Toda transformação da matéria envolve uma transferência de energia – ou seja, toda reação química libera ou absorve energia do ambiente, geralmente na forma de calor. É o calor da queima do gás
butano que cozinha os nossos alimentos. É também a energia térmica liberada na combustão do álcool ou da gasolina que movimenta os veículos. Mesmo para qualquer ser vivo, a energia das reações químicas é importante: o metabolismo dos alimentos – uma cadeia de reações químicas – fornece a energia para manter o funcionamento das células. A parte da química que estuda essas transferências de energia é a termoquímica. Existem dois tipos de reações químicas: as que fornecem calor ao ambiente e as que consomem calor do ambiente. C2H6O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) + calor Na equação de uma reação exotérmica, o calor é somado aos produtos, pois ele foi gerado pela reação e liberado para o ambiente. Já na equação de uma reação endotérmica, o calor é somado aos reagentes, pois é consumido como um deles, ao ser absorvido do ambiente. EntalpiaEnergia é a capacidade de produzir trabalho. A energia pode assumir diferentes formas, como química (das ligações entre os átomos e moléculas), térmica (calor) ou nuclear (das partículas do núcleo dos átomos). No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de medida da energia é o joule (J). A energia não pode ser criada nem destruída, transformada de um tipo em outro. Toda substância guarda certa quantidade de energia química, que se transforma em calor quando reage. O total de energia armazenada nos reagentes e nos produtos de uma reação chama-se entalpia (H), medida em quilojoule (kJ). Numa reação química, a entalpia dos produtos e a dos reagentes varia. A variação de entalpia é dada por ΔH = Hp – Hr , em que
Transformação: A lei da conservação de energia diz que num sistema isolado a energia se mantém constante. Isso significa que toda energia que parece ter desaparecido terá apenas se transformado de química em outro tipo de energia, como elétrica, térmica, mecânica. Uma reação pode ser exotérmica ou endotérmica. Numa reação exotérmica – aquela que libera calor –, a entalpia dos produtos (Hp) é menor que a dos reagentes (Hr). Se Hp < Hr, ΔH < 0. Inversamente, numa reação endotérmica, a entalpia dos produtos (Hp) é maior que a dos reagentes (Hr). Se Hp > Hr, ΔH > 0. Entenda bem: a energia química fica armazenada nas ligações entre os átomos dos reagentes. Quando ocorre a reação, essas ligações se rompem e os átomos se reorganizam em novos compostos. Se a energia necessária para manter as novas ligações é menor do que aquela que mantinha as ligações dos reagentes, a diferença é liberada como calor. Se, ao contrário, a energia necessária para manter as novas ligações é maior, então a reação absorve calor do ambiente. Esse calor absorvido será armazenado nos produtos sob a forma de energia química. A combustão do etanol e uma reação exotérmica, libera energia térmica. Veja: C2H6O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) + calor Hr > Hp → ΔH < 0 A fotossíntese e uma reação endotérmica: 6 CO2(g) + 6 H2O(l) + calor → C6H12O6(aq) + 6 O2(g) Hr < Hp → ΔH > 0 Como varia a entalpiaEm laboratório é possível medir a energia absorvida ou liberada numa reação. A quantidade de calor envolvida numa reação é descrita numa equação termoquímica. A equação da reação que transforma os gases hidrogênio e cloro em ácido clorídrico é: H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g) ΔH ≅ –185 kJ (25°C, 1 atm) A equação fornece os seguintes dados: O estado físico das substâncias – gasoso (g);
2 mol de HCl;
Repare que:
cai:
A variação da entalpia é representada em diagramas de entalpia. Veja o diagrama para uma reação exotérmica e outra, endotérmica: Entalpia vai, Entalpia vem A primeira reação é exotérmica, e a segunda, endotérmica. Nos diagramas, a medida de entalpia está indicada no eixo vertical. O ponto Hr é a medida de entalpia dos reagentes. Repare que essa entalpia permanece constante enquanto a reação não tem início. Quando a reação se completa, a entalpia dos produtos (Hp) está num ponto diferente, no eixo vertical – acima ou abaixo do ponto Hr. Isso significa que a entalpia variou. A diferença de altura entre as duas retas indica a medida da variação de entalpia (∆H) de cada uma das reações, e o sentido dessa variação mostra se a reação é exotérmica ou endotérmica.CombustãoToda combustão é uma reação na qual um combustível reage com o comburente oxigênio (O2) liberando energia – ou seja, toda combustão é uma reação exotérmica. A combustão completa de uma substância orgânica (que contém carbono) ocorre quando, na reação com o oxigênio do ar, formam-se gás carbônico (CO2) e água (H2O). A respiração é uma combustão completa: o oxigênio inalado “queima” os alimentos, liberando energia. Quando falta oxigênio, ocorre a combustão incompleta, cujos produtos são monóxido de carbono (CO) e fuligem. A combustão incompleta libera menos calor que a completa – ou seja, para uma mesma quantidade de combustível, a combustão incompleta produz menos energia. Veja:
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH = – 802 kJ/mol
CH4(g) + 3/2 O2(g) → CO(g) + 2 H2O(g) ΔH = – 520 kJ/mol Sabendo-se a quantidade de calor liberada por diferentes combustíveis, pode-se comparar o valor energético de cada um deles – ou seja, quanta energia cada um rende no motor de um veículo, por exemplo. Entalpia-padrão Em laboratório, consegue-se medir apenas a variação de energia de uma reação. Para fazer previsões quanto ao calor liberado ou absorvido de uma reação – e, daí, definir a energia química de cada substância –, os químicos criaram um padrão e, a partir dele, uma escala relativa – a entalpia-padrão (H0). Numa reação de combustão, falamos em entalpia- padrão de combustão. Nas reações que formam uma substância composta a partir de substâncias simples, falamos em entalpia-padrão de formação. A entalpia-padrão é sempre dada para a substância em seu estado físico mais comum nas condições-padrão. Por convenção, as substâncias simples (compostas de um único elemento químico, como C(s), O2(g), H2(g) e Fe(s)) têm entalpia zero. CONDIÇÕES-PADRÃO: As condições-padrão são: temperatura de 25°C e pressão de 1 atmosfera (atm). E nessas condições que são definidas a entalpia de qualquer substancia e a entalpia-padrão de qualquer reação. O expoente zero sobre o H, em H° ou ΔH°, significa que a entalpia e sua variação foram calculadas nessas condições. Entalpia de formaçãoOs gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) são substâncias simples e, por isso, têm entalpia-padrão zero. Mas, ao reagir, os dois gases produzem água. Essa é uma reação exotérmica: H2(g) + ½ O2 (g) → H2O(l) ΔH° = – 286 kJ Como a água é o único produto formado pela reação, podemos dizer que toda a entalpia está nas moléculas de água. Esse valor é chamado entalpia-padrão de formação (ΔH°f ). O valor da entalpia-padrão de formação é sempre calculado para um mol da substância produzida. Todas as substâncias têm a entalpia de formação medida em laboratório. Veja a entalpia-padrão de formação de algumas delas: Lei de Hess Em 1840, o russo Germain Henri Hess verificou que a quantidade de energia térmica liberada numa reação não depende de seu caminho, apenas dos estados inicial e final da reação. A lei de Hess afirma que a variação de energia térmica num processo químico depende somente das propriedades das substâncias nos estados inicial e final. Essa variação é a mesma, não importando se o processo se realiza em um ou em diversos estágios. LEI DE HESS GRAFITE: O grafite é um alótropo do carbono – ou seja, uma dentre várias substâncias compostas apenas de átomos de carbono. Outro alótropo do carbono é o diamante. A diferença entre eles é a conformação geométrica em que os átomos se organizam.
