Introdução à calorimetria e entalpia

RKA8JV - Ácido clorídrico. Cada inimigo químico é terrivelmente perigoso, mas também terrivelmente útil. Isto pode queimar sua pele, seus olhos, e até mesmo as suas membranas mucosas se você respirar por muito tempo. Mas o HCl, como ácido, desiste do seu hidrogênio muito facilmente, o que é bom para fazer coisas como fertilizantes, e até mesmo sal de cozinha. Em seguida, o hidróxido de sódio, uma substância que eu não desejo ao meu pior inimigo, embora eu fique feliz por tê-lo. Você pode conhecê-lo como soda cáustica, que é utilizado para tudo, desde a limpeza de tubos entupidos até a purificação de água potável. É uma base pronta para aceitar os prótons que ácidos liberam. O que você acha que vai acontecer quando eu faço solução destas duas coisas em conjunto? Elas irão apenas se anular mutuamente e não fazer mais nada? Será que elas vão explodir? Será que elas vão criar a viagem no tempo? Eu amei que você tenha prestado atenção, mas você já sabe o que vai acontecer. O que vai acontecer é que elas vão passar por uma reação de neutralização que falamos. Estas duas substâncias potencialmente mortais vão formar sal e inofensivo e água. Mas a reação também terá um efeito que você pode realmente sentir, ela irá liberar calor, e não apenas um pouco da mistura de calor. Ácidos concentrados e bases liberam tanto calor que podem resultar em uma explosão. Mas eu irei mostrar como produzir uma quantidade segura, mas perceptível de calor com essa reação. Para mim, a parte mais legal disso é de onde vem o calor. Na verdade, a energia vem de parte das ligações químicas no ácido na base. É como uma bola no topo de uma colina, a molécula sempre vai mover para o estado de menor de energia. Moléculas se movem para um menor estado de energia. Se elas puderem, é isso que elas irão fazer. Ligações de alta energia irão se quebrar e ligações de menor energia irão se formar. Você pode sentir os efeitos da mudança desses dois estados de energia, e isso é bem legal. E o que é mais impressionante, se você me perguntar, é que podemos realmente descobrir exatamente o quanto de calor será liberado nessa reação. Lembre-se que a mensuração das mudanças calor está intimamente relacionada com a entalpia, que é definida como a energia interna do sistema, mais a energia que é necessária para empurrar os arredores para trás, e abrir um espaço para a própria pressão e volume. Uma pressão constante como a que temos na superfície da Terra, que será exatamente o mesmo que o calor que é absorvido ou liberado pela reação. Naturalmente, pode ser muito útil saber quanto calor e quanto é a absorção e liberação de uma reação química. Além da das exotérmicas e dos rumores que observamos há também as endotérmicas, pacote gelo para o tratamento de lesões. A capacidade de calcular a mudança na entalpia é também o que dizem os pilotos: até que ponto o combustível de um tanque de avião permitirá que ele voe? Eu estou pessoalmente muito interessado em certificar que vai dar certo. Uma das maneiras que podemos calcular a variação de entalpia de um sistema é com a lei de Hess. Você vai se lembrar que a mudança total de entalpia para uma reação química não depende do percurso que ela faz, depende apenas dos seus estados inicial e final. Tudo é expresso em termos de padrões de formação de entalpia, que é a quantidade de perda ou ganho de calor quando 1 mol de um composto é formando, a partir de seus elementos. É assim que descobri exatamente quanto calor minha mão aquecedora libera. Mas essa não é a única maneira que há muito tempo pode ser usada, a própria lei não diz nada sobre o padrão de formação de entalpia. De qualquer maneira, podemos descobrir a mudança de calor entre produtos e reagentes, e se isto irá funcionar bem. É daí que a calorimetria vem. A calorimetria é o ramo da ciência que mensura a mudança de calor associada a uma reação química. Isto talvez pareça uma garrafa de plástico dentro de um envoltório, mas isto é, na verdade, um calorímetro. O calorímetro pode ser uma peça chique e cara de hardware, ou pode ser simples. Não importa como ele se parece, é basicamente um recipiente isolado que contém um termômetro, que pode ser feito de aço inoxidável ou de copos de isopor, mas realmente não há diferenças fundamentais na forma