Termoquímica e transformação de energia

Termoquímica é o estudo das mudanças de temperatura que ocorrem durante reações químicas. É um ramo da química que combina os princípios da termodinâmica e da química para entender como e por que a energia é transferida durante processos químicos.

O que é energia?

Para entender a termoquímica, primeiro precisamos saber o que é energia. Energia é a capacidade de realizar trabalho ou produzir calor. Ela existe em várias formas, como energia química, energia cinética, energia potencial e energia térmica. No contexto da termoquímica, estamos mais preocupados com energia química e térmica.

Tipos de energia

Vamos ver alguns dos principais tipos de energia:

• Energia química: É a energia armazenada nas ligações de compostos químicos, como moléculas e átomos. Durante uma reação química, as ligações são quebradas e novas ligações são formadas, o que pode absorver ou liberar energia.
• Energia térmica: É a energia proveniente do calor. Ela está relacionada à temperatura de um sistema, que é uma medida da energia cinética ou velocidade de suas partículas.
• Energia cinética: É a energia do movimento. Quando um objeto se move, ele possui energia cinética. Por exemplo, um carro em movimento ou uma pessoa correndo.
• Energia potencial: É a energia armazenada em um objeto devido à sua posição. Isso pode ser energia potencial gravitacional, como um livro na prateleira, ou energia potencial elástica, como uma mola esticada.

Conservação de energia

A lei da conservação de energia afirma que a energia não pode ser criada nem destruída. Ela pode apenas ser transferida de uma forma para outra. Isso significa que a energia total de um sistema isolado permanece constante.

Por exemplo, quando você acende uma vela, a energia química da cera é convertida em energia térmica (calor) e energia luminosa. Aqui está um exemplo visual simples:

    Cera (energia química) --> Calor (energia térmica) + Luz (energia luminosa)
    Cera (energia química) --> Calor (energia térmica) + Luz (energia luminosa)
    

Reações exotérmicas e endotérmicas

Reações químicas podem ser classificadas em reações exotérmicas e endotérmicas com base nas mudanças de energia que ocorrem:

Reações exotérmicas

Reações exotérmicas são reações que liberam energia na forma de calor ou luz. Nessas reações, a energia dos produtos é inferior à energia dos reagentes. A energia excessiva é liberada no ambiente ao redor, muitas vezes causando sensação de aquecimento no ambiente. Exemplos incluem:

• Combustão de combustíveis, como madeira ou gasolina.
• Respiração em organismos vivos.
• Reação de ácidos com bases.

Exemplo visual de uma reação exotérmica:

    Reagentes (alta energia) --> Produtos (baixa energia) + Energia (calor/luz)
    Reagentes (alta energia) --> Produtos (baixa energia) + Energia (calor/luz)
    

Reações endotérmicas

Reações endotérmicas são reações que absorvem energia do ambiente ao redor. Isso significa que a energia dos produtos é maior do que a energia dos reagentes. O ambiente em torno pode parecer mais frio após a reação. Exemplos incluem:

• Fotossíntese em plantas.
• Dissolver nitrato de amônio em água.
• Derretimento de cubos de gelo.

Exemplo visual de uma reação endotérmica:

    Reagentes (baixa energia) + Energia (calor) --> Produtos (alta energia)
    Reagentes (baixa energia) + Energia (calor) --> Produtos (alta energia)
    

Medindo mudanças de energia

As mudanças de energia em reações químicas podem ser medidas usando um calorímetro. Um calorímetro é um instrumento que mede a quantidade de calor absorvido ou liberado durante uma reação química. A unidade de energia mais comumente usada é o joule (J), mas a caloria (cal) também é utilizada.

Entalpia

Na termoquímica, o termo entalpia (H) é usado para descrever a energia total de um sistema, incluindo a energia interna e a energia que pode ser trocada com o ambiente (geralmente como uma função de pressão–volume).

A mudança na entalpia (ΔH) é uma medida da mudança de calor durante uma reação química a pressão constante. Pode ser calculada usando:

    ΔH = H_produtos - H_reagentes
    ΔH = H_produtos - H_reagentes
    

Se ΔH é negativo, a reação é exotérmica. Se ΔH é positivo, a reação é endotérmica.

Cálculo exemplo usando entalpia

Vamos fazer um exemplo de cálculo da mudança de entalpia para uma reação:

Suponha que você tenha uma reação em que 2 mols de gás hidrogênio reagem com 1 mol de gás oxigênio para produzir 2 mols de vapor de água. A mudança de entalpia (ΔH) para esta reação é -483,6 kJ.

    2 H 2 (g) + O 2 (g) --> 2 H 2 O(g) ΔH = -483,6 kJ
    2 H 2 (g) + O 2 (g) --> 2 H 2 O(g) ΔH = -483,6 kJ
    

Isso significa que quando a reação ocorre, 483,6 kJ de energia são liberados no ambiente ao redor.

Entropia

Entropia é uma medida da desordem ou irregularidade em um sistema. Geralmente, gases têm maior entropia do que líquidos, e líquidos têm maior entropia do que sólidos. Reações que aumentam a desordem de um sistema tendem a ocorrer espontaneamente.

Espontaneidade das reações

Uma reação espontânea é aquela que ocorre naturalmente sem necessidade de energia externa. A espontaneidade depende tanto da mudança na entalpia quanto da mudança na entropia. Usamos uma quantidade chamada energia livre de Gibbs (G) para medir a espontaneidade:

    ΔG = ΔH - TΔS
    ΔG = ΔH - TΔS
    

Nesta equação, ΔG é a mudança na energia livre de Gibbs, ΔH é a mudança na entalpia, T é a temperatura em Kelvin, e ΔS é a mudança na entropia. Se ΔG for negativo, a reação é espontânea.

Exemplo visual usando o diagrama de coordenada de reação

O diagrama de coordenada de reação pode ajudar a representar visualmente as mudanças de energia durante uma reação:

    Caminho da Reação: /-------- /  / (Produtos) / / / / ______/ (Reagentes)/
    Caminho da Reação: /-------- /  / (Produtos) / / / / ______/ (Reagentes)/
    

Neste diagrama:

• O eixo y representa energia.
• O eixo x representa o progresso da reação.
• O pico da curva representa a energia do estado intermediário, chamado de estado de transição.

Explorando exemplos específicos

Combustão do metano

Combustão é um exemplo comum de uma reação exotérmica. Quando o metano (CH_4) queima, ele reage com oxigênio (O_2) para formar dióxido de carbono (CO_2) e água (H_2O), liberando energia:

    CH 4 + 2 O 2 --> CO 2 + 2 H 2 O ΔH = -890 kJ/mol
    CH 4 + 2 O 2 --> CO 2 + 2 H 2 O ΔH = -890 kJ/mol
    

Esta reação libera 890 kJ de energia por mol de metano, indicando um processo significativamente exotérmico.

Fotossíntese

A fotossíntese é um exemplo de reação endotérmica. As plantas usam a luz solar para converter dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio. A equação é:

    6 CO 2 + 6 H 2 O + energia luminosa --> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
    6 CO 2 + 6 H 2 O + energia luminosa --> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
    

Neste processo, a energia da luz solar é absorvida para impulsionar a reação adiante, tornando-a endotérmica.

Conclusão

A termoquímica nos permite entender as mudanças de energia em reações químicas. Ao estudar essas mudanças, podemos entender melhor como a energia é transferida e transformada em vários processos, desde a queima de combustíveis até como as plantas produzem seu alimento. Conceitos como reações exotérmicas e endotérmicas, entalpia e energia livre de Gibbs são essenciais para esse entendimento e são componentes fundamentais da química.

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