A palavra termoquímica é a união entre o prefixo “termo-” que indica calor e a palavra química. Nesse sentido, os estudos termoquímicos visam entender as trocas de calor que acontecem durante uma reação química.
Neste artigo, você será apresentado a esse tema com os principais conceitos: entalpia, entropia, além de algumas informações sobre a energia livre de Gibbs. Conhecê-los é importante porque muitos vestibulares cobram um conhecimento geral e/ou específico sobre o tema, tanto para interpretação de enunciados como para a resolução de questões propriamente dita.
Para te ajudar com isso, a Coruja separou exercícios de provas nacionais que se relacionam à termoquímica, trocas de calor, com suas fórmulas e concepções. As questões possuem gabarito e resolução e você confere ao final do conteúdo.
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Entalpia (H)
A entalpia (H) é o conceito termoquímico que estuda a troca do calor em um sistema durante uma reação química em que a pressão manteve-se constante em todo o tempo. Trata-se de um conceito químico e físico, que pode ser utilizado em ambas as áreas do conhecimento para explicar fenômenos diferentes.
É importante mencionar que entalpia não é sinônimo de energia ou de calor. Na verdade, trata-se de um conceito físico-químico utilizado para entender o comportamento do calor em processos químicos isobáricos.
Na química, a principal função da entalpia é entender o balanço energético de uma reação química. Isso significa que a termoquímica faz uma relação entre a energia utilizada para ocorrer o processo e a energia liberada por ele. A ideia é entender se ele gasta mais energia do que produz, ou se libera mais energia do que gasta.
Diante disso, foi desenvolvida uma fórmula matemática para calcular a variação de entalpia em um sistema qualquer:
ΔH = Hfinal – Hinicial
A fórmula pode ser transcrita para os materiais iniciais da reação (reagentes) e o conteúdo final (produtos):
ΔH = Hprodutos – Hreagentes
Quando a subtração Hprodutos – Hreagentes é maior do que zero (ΔH>0), significa que a energia presente nos produtos é maior que a utilizada nos reagentes. Então a reação química absorve calor do meio. É possível interpretar isso como: “os produtos são mais caros do que a quantidade de energia entregue pelos reagentes, então é preciso absorver esse calor do meio”. Essas são chamadas reações endotérmicas.
Por outro lado, se ΔH<0 indica que a quantidade de energia dos reagentes é maior que a energia dos produtos. Utilizando a mesma analogia: “tem mais calor nos reagentes do que é necessário para fazer os produtos, então sobra energia”. Nesse caso, há liberação de energia para o meio e o processo será chamado de reação exotérmica.
Entropia (S)
A entropia (S) já é um conceito mais voltado à física e termodinâmica, mas que pode ser confundido com a entalpia. Por isso é importante descrevê-los e diferenciá-los, o que evita possíveis confusões conceituais no futuro, principalmente na resolução das provas de vestibulares.
Entropia é uma grandeza física que mensura a desordem de um sistema, seja ele químico ou físico. Ela se relaciona com a espontaneidade dos eventos da natureza. Com isso, descreve que quando um fenômeno ocorre espontaneamente, ele tende a ficar mais desorganizado do que organizado.
Dessa forma, quanto maior a entropia de um sistema, mais desorganizado é. Por outro lado, se a entropia é baixa, o grau de desordem é menor. Geralmente, essa desordem se associa com eventos espontâneos, aleatórios, que podem assumir números de estados diferentes (em termos de posição molecular, velocidade de partículas, localização no espaço, temperaturas possíveis e assim por diante).
Energia livre de Gibbs (G)
A química e física uniram-se e formularam duas grandezas importantes para mensurar a troca de calor e energia, bem como para medir o grau de desordem de um sistema quando ocorre uma reação.
Então, foi necessário criar uma grandeza que pudesse medir a possibilidade de uma reação acontecer espontaneamente, seja ela mais ou menos entrópica, exotérmica ou endotérmica. Foi assim que o estudioso norte-americano Josiah Gibbs (1839-1903) criou a energia livre de Gibbs (G).
Ele notou que parte da energia liberada em uma reação exotérmica é utilizada para reorganizar o sistema (alterar a entropia). Esse processo de rearranjo depende da temperatura do sistema e do nível de desorganização prévio dos átomos.
Dessa forma, foi concluído que a espontaneidade de uma reação química depende totalmente da entropia, temperatura e entalpia. Veja a fórmula desenvolvida:
ΔG = ΔH – T. ΔS
As unidades de medida são variáveis, mas é necessário que a mesma unidade seja utilizada para entalpia e entropia.
Segundo os estudos propostos por ele, quando o valor de ΔG<0 a reação pode ocorrer espontaneamente dentro daquele sistema, nas condições de temperatura propostas.
Entretanto, se ΔG>0, então o processo não ocorrerá espontaneamente.
Questões sobre termoquímica e trocas de calor
(UECE 2022)
O químico alemão Fritz Haber (1868–1934), responsável pela produção de explosivos e armas químicas, foi laureado com o prêmio Nobel de Química (1918) pela síntese do amoníaco. Considerando a produção de amoníaco dada pela reação 1/2 N₂(g) + 3/2 H₂(g) -> NH₃(g) que ocorre na temperatura de 27 °C, cuja entalpia ΔH é –11,04 kcal/mol, e tem variação de entropia ΔS de –23,52 cal/mol.K, é correto afirmar que a sua energia livre ΔG é, aproximadamente,
a) – 18,09 kcal e a reação é espontânea.
b) – 3,98 kcal e a reação é espontânea.
c) + 18,09 kcal e a reação não é espontânea.
d) + 3,98 kcal e a reação não é espontânea.
A expressão do ∆G é dada por: ΔG=ΔH−T⋅ΔS
Todos os valores foram dados na questão, logo, na temperatura de 27 ºC (ou 300 K), tem-se um ∆G de:
Como o ∆G é negativo, tem-se uma reação espontânea, cuja energia livre é de -3,98 kcal/mol. Assim, a alternativa correta é a letra B.
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