.youtube.com/watch?v=GmTVu8tF9rA, acesso em 20/06/2012. SUGESTÃO: Use um termômetro clínico digital Imagem : (a) BrokenSphere / GNU Free Documentation License; (b) Cane cane / Public Domain; (c) Biol/Public Domain; (d) Lion/ Public domain. Construção de um Calorímetro QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas • ½ batata inglesa picada; • 20 mL de água; • 100 mL de água oxigenada comercial (1 tubo); PROCEDIMENTO • • • • • Imagem : കാക്കര / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported MATERIAIS Imagem : Alex Khimich/Public Domain Calor de Decomposição da Água Oxigenada inicialmente, coloque a água no calorímetro; verifique a temperatura da água; em seguida, acrescente a água oxigenada e depois a batata picada; feche o calorímetro e verifique a nova temperatura de equilíbrio. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Calor de Decomposição da Água Oxigenada • A reação se processa a volume constante; • a equação química que representa a reação de decomposição da água oxigenada é: 2H2O2 2H2O + O2 • a reação se processa liberando calor, ou seja, é exotérmica; • percebemos que houve liberação de calor pela elevação da temperatura, registrada no termômetro. Para saber mais sobre o experimento, leia em http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc29/10-EEQ-6106.pdf, acesso em 21/06/2012.00 QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Entalpia (H) • É a medida da quantidade de calor liberada ou absorvida num sistema (substância, reação química, processo físico, etc.), a pressão constante; • representamos a entalpia pela letra H; • na prática, só conseguimos medir a variação da entalpia (H): H = Hf – Hi • Hf é a entalpia num estado final; • Hi é a entalpia num estado inicial. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Para uma reação química, teremos: REAGENTES PRODUTOS Estado Inicial Estado Final H = HP – HR AB HR = Entalpia dos reagentes HP = Entalpia dos produtos • Quando houver absorção de calor, teremos: A + calor B • Quando houver liberação de calor, a equação é invertida: B A + calor Os processos endotérmicos e exotérmicos são opostos! QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Fique Atento! • 1 cal = 4,18 J • 1 kcal = 1000 cal • 1 kJ = 1000 J da mesma forma que utilizamos nos alimentos. Imagem : user:Fourohfour / Public Domain Imagem : Daniel Case/GNU Free Documentation License • O calor é uma forma de energia; • assim, usaremos as seguintes unidades de calor na Termoquímica: QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas • É a parte da termodinâmica que estuda as trocas de calor durante as transformações, sejam elas químicas ou físicas; • como vimos, os processos podem ocorrer por absorção de energia ou por liberação de energia. Para a água ferver, é necessário fornecimento de calor. A chama da vela libera calor ao ambiente. Imagens : (a) GRAN / GNU Free Documentation License; (b) Paolo Costa Baldi / GFDL/CC-BY-SA 3.0" Termoquímica QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Reações Endotérmicas REAGENTE + calor PRODUTO Como a entalpia dos reagentes é menor, para ocorrer a reação, é necessário... ENTALPIA B HR HP PRODUTO ΔH = HP - HR Como HP > HR A Então, ΔH > 0 ...absorção de calor REAGENTE CAMINHO DA REAÇÃO A + calor B O sinal positivo de ΔH indica que houve absorção de energia durante o processo. