Termoquímica

Introdução

A termoquímica é o estudo da energia e do calor associados às reações químicas e às mudanças físicas. É uma parte essencial da química que nos ajuda a entender como a energia é transferida como calor. A termoquímica envolve os conceitos de energia, calor, trabalho, entalpia e capacidade calorífica específica. Compreender esses conceitos pode ajudar a prever se uma reação será espontânea e que tipo de mudanças de energia ocorrerão.

Conceitos básicos

Energia

Na termoquímica, energia refere-se à capacidade de realizar trabalho ou produzir calor. É medida em joules (J) ou calorias, sendo o joule a unidade padrão do SI para energia. A energia pode ser transferida entre um sistema e seu entorno, e se apresenta em várias formas, como energia cinética, energia potencial, energia química e energia térmica.

Calor

O calor é a transferência de energia térmica de um objeto para outro. Flui de um objeto mais quente para um objeto mais frio até que o equilíbrio térmico seja alcançado. A unidade de calor também é o joule. Nas reações químicas, o calor é absorvido ou liberado, causando reações endotérmicas ou exotérmicas.

Trabalho

Trabalho envolve mover um objeto contra uma força. Esta é outra maneira de transferir energia além do calor. Em muitas reações químicas, o trabalho é realizado quando gases se expandem ou contraem. No entanto, na termoquímica, muitas vezes nos concentramos no calor como o modo principal de transferência de energia durante os processos químicos.

Entalpia

A entalpia (H) é uma propriedade de um sistema termodinâmico. É definida como o conteúdo total de calor de um sistema. A mudança na entalpia, representada como ΔH, é importante para entender quanto calor é absorvido ou liberado em uma reação. A mudança de entalpia pode ser calculada usando a fórmula:

ΔH = H(produtos) - H(reagentes)

- Se ΔH for negativo, a reação é exotérmica (libera calor). - Se ΔH for positivo, a reação é endotérmica (absorve calor).

Reações exotérmicas e endotérmicas

- Reações exotérmicas: Estas são reações que liberam energia térmica para o entorno. Como resultado, a temperatura do entorno aumenta. Um exemplo comum disso é a combustão da gasolina. - Reações endotérmicas: Estas reações absorvem energia térmica do entorno. A temperatura do entorno diminui. A fotossíntese é um exemplo de processo endotérmico.

Medição de calor e temperatura

Temperatura

Temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas em uma substância. É um fator essencial na termoquímica porque afeta a taxa em que as reações ocorrem e as mudanças de energia envolvidas. A temperatura é medida em graus Celsius (°C) ou Kelvin (K).

Capacidade calorífica específica

A capacidade calorífica específica de uma substância é a quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de 1 grama dessa substância em 1 grau Celsius. É uma propriedade importante ao calcular mudanças de calor em processos termoquímicos. Sua fórmula é:

q = m × c × ΔT

Onde: - q é o calor absorvido ou liberado (em joules). - m é a massa da substância (em gramas). - c é a capacidade calorífica específica (em J/g°C). - ΔT é a mudança de temperatura (em °C).

Calorimetria

A calorimetria é a ciência de medir calor com base na observação de mudanças de temperatura em um calorímetro. Um calorímetro é um instrumento isolado usado para medir a quantidade de calor absorvido ou liberado durante uma reação química ou processo físico.

Tipos de calorimetria

1. Calorimetria de copo de café: Esta é uma calorimetria a pressão constante que geralmente é usada para reações que ocorrem em soluções onde a pressão permanece constante. É frequentemente utilizada em laboratórios de ensino médio. 2. Calorimetria de bomba: Esta é uma calorimetria a volume constante usada em reações onde gases estão envolvidos. É mais avançada e utilizada em laboratórios sofisticados.

Exemplo de cálculo de calorimetria

Suponha que você tenha 100 gramas de água e misture com uma substância, que eleva a temperatura da água em 5 graus Celsius. Para calcular a quantidade de calor absorvido pela água, você usaria a capacidade calorífica específica da água, que é 4,18 J/g°C:

q = m × c × ΔT
q = 100 g × 4,18 J/g°C × 5 °C
q = 2090 J

Portanto, a água absorveu 2090 J de calor.

Diagrama de energia

Diagramas de energia são usados para representar mudanças de energia durante uma reação química. Eles representam a energia dos reagentes e dos produtos, bem como a energia de ativação necessária para iniciar a reação.

Lei de Hess

A lei de Hess afirma que a mudança total de entalpia para uma reação é a mesma, não importa quantas etapas a reação seja realizada. Este princípio permite o cálculo das mudanças de ΔH usando valores conhecidos de outras reações, desde que as condições iniciais e finais permaneçam inalteradas.

Exemplo usando a lei de Hess

Por exemplo, se nossas reações forem as seguintes:

A + B -> C ΔH₁ = 50 kJ/mol
C -> D ΔH₂ = 30 kJ/mol

A reação geral é a seguinte:

A + B -> D

Usando a lei de Hess, a mudança total de entalpia seria:

ΔH = ΔH₁ + ΔH₂
ΔH = 50 kJ/mol + 30 kJ/mol = 80 kJ/mol

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica também é conhecida como a lei da conservação da energia. Ela afirma que a energia não pode ser criada ou destruída em um sistema isolado. Em vez disso, ela só pode ser transferida de uma forma para outra. No contexto da termoquímica, isso implica que a mudança de energia em um sistema é obtida subtraindo-se o calor adicionado ao sistema do trabalho realizado pelo sistema:

ΔU = q - w

Onde: - ΔU é a mudança na energia interna. - q é o calor adicionado ao sistema. - w é o trabalho realizado pelo sistema.

Espontaneidade das reações

Um ponto importante na termoquímica é determinar se uma reação será espontânea. Uma reação espontânea ocorre sem qualquer entrada externa de energia. A espontaneidade de uma reação depende tanto da mudança de entalpia quanto da mudança de entropia (uma medida da desordem) de um sistema.

Energia livre de Gibbs

A energia livre de Gibbs (G) é usada para estimar a espontaneidade de uma reação a pressão e temperatura constantes. A mudança na energia livre de Gibbs (ΔG) é dada por:

ΔG = ΔH - TΔS

Onde: - ΔG é a mudança na energia livre de Gibbs. - ΔH é a mudança de entalpia. - T é a temperatura em Kelvin. - ΔS é a mudança de entropia.

Se ΔG for negativo, a reação é espontânea. Se ΔG for positivo, a reação não é espontânea.

Conclusão

A termoquímica proporciona um entendimento fundamental da transferência de energia durante os processos químicos. Seus princípios são essenciais em estudos acadêmicos e aplicações práticas, como a previsão de resultados de reações, o design de sistemas energeticamente eficientes, entre muitos outros. Ao explorar conceitos termoquímicos básicos, você agora tem a base para se aprofundar em tópicos relacionados à energia na química.

Comentários