Centro Estadual de Educação Continuada Maria Vieira Barbosa – CESEC

Módulo IV - QUÍMICA – Profº Ítalo Almeida

1. TERMOQUÍMICA

Termoquímica é a parte da química que estuda a quantidade de calor (energia) envolvida nas reações químicas. Quando uma reação libera calor, ela é classificada como exotérmica. A absorção de calor em uma reação, faz com que ela seja endotérmica. A termoquímica estuda também a transferência de energia em alguns fenômenos físicos, tais como as mudanças de estados da matéria. Termoquímica e calor Nas reações químicas pode haver absorção ou liberação de energia. Essa transferência de calor é feita a partir do corpo que tem a temperatura mais alta para aquele que possui a temperatura mais baixa.

Transferência de calor do corpo quente (A) para o corpo frio (B)

Vale lembrar que o calor, também chamado de energia calorífica, é um conceito que determina a troca de energia térmica entre dois corpos. O equilíbrio térmico é estabelecido quando os dois materiais atingem a mesma temperatura.

Processos endotérmicos e exotérmicos

As transformações da matéria, tanto químicas quanto físicas, ocorrem com absorção ou liberação de energia.

A energia liberada ou absorvida numa transformação quando os sistemas inicial e final são comparados à

pressão constante é chamada de variação de entalpia.

Ela é representada pelo símbolo ∆H e a unidade de medida pelo Sistema Internacional de Unidades é o joule

(J). Porém, a utilização de caloria (cal) é bastante comum, sendo 1 cal = 4,18 J.

Quando o ∆H > 0, a transformação ocorre com absorção de energia, ou seja, é endotérmica. Valores

negativos de ∆H indicam que o processo ocorre com liberação de energia, ou seja, é exotérmico.

Exemplo: Num acampamento, as pessoas se colocam junto de uma fogueira para que o calor liberado pelas chamas aqueça quem está à volta.

Fluxo de calor nas reações endotérmicas e exotérmicas

As trocas térmicas também acontecem nas mudanças de estado físico. Ocorre que, na mudança do estado sólido para o líquido e do líquido para o gasoso, o processo é endotérmico. De maneira oposta, é exotérmica a mudança do estado gasoso para o líquido e do líquido para o sólido.

Entalpia e reações químicas

A entalpia de reação corresponde à diferença entre as entalpias dos produtos (Hprodutos) e dos reagentes

(Hreagentes) e pode ser generalizada por:

A entalpia-padrão, simbolizada por ∆H°, corresponde à entalpia da reação quando esta é realizada a 25 °C,

sob pressão de 1 atm para gases ou na concentração de 1 mol/L para soluções.

A entalpia de uma substância simples nas condições ambientes (25ºC e 1 atm) é igual a zero.

Com essa variação de entalpia, podemos classificar as reações químicas como:

1) REAÇÃO ENDOTÉRMICA

É uma reação onde ocorre absorção de energia. Assim, podemos concluir que a entalpia dos produtos (HP)

é maior que a dos reagentes (HR):

HP > HR

Logo: ΔH > 0

Exemplo:

Podemos também representar das seguintes formas:

Uma reação endotérmica em forma de gráfico:

2) REAÇÃO EXOTÉRMICA

É uma reação onde ocorre desprendimento de energia. Agora, a entalpia dos produtos fica menor que a dos

reagentes.

HP < HR

Assim, ΔH < 0

Exemplo:

Ou ainda:

Vejamos alguns exemplos de como escrever as equações termoquímicas de algumas reações que envolvem

troca de calor.

