Reação endotérmica: características, equações e exemplos - Ciência - 2023

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UMA reação endotérmica É aquele que para ocorrer deve absorver energia, na forma de calor ou radiação, de seu entorno. Geralmente, mas nem sempre, eles podem ser reconhecidos por uma queda na temperatura em seus arredores; ou, ao contrário, precisam de uma fonte de calor, como a obtida por uma chama acesa.

A absorção de energia ou calor é o que todas as reações endotérmicas têm em comum; sua natureza, bem como as transformações envolvidas, são muito diversas. Quanto calor eles devem absorver? A resposta depende de sua termodinâmica: a temperatura na qual a reação ocorre espontaneamente.

Por exemplo, uma das reações endotérmicas mais emblemáticas é a mudança de estado de gelo para água líquida. O gelo precisa absorver calor até que sua temperatura atinja aproximadamente 0ºC; nessa temperatura, seu derretimento torna-se espontâneo e o gelo será absorvido até derreter completamente.

Em locais quentes, como nas margens de uma praia, as temperaturas são mais altas e, portanto, o gelo absorve o calor mais rapidamente; ou seja, ele derrete mais rápido. O derretimento de geleiras é um exemplo de reação endotérmica indesejável.

Por que isso acontece dessa forma? Por que o gelo não pode aparecer como um sólido quente? A resposta está na energia cinética média das moléculas de água em ambos os estados e como elas interagem entre si por meio de suas ligações de hidrogênio.

Na água líquida, suas moléculas têm maior liberdade de movimento do que no gelo, onde vibram estacionárias em seus cristais. Para se mover, as moléculas devem absorver energia de tal forma que suas vibrações quebrem as fortes ligações de hidrogênio direcionais no gelo.

Por esse motivo, o gelo absorve calor para derreter. Para que o "gelo quente" existisse, as ligações de hidrogênio teriam que ser anormalmente fortes para derreter a uma temperatura bem acima de 0ºC.

Características de uma reação endotérmica

A mudança de estado não é propriamente uma reação química; entretanto, acontece a mesma coisa: o produto (água líquida) tem energia superior ao reagente (gelo). Esta é a principal característica de uma reação ou processo endotérmico: os produtos são mais energéticos que os reagentes.

Embora isso seja verdade, não significa que os produtos devam ser necessariamente instáveis. Nesse caso, a reação endotérmica deixa de ser espontânea em todas as condições de temperatura ou pressão.

Considere a seguinte equação química:

A + Q => B

Onde Q representa calor, geralmente expresso em unidades de joule (J) ou calorias (cal). Como A absorve calor Q para se transformar em B, diz-se que se trata de uma reação endotérmica. Assim, B tem mais energia do que A e deve absorver energia suficiente para realizar sua transformação.

Como pode ser visto no diagrama acima, A tem menos energia do que B. A quantidade de calor Q absorvida por A é tal que supera a energia de ativação (a energia necessária para atingir o topo do pináculo roxo). A diferença de energia entre A e B é conhecida como entalpia da reação, ΔH.

ΔH> 0

Todas as reações endotérmicas têm o diagrama acima em comum, uma vez que os produtos são mais energéticos do que os reagentes. Portanto, a diferença de energia entre eles, ΔH, é sempre positiva (H_produtos-H_Reagente > 0). Como isso é verdade, deve haver uma absorção de calor ou energia do entorno para suprir essa necessidade energética.

E como essas expressões são interpretadas? Em uma reação química, as ligações são sempre quebradas para criar novas. Para quebrá-los, a absorção de energia é necessária; ou seja, é uma etapa endotérmica. Enquanto isso, a formação das ligações implica estabilidade, por isso é uma etapa exotérmica.

Quando as ligações formadas não fornecem estabilidade comparável à quantidade de energia necessária para quebrar as ligações antigas, ocorre uma reação endotérmica. É por isso que energia adicional é necessária para promover a quebra das ligações mais estáveis dos reagentes.

Por outro lado, nas reações exotérmicas ocorre o oposto: liberação de calor e ΔH <1 (negativo). Aqui, os produtos são mais estáveis do que os reagentes, e o diagrama entre A e B muda de forma; agora B está abaixo de A, e a energia de ativação é menor.

Eles esfriam o ambiente

Embora não se aplique a todas as reações endotérmicas, várias delas causam uma diminuição na temperatura do ambiente. Isso ocorre porque o calor absorvido vem de algum lugar. Consequentemente, se a conversão de A e B ocorresse dentro de um recipiente, ele esfriaria.

Quanto mais endotérmica for a reação, mais frio ficará o recipiente e seus arredores. Na verdade, algumas reações são até capazes de formar uma fina camada de gelo, como se tivessem saído de uma geladeira.

No entanto, existem reações desse tipo que não esfriam o ambiente. Por quê? Porque o calor circundante é insuficiente; ou seja, não fornece o Q (J, cal) necessário que está escrito nas equações químicas. Portanto, é aí que entra o fogo ou a radiação UV.

