Exemplo resolvido: como medir a entalpia de uma reação usando a calorimetria de xícara de café

RKA12MC – Olá! Tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza, e, nessa aula, vamos resolver um exemplo sobre a variação de entalpia de uma reação utilizando um calorímetro de xícara de café. Inicialmente, precisamos lembrar que um calorímetro de xícara de café é um calorímetro de pressão constante. E um calorímetro de pressão constante pode ser usado para determinar a variação de entalpia em uma reação química. Aqui, temos uma reação química entre uma solução aquosa de nitrato de prata e uma solução aquosa de cloreto de sódio para formar um precipitado de cloreto de prata e uma solução aquosa de nitrato de sódio. Vamos dizer que temos aqui 25 mililitros de uma solução 0,100 molar de nitrato de prata e 25,0 mililitros de uma solução 0,100 molar de cloreto de sódio. Ambas as soluções estão inicialmente a uma temperatura de 25 graus Celsius. Agora, adicionamos nossas duas soluções ao nosso calorímetro, que é composto por duas xícaras de café. E, como a xícara de café superior está solta, essa reação ocorre sob pressão constante da atmosfera. Sendo assim, temos aqui uma calorimetria de pressão constante. Depois que as duas soluções aquosas se misturam, ocorre a reação e observamos o termômetro no calorímetro. Nesse caso, a temperatura da solução aumentou e a temperatura final (a mais alta alcançada em nosso experimento) foi de 25,781 graus Celsius. Como sabemos, a variação de temperatura da solução é igual à temperatura final menos a temperatura inicial, que é 25,781 menos 25,000, e isso é igual a 0,781 grau Celsius positivo. O volume total da solução é 25 mais 25, que equivale a 50,0 mililitros de solução. Assumindo que a densidade da solução é de 1 grama por mililitro, 50 mililitros é igual a 50 gramas. Agora, precisamos determinar o calor recebido pela água, e, para isso, podemos usar a equação “q = m·C·ΔT”. Estamos determinando o calor, que é simbolizado por “q”, e isso é igual a “m”, que é a massa da nossa solução, que é 50,0 gramas. Então, podemos substituir esse valor aqui. Podemos assumir que o calor específico da solução é igual ao calor específico da água, que é 4,18 joules por grama graus Celsius, e a variação de temperatura da solução é de 0,781 grau Celsius. Então, podemos substituir isso aqui também. Gramas se cancelam, graus Celsius se cancelam, e descobrimos que “q” é igual a +1,63 x 10² joules. O sinal positivo significa que a água recebeu energia, e, devido a isso, eu acho que vale a pena a gente pensar agora na distinção entre sistema e vizinhança. O sistema consiste nos reagentes e produtos da nossa reação particular, e a vizinhança é todo o restante, incluindo a água. Então, nesse caso, a temperatura da vizinhança aumentou, não é? Afinal, vimos um aumento na temperatura. Isso significa que o calor fluiu do sistema para a vizinhança. Dessa forma, a energia da vizinhança aumentou, e é por isso que vemos esse sinal positivo aqui. Assumindo uma transferência perfeita de calor do sistema para o ambiente, se o ambiente ganhou energia, isso significa que o sistema perdeu energia. Se a gente estiver pensando aqui no calor transferido da reação, teremos o mesmo módulo aqui, ou seja, 1,63 x 10² joules. No entanto, precisamos colocar um sinal negativo aqui, o que indica que a energia foi liberada pela reação. Como sabemos, o calor que é transferido sob pressão constante é igual à variação de entalpia da reação (ΔH). Agora que fizemos tudo isso, vamos encontrar a variação de entalpia, ΔH, em termos de quilojoules por mol do cloreto de prata? Como o cloreto de prata é um dos nossos produtos, primeiro precisamos encontrar quantos mols temos em nossos reagentes, e faremos isso usando a equação de molaridade, que diz que: a molaridade é igual a mols divididos por litros, ou seja, o número de mols dividido pelo volume. Para nossa solução de nitrato de prata, a concentração era 0,100 molar. Estamos buscando resolver isso para o número de mols, que não sabemos o valor, então substituímos isso por “x”. O volume de nossa solução de nitrato de prata era 25,0 mililitros, que é 0,0250 litro. Ao resolver a equação para "x", chegamos a um valor igual a 0,00250. Então, começamos com essa quantidade de mols de nitrato de prata, e temos exatamente o mesmo valor para o cloreto de sódio. Sendo assim, esse valor também se refere à quantidade de mols de cloreto de sódio que temos. Agora, voltando à nossa equação química balanceada, podemos ver que temos coeficientes iguais a 1 na frente do nitrato de prata, na frente do cloreto de sódio e na frente do cloreto de prata, portanto, também vamos produzir 0,00250 mol de cloreto de prata. Feito isso, vamos calcular a variação de entalpia, ΔH, para a nossa reação. O calor que foi transferido foi igual a -1,63 x 10² joules, e vamos dividir isso pelo número de mols de cloreto de prata, que é 0,00250 mol de cloreto prata. Isso é igual a -65.200 joules por mol de cloreto de prata. Podemos escrever isso em quilojoules. Então, isso é igual a -65,2 quilojoules por mol de cloreto de prata. A gente poderia parar aqui e dar esta como a nossa resposta final, mas vamos continuar nosso problema e converter 2 quilojoules por mol de reação? Primeiro, vamos reescrever isso aqui. Temos -65,2 quilojoules por mol de cloreto de prata, e escrevemos a reação aqui embaixo, afinal estamos falando da equação balanceada. Olhando a equação balanceada, temos 1 mol de cloreto de prata para como a reação é escrita. Assim, podemos escrever um fator de conversão de 1 mol de cloreto de prata por 1 mol de reação. Escrevendo dessa forma para o fator de conversão, os mols de cloreto de prata se cancelam e temos como resposta -65,2 quilojoules por mol de reação. Portanto, essa também pode ser a nossa resposta final. Finalmente, o sinal negativo que temos aqui indica que temos uma reação exotérmica. A reação liberou energia e esse valor, quando você faz um experimento de calorimetria de pressão constante, costuma ser um pouco menor do que o valor real, porque, na realidade, nem sempre há uma transferência perfeita de calor da reação para a água. Frequentemente, parte da energia é perdida para o ambiente. Enfim, espero que você tenha compreendido tudo o que conversamos aqui, e, mais uma vez, eu quero deixar para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima!