Energia, velocidade e equilíbrio
Três questões determinam se uma reação é útil: se aquece ou esfria, quão rápida é e se termina? A química física responde a elas — calorimetria e Q = mcΔT, teoria das colisões com suas quatro alavancas e o equilíbrio dinâmico que uma reação reversível atinge em um recipiente fechado.
Edexcel International GCSE Química 4CH1, Seção 3 (enunciados 3.1–3.22C) é curto, mas cheio de cálculos. Os enunciados sufixados com C são apenas de Química.
Energetica
Reações exotérmicas liberam calor (combustão, neutralização, maioria dos deslocamentos) — a mistura esquenta, ΔH é negativo. Reações endotérmicas absorvem calor (decomposição térmica, algumas dissoluções) — a mistura esfria. Calorimetria simples: medir a variação de temperatura de uma massa conhecida (copo de poliestireno para soluções; queimador de álcool sob béquer de água para combustão).
Exemplo resolvido. 50 g de água eleva 24 °C em um ensaio com queimador de álcool: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ J. Se 0.010 mol de combustível foram queimados: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.
(C) Quebra de ligações é endotérmica; formação de ligações é exotérmica. ΔH = ligações quebradas − ligações formadas. Exemplo resolvido. H₂ + Cl₂ → 2HCl: quebradas 436 + 242 = 678; formadas 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 kJ/mol (exotérmica).
Velocidade de reação
Experimentos seguem uma reação visível: volume de gás (mármore + ácido), perda de massa em balança ou cruzada desaparecendo (tiossulfato de sódio + ácido). Quatro alavancas: área superficial de um sólido, concentração (ou pressão gasosa), temperatura e um catalisador.
Teoria das colisões explica tudo: reações exigem colisões com pelo menos a energia de ativação. O pó oferece maior superfície exposta → mais colisões por segundo; concentração ou pressão maior aproxima as partículas → colisões mais frequentes; temperatura mais alta aumenta a velocidade das partículas → colisões tanto mais frequentes quanto mais energéticas — o único fator que eleva a fração de colisões bem-sucedidas. Um catalisador fornece um caminho alternativo com menor energia de ativação → mais colisões são bem-sucedidas — e permanece quimicamente inalterado ao final; não altera a quantidade de produto, apenas a velocidade com que ele se forma.
Reações reversíveis e equilíbrios
Uma reação reversível (⇌) ocorre em ambos os sentidos: sulfato de cobre(II) hidratado ⇌ sal anidro + água (calor favorece a reação direta, água a inversa); cloreto de amônio ⇌ amônia + cloreto de hidrogênio ao aquecer. (C) Em um recipiente fechado, atinge-se o equilíbrio dinâmico: as velocidades das reações direta e inversa são iguais e todas as concentrações permanecem constantes — ambas as reações continuam ocorrendo.
(C) Aumento de temperatura → o equilíbrio desloca-se no sentido endotérmico; aumento de pressão → desloca-se para o lado com menor número de mols de gás; um catalisador acelera ambas as direções igualmente e não altera a posição do equilíbrio.
Verifique você mesmo
- Classifique como exotérmica ou endotérmica: combustão, decomposição térmica, neutralização.
- 100 g de água esfria em 8.0 °C em um experimento de dissolução. Calcule Q.
- (C) Indique o sinal de ΔH para ruptura e formação de ligações.
- Use energias de ligação para encontrar ΔH para 2H₂ + O₂ → 2H₂O (H–H 436, O=O 498, O–H 463 kJ/mol).
- Por que o mármore em pó reage mais rapidamente com ácido do que um único pedaço grande?
- Qual alavanca de velocidade aumenta a fração de colisões bem-sucedidas, e por quê?
- Defina um catalisador.
- (C) Enuncie as duas características do equilíbrio dinâmico.
- (C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: o que o aumento da pressão provoca e por quê?
- (C) Por que um catalisador não altera a posição do equilíbrio?
Respostas: 1 exotérmica (combustão), endotérmica (decomposição térmica), exotérmica (neutralização); 2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ J absorvidos — a água esfria, logo a dissolução é endotérmica; 3 (C) ruptura positiva (endotérmica), formação negativa (exotérmica); 4 quebradas: 2(436) + 498 = 1370; formadas: 4(463) = 1852; ΔH = 1370 − 1852 = −482 kJ/mol (por 2 mol H₂O); 5 o pó expõe muito mais superfície, permitindo mais colisões com o ácido por segundo; 6 temperatura — partículas mais rápidas colidem com mais frequência E mais colisões superam a energia de ativação; 7 uma substância que aumenta a velocidade, mas permanece quimicamente inalterada ao final; 8 (C) velocidades direta e inversa iguais; concentrações de todas as substâncias constantes; 9 (C) desloca-se para a direita — 4 mols de gás à esquerda, 2 à direita, então maior pressão favorece o lado com menor número de mols.
Respostas continuadas: 10 (C) reduz a energia de ativação das reações direta e inversa igualmente, acelerando ambas sem alterar seu equilíbrio.