Exemplo 1: A combustão completa do gás metano (CH4(g)) produz dióxido de carbono e água, liberando 890,4

kJ de energia por mol de metano que reage. A equação termoquímica que representa essa reação de

combustão é dada por:

1 CH4(g) + 2 O2(g) →1 CO2(g) + H2O(ℓ) ∆H = - 890,4 kJ/mol

Exemplo 2: A formação de 1 mol de hematita (minério do ferro – Fe2O3(s)) em ferro metálico (Fe(s)) ocorre

com absorção de 490 kJ. Sua equação termoquímica é:

Fe2O3(s) +3 C(s) → 2 Fe(s) +3 CO(g) ∆H = + 490 kJ/mol

Exemplo 3: Observe as seguintes equações comuns abaixo e veja logo abaixo de cada uma como ficam as

suas respectivas equações termoquímicas:

I. 6 CO2(g) + 6 H2O(ℓ) + 2 813 → C6H12O6(g) + 6 O2(g)

Equação termoquímica: 6 CO2(g) + 6 H2O(ℓ) → C6H12O6(g) + 6 O2(g) ∆H = + 2 813 kJ/mol

II. HCℓ(aq) + NaOH(aq) → NaCℓ(aq) + H2O(ℓ) + 57,7

Equação termoquímica: HCℓ(aq) + NaOH(aq) → NaCℓ(aq) + H2O(ℓ) ∆H = - 57,7 kJ

As equações termoquímicas não são usadas para representar somente reações químicas, mas também

processos físicos em que há trocas de calor, como as mudanças de estados físicos. Veja abaixo as mudanças

de estado físico da água e as equações termoquímicas em cada caso:

Fusão: H2O(s) → H2O(ℓ) ∆H = + 7,3 kJ

Solidificação: H2O(ℓ) → H2O(s) ∆H = - 7,3 kJ

Vaporização: H2O(ℓ) → H2O(v) ∆H = + 44 kJ

Condensação: H2O(v) → H2O(ℓ) ∆H = - 44 kJ

Observe que quando um processo é inverso ao outro, o valor da variação de entalpia é o mesmo, porém,

com sinais opostos, pois em um processo está ocorrendo absorção de calor (endotérmico), enquanto no

outro está ocorrendo liberação de calor (exotérmico).

Dessa forma, nunca esqueça: se for inverter uma equação termoquímica, lembre-se de inverter também

o sinal de ∆H.

Outro aspecto importante que precisamos mencionar é que quando uma reação química ocorre em várias

etapas e são representadas várias equações, a soma de todas elas (equação global) envolve também a soma

dos valores de ∆H.

Entalpia de formação

A entalpia de formação (∆Hf) corresponde à variação de entalpia obtida na formação de uma substância

composta a partir de seus elementos constituintes (substâncias simples), os quais devem se encontrar na

sua forma mais estável (estado-padrão).

Quando a entalpia de formação é determinada nas condições-padrão, é denominada entalpia-padrão de

formação (∆Hf°). Os elementos que se encontram em seu estado-padrão apresentam, por convenção,

entalpia de formação igual a zero. Exemplo: o estado-padrão do elemento oxigênio é O2 gasoso.

Entalpia de combustão

A entalpia de combustão é a energia liberada em uma reação de combustão. Quando os produtos dessa

combustão são apenas H2O e CO2 e o experimento for realizado nas condições-padrão, a energia liberada é

denominada entalpia-padrão de combustão ou calor de combustão.

Entalpia de ligação

A entalpia de ligação, mais comumente conhecida por energia de ligação, é a quantidade de energia

necessária para romper ou formar 1 mol de ligações químicas da substância no estado gasoso. Veja, por

exemplo, o cálculo do ∆H da reação entre os gases hidrogênio e cloro, a qual origina o composto cloreto de

hidrogênio:

Lei de Hess

O ∆H de uma reação não depende dos estados intermediários, e sim do estado inicial e do final. Em outras

palavras, quando uma reação ocorre em mais de uma etapa, o seu ∆H é igual à soma dos ∆Hs dessas etapas

nas mesmas condições experimentais.

Esse princípio é conhecido como Lei de Hess.

Considere a reação hipotética a seguir e as etapas I e II:

A situação pode ser analisada por meio de um diagrama de entalpia (considerando ∆H1 e ∆H2 positivos):

Note que nessa reação o estado inicial corresponde aos reagentes (A e B), o estado intermediário é a

substância C e o estado final são os produtos (D e E). O valor do ∆H de algumas reações pode ser bem difícil

de determinar experimentalmente.

Nessa situação é comum utilizar um conjunto de equações termoquímicas nas condições-padrão para

resolver o problema. Veja como se calcula a entalpia da reação representada a seguir:

São conhecidas as entalpias das reações:

Podemos proceder da seguinte forma:

a) Multiplicamos a equação (I) por 2 e fazemos o mesmo com ∆H.

b) Invertemos a equação (II) e também o sinal do ∆H.

Multiplicamos por 2 a equação obtida e também duplicamos o ∆H.

c) Somamos as equações obtidas nos itens a e b.

2. CINÉTICA QUÍMICA

Cinética química é o ramo da química que estuda a rapidez das reações químicas, bem como os fatores

que a influenciam. A rapidez, ou velocidade, de uma reação química indica a variação da quantidade de

reagentes e produtos com o passar do tempo.

Teoria das colisões

Além de afinidade química, para que a reação química ocorra, as partículas que formam as substâncias

reagentes devem sofrer colisões ou choques efetivos entre si. Para isso, elas devem obedecer a duas

condições fundamentais:

ƒ As colisões devem ocorrer com um mínimo de energia para romper as ligações que unem os átomos das

espécies reagentes, possibilitando que eles sofram rearranjo.

ƒ A colisão deve ocorrer em orientação que favoreça a formação dos produtos.

Energia de ativação

A formação dos produtos passa por um estado intermediário chamado complexo ativado, no qual os

reagentes se unem transitoriamente. A espécie intermediária resultante é muito energética e instável,

podendo seguir por um dos caminhos alternativos: voltar a formar os reagentes ou gerar os produtos.

A formação desse complexo ativado exige que haja uma energia mínima durante a colisão entre as

espécies reagentes.

A diferença entre a energia armazenada no complexo ativado e nos reagentes é denominada energia de

ativação. Considere como exemplo a reação entre o gás hidrogênio (H2) e o gás cloro (Cl2) que forma o

cloreto de hidrogênio (HCl).

Rapidez das reações

A rapidez de uma reação química pode ser avaliada quantitativamente, usando-se a seguinte definição:

A rapidez de uma reação diminui gradativamente ao longo do tempo. Ela é sempre maior no início, em

virtude da alta concentração dos reagentes, o que possibilita um grande número de colisões entre eles,

inclusive as efetivas

Fatores que afetam a rapidez de uma reação química

Pressão

Em temperatura constante, o aumento da pressão em um sistema é diretamente proporcional ao aumento

da velocidade das transformações químicas. Isso acontece porque, ao elevar a pressão, o volume diminui e

as moléculas dos reagentes se aproximam, aumentando a probabilidade de ocorrer colisões entre elas.

A pressão influencia todos os tipos de reações — estejam elas nos estados líquido, sólido ou gasoso, contudo,

essa variação é desprezível no estado líquido e no sólido. Por isso, o efeito da pressão só é significativo

quando todos os componentes da reação estão no estado gasoso.

Concentração

Em geral, o aumento da concentração dos reagentes eleva a velocidade das reações químicas. Isso também

acontece porque esse aumento faz com que haja mais moléculas confinadas em um mesmo espaço; assim,

as colisões efetivas tendem a aumentar.

Contudo, é importante determinar experimentalmente a influência de cada reagente em cada reação, pois

os efeitos podem ser diferentes. Em alguns casos, ao se duplicar a concentração de um reagente, a rapidez

também pode dobrar, enquanto em outros pode quadruplicar ou até mesmo se manter constante.

Temperatura

Você já deve ter percebido que os alimentos têm um cozimento muito mais rápido na panela de pressão.

Isso acontece pela temperatura mais elevada que a água atinge dentro desse tipo de recipiente. Ainda na

cozinha, podemos verificar o efeito contrário: alimentos guardados na geladeira ou no congelador são

conservados por mais tempo, pois se decompõem lentamente.

Isso acontece porque a elevação na temperatura gera um aumento na energia cinética média das moléculas

dos reagentes. Dessa forma, mais partículas se chocam no sistema e, consequentemente, mais colisões

efetivas tendem a ocorrer — o que aumenta a velocidade da reação.

Superfície de contato

Quanto maior for a superfície de contato entre os reagentes, mais rapidamente ocorre a transformação

química. Novamente, o motivo é a maior probabilidade de ocorrerem reações efetivas, que aceleram a

reação.

Você pode validar essa informação colocando um comprimido inteiro e um fragmentado de vitamina C em

dois copos com água. Observe em qual ocorre a maior efervescência, em um mesmo intervalo de tempo.

Velocidade das reações

A velocidade das reações químicas é expressa pela variação da quantidade de reagente ou produto por

unidade de tempo. Essa quantidade pode ser representada em termos de concentração, massa, volume,

entre outras grandezas relacionadas.

Exemplos de reações rápidas e lentas

Podemos citar como reações rápidas:

• a queima do gás de cozinha;

• a explosão da pólvora nos fogos de artifício.

São reações lentas:

• a decomposição do plástico;

• a formação do petróleo.

Catalisador

Algumas transformações químicas ocorrem com velocidade muito baixa, mesmo em condições

termodinamicamente favoráveis. Isso pode tornar o processo inviável, especialmente em escala industrial.

Dessa forma, o catalisador pode ser adicionado ao sistema para tornar a reação mais rápida.

O motivo para os catalisadores aumentarem a velocidade das reações é que eles promovem caminhos

(mecanismos) diferentes, mais rápidos e com menor energia de ativação para que as transformações

ocorram.

Lembre-se de que os catalisadores aumentam a velocidade da reação sem sofrer modificação, ou seja, eles

são regenerados no final do processo.

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1) Considere as seguintes transformações:

I. Degelo de um “freezer”.

II. Sublimação da naftalina.

III. Formação de uma nuvem de chuva a partir do vapor d’água do ar.

IV. Combustão do álcool comum.

Dessas transformações, são exotérmicas somente:

a) I e II

b) II e III

c) III e IV

d) I, II e IV

e) II, III e IV

2) Numa sauna a vapor, o calor envolvido na condensação do vapor d’água é, em parte, responsável

pelo aquecimento da superfície da pele das pessoas que estão em seu interior, de acordo com o diagrama

abaixo:

De acordo com as informações fornecidas, o que ocorrerá na transformação de 1 mol de água vaporizada

em 1 mol de água líquida?

a) liberação de 44 kJ;

b) absorção de 527,6 kJ;

c) absorção de 44 kJ;

d) liberação de 527,6 kJ;

e) nenhuma das respostas anteriores.

3) Uma das informações que as embalagens de alimentos contêm é o teor de calorias. Analise as

afirmativas abaixo e marque a opção correta:

I. o teor calórico é uma determinação experimental através do calor de combustão;

II. quanto maior o número de calorias, maior o tempo de degradação do alimento;

III. a medida das calorias de um alimento é feita através do calor neutralização.

a) apenas I;

b) apenas III;

c) apenas II;

d) I, II e III.

e) I e II;

4) Quais das seguintes afirmativas são verdadeiras para uma reação endotérmica?

I. O ∆H é positivo.

II. O calor é transferido ao meio ambiente.

III. A entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos reagentes.

IV. O ∆H é negativo

a) I e II

b) II e IV

c) I e III

d) III e IV

5) Diariamente podemos observar que reações químicas e fenômenos físicos implicam em variações de

energia. Analise cada um dos seguintes processos, sob pressão atmosférica.

I. A combustão completa do metano (CH4) produzindo CO2 e H2O.

II. O derretimento de um iceberg.

III. O impacto de um tijolo no solo ao cair de uma altura h.

Julgue se os processos são endotérmicos ou exotérmicos

6) Apesar de todos os esforços para se encontrar fontes alternativas de energia, estima-se que em 2030

os combustíveis fósseis representarão cerca de 80% de toda a energia utilizada. Alguns combustíveis fósseis

são: carvão, metano e petróleo, do qual a gasolina é um derivado. 12.

