Termoquímica – Guia Completo para aprender definitivamente

Termoquímica: Você sabe o que é termoquímica? 

Futuro Universitário, deixa eu adivinhar uma coisa...você está cheio de dúvidas sobre termoquímica, não é mesmo? Vai fazer uma prova e sequer sabe o que é este assunto, nem como ele pode ser cobrado na sua prova.

Mas fique tranquilo que, neste artigo, eu te mostro as principais informações para você mandar bem em qualquer prova que caia este assunto. Seja nos vestibulares, ENEM, ou simplesmente em suas provas de colégio.

Neste artigo, você vai aprender:

  • O que é termoquímica?
  • De onde vem a energia envolvida nas reações químicas;
  • O que é entalpia de reação;
  • O que são reações endotérmicas e exotérmicas;
  • Como identificar reações endotérmicas e exotérmicas;
  • Quais fatores influem nas entalpias das reações?
  • O que é equação termoquímica?
  • Quais os casos particulares de entalpias ou calores de reação?
  • Lei de Hess
  • Entropia e Energia Livre.

Se você precisa aprender este assunto, fique comigo até o final.

O que é Termoquímica?

De forma bem direta, a Termoquímica é o ramo da química que estuda a quantidade de calor (energia) envolvida nas reações químicas, seja na absorção de energia, ou mesmo na liberação de energia.

Você já se perguntou, por que o o querosene de avião, ao invés da gasolina, é o combustível de aviões?

Ou até mesmo, por que o combustível de caminhões e caminhonetes é o diesel e não o álcool ou gasolina?

A resposta para essas perguntas está no estudo da Termoquímica. E eu prometo, que até o final deste artigo, você saberá exatamente as respostas destes dois questionamentos.

Portanto, acompanhe este artigo até o final. E se você gostar, deixe seu comentário e compartilhe com seus amigos. Combinado?

De onde vem a energia envolvida nas reações químicas estudadas em Termoquímica?

A energia envolvida nas reações químicas provém de dois lugares: das próprias substâncias envolvidas na reação, e da vizinhança ao sistema, ou seja, do ambiente onde a reação está acontecendo.

Vamos falar um pouco sobre cada uma delas.

Você deve ter aprendido em outras artigos do meu blog que toda substância é formada pela união de átomos através de ligações químicas, e que essas substâncias além de estarem em constante movimento, possuem uma interação entre elas e suas moléculas vizinhas, interação conhecida como forças intermoleculares. Todas essas interações envolvendo as substâncias fazem com que elas possuam uma quantidade de energia interna (E) característica.

Assim, as moléculas da água (H2O), por exemplo, possuem uma quantidade de energia diferente das moléculas do metano (CH4), já que são constituídos de átomos diferentes e as forças intermoleculares também são diferentes.

A outra forma de energia provém da vizinhança, na forma de troca de calor (Q), seja sendo absorvida pelo sistema reacional, seja sendo liberada pelo sistema. Portanto, quando aquecemos uma reação química, estamos fornecendo calor para o sistema. Por outro lado, quando resfriamos o sistema, estamos retirando calor do sistema reacional.

Portanto, as energias envolvidas nas reações químicas são oriundas da própria natureza das moléculas, ou de fontes externas de calor.

O que é entalpia de reação em termoquímica?

Em termoquímica, Entalpia é sinônimo de ENERGIA, e sua representação é a letra “H”. Ou seja, sempre que você ler o termo Entalpia, tenha em mente que está se falando de energia. Desta forma, será comum você presenciar termos como:

  • Entalpia de reagente: que significa energia dos reagentes;
  • Entalpia de Produtos:  que significa energia dos produtos;
  • Entalpia de combustão:  que significa energia envolvida na reação de combustão;
  • Entalpia de vaporização:  que significa energia envolvida para evaporar uma substância;
  • Entalpia de neutralização:  que significa energia envolvida nas reações de neutralização entre ácidos e bases;

A Entalpia de Reação mede a energia envolvida em uma determinada reação química. É a diferença entre as entalpias (energia) dos produtos e entalpias (energia) dos reagentes. Matematicamente podemos representar a entalpia da reação por:

ΔH = Hp-Hr, onde ΔH é a entalpia da reação, Hp é a entalpia do produto, e Hr é a entalpia dos reagentes;

Se a reação acontece de tal forma que a entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos reagentes, dizemos que a reação é endotérmica, pois aconteceu com absorção de energia proveniente do meio externo.

