Classificação e parâmetros dos sistemas, efeito térmico e entalpia das reações químicas.

PARTE 2.
TEMA 1. Classificação e parâmetros dos sistemas, efeito térmico e entalpia das reações químicas.
A termociência é o estudo dos efeitos térmicos das reações químicas. Para resolver problemas de termociência, é necessário conhecer conceitos como o efeito térmico da reação, o efeito térmico padrão de formação de substâncias, o efeito térmico padrão de combustão de compostos químicos, a Lei de Hess e suas implicações, a possibilidade de uma reação ocorrer espontaneamente e a dependência da energia de Gibbs com a temperatura. O conceito mais importante da energia química é o efeito térmico da reação química. Os dados sobre os efeitos térmicos são usados para determinar a estrutura e a capacidade de reação dos compostos, a energia das ligações interatômicas e intermoleculares, e são aplicados em cálculos tecnológicos e técnicos. Os cálculos termodinâmicos das reações baseiam-se na Lei da Conservação e Transformação de Energia, ou no primeiro princípio da termodinâmica. Sua essência consiste no fato de que, em todas as transformações, a energia não se cria nem se destrói, mas sim um tipo de energia se converte em quantidades equivalentes de outro tipo. A quantidade de calor liberado (ou absorvido) devido a uma reação química é chamada de efeito térmico da reação Q (se a pressão for constante, QP ou se o volume for constante, QV) (medido em kJ). Com base no efeito térmico, as reações químicas são classificadas como exotérmicas (com liberação de calor (+Q)) e endotérmicas (com absorção de calor (-Q)). Existe uma grandeza inversa ao efeito térmico (escrita com sinal oposto). Ela caracteriza a energia interna da substância e é chamada de entalpia (∆H). A mudança de entalpia é medida em kJ/mol, ou seja, é a quantidade de calor que é liberada ou absorvida durante a formação de 1 mol de substância a partir de substâncias simples. Do ponto de vista termodinâmico, considera-se que o efeito térmico a pressão e temperatura constantes é igual à mudança na entalpia ΔH. A transferência de energia é analisada do ponto de vista do próprio sistema reacional. Se o sistema cedeu energia para o ambiente externo, o valor de ΔH é considerado negativo ΔH<0, e se o sistema recebeu energia do ambiente externo, o valor de ΔH é considerado positivo ΔH>0. O cálculo do calor de reação com base nos calores de formação das substâncias envolvidas é feito de acordo com a Lei de Hess.

Δr H0 298 – entalpia padrão da reação (reaction), efeito térmico da reação.
Δf H0 298 – entalpia padrão de formação (formation) de 1 mol de substância a partir de substâncias simples em condições padrão (T=298K ou 25°C, P=1 atm.), indicada pelo símbolo “0” (kJ/mol).
Δc H0 298 – entalpia padrão de combustão (combustion) de 1 mol de substância (até a formação de CO2, H2O e outros produtos) (kJ/mol).
Consequência 1 da Lei de Hess:
O efeito térmico da reação química é igual à diferença entre a soma algébrica dos calores de formação dos produtos da reação e a soma algébrica dos calores de formação das substâncias reagentes.
Δr H0 298 = ∑(n j • Δf H0 298 )prod - ∑(n i • Δf H0 298 )reag.
onde, n j e n i são as quantidades de substância dos produtos e reagentes, respectivamente (igual aos coeficientes da equação da reação), (mol).

Consequência 2 da Lei de Hess:
O efeito térmico da reação química é igual à soma dos calores de combustão das substâncias reagentes, menos a soma dos calores de combustão dos produtos da reação.
Δr H0 298 = ∑(n i • Δc H0 298 ) - ∑(n j • Δc H0 298 )
onde, n i e n j são as quantidades de substância dos reagentes e produtos, respectivamente (igual aos coeficientes da equação da reação), (mol).

Em reações químicas, tanto a energia do sistema quanto sua entropia podem mudar ao mesmo tempo, portanto, a reação ocorre na direção em que a força motriz total da reação diminui. Se a reação ocorre a temperatura e pressão constantes, a força motriz total da reação é chamada de energia de Gibbs (ΔG0) e a direção da reação é determinada pela sua mudança.

A dependência da energia de Gibbs da reação com a temperatura é descrita pela equação:
ΔG0 T = ΔH0 T – TΔS0 T
A uma temperatura padrão:
ΔG0 298 = ΔH0 298 – TΔS0 298
ΔG0 298 – energia padrão de Gibbs, mudança de energia de Gibbs durante a formação de 1 mol de substância a partir de substâncias simples em condições padrão (kJ/mol).
A energia padrão de Gibbs da reação é calculada com base na primeira consequência da Lei de Hess.
∆r G0 298 = ∑(n j Δf G0 298 )prod - ∑(n i Δf G0 298 )reag.
ΔS0 298 – entropia padrão de 1 mol de substância em condições padrão (J/K*mol). A entropia pode ser caracterizada como a medida da desordem (desorganização) do sistema. Essa grandeza caracteriza a mudança de temperatura no sistema.

Como a entropia é uma função do estado do sistema, sua mudança (ΔS) durante o processo da reação química pode ser calculada utilizando a consequência da Lei de Hess.
Δr S0 298 = ∑(n j Δf S0 298 )prod – ∑(n i Δf S0 298 )reag.