Considere a reação de decomposição térmica do carbonato de cálcio:
\mathrm{CaCO} 3(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO} 2(\mathrm{~g})
Sabendo que a variação de entalpia padrão da reação é endotérmica:
Explique, com base na definição de entalpia, por que essa reação requer fornecimento de calor.

Passo 1

O enunciado dá a reação
\mathrm{CaCO}_3(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})
e informa que a variação de entalpia padrão da reação é endotérmica (isto é, \Delta H^\circ>0). A pergunta pede para explicar, usando a definição de entalpia, por que essa reação precisa receber calor (isto é, por que é necessário fornecer calor do ambiente para que ela ocorra).

Passo 2

Definição e significado físico da entalpia. Vou apresentar a definição e explicar cada símbolo com calma.
A entalpia H é definida por
H = U + pV
onde:
  • U é a energia interna do sistema (energia de todas as partículas: energia cinética e potencial interpartículas),
  • p é a pressão externa (ou pressão do sistema, em condições de equilíbrio),
  • V é o volume do sistema.
A entalpia é uma função de estado que agrupa a energia interna com o termo pV, que tem relação direta com o trabalho de expansão. Em processos que ocorrem a pressão praticamente constante (condição comum em laboratório), a entalpia é a grandeza que nos diz quanto calor foi trocado com o ambiente.

Passo 3

Relação entre entalpia e calor a pressão constante. Vou usar a primeira lei da termodinâmica e o sinal convencional de trabalho:
A primeira lei diz
\Delta U = q + w,
onde q é o calor trocado com o sistema (positivo se recebido pelo sistema) e w é o trabalho recebido pelo sistema. Para trabalho de expansão à pressão externa constante vale
w = -p_{\text{ext}}\,\Delta V.
Considerando variação de entalpia
\Delta H = \Delta U + \Delta(pV).
Assumindo pressão constante ( p_{\text{ext}}=p= const), tem-se \Delta(pV)=p\,\Delta V. Substituindo \Delta U obtemos
\Delta H = (q + w) + p\,\Delta V.
Substituindo w=-p\,\Delta V resulta
\Delta H = q + (-p\,\Delta V) + p\,\Delta V = q.
Portanto, para um processo a pressão constante vale
\Delta H = q_p,
ou seja, a variação de entalpia é exatamente o calor trocado com o sistema à pressão constante. Em palavras simples: se \Delta H>0, o sistema recebeu calor do ambiente; se \Delta H<0, o sistema liberou calor para o ambiente.

Passo 4

Interpretação direta do sinal de \Delta H. Como o enunciado afirma que \Delta H^\circ>0 (reação endotérmica), pela relação anterior temos
\Delta H^\circ = q_p^\circ > 0,
ou seja, o sistema precisa receber calor do ambiente para que a reação ocorra à pressão constante. Esse é o ponto central: entalpia positiva significa absorção líquida de calor.

Passo 5

Por que, microscopicamente, essa reação exige calor? Explico de forma didática e concreta para a reação dada.
  1. Quebra de ligações e energia de rede: o carbonato de cálcio sólido tem uma estrutura iônica com fortes interações entre \mathrm{Ca}^{2+} e o ânion \mathrm{CO}_3^{2-}. Para decompor \mathrm{CaCO}_3 é preciso romper parcialmente a rede sólida — isso consome energia (quebrar ligações é um processo endotérmico).
  2. Formação de produtos nem sempre compensa: ao formar \mathrm{CaO} (sólido) e \mathrm{CO}_2 (gás) há formação de algumas ligações novas, mas a energia liberada por essas formações é menor do que a energia necessária para quebrar a rede inicial. O balanço energético líquido é positivo (energia entra).
  3. Trabalho de expansão: um efeito importante aqui é que a reação produz uma molécula de gás \mathrm{CO}_2 a partir de sólidos. Isso aumenta o volume do sistema ( \Delta V>0). O termo pV na entalpia aumenta porque o gás ocupa muito mais volume que os sólidos. Esse aumento em pV também exige energia fornecida pelo calor, já que parte da energia absorvida vai em trabalho de expansão contra a pressão externa.
Somando: energia necessária para romper a estrutura do sólido + energia associada ao aumento do termo pV ao gerar \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) resulta em \Delta H^\circ>0. Logo, calor deve ser fornecido para suprir essas demandas energéticas.

Passo 6

Resumo final didático e encorajamento: em termos simples, entalpia positiva significa que, à pressão constante, a reação não “libera” energia na forma de calor — ela precisa “receber” calor. No caso da decomposição térmica do carbonato de cálcio isso vem da combinação de quebra da rede iônica (requer energia) e da produção de gás (aumenta o pV), de modo que o calor do ambiente deve ser fornecido para que a reação prossiga.

Resposta

Porque \Delta H^\circ>0 e, a pressão constante, \Delta H=q_p; portanto a reação absorve calor do ambiente. Além disso, a decomposição exige energia para romper a rede iônica de \mathrm{CaCO}_3 e para aumentar o termo pV ao formar \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}), o que torna o balanço energético líquido endotérmico.

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