Pode surgir uma pequena confusão entre os dois cenários. Por um lado, o calor do ambiente é suficiente para que a reação ocorra de forma espontânea e se observe o resfriamento; e por outro lado, mais calor é necessário e um método de aquecimento eficiente é usado. Em ambos os casos, acontece a mesma coisa: a energia é absorvida.

Equações

Quais são as equações relevantes em uma reação endotérmica? Conforme já explicado, o ΔH deve ser positivo. Para calculá-lo, a seguinte equação química é considerada primeiro:

aA + bB => cC + dD

Onde A e B são os reagentes e C e D são os produtos. As letras minúsculas (a, b, c e d) são os coeficientes estequiométricos. Para calcular o ΔH desta reação genérica, a seguinte expressão matemática é aplicada:

ΔH_produtos- ΔH_Reagentes = ΔH_rxn

Você pode prosseguir diretamente ou fazer os cálculos separadamente. Para ΔH_produtos a seguinte soma deve ser calculada:

c ΔH_FC + d ΔH_FD

Onde ΔH_Fé a entalpia de formação de cada substância envolvida na reação. Por convenção, as substâncias em suas formas mais estáveis têm ΔH_F= 0. Por exemplo, moléculas de O₂ e H₂, ou um metal sólido, tem ΔH_F=0.

O mesmo cálculo é feito agora para os reagentes, ΔH_Reagentes:

a ΔH_FA + b ΔH_FB

Mas como a equação diz que ΔH_Reagentesdeve ser subtraído de ΔH_produtos, então a soma anterior deve ser multiplicada por -1. Então você tem:

c ΔH_FC + d ΔH_FD - (a ΔH_FA + b ΔH_FB)

Se o resultado desse cálculo for um número positivo, então é uma reação endotérmica. E se for negativo, é uma reação exotérmica.

Exemplos de reações endotérmicas comuns

Evaporação de gelo seco

Qualquer pessoa que já viu aquela fumaça branca emanando de um carrinho de sorvete testemunhou um dos exemplos mais comuns de uma "reação" endotérmica.

Além de alguns sorvetes, esses vapores liberados de sólidos brancos, chamados de gelo seco, também fizeram parte dos cenários para criar o efeito de névoa. Esse gelo seco nada mais é do que dióxido de carbono sólido, que ao absorver a temperatura e a pressão externa começa a se sublimar.

Uma experiência para o público infantil seria encher e selar um saco com gelo seco. Depois de um tempo, ele irá inflar devido ao CO₂ gasoso, que gera trabalho ou pressiona as paredes internas da bolsa contra a pressão atmosférica.

Assar pão ou cozinhar alimentos

Assar pão é um exemplo de reação química, já que agora há mudanças químicas devido ao calor. Qualquer pessoa que sentiu o aroma de pães recém-assados sabe que está ocorrendo uma reação endotérmica.

A massa e todos os seus ingredientes precisam do calor do forno para realizar todas as transformações, essenciais para se tornarem pão e exibirem as suas características típicas.

Além de pães, a cozinha está repleta de exemplos de reações endotérmicas. Quem cozinha lida com eles diariamente. Cozinhar massas, amolecer os grãos, aquecer os grãos do milho, cozinhar ovos, temperar carnes, fazer um bolo, fazer chá, aquecer sanduíches; cada uma dessas atividades são reações endotérmicas.

Tomar sol

Por mais simples e comuns que possam parecer, os banhos de sol tomados por certos répteis, como tartarugas e crocodilos, se enquadram na categoria de reações endotérmicas. As tartarugas absorvem o calor do sol para regular a temperatura corporal.

Sem o sol, retêm o calor da água para se aquecer; que termina no resfriamento da água em seus tanques ou tanques de peixes.

Reação de nitrogênio atmosférico e formação de ozônio

O ar é composto principalmente de nitrogênio e oxigênio. Durante tempestades elétricas, tal energia é liberada que pode quebrar as fortes ligações que mantêm os átomos de nitrogênio juntos na molécula N.₂:

N₂ + O₂ + Q => 2NO

Por outro lado, o oxigênio pode absorver a radiação ultravioleta para se tornar ozônio; alótropo de oxigênio que é muito benéfico na estratosfera, mas prejudicial à vida no nível do solo. A reação é:

3O₂ + v => 2O₃

Onde v significa radiação ultravioleta. O mecanismo por trás dessa equação simples é muito complexo.

Eletrólise de água

A eletrólise usa energia elétrica para separar uma molécula em seus elementos ou formar moléculas. Por exemplo, na eletrólise da água, dois gases são gerados: hidrogênio e oxigênio, cada um em eletrodos diferentes:

2h₂O => 2H₂ + O₂

Além disso, o cloreto de sódio pode sofrer esta mesma reação:

2NaCl => 2Na + Cl₂

Em um eletrodo, você verá a formação de sódio metálico e, no outro, bolhas esverdeadas de cloro.