C (s) + O2 (g) → CO2 (g) ΔH = –393 kJ/mol
Etapa I : C (s) + ½ O2 (g)→ CO (g) ΔH1 = –110 kJ/mol (combustão incompleta) Etapa II: CO (g) + ½ O2 (g) → CO (g) ΔH2 = –283 kJ/mol (combustão completa) Organizando e somando as equações do caminho 2: Etapa I: C (grafite) + 1/2 O2(g) → CO(g) ΔH1 = –110 kJ/mol Etapa II: CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) ΔH2 = –283 kJ/mol A soma das equações, passo a passo:
½ O2 + ½ O2 = 1 O2;
ΔH = –110 – 283 = –393 kJ/mol
global – uma equação que representa a reação direta, sem as etapas intermediarias: Etapa I: C (grafite) + 1/2 O2(g) → CO(g) ΔH1 = –110 kJ/mol Etapa II: CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) ΔH2 = –283 kJ/mol Reação global: C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ΔH = –393 kJ/mol Compare o resultado dessa soma com a reação de combustão completa do carbono (caminho 1). E confirme a lei de Hess:
da reação global. A lei de Hess num diagrama de entalpia dessa reação: Direto ou com escalas O diagrama mostra a variação de entalpia de duas reações que, em sequência, produzem CO2. A reação 2 ocorre entre o CO produzido na primeira reação com O2, resultando em CO2, numa combustão completa. A soma das duas variações de entalpia é a variação de entalpia da reação global: ∆H = ∆H1 + ∆H2 = –393 kJ/mol.É comum que as equações químicas tragam coeficientes em frações. E o que acontece na equação da formação da água aqui apresentada, em que 1 H2 reage com . O2. Meio O2 não significa meia molécula, mas meio mol de moléculas de oxigênio (3 . 1023 moléculas). As frações são necessárias quando se calcula a entalpia-padrão (sempre para um mol) de uma substancia formada. A matemática das reaçõesAo calcular a variação de entalpia pela lei de Hess, comparamos duas ou mais reações químicas. Nesse caso, é comum que precisemos somar as equações. Essa soma segue as regras para a soma de equações matemáticas. E, assim como na matemática, em química pode-se usar uma série de truques para resolver a conta: multiplicar, dividir ou inverter as equações para obter os coeficientes estequiométricos necessários. Entenda, a seguir, a lógica dessa soma. Na soma de equações químicas,
podemos multiplicar, dividir ou inverter as equações para obter os coeficientes estequiométricos necessários. Mas não se esqueça de que: Quando a energia dos reagentes e maior que a dos produtos da reação e classificada como?Já nas reações exotérmicas, a energia dos reagentes é maior que a dos produtos. Normalmente, os reagentes perdem calor para que a reação ocorra, o que acontece, por exemplo, na queima do papel.
Quando a entalpia dos produtos e maior que a dos reagentes?Numa reação exotérmica – aquela que libera calor –, a entalpia dos produtos (Hp) é menor que a dos reagentes (Hr). Se Hp < Hr, ΔH < 0. Inversamente, numa reação endotérmica, a entalpia dos produtos (Hp) é maior que a dos reagentes (Hr). Se Hp > Hr, ΔH > 0.
Qual e a reação exotérmica?Reação Exotérmica é aquela em que há liberação de energia. Nesse processo, a produção de energia somente persiste mediante o fornecimento contínuo de energia. A mudança de estados físicos, nessa ordem: gasoso, líquido e sólido, é um exemplo de reação exotérmica.
Quando a energia dos produtos e menor que a dos reagentes a reação e exotérmica?Reagentes → Produtos + calor
Visto que os reagentes perderam parte de seu conteúdo energético, o valor da entalpia (H) ou valor da energia global dos produtos (HP) é menor do que a entalpia dos reagentes (HR) nos processos exotérmicos e, consequentemente, a variação da entalpia (ΔH) será negativa.
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