como eles funcionam. Você sabe que a configuração geral até agora, os produtos químicos no calorímetro compõem um sistema termodinâmico, e o restante é um ambiente de isolamento. O isolamento minimiza a quantidade de calor que entra e sai do sistema, de forma que podemos ficar bastante confiantes de que qualquer transferência de calor é parte do sistema, e não dos arredores. O termômetro acompanha a mudança de temperatura que faz parte do cálculo que precisamos fazer. Geralmente há alguma maneira de agitar a solução, para certificar-se que ela ocorrerá totalmente. Certo pessoal, segurança em primeiro lugar. Eu deveria estar usando luvas. Vou colocar 100 ml, que equivale a 100 g de ácido clorídrico em solução. 1 M de HCl em meu calorímetro aqui, agora, eu vou colocar a mesma quantidade de hidróxido de sódio. Antes de fazer a reação eu tenho que saber a temperatura do nosso ponto de partida, então, eu vou enfiar o meu termômetro lá e esperar por um segundo para ver o resultado. Nós precisamos fazer isto porque ele ficou durante um tempo em temperatura ambiente. Ele deve estar aproximadamente à temperatura ambiente, já que esteve muito tempo nesta sala. Então, a reação está com 28°C ou 294 K. Agora, eu vou adicionar meus 100 ml de hidróxido de sódio. Só mais um pouco, e a temperatura está, sem surpresas, a aumentar muito rapidamente. Eu estou fazendo, agora, algo que você nunca deve fazer com um termômetro, porque se você fizer isto nas escolas ao redor de todo o mundo, em seguida haverá 1 milhão de bilhões de termômetros quebrados. Fazer este tipo de coisa com o termômetro lá dentro não é bom, por isso, nunca faça o que eu estou fazendo. Certo, a temperatura deve estar estável agora. Nós temos 28,2°C. Outra fórmula simples que nos permite calcular a mudança de calor de uma reação simplesmente mensurando é a mudança de temperatura que ocorre no calorímetro. Diz-se que: a mudança de calor é igual à capacidade de calor específico vezes a massa vezes o tempo de mudança na temperatura. Vamos examinar as partes disso. Antes de tudo, o calor mudou. A fórmula do calorímetro é normalmente apresentada por um "q" minúsculo, mas também pode ser representada pela mudança na entalpia, ou ΔH. Porque lembre-se, em pressão constante, "ΔH = q". Pressão constante é quase sempre um bom pressuposto para a duração de um experimento, ou pelo menos enquanto nós estivermos na superfície da Terra, por razões que nós iremos entender depois. Nós usaremos o ΔH para representar mudanças de temperatura neste experimento. A capacidade de calor específico, representada pela letra minúscula "c", é a quantidade de calor requerida para elevar a temperatura de 1 unidade massa de uma substância em 1°C. Por isso, verifica-se que diferentes quantidades de calor criam diferentes variações de temperatura, como metais, que esquentam e esfriam facilmente. Outros, como a água, requerem uma grande quantidade de energia térmica para elevar a temperatura. Eu sempre fico me perguntando o que isso significa fisicamente, em que as moléculas não elevam a temperatura de todas as substâncias igualmente. Por que a água, em particular, tem uma alta capacidade de calor específico? Energia pode fazer um monte de coisas além de apenas elevar a temperatura. A temperatura ou a velocidade na qual as moléculas saltam ao redor é apenas uma forma que os átomos e moléculas podem absorver energia. A energia pode ser absorvida pela quebra ou a formação de ligação entre as moléculas. É como aprendemos em outro episódio sobre a capacidade de calor específico extremamente elevada da água. A capacidade de calor específico elevada da água é devido à quebra na formação de ligações de hidrogênio, que estão associados relativamente a pequenas mudanças na temperatura. Bem, eu estou feliz em informar que alguns nobres químicos têm trabalhado duro para determinar a capacidade calor específico de centenas substâncias. Então, nós não temos que olhar para os números de uma tabela e calcular a capacidade de calor específico vezes a massa vezes o tempo de mudança da temperatura, temos apenas que olhar os números em uma tabela. Ok, a capacidade calor específico vezes a massa vezes o tempo de mudança da temperatura é importante porque, quanto mais massa da substância nós temos, mais bombas químicas estão