Termoquímica

A termoquímica é uma área da Química em que são aplicadas leis da termodinâmica. É por meio da termoquímica que se estuda a energia transferida, na forma de calor, durante uma reação química. No caso da termoquímica, entende-se que o sistema termodinâmica é composto pelo local onde ocorre a reação química.

A termoquímica utiliza da entalpia, uma grandeza associada à energia interna, para determinar a quantidade de calor absorvida ou liberada em uma reação química. Dessa forma, existem várias formas para se calcular a variação de entalpia, como, por exemplo, a Lei de Hess, ou por meio de fórmulas mais simples. A termoquímica é de grande interesse para o desenvolvimento de produtos muito aplicados no nosso cotidiano, como os combustíveis.

Leia também: Como calcular a energia de ligação em uma reação química?

Resumo sobre termoquímica

• A termoquímica é o estudo da quantidade de energia transferida, na forma de calor, durante uma reação química.
• É uma das principais aplicações da termodinâmica na Química.
• O calor envolvido em uma reação química pode ser calculado pela utilização de uma grandeza termodinâmica conhecida como entalpia.
• A variação de entalpia em pressão constante é numericamente igual à variação de calor.
• A variação de entalpia pode ser calculada de diversas formas, por exemplo, como pela Lei de Hess.
• A termoquímica tem grande aplicabilidade na sociedade, a exemplo do setor de combustíveis e energia.

Videoaula sobre termoquímica

O que é termoquímica?

A termoquímica é uma das principais aplicações da termodinâmica na Química, consistindo no estudo da energia transferida, na forma de calor, durante uma reação química. Entende-se que a termoquímica é um campo da termodinâmica, porque os locais onde ocorrem as reações, como os frascos de laboratório, ou até mesmo os reatores industriais, bem como o seu conteúdo (substâncias químicas) compõem um sistema e, é claro, a reação química resulta em uma troca de energia entre o sistema e a sua vizinhança.

O que é entalpia?

A definição de entalpia, comumente representada pela letra H, não é tão simples quanto se parece. Mas, para resumir, pode-se dizer que a entalpia é uma ferramenta para calcular a energia fornecida ou desprendida na forma de calor, em uma reação química.

Em tese, a troca de calor que ocorre entre uma reação química e sua vizinhança pode ser medida por um calorímetro, porém a entalpia também nos fornece esse dado por meio de uma consequência de sua definição e relação com a variação da energia interna (U) do sistema.

A variação de energia interna não funciona para definir a variação de calor do sistema. Suponha-se que haja um sistema cilíndrico contendo um gás e um êmbolo sob pressão constante. Se esse sistema absorver calor, parte desse calor pode ser fornecido pode escapar como trabalho de expansão (para fazer o êmbolo subir). Nesse caso, a variação de energia interna é menor do que a quantidade de calor absorvida, ou seja, ΔU < q. Não à toa, a energia variação de energia interna é definida como:

ΔU = Δq + Δw                                   (1)

Nessa expressão,  “q” é o calor envolvido e “w” é o trabalho exercido.

É nesse momento que entra a relação entre entalpia e calor. A termodinâmica define entalpia da seguinte forma:

H = U + pV                                        (2)

Já a variação de entalpia é dada por:

ΔH = ΔU + ΔpΔV                              (3)

Se a troca de energia ocorrer em pressão constante, podemos reduzir a expressão (3) para a seguinte forma:

ΔH = ΔU + pΔV                                (4)

Na mesma situação anteriormente descrita, em que temos um gás embutido em um cilindro com êmbolo, a absorção de calor pelo sistema desenvolve um trabalho de expansão sob pressão constante. Nesse caso, como o êmbolo atua contra a pressão externa, podemos dizer que o trabalho de expansão é:

Δw = −pΔV                                        (5)

Substituindo-se a expressão (1) e (5) em (4), temos que:

ΔH = Δq + Δw + pΔV

ΔH = Δq − pΔV + pΔV

E, portanto:

ΔH = Δq

Conseguimos, portanto, comprovar que, para uma reação química que ocorra em pressão constante (praticamente todas), a variação de entalpia é numericamente igual à variação de calor. Portanto, a entalpia não é o calor em si, mas sim uma função termodinâmica, associada à energia interna do sistema, cuja variação, sob a condição de pressão constante, é numericamente igual à variação de calor do sistema.

