📘 CodingMarble Learn

Entalpia, Calorimetria e Lei de Hess

Entalpia H = U + pV. Com pressão constante, o calor absorvido ou liberado é igual a ΔH; com volume constante, é igual a ΔU. Medimos ΔU numa bomba calorimétrica fechada e ΔH num calorímetro aberto (copo), usando q = C ΔT ou q = m c ΔT. Para gases, ΔH = ΔU + Δn_g RT. A entalpia de reação ΔrH é negativa nas reações exotérmicas e positiva nas endotérmicas, e ΔrH° = ΣΔfH°(produtos) − ΣΔfH°(reagentes). Lei de Hess: a variação total de entalpia é a mesma se a reação ocorre em uma etapa ou em várias, então podemos somar equações termoquímicas como na álgebra.

🎬 História passo a passo

  1. Esta panela de aço está fechada, então o volume dela não pode mudar. Queimamos um pouco de carbono lá dentro. O calor aquece a água e o termômetro sobe. Com volume fixo, o calor mede ΔU.
  2. Este copo está aberto para o ar, então a pressão fica a mesma. Misturamos um ácido e uma base. A água esquenta. Com pressão fixa, o calor mede ΔH.
  3. Agora conte as moléculas de gás. Quatro moléculas de gás viram duas. Menos moléculas de gás significa que o ar realiza trabalho sobre o sistema. Por isso ΔH e ΔU diferem por Δn_g RT.
  4. Desenhe os níveis de energia. Se os produtos ficam mais baixos, sai calor: exotérmica, ΔH é negativo. Se ficam mais altos, entra calor: endotérmica, ΔH é positivo.
  5. Vá do carbono ao dióxido de carbono em um salto só, ou em dois saltos pequenos passando pelo CO. A queda total é a mesma: −393.5 kJ. Esta é a lei de Hess.
  6. Sua vez. Mude a massa de água e a elevação de temperatura. Veja q = mcΔT e ΔH mudarem.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

Por que a bomba precisa ser de aço grosso?

O volume não pode mudar, nem quando gases quentes empurram para fora durante a queima. Um recipiente forte e fechado mantém V fixo, então o calor é igual a ΔU.

Por que um copo aberto dá ΔH e não ΔU?

O copo está aberto para o ar, então a pressão fica em 1 atm. A pressão constante, o calor é ΔH por definição.

Por que só as moléculas de gás contam no Δn_g?

O termo p–V vem da variação de volume. Os gases ocupam volumes grandes; sólidos e líquidos quase não ocupam espaço extra. Veja as 4 moléculas de gás virarem 2.

Como sei se ΔH é negativo ou positivo?

Olhe o diagrama de energia. Se os produtos estão abaixo dos reagentes, a energia foi liberada: ΔH < 0 (exotérmica).

Por que podemos somar valores de ΔH como números?

H é uma função de estado. Os dois caminhos começam em C + O₂ e terminam em CO₂, então os totais têm de ser iguais: −110.5 + (−283.0) = −393.5.

O que significa um ΔT negativo no copo?

A solução esfriou, então o calor foi retirado da água: a reação é endotérmica e ΔH é positivo. Leve o controle de ΔT abaixo de zero no modo livre.

Entalpia e variação de entalpia

A maioria das reações num laboratório ou na cozinha acontece em recipientes abertos, com pressão constante (a do ar). Para esses casos usamos uma nova função de estado, a entalpia: H = U + pV.

Com pressão constante, a primeira lei dá q_p = ΔU + pΔV = ΔH. Ou seja, ΔH é simplesmente o calor absorvido ou liberado a pressão constante. Com volume constante, ΔV = 0 e q_V = ΔU.

Relação entre ΔH e ΔU

Sólidos e líquidos quase não mudam de volume, então para eles ΔH ≈ ΔU. Para gases, pV = nRT, logo ΔH = ΔU + Δn_g RT, onde Δn_g = mols de produtos gasosos − mols de reagentes gasosos. Use R = 8.314 × 10⁻³ kJ K⁻¹ mol⁻¹ quando ΔU está em kJ.