(Unicamp-SP) No funcionamento de um motor, a energia envolvida na combustão do n-octano promove a

expansão dos gases e também o aquecimento do motor. Assim, conclui-se que a soma das energias

envolvidas na formação de todas as ligações químicas é:

a) maior que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o

processo ser endotérmico.

b) menor que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o

processo ser exotérmico.

c) maior que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o

processo ser exotérmico.

d) menor que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o

processo ser endotérmico.

7) A equação abaixo representa a transformação do óxido de ferro III em ferro metálico:

Fe2O3(s) +3 C(s) + 491,5 KJ → 2 Fe(s) + 3CO(g)

Observando a equação, responda às perguntas a seguir justificando sua resposta:

a) A equação acima é uma reação exotérmica?

b) O processo representado pela equação é endotérmico?

8) A figura abaixo representa a mudança de estado físico da água:

Classifique cada mudança de estado em endotérmica ou exotérmica.

9) A imagem a seguir mostra a utilização de uma bolsa de gelo instantâneo para aliviar uma lesão no joelho.

A reação entre os componentes da bolsa produz uma sensação de frio. Classifique o sistema em endotérmico ou exotérmico e justifique sua resposta.

10) Considere as reações abaixo e classifique-as corretamente em reações endotérmicas ou

exotérmicas:

I. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + H2O(l) + 889,5 kJ

II. Fe2O3(s) +3 C(s) → 2 Fe(s) +3 CO(g) ΔH = + 490 kJ

III. 6 CO2(g) + 6 H2O(l) + 2 813 → C6H12O6(g) + 6 O2(g)

IV. HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) ΔH = - 57,7 kJ

V. 1 H2(g) + 1/2 O2(g) → 2 H2O(l) + 68,3 kcal

VI. 1 H2(g) + 1 I2(g) → 2 HI(g) ΔH = + 25,96 kJ/mol

11) As reações químicas metabólicas são fortemente dependentes da temperatura do meio. Como

consequência, os animais de sangue frio possuem metabolismo retardado, fazendo com que os mesmos se

movimentem muito mais lentamente em climas frios. Isso os torna mais expostos aos predadores em regiões

temperadas do que em regiões tropicais. Assinale a alternativa que justifica corretamente esse fenômeno.

a) Um aumento na temperatura aumenta a energia de ativação das reações metabólicas, aumentando suas

velocidades.

b) Um aumento na temperatura aumenta a energia cinética média das moléculas reagentes, aumentando

as velocidades das reações metabólicas.

c) Em temperaturas elevadas, as moléculas se movem mais lentamente, aumentando a frequência dos

choques e a velocidade das reações metabólicas.

d) Em baixas temperaturas, ocorre o aumento da energia de ativação das reações metabólicas, aumentando

suas velocidades.

e) A frequência de choques entre as moléculas reagentes independe da temperatura do meio, e a velocidade

da reação independe da energia de ativação.

12) Sobre catalisadores, são feitas as quatro afirmações seguintes.

I. São substâncias que aumentam a velocidade de uma reação.

II. Reduzem a energia de ativação da reação.

III. As reações nas quais atuam não ocorreriam nas suas ausências.

IV. Enzimas são catalisadores biológicos.

Dentre estas afirmações, estão corretas, apenas:

a) I e II.

b) II e III.

c) I, II e III.

d) I, II e IV.

e) II, III e IV.

13) Analise as curvas mostradas a seguir. Nelas, encontram-se descritos graficamente alguns padrões

idealizados de variação da entalpia no decorrer de reações químicas, abrangendo quatro diferentes

possibilidades. Escolha a alternativa na qual se encontra enunciada uma previsão correta para a velocidade

de reação e a energia liberada esperadas tendo em vista os valores registrados na curva descrita.

a) Curva I: traduz uma maior velocidade de reação associada a uma menor energia liberada

b) Curva II: traduz uma maior velocidade de reação associada a uma maior energia liberada

c) Curva III: traduz uma menor velocidade de reação associada a uma maior energia liberada

d) Curva IV: traduz uma menor velocidade de reação associada a uma menor energia liberada

14) O biodigestor — uma das soluções tecnológicas para o tratamento do lixo — consiste em um reservatório

no qual são favorecidas as condições para a decomposição de matéria orgânica em seu interior por meio da

ação de bactérias aeróbias. O conhecimento a respeito de cinética química permite entender aspectos

relativos aos processos que ocorrem nesse sistema. Com relação a esse assunto, julgue os itens que se

seguem como verdadeiros ou falsos.