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas ENTALPIA Reações Endotérmicas HR REAGENTE PRODUTO + calor ΔH = HP - HR Como HR > HP B Então, ΔH < 0 REAGENTE ...liberação de calor HP A PRODUTO O sinal negativo de ΔH indica que houve liberação de energia durante o processo. CAMINHO DA REAÇÃO B A + calor Como a entalpia dos reagentes é maior, sempre que ocorrer a reação, acontecerá... QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Termoquímica no Cotidiano 1 • No programa Mais Você, da Rede globo, Ana Maria Braga A caneca possui estampa preta à temperatura ambiente. Veja o vídeo da demonstração em http://www.youtube.com/watch?v=OsY9IvFS8Mg, acesso em 21/06/2012. Foto do Autor Ao adicionarmos água morna, a caneca começa a revelar a imagem oculta. Foto do Autor Foto do Autor divulgou nacionalmente um processo endotérmico: Quando adicionamos água fria, a caneca volta a ficar preta! QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Sabão em pó nas mãos: Coloque sabão em pó em uma de suas mãos. Em seguida, acrescente água e esfregue as mãos. Você deverá notar que sua mão esquentou. Os experimentos NÃO trazem risco algum! Lavando as mãos com álcool e água: Dessa vez, lave suas mãos com uma mistura de água e álcool 70% (vendido em farmácias). Inicialmente, coloque a água e depois acrescente o álcool. Suas mãos também esquentarão. Imagem : Diane A. Reid, Photographe/United States Public Domain Imagem : Bukk/Public Domain Termoquímica no Cotidiano 2 QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Quais as explicações? Caneca que muda de cor: • podemos representar o processo por: CANECA ESCURA + calor CANECA BRANCA; • ao adicionarmos água morna, estamos fornecendo calor à caneca escura (ela absorve energia) temos um processo endotérmico; Lavando as mãos: • tanto para o sabão em pó quanto para o álcool, suas misturas com a água liberam calor temos um processo exotérmico; • ao ocorrer a dissolução do sabão (ou do álcool) na água, o processo libera energia ao ambiente (nossas mãos sentem o aquecimento). QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Sentido exotérmico das mudanças de estados Possuem alta energia Possuem energia intermediária Possuem baixa energia H2O (s) H2O (l) H2O (l) H2O (g) FUSÃO VAPORIZAÇÃO Sólido Gasoso Líquido As moléculas estão muito próximas, dificultando seus movimentos As moléculas movimentam-se rapidamente Sentido endotérmico das mudanças de estados Imagem : Luis Javier Rodriguez Lopez/ GNU Free Documentation License Variação de Entalpia nas Mudanças de Estados Físicos QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Estado Padrão • Estado padrão de uma substância corresponde ao seu estado físico e alotrópico mais estável nas condições ambientes (25 °C e 1 atm); Entalpia Padrão (H°) • é a entalpia de uma substância no seu estado padrão; por convenção, toda substância simples no estado padrão possui entalpia igual a zero. • H° (Substância simples) = 0 QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Equação Termoquímica • Para a equação de decomposição da água oxigenada, temos: 2 H2O2 (aq) 2 H2O (l) + 1 O2 (g) ΔH = - 196 kJ/mol • para escrevermos uma equação termoquímica, deveremos: • balancear a equação; • indicar os estados físicos; • revelar o ΔH da reação. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Entalpia das Reações Químicas Entalpia de Formação • calor liberado ou absorvido na formação de 1 mol de uma substância a partir de substâncias simples, no estado padrão (com H° = 0). 1 H2(g) + 1/2 O2 (g) 1 H2O (l) ΔH = -286 kJ/mol • dessa forma, uma tabela de entalpias-padrão de formação pode ser construída; • como nem todas as equações químicas possuem seus valores de ΔH determinados, usamos: Hreação H fPROD H fREAG QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Entalpia-padrão de formação de algumas substâncias no estado padrão (25 °C e 1 atm) Substância Fórmula/Estado Físico ΔHf° (kJ/mol) Gás carbônico CO2(g) -394 Gás acetileno C2H2(g) +227 Etanol C2H5OH(l) -278 Água H2O(l) -286 Cloreto de hidrogênio HCl(g) -92,5 Peróxido de hidrogênio H2O2(l) -188 Cloreto de sódio NaCl (s) -413 Amônia NH3(g) -46 CH3COOH(l) -487 Ácido acético QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Cálculo da entalpia de decomposição da água oxigenada • No nosso calorímetro, verificamos que a temperatura aumentou com a decomposição da água oxigenada. Como podemos prever o valor da entalpia? • Usando as informações sobre as entalpias de formação da tabela anterior e sabendo que 2 H 2 O 2 2 H 2O + O 2 e Hreação H fPROD H fREAG Então... • H = [2 . (-286) + 1 . 