presentes, porque a energia está contida nas ligações químicas, e tem um grande efeito sobre a quantidade de energia que é capaz de absorver ou liberar. Finalmente, tem a mudança de temperatura ao fazer a calorimetria. Ao fazer a calorimetria, nós calculamos a mudança de calor medindo uma mudança na temperatura. Mas como nós dissemos, 1 bilhão de vezes antes, calor não é a mesma coisa que temperatura. Por favor, não pense que esta coisa é medir o calor, porque ele não é. É só que, felizmente, neste caso específico, eles estão relacionados por nossa pequena acessível forma calorimétrica. Você pode não perceber, mas nós estamos bem na interface entre a Química e a Física. Aqui, cada ciência poderia reivindicar propriedade sobre esse fenômeno, mas, a verdade, é que os seres humanos fizeram a diferença entre a Química e a Física. A termodinâmica é o estudo do calor, energia e trabalho. Ela não se preocupa com as regrinhas que nós humanos criamos. A termodinâmica por si mesma faz as regras do universo. Então, agora você sabe, mesmo que você não tenha se importado. Certo, já falamos o suficiente, vamos realmente fazer alguma matemática aqui. Lembre-se que a fórmula é ΔH = cmΔT. Lembre-se que as soluções que estamos usando aqui são tão diluídas, que quase a totalidade de sua massa é composta por água, portanto, podemos simplesmente usar a capacidade e calor específico da água. Se observarmos uma tabela, veremos que o valor é 4,184 J/g‧K. Eu usei 100 g de cada produto químico, que dá um total de 200 g, e finalmente nós precisamos da mudança na temperatura. Se você se lembra, a temperatura subiu de 294 para 301 K. A diferença entre estes dois é 7,4 K. É um valor positivo porque houve um aumento da temperatura. Cancele todas as unidades apropriadas e, em seguida, bata na calculadora para obter um valor de: 6192,32 J, ou 6,2 kJ de calor da reação. Porque esta fórmula é baseada em mudanças de temperatura, e uma vez que a temperatura aumentou, vamos acabar com o resultado positivo. Mas o mais importante é a mudança na magnitude da energia térmica. Então, eu me pergunto: como isso se compara a quantidade que nós predizíamos usando a lei de Hess e o padrão ide formação de entalpia? Lembre-se que podemos olhar os padrões formação de entalpia de todos os produtos e reagentes através de um livro ou online. A reação entre ácido clorídrico e hidróxido de sódio produz água líquida e cloreto de sódio. O padrão de formação de entalpia para o ácido clorídrico é -167,2 kJ/mol. Para o hidróxido de sódio é -469,15 kJ/mol. Para a água líquida é -285,8 kJ/mol. Para o cloreto de sódio é -407,27 kJ/mol. Nós não vamos colocar os cálculos na tela, mas confie em mim quando eu digo que usamos 0,100 mol de HCl. E é a mesma quantidade de NaOH, porque tudo em uma equação balanceada é apenas 1 para 1, a relação de 1 para 1. Podemos supor que todos têm a mesma quantidade de cada produto, bem como, se ligarmos a lei de Hess e fizermos o cálculo, descobrimos que a mudança de calor ou entalpia da reação é -5,67 kJ. Se o sistema está ganhando ou perdendo energia o número é negativo, mas, novamente, o que queremos saber é a magnitude. Então, lá vai a fórmula calorimétrica. Deu uma mudança de entropia absoluta de 6,2 kJ, enquanto a lei de Hess dá uma mudança e 5,67 kJ. Bom, por que há diferença? A diferença entre o maior valor é, provavelmente, porque nós usamos a capacidade de calor específico da água pura em vez da água salgada, que nós realmente criamos. Nós também não incluímos a capacidade de calor do nosso próprio calorímetro. As paredes do calorímetro e o termômetro foram aquecidos, resultando em algum calor que não foi contabilizado na instalação do calorímetro, e, obviamente, uma abertura que permitiu o calor escapar totalmente. Este é um outro grande fator, então eu diria que nós fizemos muito bem. O importante é que ele nos mostrou o que precisávamos ver, embora fosse apenas um método simples. Com a garrafa de plástico em envoltório, este calorímetro nos trouxe perto do valor calculado. Se estivéssemos calculando um montante de um determinado combustível que seria necessário para viajar para Marte, ou inventar um pacote de gelo que não vai dar mais queimaduras, teríamos que usar um sistema mais sofisticado. Mas este já foi ótimo para os nossos propósitos.