Propriedades extensivas e intensivas

Capacidade térmica

A capacidade térmica C é o calor necessário para elevar a temperatura em 1 K: q = C ΔT. O calor específico c é por grama (água: 4.18 J g⁻¹ K⁻¹), então q = m c ΔT. A capacidade térmica molar é por mol. Para um gás ideal, C_p − C_v = R, porque a pressão constante parte do calor é gasta no trabalho de expansão.

Calorimetria: medindo ΔU e ΔH

Calorimetria significa medir calor. A reação acontece dentro ou perto de uma massa conhecida de água, e lemos a variação de temperatura.

ΔU com a bomba calorimétrica (volume constante)

Um recipiente de aço forte e fechado (a 'bomba') guarda a amostra e oxigênio sob pressão. Ele fica dentro da água. Uma faísca elétrica inicia a queima. O volume não pode mudar, então não há trabalho p–V e q_V = ΔU. Calor liberado = C_calorímetro × ΔT. O sinal da reação é o oposto do calor ganho pela água.

ΔH com o calorímetro de copo (pressão constante)

Para reações em solução (como ácido + base), basta um copo isolado e aberto para o ar. A pressão fica igual à atmosférica, então q_p = ΔH. Calor = m c ΔT da solução; ΔH por mol = −q ÷ mols.

Se ΔT sobe, a reação é exotérmica (ΔH < 0). Se desce, a reação é endotérmica (ΔH > 0).

Entalpia de reação, estados padrão e formação

A entalpia de reação ΔrH é a variação de entalpia quando reagem os mols mostrados na equação balanceada: ΔrH = ΣH(produtos) − ΣH(reagentes).

Entalpia padrão

Os valores dependem das condições, então os comparamos no estado padrão: a substância pura a 1 bar e na temperatura indicada (em geral 298 K). Valores padrão levam o sinal °: ΔrH°.

Equações termoquímicas

É uma equação balanceada com os estados físicos e o ΔrH, por exemplo CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l); ΔrH° = −890.3 kJ mol⁻¹. Regras: (1) os coeficientes são mols; (2) dobrar a equação dobra o ΔH (ele é extensivo); (3) inverter a equação troca o sinal de ΔH; (4) os estados importam (H₂O(l) e H₂O(g) dão valores diferentes).

Entalpia padrão de formação ΔfH°

É a variação de entalpia quando 1 mol de um composto se forma a partir dos seus elementos nos estados mais estáveis (de referência). Para um elemento no estado de referência (O₂(g), C grafite, H₂(g)), ΔfH° = 0. Então ΔrH° = Σ ai ΔfH°(produtos) − Σ bi ΔfH°(reagentes).

Lei de Hess da soma dos calores constantes

Lei de Hess: se uma reação ocorre em várias etapas, a variação total de entalpia é a soma das variações de entalpia das etapas. O caminho não importa, porque H é uma função de estado.

Exemplo: C(grafite) + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ. Ou em duas etapas: C + ½O₂ → CO (−110.5 kJ), depois CO + ½O₂ → CO₂ (−283.0 kJ). Soma = −393.5 kJ.

Por que é útil

Algumas entalpias (como a ΔfH do CO ou do CH₄) não podem ser medidas diretamente. Somamos, subtraímos, invertemos ou multiplicamos equações termoquímicas conhecidas até obter a equação desejada, e tratamos os valores de ΔH do mesmo jeito.

Na prova

Exercícios numéricos da lei de Hess (3 pontos), conversão entre ΔH e ΔU (2 pontos) e definições de calorimetria caem com frequência.

Experimente em casa: um calorímetro de copo

Pegue um copo de aço dentro de um copo de isopor. Coloque 100 mL de água da torneira e anote a temperatura (um termômetro de cozinha ou de febre serve). Misture duas colheres de barrilha ou um pouco de detergente em pó e leia a nova temperatura. Se subiu, a dissolução foi exotérmica. Agora use q = m c ΔT = 100 × 4.18 × ΔT. Teste os mesmos números no modo livre do 3D.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. Quanto calor é necessário para aquecer 250 g de água de 20 °C a 80 °C?

q = m c ΔT = 250 × 4.18 × (80 − 20) = 250 × 4.18 × 60 = 62 700 J = 62.7 kJ.

2. 1.00 g de grafite é queimado numa bomba calorimétrica com capacidade térmica de 20.0 kJ K⁻¹. A temperatura sobe 1.64 K. Calcule ΔU da queima de 1 mol de carbono.

