Termoquímica: entenda a troca de calor nas reações!

 

Uma das prioridades das pesquisas na área da termoquímica é desenvolver conhecimento a respeito do fluxo e dos fenômenos de energia, além de entender o dimensionamento energético na transformação da matéria. Esses estudos podem, inclusive, resultar em novas formas energéticas.

A energia é cada vez mais necessária nos sistemas produtivos, nas atividades domésticas e na manutenção da qualidade de vida das pessoas. Entretanto, muitos processos utilizados para obtê-la provocam sérios problemas ambientais e comprometem a vida na Terra. Por isso, alternativas inovadoras derivadas de processos termoquímicos vêm sendo testadas, como o biodiesel.

Neste post, vamos apresentar um resumo com as principais questões relacionadas ao conceito de termoquímica. Acompanhe!

O que é termoquímica?

A termoquímica é a área da Química que estuda a quantidade de calor liberado ou absorvido durante uma reação. Essa troca de energia que ocorre durante as transformações pode se manifestar pela absorção ou emissão de luz, eletricidade ou calor. É possível, inclusive, que aconteçam mudanças no estado físico da matéria durante o processo.

Termoquímica exotérmica e endotérmica

A termoquímica é dividida em dois processos: endotérmicos e exotérmicos — ou seja, respectivamente, que absorvem e liberam energia. O ciclo da água, por exemplo, ilustra bem a relação da energia com a transformação de estados físicos.

A evaporação da água está relacionada com a energia térmica propagada pelos raios de sol incidentes sobre a Terra. Para que esse processo ocorra, é preciso que haja absorção de energia. A formação das nuvens acontece por meio da condensação, que ocorre com a liberação de energia.

A quantidade de energia envolvida na absorção e na liberação está relacionada com as interações intermoleculares. A intensidade dessas ligações determina os estados físicos das substâncias. Já a formação e a quebra de ligações químicas envolve a interação da energia com a matéria.

A queima das velas, por exemplo, é um processo que libera energia (reação exotérmica). O cozimento dos alimentos, por sua vez, absorve energia (reação endotérmica). Nessas reações químicas, ocorrem tanto a quebra quanto a formação de ligações intramoleculares.

Mas como podemos determinar se uma reação é endotérmica ou exotérmica? Para isso, é preciso avaliar a energia que foi absorvida durante a quebra das ligações dos reagentes e a energia cedida na formação das ligações dos produtos. A diferença energética entre elas indica a natureza do processo.

Equação termoquímica

As equações termoquímicas são formas de representar os processos que envolvem troca de calor. Dessa forma, é necessário indicar todos os fatores que podem afetar o valor da entalpia (assunto do nosso próximo tópico) — que é sempre representado em termos de energia por quantidade de matéria (kJ/mol, por exemplo).

Confira, a seguir, alguns exemplos de cálculos de termoquímica para reações endotérmicas e exotérmicas.

Reações endotérmicas:

• decomposição da sacarose — C₁₂H₂₂O_11(s) + energia → 12C_(s) + 11 H₂O_(g)
• obtenção do ferro na indústria siderúrgica — Fe₂O_3(s) + 3C_(g) + energia → 2Fe_(s) + 3CO_2(g)

Reações exotérmicas:

• respiração dos animais — C₆H₁₂O_6(aq) + 6O_2(g) → 6CO_2(g) + 6H₂O_(g) + energia (reação global)
• combustão do etanol — C₂H₆O_(l) + 3O₂ →2CO_2(g) + 3H₂O_(g) + energia

Termoquímica: entalpia

A entalpia é a energia liberada ou absorvida em uma reação, quando produtos e reagentes são comparados sob a mesma pressão. Ela é representada por H, e sua variação, por ∆H. Podemos representar essa fórmula da termoquímica como:

• ∆H_reação = H_produtos – H_reagentes

Quando ∆H > 0, a entalpia (H) dos produtos é maior que a dos reagentes. Assim, ∆H > 0 indica processos endotérmicos e ∆H < 0, os exotérmicos. Então, lembre-se disto: sempre que você inverter uma equação termoquímica, é fundamental alterar o sinal de ∆H.

Tipos de entalpia

Ainda não há uma maneira experimental para definir o valor da entalpia de cada substância. Por isso, os químicos trabalham com a variação da entalpia nas transformações físicas e nas reações químicas. Ela pode ocorrer de duas maneiras: formação e combustão.

Entalpia de formação

A entalpia de formação (∆H_f) é a variação da entalpia durante a produção de uma substância simples, considerando que todas estão na sua forma estável. A entalpia padrão de formação (∆H_f°) é aquela determinada nas condições-padrão (25 °C, sob pressão de 1 atm, para gases, ou na concentração de 1 mol/L, para soluções).

Quando o elemento está nesse estado ideal, considera-se, por convenção, que a sua entalpia padrão de formação é igual a zero.

Vamos ver um exemplo prático de como podemos calcular a entalpia de formação de uma substância a partir da equação termoquímica que estudamos anteriormente? Considere a decomposição do CaCO₃:

• CaCO_3(s) → CaO_(s) + CO_2(g) ∆H = 177,5kJ/mol

Os valores de ∆H_f do CaO e do CO₂ são tabelados. Assim, temos:

∆H = H_produtos – H_reagentes

∆H = (H_caO + H_CO2) – ∆H_{f, CaCo3}

+177,5 = – ∆H_{f, CaCo3}

∆H_{f, CaCo3} = -1029,5 – 177,5

∆H_{f, CaCo3} = -1207,0 kJ/mol

Entalpia de combustão

A entalpia de combustão é a energia associada às reações de combustão, que são sempre exotérmicas. Sua equação termoquímica geral é dada por:

combustível + n O_2(g) → produtos (∆H < 0)

Se a combustão for completa, ou seja, se os produtos são somente CO₂ e H₂O nas condições-padrão, ela é denominada entalpia padrão de combustão (ou calor de combustão).

Energia de ligação

A energia de ligação é a quantidade de energia necessária para romper ou formar 1 mol de ligações. Esse conceito é muito útil para você determinar o valor de ∆H quando não forem dadas as informações experimentais.

Termoquímica Lei de Hess

Nem sempre é possível fazer as medições experimentais para determinar as entalpias das reações. Nesses casos, podemos trabalhar com um conjunto de equações ou fórmulas da termoquímica nas condições-padrão, que permitem esse cálculo quando rearranjadas, de modo a satisfazer os reagentes, os produtos e os coeficientes estequiométricos da equação global.

O processo de adição de entalpias em uma reação é conhecido como Lei de Hess, que diz que, independentemente de o composto ser formado de maneira direta ou indireta (em várias etapas), a quantidade de calor envolvida na sua composição é constante.

A transformação dos materiais por meio da termoquímica está presente tanto no setor industrial quanto no dia a dia do seu lar. Esses processos envolvem o consumo e a liberação energéticos. Por exemplo, a energia da boca do fogão é suficiente para cozinhar os alimentos. E essa interação entre matéria e energia também está presente na natureza, como nos ciclos biogeoquímicos. Por isso, estudar e entender o que é termoquímica é fundamental para você compreender diversos processos!

Agora, para testar os seus conhecimentos e fixar esse assunto, faça alguns exercícios de termoquímica no Stoodi! Aproveite também para entender ainda mais sobre Química com as nossas videolaulas e acesse o blog para ter acesso a diversos conteúdos gratuitos que vão ajudar nos seus estudos!