Veja também: O que é a entropia?

Qual a fórmula da termoquímica?

A entalpia de forma isolada não possui muita importância para a termoquímica. De fato, o valor importante é a sua variação, que pode ser definida da seguinte forma:

ΔH = H_final – H_incial

Ou seja, a variação de entalpia é definida como a diferença entre o valor da entalpia do estado final em relação ao estado inicial. De fato a variação é mais importante que o valor absoluto da entalpia, uma vez que estamos interessados em avaliar a transferência de energia, na forma de calor, entre sistema e vizinhança, em dois momentos diferentes (no começo e no fim da reação da química).

Se pensarmos nos produtos como o estado final de uma reação química e nos reagentes como o estado inicial de uma reação química, podemos definir a variação de entalpia como:

ΔH = H_produtos – H_reagentes

Quais os tipos de reações termoquímicas?

A variação da entalpia pode ser tanto positiva quanto negativa. Se a variação da entalpia for positiva (ΔH > 0), é possível dizer que houve acréscimo na quantidade de calor do sistema, o que quer dizer que o sistema (reação) absorveu calor da vizinhança. Nesse caso, dizemos que o processo é endotérmico. Um exemplo de reação endotérmica é a fotossíntese, que consiste no processo de produção de alimentos para plantas, por meio da absorção de energia.

Se a variação de entalpia por negativa (ΔH < 0), é possível dizer que houve uma perda na quantidade de calor do sistema, o que quer dizer que o sistema (reação) desprendeu calor para a vizinhança. Nesse caso, dizemos que o processo é exotérmico. As combustões são os maiores exemplos de reações exotérmicas.

Equação termoquímica

As equações termoquímicas possuem como função a representação de reações químicas, demonstrando também aspectos relacionados à quantidade de calor envolvida. Por isso, equações termoquímicas vêm acompanhadas dos valores de variação de entalpia ou da quantidade de calor transferida durante a reação.

O sistema internacional de unidade estabelece o joule (J) como unidade para energia (e, consequentemente, o calor). Portanto, os valores de entalpia e calor serão acompanhados da unidade J, ou de suas unidades proporcionais, como o quilojoule (kJ). Também é possível expor os valores de energia e entalpia em calorias (cal), onde 1 caloria é equivalente a 4,184 J.

A equação termoquímica para uma reação endotérmica pode ser feita das seguintes formas:

CaCO₃ (s) + 178 kJ → CaO (s) + CO₂ (g)                                        ou

CaCO₃ (s) → CaO (s) + CO₂ (g)                                           ΔH = +178 kJ/mol CaCO₃

Já a equação termoquímica para um processo exotérmico pode ser representada pelas duas formas a seguir:

C₂H₅OH (l) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O + 1367 kJ                  ou

C₂H₅OH (l) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O                      ΔH = −1367 kJ/mol C₂H₅OH

Lei de Hess

A lei de Hess permite o cálculo da variação de entalpia de uma determinada reação química através da combinação de reações cuja variação de entalpia é conhecida. É uma consequência da primeira lei da termodinâmica e pode ser enunciada da seguinte maneira:

Outro ponto importante é que as reações individuais não precisam ser realizadas na prática, o que quer dizer que elas podem ser reações meramente hipotéticas. O único requisito é que suas equações químicas estejam devidamente balanceadas.

A lei de Hess é consequência da ideia de independência de caminho para a obtenção da variação de entalpia. Ou seja, dada uma reação hipotética A → B, não interessa como essa reação se desenvolveu, quantas etapas reacionais ela utilizou, apenas que o estado inicial é “A” e o estado final é “B”.

Observe o gráfico abaixo, que exemplifica a lei de Hess. Perceba que a variação de entalpia de A até D é o somatório dos processos intermediários (A para B; B para C; C para D):

Vejamos um exemplo:

A reação de hidrogenação do propeno possui uma entalpia padrão de reação igual a −124 kJ/mol:

C₃H₆ (g) + H₂ (g) → C₃H₈ (g)                                               ΔH = −124 kJ/mol

Já a combustão do propano possui uma entalpia padrão de reação igual a −2220 kJ/mol:

C₃H₈ (g) + 5 O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + 4 H₂O (l)                       ΔH = −2220 kJ/mol

Já a reação de formação da água apresenta a entalpia padrão de reação igual a −286 kJ/mol:

H₂ (g) + ½ O₂ (g) → H₂O (l)                                                 ΔH = −286 kJ/mol

Com essas reações, é possível determinar a entalpia padrão da reação de combustão do propeno:

C₃H₆ + ⁹/₂ O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + 3 H₂O (l)

Para isso, basta que se somem as reações de entalpia conhecidas, tal qual um sistema matemático:

C₃H₆ (g) + H₂ (g) → C₃H₈ (g)                                               ΔH = −124 kJ/mol

C₃H₈ (g) + 5 O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + 4 H₂O (l)                       ΔH = −2220 kJ/mol

H₂O (l) → H₂ (g) + ½ O₂ (g)                                                 ΔH = +286 kJ/mol

_________________________________________________________________________

C₃H₆ + ⁹/₂ O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + 3 H₂O (l)                           ΔH = −2058 kJ/mol

Como tratamos as equações químicas como equações matemáticas em um sistema, é possível fazer simplificações (cortes) a partir de operações, como multiplicações, divisões e inversão de sentido da reação. Repare que a reação de formação da água foi invertida. Isso ocorreu pelos seguintes motivos:

• para que o único mol de H₂ (g) da reação de hidrogenação do propeno fosse eliminado por meio do mol de H₂ (g) da reação de formação da água, já que na combustão do propeno ele não aparece;
• havendo 5 mols de O₂ (g) na reação de combustão do propano, o 0,5 mol de O₂ (g) da reação de formação da água, estando em um lado oposto, subtraiu essa quantidade dos 5 mols de O₂ (g), resultando em 4,5 mols de O₂ (g), necessários para a combustão do propeno;
• o único mol de H₂O (l) da reação de formação da água, estando em lado oposto aos 4 mols de H₂O (l) da reação de combustão do propano, fez com que a quantidade final fosse de 3 mols de H₂O (l) do lado dos produtos, conforme o necessário na combustão do propeno.

Termoquímica no dia a dia

No dia a dia, as principais aplicações da termoquímica estão associadas aos campos de combustíveis e de alimentação. Embora haja um grande avanço dos veículos elétricos, boa parte dos meios de transporte, seja ele rodoviário, aquaviário ou aéreo, ainda utilizam motoros à combustão. O que quer dizer que a energia utilizada para seu funcionamento, é consequência de uma reação de combustão.

A termoquímica auxilia na determinação da energia envolvida em cada processo. No caso dos veículos flex, que podem ser movidos à etanol ou gasolina, o rendimento energético de cada combustível, acaba sendo utilizado para determinar, inclusive, o valor final do combustível para chamar a atenção do consumidor.

Por exemplo, estima-se que o etanol seja economicamente mais viável para o consumidor se ele custar até 70% do valor da gasolina. Isso porque o etanol tem cerca de 70% do poder calorífico da gasolina. Ou seja, se um trajeto consome 1 litro de etanol, o mesmo trajeto consumiria 700 mL de gasolina. Essas estimativas são obtidas por meio dos dados termoquímicos de cada combustível.

No campo alimentício, a energia dos alimentos, cuja informação é obrigatória em rótulos, é determinada por meio da calorimetria em um aparelho conhecido como calorímetro bomba. Nessa técnica, amostras dos alimentos sofrem uma combustão completa. O calor gerado nessa reação faz aquecer uma massa de água que está em volta. A variação da temperatura é utilizada para mensurar as calorias dos alimentos.