Calor ganho pelo calorímetro = 20.0 × 1.64 = 32.8 kJ. A reação liberou esse calor, então q = −32.8 kJ por grama. 1 mol de C = 12 g: ΔU = −32.8 × 12 = −393.6 kJ mol⁻¹.

3. 50 mL de HCl 1 M são misturados com 50 mL de NaOH 1 M num calorímetro de copo. A temperatura sobe 6.8 K. Calcule a entalpia de neutralização (considere 100 g de solução, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹).

q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J. Mols de água formados = 0.050 × 1 = 0.050 mol. ΔH = −2842 ÷ 0.050 = −56 840 J mol⁻¹ ≈ −56.8 kJ mol⁻¹.

4. Para N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g), ΔU = −87.0 kJ a 298 K. Calcule ΔH.

Δn_g = 2 − 4 = −2. ΔH = ΔU + Δn_g RT = −87.0 + (−2)(8.314 × 10⁻³)(298) = −87.0 − 4.96 = −91.96 ≈ −92.0 kJ.

5. Calcule a ΔcH° do metano. ΔfH°: CH₄(g) = −74.8, CO₂(g) = −393.5, H₂O(l) = −285.8 kJ mol⁻¹.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). ΔrH° = [−393.5 + 2(−285.8)] − [−74.8 + 0] = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ mol⁻¹.

6. Dadas C + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ e CO + ½O₂ → CO₂, ΔH = −283.0 kJ. Calcule a ΔfH° do CO.

Queremos: C + ½O₂ → CO. Use a equação 1 como está e inverta a equação 2: CO₂ → CO + ½O₂, ΔH = +283.0. Somando: C + ½O₂ → CO, ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ mol⁻¹.

7. Use a lei de Hess para calcular a ΔfH° do CH₄. ΔcH°: C(grafite) = −393.5, H₂(g) = −285.8, CH₄(g) = −890.3 kJ mol⁻¹.

Queremos: C + 2H₂ → CH₄. (i) C + O₂ → CO₂, −393.5. (ii) 2 × [H₂ + ½O₂ → H₂O], 2 × (−285.8) = −571.6. (iii) inverter a combustão do CH₄: CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂, +890.3. Somando: −393.5 − 571.6 + 890.3 = −74.8 kJ mol⁻¹.

8. A capacidade térmica molar de um gás ideal a volume constante é 12.5 J K⁻¹ mol⁻¹. Calcule C_p e o calor necessário para aquecer 2 mol em 10 K a pressão constante.

C_p = C_v + R = 12.5 + 8.3 = 20.8 J K⁻¹ mol⁻¹. q_p = n C_p ΔT = 2 × 20.8 × 10 = 416 J. Esse valor é ΔH.

Erros comuns

Quiz de prática

1. O calor medido numa bomba calorimétrica é igual a:
2. Em qual reação ΔH = ΔU?
3. A ΔfH° do O₂(g) a 298 K é:
4. A lei de Hess funciona porque a entalpia é:
5. Qual destas é uma propriedade intensiva?

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

O que é entalpia em palavras simples?

A entalpia (H = U + pV) é o conteúdo de calor de um sistema a pressão constante. A variação dela, ΔH, é o calor absorvido ou liberado num recipiente aberto.

Qual a diferença entre a bomba calorimétrica e o calorímetro de copo?

A bomba calorimétrica é fechada (volume constante) e mede ΔU, em geral para queimas. O calorímetro de copo é aberto (pressão constante) e mede ΔH, em geral para reações em solução.

O que diz a lei de Hess?

A variação de entalpia de uma reação é a mesma se ela ocorre em uma etapa ou em várias. Por isso podemos somar equações termoquímicas para achar valores desconhecidos de ΔH.

Onde isso é ensinado

Canada (Ontario)Grade 12D. Energy Changes and Rates of Reaction
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Chemical processes and cycles (part 2)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a VIII-aChemistry in our lives
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класGeneral review of chemistry
CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS1 Matter and its interactions
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Spontaneity of chemical change
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Hydrocarbons: fuels and reactants
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.1 Thermal effects

Aprenda antes

Aprenda depois

Aulas relacionadas

Todas as aulas de Chemistry