Se a reação acontece de tal forma que a entalpia dos produtos é menor que a entalpia dos reagentes, dizemos que a reação é exotérmica, pois aconteceu uma liberação de energia do meio reacional (substâncias) para o meio externo.

Portanto, a entalpia de reação mede a quantidade de energia envolvida na reação química, que pode ser endotérmica (quando absorve energia) ou exotérmica (quando libera energia).

O que são reações endotérmicas e exotérmicas em termoquímica?

Reações endotérmicas são aquelas reações que acontecem com absorção de energia do meio externo. Ou seja, o meio externo forneceu uma certa quantidade de energia para as substâncias do reagente permitindo que estas reagissem e formassem as novas substâncias do produto. Esse produto precisou de mais energia para se formarem, acumulando uma maior quantidade de energia em suas moléculas.

Por outro lado, reações exotérmicas são aquelas que acontecem com liberação de energia para o meio externo. Ou seja, no processo de quebra de ligações dos reagentes e formação de novas ligações dos produtos, as substâncias do produto precisam de menos energia para se formarem, desta forma, o excesso de energia é liberado para o meio externo na forma de calor.

Portanto, enquanto reações endotérmicas são aquelas que acontecem com absorção de calor, reações exotérmicas são aquelas com liberação de calor.

Como identificar reações endotérmicas e exotérmicas em termoquímica?

É extremamente importante você saber identificar quando uma reação é endotérmica ou exotérmica. E há 3 formas de você fazer essa identificação:

1- Através do sinal da entalpia de reação:

Como visto no tópico anterior, reações endotérmicas possuem entalpia dos produtos maior que entalpia de reagentes. Quando olhamos a fórmula da entalpia de reação ( ΔH = Hp-Hr), percebemos que se Hp > Hr o valor de ΔH semrpe será positivo. Desta forma, entalpias de reação com sinal positivo (ΔH >0) indicam reações endotérmicas.

Por outro lado, vimos que reações exotérmicas são aquelas cuja entalpia dos produtos é inferior a entalpia dos reagentes, desta forma, se olharmos a fórmula da entalpia de reação ( ΔH = Hp-Hr), veremos que Hp<Hr e consequentemente, o ΔH <0. Desta forma, entalpias de reação com sinal negativo (ΔH <0) indicam reações exotérmicas.

2- Através da equação termoquímica

No próximo tópico, você verá mais detalhadamente  o que é uma equação termoquímica, mas de antemão eu te informo que é equação da  reação que mostra além das substâncias envolvidas nos produtos e reagentes, a entalpia da reação envolvida. A energia pode ser apresentada como ΔH, conforme pode ser visto na figura abaixo:

termoquímica reações termoquímicas

Mas também pode ser apresentada como se fosse um reagente ou produto. Conforme pode ser visto nas figuras abaixo.

Na figura 1 você pode ver que a energia entra como reagente, isso significa que ela está sendo absorvida pelos reagentes, e portanto, se trata de uma reação endotérmica.

termoquímica reações termoquímicas exemplo1Na figura 2 você pode ver que a energia sai junto com os produtos, isso significa que ela está sendo liberada, e portanto se trata de uma reação exotérmica.
termoquímica reações termoquímicas exemplo2 - Termoquímica - Guia Completo para aprender definitivamente

3 - Através do gráfico da reação

A terceira e última forma de identificar reações endotérmicas e exotérmicas é através de gráficos.

