Termoquímica

Objetivo de Aprendizagem 6.1.A: Explicar a relação entre observações experimentais e mudanças de energia associadas a uma transformação química ou física.

• 6.1.A.1 Mudanças de temperatura em um sistema indicam mudanças de energia.
• 6.1.A.2 Mudanças de energia em um sistema podem ser descritas como processos endotérmicos e exotérmicos, como aquecimento ou resfriamento de uma substância, mudanças de fase ou transformações químicas.
• 6.1.A.3 Quando uma reação química ocorre, a energia do sistema diminui (reação exotérmica), aumenta (reação endotérmica) ou permanece a mesma. Para reações exotérmicas, a energia perdida pelas espécies reagindo (sistema) é ganha pelo ambiente, como transferência de calor ou trabalho realizado pelo sistema. Da mesma forma, para reações endotérmicas, o sistema ganha energia do ambiente por transferência de calor ou trabalho realizado sobre o sistema.
• 6.1.A.4 A formação de uma solução pode ser um processo exotérmico ou endotérmico, dependendo das forças relativas das interações intermoleculares/interpartículas antes e depois do processo de dissolução.

Objetivo de Aprendizagem 6.2.A: Representar uma transformação química ou física com um diagrama de energia.

• 6.2.A.1 Um processo físico ou químico pode ser descrito com um diagrama de energia que mostra a natureza endotérmica ou exotérmica desse processo.

Objetivo de Aprendizagem 6.3.A: Explicar a relação entre a transferência de energia térmica e colisões moleculares.

• 6.3.A.1 As partículas em um corpo mais quente têm maior energia cinética média do que as de um corpo mais frio.
• 6.3.A.2 Colisões entre partículas em contato térmico podem resultar na transferência de energia. Esse processo é chamado de "transferência de calor", "troca de calor" ou "transferência de energia como calor".
• 6.3.A.3 Eventualmente, o equilíbrio térmico é atingido conforme as partículas continuam a colidir. No equilíbrio térmico, a energia cinética média de ambos os corpos é a mesma e, portanto, suas temperaturas são iguais.

Objetivo de Aprendizagem 6.4.A: Calcular o calor $q$ absorvido ou liberado por um sistema submetido a aquecimento/resfriamento com base na quantidade de substância, na capacidade calórica e na mudança de temperatura.

• 6.4.A.1 O aquecimento de um corpo frio por um corpo mais quente é uma forma importante de transferência de energia entre dois sistemas. A quantidade de calor transferida entre dois corpos pode ser quantificada pela equação de transferência de calor:

  • Equação: $q = mc\Delta T$.

  Experimentos de calorimetria são usados para medir a transferência de calor.

• 6.4.A.2 A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia é conservada em processos químicos e físicos.

• 6.4.A.3 A transferência de uma dada quantidade de energia térmica não produzirá a mesma mudança de temperatura em massas iguais de matéria com capacidades calóricas específicas diferentes.

• 6.4.A.4 Aquecer um sistema aumenta a energia do sistema, enquanto resfriar um sistema diminui a energia do sistema.

• 6.4.A.5 A capacidade calórica específica de uma substância e a capacidade calorífica molar são ambas usadas em cálculos de energia.

• 6.4.A.6 Sistemas químicos mudam sua energia através de três processos principais: aquecimento/resfriamento, transições de fase e reações químicas.

• 6.4.A.7 Em experimentos de calorimetria envolvendo dissolução, mudanças de temperatura da mistura dentro do calorímetro podem ser usadas para determinar a direção do fluxo de energia. Se a temperatura da mistura aumentar, energia térmica é liberada pelo processo de dissolução (exotérmico). Se a temperatura da mistura diminuir, energia térmica é absorvida pelo processo de dissolução (endotérmico).

Objetivo de Aprendizagem 6.5.A: Explicar mudanças no calor $q$ absorvido ou liberado por um sistema submetido a uma transição de fase com base na quantidade de substância em mols e na entalpia molar da transição de fase.