( ) De acordo com a teoria das colisões, um aumento de temperatura no interior de um biodigestor tende a

aumentar a velocidade das reações químicas.

( ) A moagem do material a ser colocado no biodigestor provocará a redução da velocidade das reações

químicas de decomposição devido à diminuição do tamanho dos fragmentos a serem decompostos.

( ) O trabalho de decomposição das bactérias poderá ser acelerado por meio do aumento da concentração

de oxigênio no interior do biodigestor.

( ) Segundo a teoria cinética, nem todas as colisões entre as moléculas dos gases no interior do biodigestor

resultarão na formação de produtos.

15) Com relação à cinética química, é correto afirmar que:

( ) um catalisador altera o mecanismo, a velocidade e a variação de entalpia de uma reação.

( ) a velocidade de uma reação é diretamente proporcional ao produto das concentrações dos reagentes,

em mol/L, elevadas a potências determinadas experimentalmente.

( ) uma vez começada, todas as reações são rápidas.

( ) para haver reação entre moléculas reativas entre si é necessário que haja colisão entre elas, que tenham

energia igual ou superior à energia de ativação e que a orientação dessas moléculas, no instante da colisão,

seja favorável à formação do complexo ativado.

( ) nas reações químicas, o número total de colisões entre as moléculas dos reagentes é muito maior que o

número de colisões que resultam em reações.

16) Muitas das reações químicas que ocorrem no nosso organismo, nas indústrias químicas e na atmosfera

são afetadas por certos catalisadores. Por exemplo, no homem, as enzimas são os catalisadores das reações

bioquímicas. A função destes nas reações químicas é:

a) diminuir a energia de ativação da reação.

b) tornar espontânea uma reação não espontânea.

c) deslocar o equilíbrio da reação.

d) diminuir a entalpia total de uma reação

17) A sabedoria popular indica que, para acender uma lareira, devemos utilizar inicialmente lascas de lenha

e só depois colocarmos as toras.

Em condições reacionais idênticas e utilizando massas iguais de madeira em lascas e em toras, verifica-se

que madeira em lascas queima com mais velocidade.

O fator determinante, para essa maior velocidade da reação, é o aumento da:

a) pressão.

b) temperatura.

c) concentração.

d) superfície de contato

18) O hidrogênio é um gás que pode ser obtido a partir da reação do zinco (Zn) com solução de ácido

clorídrico (HCl). Essa reação foi realizada várias vezes, modificando-se as condições do meio reacional, como

temperatura, forma do zinco e concentração da solução ácida. Observe a tabela que descreve essas

condições:

Analisando a tabela, em qual caso a velocidade da reação será maior ? Justifique sua resposta.

19) Relacione os fenômenos descritos com os fatores que influenciam sua velocidade mencionados no

módulo.

1 - Queimadas alastrando-se rapidamente quando está ventando;

2 - Conservação dos alimentos no refrigerador;

3 - Efervescência da água oxigenada na higiene de ferimentos;

4 - Lascas de madeiras queimando mais rapidamente que uma tora de madeira.

20) A sabedoria popular diz que o "fogo de palha queima rápido". Quando se compara a queima de um

tronco de árvore com a da palha derivada de um vegetal nota-se a veracidade desse dito popular. O aumento

da velocidade de reação de combustão da palha quando comparada à combustão do tronco deve-se

a) à formação de produtos diferentes de reação.

b) à diferente composição da celulose nas células vegetais.

c) ao maior conteúdo de água na palha.

d) à presença de substâncias voláteis na palha.

e) à maior superfície de contato entre os reagentes (celulose e oxigênio).