O gráfico das reações endotérmicas mostram um patamar de entalpia de reagentes inferior ao patamar da entalpia dos produtos, mostrando visualmente, que houve um aumento de entalpia (energia) na reação. Veja a figura abaixo e observe que o patamar da entalpia dos reagentes é menor.

termoquímica reações endotérmicas e exotérmicas

Já o gráfico das reações exotérmicas mostram um patamar de entalpia de reagentes maior que o patamar da entalpia dos produtos, mostrando claramente, que houve uma diminuição de entalpia (energia) durante a reação, e que esta energia excedente saiu em forma de calor. Veja a afigura abaixo e observe que o patamar da entalpia dos reagentes é maior que do produto.

OBS: Para se calcular a entalpia de reação através dos gráficos, basta observar no gráfico os valor de Hp (Entalpia do produto) e Hr(Entalpia de reagente) e fazer a substituição na fórmula vista neste artigo (ΔH = Hp-Hr).

Quais fatores influem nas entalpias das reações?

Como vimos a entalpia de reação é a quantiadade de energia liberada ou absorvida em uma reação. Evidentemente, essa quantidade de energia depende da quantidade de reagentes (substâncias) que participam da reação. Quanto maior a quantidade de reagentes, maior é a quantidade de energia envolvida.

Mas há outros fatores que influem nas entalpias de reações, tais como:

  • Estados físicos dos reagentes e produtos da reação;

O estado físico vapor possui maior entalpia que o estado físico líquido, o qual, por sua vez, possui maior entalpia que o estado físico sólido. Isso  se deve ao fato da agitação molecular, quanto maior a agitação molecular, maior a entalpia (energia) da substância. Desta forma, como no estado de vapor  as moléculas estão em movimento constante, sua entalpia é mais elevada que líquidos e sólidos.

  • a forma alotrópica dos dos reagentes e produtos da reação;

O estado alotrópico mais estável possui menor entalpia. Por exemplo, grafite e diamante são alótropos pois são substâncias diferentes formados pelos mesmos átomos, mudando apenas  a forma com que os átomos se ligam. É mais comum encontrar o grafite na natureza que o diamante, por isso, diz-se que o grafite é a forma alotrópica mais estável. O grafite possui menor entalpia que o diamante.

  • o fato de os reagentes estarem ou não em solução e a concentração desta solução;

O fato de os reagentes estarem em solução e sua concentração afetam a entalpia da reação uma vez que aumenta as interações entre as diversas substâncias presentes na mistura. Quanto maior a interação entre as substâncias, maior a energia interna e maior a entalpia.

  • a temperatura na qual se efetua a reação.

Quanto maior a temperatura da reação, maior é agitação molecular dos reagentes, com isso, aumenta-se a entalpia dos reagentes, impactando diretamente na entalpia da reação.

Vamos aprender o que são equações termoquímicas.

O que é equação termoquímica?

Você deve lembrar que a equação química é a representação simbólica de uma reação química, quando representamos as substâncias ( reagentes e produtos) que participam de uma determinada reação química.

Já a equação termoquímica é um “plus” da equação química, pois além de representar as substâncias, mostra a entalpia (energia) da reação envolvida.

São exemplos de equações termoquímicas:

 

termoquímica reações termoquímicas

Perceba que a partir das equações termoquímicas é possível saber a quantidade de energia envolvida nas reações.

Qual a importância de saber a equação termoquímica?

É através da equação termoquímica que conseguimos prever a quantidade de energia produzida por mol ou kg de substância reagida. Veja os casos da combustão da gasolina (2,2,4-trimetil-pentano - C8H18) e do etanol (C2H6O).

termoquímica entalpia de combustão do etanol e gasolina

Perceba que as quantidades de energia produzidas são diferentes. A combustão da gasolina libera mais energia que o álcool.

