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6.8:

Calorimetria de Pressão Constante

JoVE Core
Chemistry
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JoVE Core Chemistry
Constant Pressure Calorimetry

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Para uma reação química realizada sob pressão constante, tal como a pressão atmosférica, o calor trocado durante o processo é medido como a alteração na entalpia delta H.A alteração da entalpia para a reação manifesta-se como uma alteração na temperatura, que é medida utilizando uma técnica chamada de calorimetria. Na calorimetria, a reação é executada num recipiente selado e calibrado chamado de calorímetro. O calorímetro está bem isolado e impede qualquer fluxo de calor entre si e o seu ambiente.Assim, o calor trocado entre os reagentes e os produtos-que constituem o sistema e o calorímetro que é o meio ambiente pode ser calculado com precisão através da monitorização das posteriores alterações na temperatura no calorímetro. Se a reação for exotérmica, o calor flui do sistema para o meio ambiente e a temperatura sobe. Inversamente, se a reação for endotérmica, o calor flui do meio ambiente para o sistema, provocando a queda da temperatura no calorímetro.Um simples calorímetro de chávena de café mede a alteração na entalpia de uma reação que ocorre numa solução, em condições de pressão constante. O calorímetro consiste em dois copos de cafés de esferovite juntos e equipados com um termômetro e um agitador. O calorímetro é fechado com uma tampa de cortiça larga de forma a manter as condições de pressão constante que está aberto ao ar.Suponhamos 50, 0 mililitros em cada um de 1, 0 mol de ácido clorídrico aquoso e 1, 0 mol de hidróxido de potássio aquoso, reagem no calorímetro, para aumentar a temperatura da solução em 6, 9 graus Celsius. O calor absorvido pela solução solução q é igual ao seu calor específico, C s, 4, 18 joules por grama de grau celsius igual à da água multiplicada pela sua massa total, m-100, 0 gramas, e a alteração na temperatura. O calor da solução é 2, 9 vezes dez à potência de 3 joules ou 2, 9 kilojoules.O calor da reação reação q tem o mesmo valor mas com um sinal oposto. Porque a pressão é constante, a alteração da entalpia é a mesma que o calor da reação. Para encontrar a alteração da entalpia da reação por mol, a entalpia é dividida pelo número de mols do ácido clorídrico.Os mols do ácido clorídrico são encontrados multiplicando o volume em litros 0, 05 L com a molaridade de 1 mol. Portanto, 2, 9 kilojoules negativos divididos por 0, 050 mols dão 58-kilojoules negativos por mol.

6.8:

Calorimetria de Pressão Constante

A calorimetria é uma técnica utilizada para medir a quantidade de calor envolvida em um processo químico ou físico ou para medir o calor transferido de ou para uma substância. O calor é trocado através de um aparelho calibrado e isolado chamado calorímetro. As experiências de calorimetria baseiam-se no pressuposto de que não existe troca térmica entre o calorímetro isolado e o ambiente externo. Os calorímetros bem isolados evitam a transferência de calor entre o calorímetro e o seu ambiente externo, o que limita efetivamente as “imediações” aos componentes não-sistema dentro do calorímetro (e o próprio calorímetro). Isto permite a determinação precisa do calor envolvido em processos químicos, como o teor energético dos alimentos. 

A alteração da temperatura medida pelo calorímetro é utilizada para derivar a quantidade de calor transferida pelo processo em estudo. Em um calorímetro, um sistema é definido como a substância ou substâncias sujeitas a alterações químicas ou físicas ou, por outras palavras, a reação, e as imediações são toda a outra matéria, incluindo a solução e quaisquer outros componentes no calorímetro que fornecem calor ao sistema ou absorvem calor do sistema.

Antes de discutir a calorimetria das reações químicas, considere um exemplo mais simples que ilustra a idéia central por trás da calorimetria. Suponha que um pedaço de metal quente a uma temperatura elevada é colocado em uma substância a baixa temperatura, como água fria. O calor fluirá do metal quente para a água. A temperatura do metal diminuirá e a temperatura da água aumentará até que as duas substâncias tenham a mesma temperatura, ou seja, quando atingirem o equilíbrio térmico. Se isto ocorrer em um calorímetro, todo o calor é transferido entre as duas substâncias, sem que o calor seja obtido ou perdido pelo seu ambiente externo. Nestas circunstâncias ideais, a alteração líquida de calor é zero:

Eq1

Esta relação pode ser reorganizada para mostrar que o calor ganho pelo metal é igual ao calor perdido pela substância água:

Eq2

A magnitude do calor (alteração) é, portanto, a mesma para ambas as substâncias. O sinal negativo mostra apenas que qmetal e qágua são opostos na direção do fluxo de calor (ganho ou perda), mas não indica o sinal aritmético de nenhum dos valores de q (que é determinado se a matéria em questão ganha ou perde calor, por definição). Na situação específica descrita, qmetal é um valor negativo e qágua é um valor positivo, uma vez que o calor é transferido do metal para a água.

Ao utilizar a calorimetria para determinar o calor envolvido em uma reação química, aplicam-se os mesmos princípios. A quantidade de calor absorvida pelo calorímetro é muitas vezes suficientemente pequena para que possa ser geralmente negligenciada, e o calorímetro minimiza a troca de energia com o ambiente externo. Quando ocorre uma reação exotérmica em solução em um calorímetro, o calor produzido pela reação é absorvido pela solução, o que aumenta a sua temperatura. Quando ocorre uma reação endotérmica, o calor necessário é absorvido da energia térmica da solução, o que diminui a sua temperatura. A mudança de temperatura (ΔT), juntamente com o calor específico (em>csoln) e a massa (msoln) da solução, pode então ser utilizada para calcular a quantidade de calor (qsoln) envolvida em qualquer dos casos.

Eq3

Um  calorímetro simples — chamado de calorímetro de xícara de café — é construído a partir de duas xícaras de poliestireno aninhadas fechadas com uma tampa solta. Os calorímetros de xícara de café são utilizados para medir o calor das reações que ocorrem em soluções (na sua maioria soluções aquosas) e não implicam uma alteração de volume ou têm uma alteração de volume muito reduzida. Uma vez que a energia não é criada nem destruída durante uma reação química, o calor produzido ou consumido na reação (o “sistema”), qrxn, mais o calor absorvido ou perdido pela solução (as “imediações”), qsoln, deve ser zero:

Eq4

Isto significa que a quantidade de calor produzida ou consumida na reação é igual à quantidade de calor absorvida ou perdida pela solução:

Eq5

O calorímetro de xícara de café é um calorímetro de pressão constante, e o calor medido da reação é equivalente à alteração da entalpia.

Eq6

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.

Suggested Reading

  1. Banna, M. Salim. "A heater for constant-pressure calorimetry." Journal of Chemical Education 63, no. 11 (1986): 997.
  2. Ruekberg, Ben. "An economical, safe, and sturdy student calorimeter." Journal of Chemical Education 71, no. 4 (1994): 333.
  3. Stankus, John J., and Jennifer D. Caraway. "Replacement of coffee cup calorimeters with fabricated beaker calorimeters." Journal of Chemical Education 88, no. 12 (2011): 1730-1731.