0] – [ 2 . (-188)] = -572 + 376 = - 196 kJ/mol QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Entalpia das Reações Químicas Entalpia de Combustão • é a energia liberada na combustão completa de 1 mol de uma substância no estado padrão; • as reações de combustão são aquelas em que um combustível reage com o gás oxigênio (comburente); • todas as reações de combustão possuem entalpia negativa (ΔH < 0); • a variação de entalpia na combustão pode ser chamada de entalpia de combustão, ΔH de combustão, calor de combustão ou entalpia-padrão de combustão. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Atenção! • A reação entre os gases N2 e O2 do ar, provocada pela passagem de raios durante tempestades na atmosfera, não deve ser classificada como combustão, uma vez que o processo absorve energia: Imagem : Thomas Dwyer / Creative Commons Attribution 2.0 Generic. N2(g) + O2(g) 2NO(g) ΔH = +180 kJ/mol QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Energia de Ligação • é a energia absorvida na quebra de 1 mol de ligações, no estado gasoso, a 25 °C e 1 atm; • nos Reagentes acontecem quebras de ligações assim, o processo é ENDOTÉRMICO ou seja, ΔH > 0; • nos Produtos acontecem formações de ligações então, o processo é EXOTÉRMICO ou seja, ΔH < 0; • para determinar a variação de entalpia da reação, somamos todas as entalpias das ligações (quebradas e formadas): H reação H Ligação Somatório de todas as energias de ligações, observando-se os sinais. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Aplicação no Vestibular • (UPE 2005/Química 1) A energia de ligação (H – N) em kJ/mol é igual a... • Dados: 3H2(g) + N2(g) → 2 NH3(g), ΔH = - 78 kJ/mol. Energia de ligação H–H 432 kJ/mol N≡N 942 kJ/mol Inicialmente, reescrevemos a equação química detalhando as ligações... Reagentes ΔH > 0 942 432 3 + 2 y 3 ligações H – H 3 x (+ 432) 1 ligação N N 1 x (+ 942) 6 ligações N – H 6 x y QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Cálculo da Entalpia da Ligação N – H • Como as ligações N – H são formadas (produtos), esperamos que as mesmas sejam negativas; • utilizando HREAÇÃO =HLIGAÇÃO, temos: -78 = 3 . 432 + 1 . 942 + 6 . y -78 = 1296 + 942 + 6y 6y = -78 – 2238 6y = -2316 A ligação N – H é negativa, como era y = -386 kJ/mol de se esperar. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Leis de Hess • A variação de entalpia (H) de uma reação é sempre a mesma, independentemente do número de etapas em que tenha que ocorrer. Deveremos calcular o H da equação A+BC A partir das equações... H = ? Que deverão ficar... DA+K H1 A + K D -H1 D + B M + K H2 D + B M + K H2 MC H3 MC H3 Somamos as Obtemos: equações... E a entalpia é calculada como + A + B C H = – H1 + H2 + H3 QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Aplicação no Vestibular • (Covest 2000) A partir das entalpias padrão das reações de oxidação do ferro dadas abaixo, Fe(s) + ½ O2(g) FeO(s); ΔH° = – 64 kcal /mol 2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) Fe2O3 (s); ΔH° = – 196 kcal/mol determine a quantidade de calor liberada a 298 K e 1 atm na reação: 2 FeO (s) + ½ O2 (g) Fe2O3 (s) QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Aplicação no Vestibular RESOLUÇÃO Deveremos calcular o H da equação A partir das equações... x (-2) Fe(s) + ½ O2 (g) FeO (s) 2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) Fe2O3 (s) Somamos as equações... Obtemos: 2 FeO (s) + ½ O2 (g) Fe2O3 (s) Que deverão ficar... 2 FeO(s) 2 Fe(s) + 1 O2(g) + ΔH° = + 128 2 Fe (s) + 1,5 O2 (g) Fe2O3(s) ΔH° = – 196 2 FeO (s) E a entalpia é calculada como + ½ O2 (g) Fe2O3 (s) ΔH = - 196 + 128 = -68 kcal/mol QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Quem foi Hess? 1822 – Começou a estudar medicina na Universidade de Tartu (Estônia). 1825 – Tornou-se médico. 1830 – Tornou-se professor do Instituto Tecnológico em São Petersburgo. 