Qual a importância da termoquímica?

A termoquímica é a aplicação da termodinâmica, uma das principais áreas da física, na química. É a aplicação das leis fundamentais da termodinâmica em processos químicos, possibilitando mensurar o calor envolvido em todos os processos químicos.

Conhecer a variação de entalpia das reações permite um melhor dimensionamento dos processos na indústria, permitindo otimização, consumo mais consciente e melhor aproveitamento de energia. Nas discussões sobre processos mais ambientalmente sustentáveis, em que se busca mais economia de energia, os dados obtidos pela termoquímica servem de base para justificar pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias.

Saiba mais: Quais as vantagens e as desvantagens dos combustíveis fósseis?

Exercícios resolvidos sobre termoquímica

Questão 1. (UECE 2ª Fase 2º dia/2024.2) Atente para o seguinte enunciado sobre termoquímica e assinale a opção que preenche as lacunas corretamente.

Termoquímica é a área da Química que estuda a ______________¹, na forma de calor, envolvida nas reações químicas. As ______________² são representadas nas equações termoquímicas através da variação de ______________³. A absorção de calor indica que uma reação é ______________⁴. Já uma reação ______________⁵ libera calor na formação de novas substâncias.

A) entalpia¹, trocas de energia², entropia³, exotérmica⁴, endotérmica⁵

B) energia¹, trocas de calor², entalpia³, endotérmica⁴, exotérmica⁵

C) entropia¹, trocas de calor², entalpia³, exotérmica⁴, endotérmica⁵

D) energia¹, trocas de energia², entropia³, endotérmica⁴, exotérmica⁵

Resposta: Letra B.

A termoquímica estuda a transferência de energia, na forma de calor, que ocorre em reações químicas. As equações termoquímicas representam as trocas de calor que ocorrem nas reações químicas, sendo utilizada a variação de entalpia para a determinação dessas trocas de calor. Uma variação de entalpia positiva indica que o processo é endotérmico, ou seja, absorveu calor. Do contrário, uma variação de entalpia negativa indica que o processo é exotérmico, ou seja, liberou calor.

Questão 2. (UEA Geral/2023) O fogão a lenha, utilizado para preparação dos alimentos em muitas moradias, é considerado um patrimônio cultural no Brasil.

(https://ecofogao.com. Adaptado.)

A queima da lenha corresponde à reação de combustão das substâncias presentes em sua composição. A reação de combustão é um processo:

A) endotérmico, e sua variação de entalpia, ΔHº, tem valor maior do que zero.

B) exotérmico, e sua variação de entalpia, ΔHº, tem valor igual a zero.

C) endotérmico, e sua variação de entalpia, ΔHº, tem valor igual a zero.

D) exotérmico, e sua variação de entalpia, ΔHº, tem valor menor do que zero.

E) exotérmico, e sua variação de entalpia, ΔHº, tem valor maior do que zero.

Resposta: Letra D.

Toda reação de combustão é exotérmica, pois a combustão sempre libera calor. Dessa forma, a variação de entalpia é negativa (menor que zero).

Fontes

ATKINS, P.; DE PAULA, J.; KEELER, J. Physical Chemistry. 11. ed. Oxford: Oxford University Press, 2018.

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Príncípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico-Química. 1. ed. Barueri: LTC Editora, 1986.

CNN BRASIL. ANP: etanol é mais competitivo em relação à gasolina em 7 estados e no DF. CNN Brasil. 20 jan. 2025. Disponível em: https://www.cnnbrasil.com.br/economia/macroeconomia/anp-etanol-e-mais-competitivo-em-relacao-a-gasolina-em-7-estados-e-no-df/

DO CANTO, E. L.; LEITE, L. L. C.; CANTO, L. C. Química – na abordagem do cotidiano. 1. ed. São Paulo: Moderna, 2021.

TANNUS, A. F. S. et. al. Determinação do valor energético por calorimetria direta de alguns alimentos consumidos por crianças e adolescentes. Revista de Nutrição. v. 14, n. 3, p. 231-233, set./dez. 2001