• 6.5.A.1 Energia deve ser transferida para um sistema para causar a fusão (ou ebulição) de uma substância. A energia do sistema, portanto, aumenta à medida que o sistema passa por uma transição de fase de sólido para líquido (ou líquido para gás). Da mesma forma, um sistema libera energia quando congela (ou condensa). A energia do sistema diminui à medida que o sistema passa por uma transição de fase de líquido para sólido (ou gás para líquido). A temperatura de uma substância pura permanece constante durante uma mudança de fase.
• 6.5.A.2 A energia absorvida durante uma transição de fase é igual à energia liberada durante uma transição de fase complementar na direção oposta. Por exemplo, a entalpia molar de condensação de uma substância é igual ao negativo de sua entalpia molar de vaporização. Da mesma forma, a entalpia molar de fusão pode ser usada para calcular a energia absorvida ao fundir uma substância e a energia liberada ao congelá-la.

Objetivo de Aprendizagem 6.6.A: Calcular o calor $q$ absorvido ou liberado por um sistema submetido a uma reação química em relação à quantidade de substância reagente em mols e à entalpia molar de reação.

• 6.6.A.1 A variação de entalpia de uma reação fornece a quantidade de energia térmica liberada (para valores negativos) ou absorvida (para valores positivos) por uma reação química à pressão constante.
• 6.6.A.2 Quando os produtos de uma reação estão a uma temperatura diferente de seu entorno, eles trocam energia com o entorno para alcançar o equilíbrio térmico. A energia térmica é transferida para o entorno à medida que os reagentes se convertem em produtos em uma reação exotérmica. A energia térmica é transferida do entorno à medida que os reagentes se convertem em produtos em uma reação endotérmica.
• 6.6.A.3 A energia potencial química dos produtos de uma reação é diferente da dos reagentes devido à ruptura e formação de ligações. A diferença de energia resulta em uma mudança na energia cinética das partículas, o que se manifesta como uma mudança de temperatura.
  • Declaração de Exclusão: As distinções técnicas entre entalpia e energia interna não serão cobradas no Exame AP. A maioria das reações estudadas no nível AP ocorre a pressão constante, onde a variação de entalpia do processo é igual ao calor (e, por extensão, à energia) de reação.

Objetivo de Aprendizagem 6.7.A: Calcular a variação de entalpia de uma reação com base nas energias médias de ligação das ligações quebradas e formadas na reação.

• 6.7.A.1 Durante uma reação química, ligações são quebradas e/ou formadas, e esses eventos alteram a energia potencial do sistema.
• 6.7.A.2 A energia média necessária para quebrar todas as ligações nas moléculas de reagente pode ser estimada somando-se as energias médias de ligação de todas as ligações nas moléculas de reagente. Da mesma forma, a energia média liberada na formação das ligações nas moléculas de produto pode ser estimada. Se a energia liberada for maior que a energia necessária, a reação é exotérmica. Se a energia necessária for maior que a energia liberada, a reação é endotérmica.

Objetivo de Aprendizagem 6.8.A: Calcular a variação de entalpia para um processo químico ou físico com base nas entalpias padrão de formação.

• 6.8.A.1 Tabelas de entalpias padrão de formação podem ser usadas para calcular as entalpias padrão de reação.
  • Equação: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$

Objetivo de Aprendizagem 6.9.A: Representar um processo químico ou físico como uma sequência de etapas.

• 6.9.A.1 Muitos processos podem ser decompostos em uma série de etapas. Cada etapa na série tem sua própria variação de energia.

Objetivo de Aprendizagem 6.9.B: Explicar a relação entre a entalpia de um processo químico ou físico e a soma das entalpias das etapas individuais.

• 6.9.B.1 Como a energia total é conservada (primeira lei da termodinâmica) e cada reação individual em uma sequência transfere energia térmica para ou dos arredores, a energia térmica líquida transferida na sequência será igual à soma das transferências de energia térmica em cada uma das etapas. Essas transferências de energia térmica são resultado de mudanças de energia potencial entre as espécies na sequência de reação; portanto, a pressão constante, a variação de entalpia do processo geral é igual à soma das variações de entalpia das etapas individuais.
• 6.9.B.2 Os seguintes são princípios essenciais da Lei de Hess:
  • i. Quando uma reação é invertida, a variação de entalpia permanece constante em magnitude, mas inverte o sinal matemático.
  • ii. Quando uma reação é multiplicada por um fator $c$, a variação de entalpia é multiplicada pelo mesmo fator $c$.
  • iii. Quando duas (ou mais) reações são somadas para obter uma reação global, as variações de entalpia individuais de cada reação são somadas para obter a variação de entalpia líquida da reação global.
  • Declaração de Exclusão: O conceito de funções de estado não será avaliado no Exame AP.