Variação de entalpia e diagramas energéticos
Numa fábrica de cimento, perto de Setúbal, queima-se gás natural para aquecer um forno a cerca de 900 °C e decompor o calcário. Na tua casa, o esquentador também queima gás, mas ninguém precisa de aquecer o gás para que a chama continue. Porque é que uma reação «dá» energia e outra a «pede» continuamente? Neste apartado vais aprender a medir e a representar essa diferença.
Entalpia e variação de entalpia
Os reagentes e os produtos de uma reação têm, cada um, uma certa energia armazenada nas ligações e nas interações entre as partículas. A entalpia, $H$, é a grandeza que descreve essa energia quando a reação ocorre a pressão constante (como acontece num recipiente aberto, à pressão atmosférica).
Não se mede o valor absoluto de $H$: mede-se a sua variação ao longo da reação.
O sinal de $\Delta H$ diz-te o sentido da troca de energia:
| Sinal | O que acontece | Classificação |
|---|---|---|
| $\Delta H < 0$ | $H_{\text{produtos}} < H_{\text{reagentes}}$: o sistema liberta energia para a vizinhança | exotérmica |
| $\Delta H > 0$ | $H_{\text{produtos}} > H_{\text{reagentes}}$: o sistema absorve energia da vizinhança | endotérmica |
Porquê este sinal? Porque $\Delta H$ é sempre «depois menos antes», do ponto de vista do sistema. Se o sistema fica com menos energia, a diferença é negativa e a energia que falta foi para a vizinhança (que aquece). Se fica com mais, a diferença é positiva e a energia veio da vizinhança (que arrefece).
A figura representa o diagrama energético de uma reação química completa. a) Classifica a reação como exotérmica ou endotérmica, justificando com a comparação entre a…
A figura representa o diagrama energético de uma reação química completa.
- a) Classifica a reação como exotérmica ou endotérmica, justificando com a comparação entre a energia dos reagentes e a dos produtos.
- b) Indica o sinal da variação de entalpia, $\Delta H$, desta reação.
- c) Explica o que representa a seta assinalada com «?» no diagrama.
Diagramas energéticos
Um diagrama energético representa a entalpia em função do progresso da reação. À esquerda ficam os reagentes, à direita os produtos, e a altura de cada nível indica o valor de $H$.
A flecha vertical entre os dois níveis representa $\Delta H$: aponta para baixo se os produtos estão mais baixos (exotérmica) e para cima se estão mais altos (endotérmica). O seu comprimento é o valor absoluto de $\Delta H$.
O diagrama da figura refere-se à decomposição de um mol de um composto, estando indicadas as energias associadas aos reagentes e aos produtos da reação. a) Determina o…
O diagrama da figura refere-se à decomposição de um mol de um composto, estando indicadas as energias associadas aos reagentes e aos produtos da reação.
- a) Determina o valor da variação de entalpia da reação, usando $\Delta H = E_{\text{produtos}} - E_{\text{reagentes}}$.
- b) Classifica a reação como exotérmica ou endotérmica.
- c) Indica se a temperatura do meio envolvente sobe ou desce enquanto a reação ocorre. Justifica.
Comparar reações e usar o valor de ΔH
O valor de $\Delta H$ refere-se à reação tal como está escrita, ou seja, às quantidades indicadas pelos coeficientes. Por exemplo, em
$$\text{CH}_4\ (\text{g}) + 2\ \text{O}_2\ (\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2\ (\text{g}) + 2\ \text{H}_2\text{O}\ (\text{l}) \qquad \Delta H = -890\ \text{kJ}$$são libertados $890\ \text{kJ}$ quando reagem $1\ \text{mol}$ de $\text{CH}_4$ e $2\ \text{mol}$ de $\text{O}_2$. Se reagirem $2\ \text{mol}$ de $\text{CH}_4$, a energia libertada é o dobro. A energia trocada é proporcional à quantidade de matéria que reage:
$$|Q| = n \times |\Delta H|$$em que $n$ é o número de moles de reação (quantas vezes a equação, tal como escrita, ocorre).
Para comparar reações, usa o valor de $\Delta H$: uma reação com $\Delta H = -890\ \text{kJ}$ liberta mais energia do que outra com $\Delta H = -286\ \text{kJ}$. Uma reação com $\Delta H > 0$ não liberta energia; absorve-a. Entre reações exotérmicas, liberta mais energia a que tem $\Delta H$ mais negativo.
A tabela reúne três reações e os respetivos valores de variação de entalpia, por mol de reação tal como está escrita: | Reação | $\Delta H$ (kJ) |…
A tabela reúne três reações e os respetivos valores de variação de entalpia, por mol de reação tal como está escrita:
| Reação | $\Delta H$ (kJ) |
|---|---|
| combustão do metano: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O | −890 |
| decomposição do carbonato de cálcio: CaCO₃ → CaO + CO₂ | +178 |
| formação de água líquida: H₂ + ½ O₂ → H₂O | −286 |
- a) Classifica cada reação como exotérmica ou endotérmica a partir do sinal de $\Delta H$.
- b) Ordena as três reações por ordem decrescente de energia libertada por mol.
- c) No caderno, esboça o diagrama energético da reação endotérmica da tabela, indicando os níveis de energia dos reagentes e dos produtos e a seta de $\Delta H$.
Exotérmica e endotérmica na prática
Voltemos ao forno de cimento. A decomposição do calcário é endotérmica: só continua enquanto lhe fornecerem energia. Se o aquecimento parar, a reação para. Por isso se queima gás natural no forno continuamente.
Uma combustão, pelo contrário, é exotérmica: a energia libertada pelas primeiras moléculas que reagem aquece as vizinhas e ajuda-as a reagir também. Depois de iniciada, a energia libertada mantém a combustão enquanto houver combustível e comburente, como acontece no esquentador.
Numa fábrica de cimento em Portugal, o calcário é decomposto em fornos a cerca de 900 °C:…
Numa fábrica de cimento em Portugal, o calcário é decomposto em fornos a cerca de 900 °C:
$\text{CaCO}_3\ \text{(s)} \rightarrow \text{CaO}\ \text{(s)} + \text{CO}_2\ \text{(g)} \qquad \Delta H = +178\ \text{kJ/mol}$
O calor necessário ao processo é fornecido pela combustão de gás natural no próprio forno.
- a) Interpreta o sinal de $\Delta H$ desta decomposição e classifica a reação.
- b) Explica por que razão o forno tem de ser aquecido continuamente enquanto a reação ocorre, ao contrário de uma combustão, que se autoalimenta depois de iniciada.
- c) Calcula a energia mínima necessária para decompor $1,0\ \text{t}$ de carbonato de cálcio puro, sabendo que $M(\text{CaCO}_3) = 100,1\ \text{g/mol}$. Apresenta o resultado em $\text{kJ}$ e em notação científica.
Em resumo
De volta ao início: a decomposição do calcário é endotérmica e por isso o forno tem de ser aquecido sem parar, ao passo que a combustão do gás, exotérmica, se mantém sozinha e fornece a energia de que o forno precisa.