Exemplos de perguntas sobre entalpia e variações de entalpia
A entalpia é um conceito fundamental na termodinâmica química, frequentemente encontrado em diversos tópicos de química, desde reações químicas até mudanças de fase. Neste artigo, revisaremos vários exemplos e discutiremos a entalpia e suas variações para melhor compreendermos o conceito.
Compreendendo a Entalpia
A entalpia (H) é a quantidade total de energia em um sistema termodinâmico. Ela inclui não apenas a energia interna armazenada nas partículas, mas também a energia necessária para criar espaço para as partículas em um determinado ambiente de pressão. A entalpia é medida em joules (J) no Sistema Internacional (SI).
Matematicamente, a entalpia é definida como:
\[ H = U + PV \]
di mana:
– \( H \) é a entalpia
– \( U \) é a energia interna
– \( P \) é a pressão
– \( V \) é o volume
Variação de Entalpia
A variação de entalpia (ΔH) ocorre quando uma reação química ou um processo físico acontece. Essa variação de entalpia pode ser definida como a quantidade de calor liberada ou absorvida por um sistema a pressão constante. Matematicamente:
\[ \Delta H = H_{\text{produto}} – H_{\text{reagente}} \]
Reações exotérmicas são reações que liberam calor para o ambiente e, nessas reações, \( \Delta H \) é negativo. Já uma reação endotérmica é uma reação que absorve calor do ambiente e, nessa reação, \( \Delta H \) tem um valor positivo.
Contoh Soal e Pembahasan
Exemplo de questão 1: Variação da entalpia de combustão
Pergunta:
Sabe-se que a combustão completa de 1 mol de metano (CH₄) produz dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O). Os dados de entalpia de formação são os seguintes:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Calcule a variação de entalpia (\( \Delta H \)) da reação de combustão.
Discussão:
A reação de combustão do metano é:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
A variação de entalpia da reação (ΔH) pode ser calculada usando a entalpia de formação:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{produtos} – \Sigma \Delta H_f \text{reagentes} \]
Produto:
\[ \Delta H_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Entalpia total dos produtos:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2\times(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Reagentes:
\[ \Delta H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(O oxigênio em seu estado padrão tem entalpia de formação igual a zero.)
Entalpia total dos reagentes:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2\times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Portanto, a variação de entalpia (\( \Delta H \)) é:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Assim, a variação de entalpia para a combustão de 1 mol de metano é \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Exemplo de questão 2: Variações de entalpia em processos físicos
Pergunta:
Calcule a variação de entalpia quando 50 gramas de gelo (H₂O(s)) a 0 °C são derretidos em água (H₂O(l)) a 0 °C. Sabe-se que o calor de fusão do gelo (ΔHfus) é 6.01 kJ/mol e a massa molar da água é 18 g/mol.
Discussão:
O primeiro passo é calcular o número de moles de gelo.
\[ \text{Moles de gelo} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Em seguida, calculamos a variação de entalpia para derreter o gelo:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Delta H = 2.78 \text{mol} \cdot 6.01 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H \approx 16.7 \text{kJ} \]
Assim, a variação de entalpia ao derreter 50 gramas de gelo a 0°C é de aproximadamente 16.7 kJ. Este é um processo endotérmico porque o gelo absorve calor para se transformar em água.
Exemplo 3: Reação de Hess
Pergunta:
Utilize a lei de Hess para determinar a variação de entalpia da seguinte reação:
\[ 2 C(grafite) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Diversas reações são conhecidas, com suas respectivas variações de entalpia:
1. \( C(grafite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Discussão:
Para calcular a variação de entalpia (\( \Delta H \)) da reação, precisamos inverter e multiplicar algumas das reações para que correspondam à reação desejada.
Langkah-langkah:
1. Altere a reação \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Reações inversas e de divisão:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reação \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafite) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reação \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Combinando tudo isso, obtemos:
\[2C(grafite) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Assim, a variação de entalpia da reação de 2 moles de grafite e 3 moles de \(H_2\) para \(C_2H_6(g)\) é -1729 kJ.
Assim, compreender o conceito de entalpia e sua aplicação a vários tipos de reações proporciona uma visão de como a energia está envolvida em mudanças químicas e físicas. Os problemas acima são alguns exemplos frequentemente usados no currículo para reforçar a compreensão desses conceitos.