Fotossíntese

Plantas e árvores precisam absorver a luz solar como fonte de energia para sintetizar seus biomateriais. Para isso, utiliza o CO como matéria-prima.₂ e água, que por meio de uma longa série de etapas, são convertidas em glicose e outros açúcares. Além disso, forma-se oxigênio, que é liberado das folhas.

Soluções de alguns sais

Se o cloreto de sódio for dissolvido em água, nenhuma mudança significativa será notada na temperatura externa do vidro ou recipiente.

Alguns sais, como cloreto de cálcio, CaCl₂, aumentar a temperatura da água como produto da grande hidratação dos íons Ca²⁺. E outros sais, como nitrato ou cloreto de amônio, NH₄NÃO₃ e NH₄Cl, diminua a temperatura da água e refresque o ambiente.

Nas salas de aula, os experimentos caseiros costumam ser feitos dissolvendo alguns desses sais para demonstrar o que é uma reação endotérmica.

A queda da temperatura se deve à hidratação dos íons NH₄⁺ não é favorável à dissolução dos arranjos cristalinos de seus sais. Conseqüentemente, os sais absorvem o calor da água para permitir que os íons sejam solvatados.

Outra reação química que geralmente é muito comum para demonstrar isso é a seguinte:

Ba (OH)₂8h₂O + 2NH₄NÃO₃=> Ba (NÃO₃)₂ + 2NH₃ + 10H₂OU

Observe a quantidade de água formada. Ao misturar os dois sólidos, uma solução aquosa de Ba (NO₃)₂, com cheiro de amônia e com uma queda de temperatura que literalmente congela a superfície externa do recipiente.

Decomposições térmicas

Uma das decomposições térmicas mais comuns é a do bicarbonato de sódio, NaHCO₃, para produzir CO₂ e água quando aquecida. Muitos sólidos, incluindo carbonatos, muitas vezes se decompõem para liberar CO₂ e o óxido correspondente. Por exemplo, a decomposição do carbonato de cálcio é a seguinte:

Ladrao₃ + Q => CaO + CO₂

O mesmo se aplica aos carbonatos de magnésio, estrôncio e bário.

É importante notar que uma decomposição térmica é diferente de uma combustão. No primeiro não há presença de ignição ou calor é liberado, enquanto no segundo há; ou seja, a combustão é uma reação exotérmica, mesmo quando requer uma fonte inicial de calor para ocorrer ou ocorrer espontaneamente.

Cloreto de Amônio em Água

Quando uma pequena quantidade de cloreto de amônio (NH4Cl) é dissolvida em água em um tubo de ensaio, o tubo fica mais frio do que antes. Durante essa reação química, o calor é absorvido do meio ambiente.

Triossulfato de sódio

Quando os cristais de tiossulfato de sódio (Na₂S₂OU₃.5H₂O), comumente chamados de soluços, se dissolvem na água, ocorre o efeito de resfriamento.

Motores de carro

A queima de gasolina ou diesel em motores de automóveis, caminhões, tratores ou ônibus produz energia mecânica, que é utilizada na circulação desses veículos.

Líquidos ferventes

Ao colocar um líquido para aquecer, ele ganha energia e entra em um estado gasoso.

Cozinhe um ovo

Quando o calor é aplicado, as proteínas do ovo são desnaturadas, formando a estrutura sólida que geralmente é ingerida.

Cozinhar comida

Em geral, sempre que se cozinha com calor para alterar as propriedades dos alimentos, ocorrem reações endotérmicas.

São essas reações que tornam os alimentos mais macios, geram massas maleáveis, liberam os componentes que contêm, entre outras coisas.

Aquecendo comida no microondas

Devido à radiação de microondas, as moléculas de água nos alimentos absorvem energia, começam a vibrar e aumentam a temperatura dos alimentos.

Moldagem de vidro

A absorção de calor pelo vidro torna suas juntas flexíveis, facilitando a mudança de sua forma.

Consumo de uma vela

A cera de vela derrete absorvendo o calor da chama, mudando sua forma.

Limpeza com água quente

Ao usar água quente para limpar objetos manchados de graxa, como panelas ou roupas, a graxa fica mais fina e mais fácil de remover.

Esterilização por calor de alimentos e outros objetos

Ao aquecer objetos ou alimentos, os microrganismos que eles contêm também aumentam sua temperatura.

Quando muito calor é fornecido, ocorrem reações dentro das células microbianas. Muitas dessas reações, como a quebra de ligações ou a desnaturação de proteínas, acabam matando os microrganismos.

Combata infecções com febre

Quando ocorre febre, é porque o corpo produz o calor necessário para matar as bactérias e vírus que causam infecções e doenças.

Se o calor gerado for alto e a febre alta, as células do corpo também são afetadas e há risco de morte.

Evaporação de água

Quando a água evapora e vira vapor, é devido ao calor que recebe do meio ambiente. À medida que a energia térmica é recebida por cada molécula de água, sua energia vibratória aumenta até o ponto em que pode se mover livremente, criando vapor.

Referências

Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
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