Assim como a combustão da gasolina libera mais energia que o álcool, a combustão do querosene de avião libera mais energia que a gasolina.

É aí onde está a resposta do questionamento lá do início do artigo. Aviões não utilizam gasolina ou álcool como combustível porque estes compostos têm um poder calorífico muito pequeno ( geram pouca energia), insuficiente para se fazer deslocar um avião extremamente pesado.

Portanto, conhecer as equações termoquímicas permitem selecionar o melhor combustível para a finalidade que se pretende atingir.

No japão há indústrias de energia utilizando a queima de lixo das cidades como fonte de energia. Veja este vídeo abaixo. Elas utilizam o calor de combustão dos diversos compostos presentes no lixo para produzirem energia. Confira no vídeo abaixo.

Quais os casos particulares de entalpias ou calores de reação em termoquímica?

Os principais casos particulares de entalpias de reação em termoquímica são:

  • Entalpia padrão de formação de uma substância (deltaH°f)
  • Entalpia de combustão de uma substância;
  • Entalpia de Neutralização
  • Energia de Ligação

Abaixo vou falar um pouco sobre cada uma delas, acompanhe-me até o final.

Entalpia padrão de formação de uma susbtância: é a energia inerente da substância. Ela mede a quantidade energética que a susbtância possui, considerando a sua energia cinética e interação intermoleculares. Ela é obtida a partir da reação de substâncias simples. Veja os exemplos abaixo:

  • H2 + 1/2O2 → H2O
  • 2C(grafite) + 3H2  + 1/2O2 ---> C2H5OH

Perceba que as substâncias foram produzidas a partir de substâncias simples.

Entalpia de Combustão de uma substância: é a energia liberada na reação de combustão total de 1 mol de substância, supondo-se todas as substâncias em seu Estado Padrão. A entalpia de combustão sempre será negativa, ou seja, a reação será exotérmica.

Cada substância possui um calor ou entalpia de combustão característica. Veja o exemplo abaixo:

termoquímica entalpia de combustão do etanol e gasolina

Entalpia de neutralização: Energia liberada na reação de neutralização entre 1 mol de íons H+(ácidos) e 1 mol de íons (OH-) bases.

Energia de Ligação: É a quantidade de energia necessária para quebrar 1 mol de uma ligação química no estado gasoso.

Para aprender um pouco mais através de exercícios resolvidos, assista a estes vídeos abaixo:

 

Veja a continuação do vídeo...

 

Lei de HESS

A lei de Hess é muito utilizada naquelas reações que possuem estados intermediários. Ela afirma que a variação de entalpia de uma reação química depende apenas dos estados iniciais e finais da reação.

Eu escrevi um artigo específico sobre lei de hess. Acesse-o clicando aqui e aprenda mas sobre o assunto.

 

Entropia e Energia Livre

A entropia define o grau de desordem de um sistema. Quanto maior a desordem, maior é sua entropia.

Como exemplo, veja o estado físico da matéria. Estado Vapor possui maior entropia que o líquido, uma vez que suas moléculas estão mais afastadas e mais desorganizadas que as moléculas do líquido.

Usando o mesmo raciocínio, o líquido tem maior entropia que o estado sólido, uma vez que as moléculas no estado sólido estão completamente organizadas.

A Energia livre é calculada a partir de conceitos de entalpia de reação e entropia. Ela define se uma reação é espontânea ou não-espontânea.

Para se calcular a energia livre deve-se usar a seguinte fórmula:

termoquímica energia livre

Energia Livre menor que zero indica reação espontânea;

Energia livre maior que zero indica reação não espontânea;

 

É isso aí, futuro universitário, chegamos ao final de mais um artigo.

Espero que você tenha gostado. Se você gosotu, deixe seu comentário, compartilhe no whatsapp ou facebook.

Grande abraço e até o próximo artigo.

Danilo Nogueira

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