Calculadora de Entalpia

A calculadora de entalpia da Omni ajudará você a calcular a alteração na entalpia de uma reação. Continue lendo para saber como calcular a entalpia e sua definição. Também explicaremos a diferença entre reações endotérmicas e exotérmicas, além de fornecer a você um exemplo de aplicação.

A entalpia mede a energia total de um sistema termodinâmico, seja na forma de energia interna ou do produto entre o volume e a pressão. É uma função de estado, dependendo apenas do estado de equilíbrio de um sistema.

Uma quantidade interessante é a variação de entalpia, sendo esta a medida da energia total trocada em um sistema. É uma descrição simplificada da transferência de energia (a energia pode estar na forma de calor ou na forma de trabalho realizado durante um processo de expansão).

Há dois tipos principais de reações termodinâmicas: endotérmica e exotérmica. Uma reação endotérmica causa a absorção de calor do ambiente. Uma reação exotérmica libera calor para o ambiente.

Esses dois tipos de reação causam variações nos níveis de energia e, portanto, variações de entalpia. Tudo o que você precisa lembrar para o propósito desta calculadora é:

• Se a reação for endotérmica, a alteração na entalpia é positiva, pois o calor é ganho (absorvido do ambiente).
• Se a reação for exotérmica, a alteração na entalpia é negativa, pois o calor é perdido (liberado para o ambiente).

A entalpia, por definição, é a soma da energia interna do sistema com o produto do volume e pressão do mesmo sistema:

onde $U$ representa a energia interna, $p$ a pressão e $V$ o volume. Observe que a segunda parte lembra muito as equações que conhecemos na calculadora da lei combinada dos gases 🇺🇸 da Omni. A relação entre pressão e volume nos permite encontrar uma conexão semelhante entre quantidade de matéria e a temperatura.

No entanto, se você quiser calcular a alteração na entalpia, será necessário considerar dois estados, denominados inicial e final. Vamos supor que a pressão seja constante enquanto a reação ocorre. Então, a mudança na entalpia é dada por:

ou na notação simplificada:

onde:

• $U_2$ e $V_2$ – São a energia interna e volume dos produtos da reação, respectivamente;
• $U_1$ e $V_1$ – São a energia interna e volume dos reagentes, respectivamente;
• $p$ – É a pressão constante;
• $ΔU$ – É a variação da energia interna;
• $ΔV$ – É a variação do volume; e
• $ΔH$ – É a variação da entalpia.

Para problemas mais específicos, podemos definir a entalpia padrão de formação de um composto, denotada como $ΔH_\mathrm{f}\degree$. Ela representa a alteração na entalpia durante a formação de um mol de substância, em condições padrão de temperatura e pressão, ( $p = 10^5\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{bar}$ e $T = 25 \degree \mathrm{C} = 298,\!15\ \mathrm{K}$), a partir de seus elementos puros em seus respectivos estados de referência.

O estado de referência de um elemento é a sua configuração mais estável sob as condições acima mencionadas. Alguns exemplos de estados de referência são o nitrogênio na forma de moléculas de gás $\mathrm N_{2}$ e o carbono na forma de grafita.

A equação da entalpia padrão de formação para uma reação é a seguinte:

onde:

• $ΔH\degree_\mathrm{rea\c{c}\~ao}$ – Mudança de entalpia padrão de formação expressa em kJ;
• $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{produtos})$ – Soma das entalpias padrão de formação dos produtos, expressa em kJ/mol; e
• $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagentes})$ – Soma das entalpias padrão de formação dos reagentes, expressa em kJ/mol.

Se estiver prestando atenção, você deve ter observado que $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{produtos})$ e $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagentes})$ têm unidades diferentes de $ΔH\degree_\mathrm{rea\c{c}\~ao}$. Isso ocorre porque você precisa multiplicá-los pelo número de mols, ou seja, o coeficiente antes do composto na reação. Mais tarde, mostraremos a você um exemplo que deve explicar tudo isso.

Mas, antes disso, você pode perguntar: "Como calcular a entalpia padrão de formação para cada composto?" A resposta mais direta é usar a tabela de entalpia padrão de formação! Aqui está um exemplo:

Os símbolos entre parênteses indicam o estado: $\mathrm{s}$ - sólido, $\mathrm{l}$ - líquido, $\mathrm{g}$ - gás e $\mathrm{aq}$ - dissolvido em água. Se você precisar da entalpia padrão de formação de outras substâncias, selecione o composto correspondente na lista da calculadora de entalpia. Incluímos todos os compostos mais comuns!

Vamos praticar nosso conhecimento recém-adquirido usando a tabela de entalpia padrão de formação acima. Por exemplo, temos a seguinte reação:

Qual é a mudança de entalpia nesse caso? Somamos $ΔH_\mathrm{f}\degree$ para $\mathrm{SO}_{2\mathrm{(g)}}$ e $O_{2\mathrm{(g)}}$ e subtraímos o $ΔH_\mathrm{f}\degree$ para $\mathrm{SO}_{3\mathrm{(g)}}$. Lembre-se de multiplicar os valores pelos coeficientes correspondentes!

Observe que as unidades dos coeficientes das substâncias da reação em $\mathrm{mol}$ eliminam a dimensão de $\mathrm{mol}$ no denominador. Deste modo, a resposta final é dada em $\mathrm{kJ}$:

É isso aí! Nossa calculadora de entalpia é uma maneira muito mais rápida de obter o resultado, não é mesmo?

A calculadora de entalpia tem dois modos. Você pode calcular a alteração de entalpia a partir da equação da reação ou usando a fórmula de entalpia. Se você selecionar o primeiro modo:

1. Observe a equação da reação que apareceu no cabeçalho da calculadora. Você precisa de um reagente/produto adicional (C ou F)? Se sim, insira os valores dos coeficientes e selecione as substâncias adicionais da lista (ou selecione a opção personalizar).
2. Preencha os campos na seção Reagentes. Você precisa fornecer o coeficiente antes do composto e selecionar a substância na lista (elas estão em ordem alfabética). Se você não conseguir encontrar a substância correta, selecione a opção Personalizar e insira a entalpia padrão de formação em kJ/mol (se você não tiver isso em mãos, verifique algumas tabelas de referência on-line, como esta em Chemistry LibreTexts).
3. Repita o mesmo procedimento para os Produtos.
4. Verifique a equação da reação abaixo e leia o resultado. Essa é a mudança de entalpia padrão de formação para sua reação!
5. Opcionalmente, verifique a tabela de entalpia padrão de formação (para os compostos que você escolheu) que listamos na parte inferior.

Se você quiser calcular a mudança de entalpia a partir da fórmula de entalpia:

1. Comece determinando a mudança de volume de sua substância. Vamos supor que seu líquido tenha se expandido em $5$ litros.
2. Encontre a alteração na energia interna da substância. Digamos que a energia da substância tenha aumentado em $2000\ \mathrm{J}$.
3. Meça a pressão do ambiente. Vamos supor que você tenha 1 atm.
4. Insira todos esses valores na equação $ΔH = ΔU + p\cdot ΔV$ para obter a alteração na entalpia:

5. Nossa calculadora de entalpia também pode encontrar a entalpia baseada na energia interna inicial e final e no volume.