Calor de reação padrão

Calor de Reação Padrão

As reações químicas ocorrem com transferência de calor com consequentes variações de temperatura  enquanto ocorrem. Estes efeitos são manifestações das diferenças na estrutura molecular e, consequentemente, na energia dos produtos e dos reagentes. Por exemplo, os reagentes numa reação de combustão possuem mais energia do que os produtos e essa diferença de energia é transferida para as vizinhanças como calor ou produzir produtos a uma temperatura elevada.

Cada reação pode ser efetuada de várias formas e cada uma acompanhada de um efeito térmico específico, o que torna impraticável a tabulação de todos os efeitos térmicos possíveis.

A quantidade de calor necessária para uma reação química específica depende das temperaturas dos reagentes e produtos. Por conta disso o tratamento dos efeitos térmicos é feito quando os produtos e reagentes estão na mesma temperatura.

Considere o método do calorímetro de fluxo para medir o calor de combustão de gases combustíveis. O combustível é misturado com ar na temperatura ambiente e é feita a ignição. A combustão é feita em uma câmara com uma camisa de resfriamento através da qual escoa água de resfriamento fazendo com que os produtos saiam na temperatura dos reagentes. Como não há realização de trabalho no eixo e as variações de energias cinética e potencial são desprezíveis a equação da primeira lei fica reduzida a:

Q =∆H   (I)

Ou seja, o calor absorvido pela água Q é igual à variação de entalpia causada pela reação química (reação de combustão), que, universalmente é chamada calor de reação.

Com o objetivo de apresentar dados, definimos o calor padrão de reação que é um estado particular de uma espécie química a uma temperatura T e em uma condição específica de pressão, composição e estado físico.

Para os gases: O estado padrão é o de um gás puro no estado de gás ideal a 1 bar.

Para os líquidos e sólidos: O líquido e o sólido puro a 1 bar.

O estado padrão é identificado pelo símbolo de grau (°). Por ex. Cp° é a capacidade calorífica no estado padrão.

Calor Padrão de Reação

Uma reação de formação é definida como a reação que forma um mol de um único composto a partir dos elementos que o constituem. Por ex.

C + 1/2 O2 + 2 H2 →CH3OH é a reação do metanol

A reação H2O + SO3 → H2SO4 não é uma reação de formação do  ácido sulfúrico pois não forma  um mol do ácido a partir de seus elementos e sim, a partir dos compostos água e trióxido de enxofre.

Os calores padrões de formação são compilados a uma determinada temperatura e, esta , foi fixada em 25°C ou 298,15K. O calor padrão de formação de um composto  nesta temperatura é representado pelo símbolo ∆H°298.

Uma reação química pode ser escrita na forma

...   (II)[pic 1]

Onde vi  é o número estequiométrico da espécie i na mistura reacional e vi>0 para produtos e vi<0 para reagentes.

Por ex. para a reação 1/2 N2(g) + 3/2 H2(g) →NH3(g) que é a reação de formação da amônia vN2 = -1/2, vH2 =-3/2 e vNH3 = +1.

Esta convenção permite expressar matematicamente a definição de calor de reação padrão pela equação:

  (III)[pic 2]

Onde é a entalpia da espécie química i no seu estado padrão e o somatório abrange todos os produtos e todos os reagentes. A entalpia no estado padrão de um composto químico é igual ao seu calor de formação somado às entalpias no estado padrão dos seus elementos constituintes.[pic 3]

Ex. Para a reação de formação da água: H2 + 1/2º2 → H2O

∆H0 = -1H°H2 -1/2H°O2 + H°H2O  (IV)

Podemos, ainda, obsevar que este resultado representa a diferença entre as entalpias do(s) produto(s) e do(s) reagente(s)

Se estipularmos, arbitrariamente, que as entalpias no estado padrão de todos os elementos químicos iguais a zero como base de cálculo então a entalpia no estado padrão de cada composto será o seu calor de formação.  Neste caso a expressão (IV) fica

H°i = ∆H°fi  pois H0H2 = H°O2 =0

A equação (III) pode ser escrita como;

[pic 4]

Onde o somatório engloba todos os produtos e todos os reagente.

Aplicada à reação 4HCl(g) + O2(g) → 2H2O(g) + 2Cl2(g)

∆H0 = 2∆H°fH2O - 4∆H°fHCl = 2(-241.818)-4(-92.307) = -114.408J.

Os valores dos calores de formação de cada composto no estado padrão são dados na tabela C.4 a 298,15K

Para as reações padrões os produtos e reagentes estão sempre na pressão de 1 bar e, consequentemente, as entalpias no estado padrão são funções somente da temperatura.

Pela equação que define entalpia dHi = Cpi dT e para uma espécie i participante de uma mistura reacional

dHi° = Cp°i.dT.

A multiplicação por vi e a soma sobre todos os produtos e reagentes fornecem

[pic 5]

Como vi é uma constante, ela pode ser posicionada dentro da diferencial, gerando