Termoquímica em questões de exames
A termoquímica é um ramo da química geral que estuda os efeitos térmicos das reações químicas. Nos exames de química, ela é apresentada principalmente em questões específicas, onde aparecem três protótipos típicos de problemas. Todos eles se resumem a correlacionar o efeito térmico (ou a entalpia, como essa grandeza é chamada nos cursos universitários) com a quantidade de matéria dos reagentes e produtos da reação.
No entanto, a termoquímica real não se limita a esses cálculos proporcionais. Sua principal tarefa é determinar o calor de uma reação química por vários métodos, incluindo métodos indiretos. Isso tem enorme importância prática: a energia liberada na combustão de combustíveis (por exemplo, metano na reação com oxigênio até dióxido de carbono e água) é ativamente utilizada na energia e nos transportes. O combustível de metano é considerado ecologicamente mais limpo em comparação aos derivados de petróleo justamente devido às características termoquímicas conhecidas de sua reação de combustão.
Entalpia e a personalidade de G. I. Hess
A entalpia (denotada por H) é uma função de estado termodinâmica que caracteriza o conteúdo térmico de um sistema. A variação de entalpia ΔH durante uma reação é numericamente igual ao efeito térmico a pressão constante, mas tem sinal oposto: para processos exotérmicos, ΔH < 0; para processos endotérmicos, ΔH > 0.
Hermann Ivanovich Hess (Gherman Ivanovich Hess) foi um cientista russo de origem suíça, súdito do Império Russo. Ele liderou expedições de exploração geológica em Irkutsk, lecionou nos Institutos de Tecnologia e de Minas de São Petersburgo e exerceu a prática médica. Além de descobrir a lei da constância das somas dos calores, Hess elaborou a primeira nomenclatura química russa e inventou o alcoômetro; existia o conceito de «graus de Hess» como medida da concentração de soluções alcoólicas.
Lei de Hess
A lei de Hess é formulada da seguinte maneira: o efeito térmico de uma reação química depende apenas dos estados inicial e final do sistema e não depende do caminho pelo qual a reação ocorre, sob a condição de pressão (ou volume) constante.
Met Sforicamente, isso pode ser imaginado como subir uma montanha: pode-se ir direto ou por um caminho serpenteado — o esforço subjetivo é diferente, mas a diferença de altitude entre a base e o topo é a mesma. Para uma reação química, o que importa é apenas quais reagentes foram tomados e quais produtos foram obtidos; os estágios intermediários não afetam o valor de ΔH.
Consequências importantes:
- O ΔH das reações direta e inversa são iguais em módulo e opostos em sinal.
- A reação pode ser representada como a soma de vários estágios, e o ΔH total é igual à soma algébrica das entalpias desses estágios.
- A lei permite calcular os efeitos térmicos de reações que são impossíveis ou difíceis de medir experimentalmente.
Aplicação da lei de Hess: o problema da combustão do fosgênio
É necessário determinar o efeito térmico da reação de combustão do fosgênio (COCl₂) até dióxido de carbono e cloro. A medição direta é difícil, mas duas reações são conhecidas: a decomposição do fosgênio e a decomposição do dióxido de carbono com seus respectivos valores de ΔH.
Algoritmo de resolução:
- Escrever a reação-alvo e as duas reações auxiliares.
- Inverter a segunda reação (decomposição do CO₂) no sentido oposto, uma vez que na reação-alvo o CO₂ é um produto e não um reagente. Ao inverter, o sinal de ΔH muda para o oposto: era +282,8 kJ — passa a ser −282,8 kJ.
- Somar as equações e suas respectivas variações de entalpia. A soma obtida é o ΔH da reação-alvo.
Dessa forma, por um caminho indireto através de produtos intermediários (monóxido de carbono CO), consegue-se calcular o efeito térmico inacessível à medição direta.
Termoquímica no organismo e dietética
A combustão da glicose em uma fogueira e sua oxidação em um organismo vivo são processos quimicamente idênticos: mesmos reagentes (C₆H₁₂O₆ e O₂), mesmos produtos (CO₂ e H₂O), mesmos coeficientes estequiométricos. A diferença está na cinética: na fogueira, a energia é liberada de uma só vez na forma de calor, enquanto na célula o processo ocorre por etapas, o que permite armazenar energia na forma de moléculas de ATP e equivalentes redutores (NADH, FADH₂).
De acordo com a lei de Hess, o efeito térmico total da oxidação da glicose em ambos os casos é o mesmo. É exatamente por isso que o teor calórico dos alimentos é determinado queimando o produto em um calorímetro (bomba calorimétrica) com a medição do calor liberado. Com base nessas medições, foram estabelecidos valores de referência: os carboidratos fornecem cerca de 17,2 kJ por grama, os lipídios — cerca de 38 kJ por grama. O cálculo de dietas na nutrição apoia-se diretamente em dados termoquímicos e na lei de Hess, o que demonstra a ligação fundamental entre a química geral, a medicina e a fisiologia.
Pontos-chave
- A entalpia H é uma função de estado; o ΔH caracteriza o efeito térmico da reação a pressão constante.
- Lei de Hess: o ΔH de uma reação depende apenas dos estados inicial e final e não depende do caminho de sua ocorrência.
- Ao inverter a equação de uma reação, o sinal de ΔH muda para o oposto.
- A lei de Hess permite calcular efeitos térmicos de forma indireta — por meio da combinação de reações conhecidas.
- G. I. Hess foi um cientista nacional do século XIX, autor da lei da constância das somas dos calores e da primeira nomenclatura química russa.
- A oxidação da glicose em um calorímetro e em uma célula produz o mesmo ΔH total, diferindo apenas no mecanismo e na velocidade.
- O valor calórico dos alimentos é determinado calorimetricamente, o que constitui uma aplicação direta da lei de Hess na dietética.
- A termoquímica é a base para a compreensão da bioenergética e do metabolismo para o estudante de medicina.