Entalpia — definição, fórmula e exotérmico vs endotérmico

A entalpia é a grandeza que os químicos usam para acompanhar a variação de energia em muitos processos a pressão constante. Na maioria dos problemas introdutórios de química, o atalho principal é este: se a pressão é constante e o único trabalho importante é o trabalho de pressão-volume, então a variação de entalpia é igual ao calor transferido para o sistema:

$$\Delta H = q_p$$

Isso dá uma forma rápida de interpretar o sinal. Se $\Delta H < 0$, o processo é exotérmico e o sistema libera calor. Se $\Delta H > 0$, o processo é endotérmico e o sistema absorve calor.

Definição de entalpia em química

A entalpia é definida como

$$H = U + pV$$

Aqui, $U$ é a energia interna, $p$ é a pressão e $V$ é o volume. A entalpia é uma função de estado, o que significa que ela depende do estado atual do sistema, e não do caminho usado para chegar até ele.

Na prática, os químicos geralmente se interessam pela variação de entalpia, e não pelo valor absoluto. A maioria das questões pergunta o que acontece durante um processo, como uma reação, uma mudança de fase ou uma mistura, então $\Delta H$ é a grandeza útil.

Quando $\Delta H = q_p$ a pressão constante

$\Delta H$ indica a diferença de entalpia entre os estados final e inicial:

$$\Delta H = H_{final} - H_{initial}$$

Sob pressão constante, um valor negativo significa que o calor sai do sistema, e um valor positivo significa que o calor entra no sistema. Essa convenção de sinais é sempre do ponto de vista do sistema.

O atalho $\Delta H = q_p$ é útil, mas vem com uma condição. Ele se aplica no contexto padrão da química, com pressão constante, quando o trabalho de pressão-volume é o único termo de trabalho relevante. Fora desse contexto, você não deve tratá-lo como uma fórmula universal para calor.

Exotérmico vs endotérmico: como interpretar o sinal

O teste mais rápido é olhar o sinal de $\Delta H$:

• $\Delta H < 0$: exotérmico, então o sistema libera calor para a vizinhança
• $\Delta H > 0$: endotérmico, então o sistema absorve calor da vizinhança

A combustão é um processo exotérmico comum. O derretimento do gelo é um processo endotérmico comum. Esses nomes ficam mais fáceis de lembrar se você os associar ao fluxo de calor, em vez de tentar memorizar as palavras isoladamente.

O sinal de $\Delta H$ não diz se um processo é rápido. A velocidade da reação depende da cinética e da energia de ativação, não apenas da variação de entalpia.

Exemplo resolvido: derretimento do gelo

Suponha que $2.00\ \mathrm{mol}$ de gelo derretam a $0^\circ \mathrm{C}$ e $1\ \mathrm{atm}$. A entalpia molar de fusão da água é aproximadamente

$$\Delta H_{fus} = 6.01\ \mathrm{kJ/mol}$$

Para a quantidade dada,

$$\Delta H = n\Delta H_{fus} = (2.00\ \mathrm{mol})(6.01\ \mathrm{kJ/mol}) = 12.0\ \mathrm{kJ}$$

O resultado é positivo, então a fusão é endotérmica. Nessas condições, o sistema absorve $12.0\ \mathrm{kJ}$ de calor da vizinhança.

Este exemplo é útil porque o sinal combina com a interpretação física. Durante a fusão na temperatura de mudança de fase, a energia absorvida é usada para mudar o estado, e não para aumentar a temperatura da amostra.

Erros comuns em problemas de entalpia

Usar $\Delta H = q_p$ sem verificar a condição

O atalho $\Delta H = q_p$ não é uma definição universal de calor. Ele é a relação válida a pressão constante usada em contextos padrão da química.

Confundir sistema e vizinhança

Se uma reação parece quente para você, a vizinhança está ganhando calor. Isso normalmente significa que o sistema está liberando calor, então $\Delta H$ do sistema é negativo.

Confundir entalpia com energia de ativação

A variação de entalpia compara os estados inicial e final. A energia de ativação é a barreira que precisa ser vencida para que uma etapa da reação ocorra. Elas descrevem partes diferentes do quadro energético.

Supor que exotérmico significa espontâneo

Nem sempre. A entalpia ajuda, mas a espontaneidade a temperatura e pressão constantes depende da energia livre de Gibbs, e não apenas de $\Delta H$.

Onde a entalpia é usada

A entalpia aparece em toda a termoquímica:

• calor de reação e calorimetria
• mudanças de fase, como fusão, solidificação e vaporização
• cálculos pela lei de Hess
• balanços de energia em problemas de laboratório e engenharia

Se a questão pergunta quanto calor é absorvido ou liberado a pressão constante, a entalpia geralmente é o primeiro conceito a verificar.

Tente uma questão parecida de termoquímica

Faça o mesmo cálculo para a solidificação em vez da fusão. Nas mesmas condições, o módulo permanece o mesmo para o processo inverso, mas o sinal muda:

$$\Delta H_{freeze} = -\Delta H_{fus}$$

Essa comparação já torna exotérmico e endotérmico muito mais fáceis de lembrar. Como próximo passo útil, compare isso com a lei de Hess para ver como as variações de entalpia são combinadas em várias reações.