1840 – Publicação da Lei de Hess. Imagem : Autor desconhecido/Disponibilizado por Astrochemist/Domínio Público • Germain Henry Hess (Genebra, 1802 – S. Petersbugo, 1850): químico e médico suíço que formulou um dos princípios da Termoquímica, hoje conhecido como Lei de Hess. Foi autor de um livro didático sobre Química que foi uma obra padrão russa durante várias décadas. QUÍMICA, 2º Ano do Ensino Médio Entalpia das Reações Químicas Verificamos uma aplicação interessante da termoquímica nos carrinhos da Hot Wheels Color Shifters em http://www.youtube.com/watch?v=8AKe_ucebUk Imagem : Guaoguao / Creative Commons Attribution 3.0 Unported A mudança de cor dos carrinhos ilustra o fenômeno de termocromismo. Imagem : Joost J. Bakke / Creative Commons Atribuição 2.0 Genérica. Mais entalpia no cotidiano e no Youtube... Que tal dar uma compressa sem ter que esperar a água esquentar ou virar gelo? Veja a bolsa térmica instantânea em http://www.youtube.com/watch?v=6tSVWzjpXik Uma reação química libera tanto calor, que aquece a bolsa. Ou absorve tanto calor do ambiente, que congela a bolsa instantaneamente. Tabela de Imagens n° do slide 2A 2B 2C 7 8A 8B 8C 8D 9A direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se consegiu a informação Data do Acesso Henrique Dante de Almeida / Creative http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rice_and_bea 24/08/201 Commons Atribuição-Partilha nos Termos da ns,_Hotel_in_Itatiaia.jpeg?uselang=pt-br 2 Mesma Licença 3.0 Unported Miansari66 / Domínio Público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:French_fries_( 24/08/201 Potato_Chips).JPG?uselang=pt-br 2 Michael Dorausch / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_Chees 24/08/201 Atribuição-Partilha nos Termos da Mesma e_Cheeseburger.jpg?uselang=pt-br 2 Licença 2.0 Genérica Harbor1 / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bombenkalori 24/08/201 meter_mit_bombe.jpg?uselang=pt-br 2 BrokenSphere / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rectangular_s 24/08/201 License tyrofoam_food_container.JPG 2 Cane cane / Public Domain http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Lata_Coca_Cola.J 24/08/201 PG 2 Biol / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koortsthermo 24/08/201 meters-AFEC-0120-Lot240901%2BHartmann-01232 Lot3499.jpg Lion / Public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Calorimeter.jp 24/08/201 g?uselang=pt-br 2 Alex Khimich / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_per 24/08/201 oxyde_uk.jpg 2 Tabela de Imagens n° do slide 9B 13 14A 14B 18A 18B 20 27 34 direito da imagem como está ao lado da foto കാക്കര /Creative Commons AttributionShare Alike 3.0 Unported link do site onde se consegiu a informação Data do Acesso http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Potato_%E0% 24/08/201 B4%89%E0%B4%B0%E0%B5%81%E0%B4%B3%E0%B4% 2 95%E0%B4%BF%E0%B4%B4%E0%B4%99%E0%B5%8D% E0%B4%99%E0%B5%8D.JPG SCEhardt / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CheetosCrop.j 24/08/201 pg 2 GRAN / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boiling_water. 24/08/201 jpg?uselang=pt-br 2 Paolo Costa Baldi / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Candle_in_the 24/08/201 License _dark.JPG?uselang=pt-br 2 Bukk/Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:3_Sorten_was 24/08/201 chpulver.jpg 2 Diane A. Reid, Photographe/United States http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ethyl_alcohol_ 24/08/201 Public Domain usp_grade.jpg 2 Luis Javier Rodriguez Lopez/ GNU Free http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solid_liquid_g 24/08/201 Documentation License as.svg?uselang=pt-br 2 Thomas Dwyer / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Las_Vegas_Lig 24/08/201 Attribution 2.0 Generic. htning_Storm.jpg 2 Autor desconhecido/Disponibilizado por http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hess_Germain 24/08/201 Astrochemist/Domínio Público _Henri.jpg 2