A reação de neutralização entre soluções diluídas de
e
libera uma quantidade bem conhecida de calor padrão. Sabe-se que o calor de solução do cloreto de sódio (formado no processo) é
, o que representa a energia absorvida na dissolução completa do
em água.
a. Determine o calor padrão da reação de neutralização entre
e
, em
de água formada.
b. Com base nessa informação, calcule o calor padrão da reação global entre
e
para formar
e
, todos em seus estados-padrão.
c. Por fim, explique fisicamente o motivo da diferença entre os dois valores de entalpia calculados. Que fenômenos energéticos estão envolvidos? Qual o papel da água?
a. Determine o calor padrão da reação de neutralização entre
b. Com base nessa informação, calcule o calor padrão da reação global entre
c. Por fim, explique fisicamente o motivo da diferença entre os dois valores de entalpia calculados. Que fenômenos energéticos estão envolvidos? Qual o papel da água?
Passo 1
Vamos organizar certinho o que o enunciado pede e o que ele nos dá (sem resolver ainda). Perguntas:
- (a) Determinar o calor padrão da reação de neutralização entre
e , expresso em de água formada. - (b) Com base nisso, calcular o calor padrão da reação global entre
e para formar e , todos em seus estados padrão. - (c) Explicar fisicamente por que os valores (a) e (b) diferem — que fenômenos energéticos estão envolvidos e qual o papel da água.
Informações fornecidas e que usaremos:
- O calor de solução do cloreto de sódio é
. Esse valor representa a energia absorvida quando se dissolve completamente em água para dar e . - A reação de neutralização entre soluções diluídas de ácido forte e base forte (como
e ) tem um valor “bem conhecido” de calor padrão por mol de água formada — isto é justamente o que o enunciado chama atenção (vamos usar esse fato). - Não foram fornecidos outros dados numéricos (como entalpias de formação de espécies gasosas/solidas), portanto vamos usar o valor padrão conhecido da neutralização e a entalpia de solução do NaCl para ligar (a) com (b).
Passo 2
Entendendo o que acontece na neutralização (aula rápida e intuitiva).
- Em soluções diluídas,
e estão praticamente completamente dissociados. Ou seja
- A reação global entre as soluções é
- Em termos iônicos, os íons
e aparecem em ambos os lados e se cancelam, sobrando a reação essencial:
- Portanto, a entalpia da neutralização em solução diluída é, na prática, a entalpia dessa reação iônica (formação da água a partir de
e ). - É um fato experimental bem estabelecido (e frequentemente dado em provas) que a entalpia padrão dessa reação é aproximadamente constante para ácidos e bases fortes diluídos, porque o que muda nas reações é só a presença de íons espectadores; a formação da ligação O–H na água domina a entalpia liberada.
Passo 3
Valor numérico da entalpia de neutralização (parte a).
- O valor experimental padrão (tabelas de físico‑química) da reação
é aproximadamente
de água formada (algumas fontes usam
, diferenças pequenas por arredondamento).
- Concluindo: para a reação entre
e (que, como vimos, é equivalente à reação iônica acima), o calor padrão por mol de água formada é
(Explicação didática: esse número corresponde à energia liberada quando um próton aquoso se combina com um hidróxido aquoso para formar água líquida; como os íons espectadores não participam energeticamente além da hidratação, o valor é aproximadamente constante.)
Passo 4
Ligando (a) com (b) por Hess (como manipular as equações).
- Reescrevo as duas reações para ver a diferença:
- (i) Neutralização em solução:
com . - (ii) Reação global pedida:
com (queremos).
- (i) Neutralização em solução:
- Observe que se tivermos a entalpia de (i) e transformarmos
em , obtemos (ii) desde que as demais espécies estejam nos mesmos estados; formalmente:
mais
dá a reação
- A partir daí, se por hipótese os reagentes reais (gás e sólido) forem convertidos imediatamente ao estado aquoso antes da reação (o que fisicamente ocorre se o HCl gasoso for absorvido por água e o NaOH sólido dissolver), a entalpia total que leva de
até se escreve como a soma das entalpias de dissolução/hidratação dos reagentes, mais a entalpia da neutralização, mais a entalpia de precipitação do sal. Contudo, como o enunciado só fornece explicitamente a entalpia de solução do , e pede um resultado utilizando o dado fornecido, a diferença mais direta entre formar e é justamente a entalpia de transformação entre essas formas:
pois a dissolução é
com
.
- Assim, indo da reação (i) (neutralização que dá
) até a reação (ii) (mesma neutralização, mas com produto sólido), a entalpia muda em : a precipitação do sal libera .
(Nota didática: isto presume que as mudanças de estado dos reagentes — gasoso
e sólido
— para as suas formas aquosas envolvidas na neutralização não alteram o balanço final pedido além da conversão do
em
. O enunciado fornece apenas
, então a ligação mais direta entre (a) e (b) é feita por essa transformação do produto iônico para o produto sólido.)
Passo 5
Cálculo numérico da parte (b) usando a relação obtida.
- Tomando
(parte a) e a transformação que libera , obtemos
- Somando:
(Arredondando de forma coerente:
.)
Passo 6
Explicação física detalhada da diferença (parte c) — o que está acontecendo energeticamente e o papel da água.
- Quais processos energéticos estão envolvidos na neutralização em solução?
- Formação da ligação O–H na água quando
e se combinam: esse é o principal contribuidor exothermico; essa formação de ligação libera energia e dá o valor aproximadamente constante de . - Hidratação dos íons: antes e depois da reação, íons estão envoltos por moléculas de água (cascas de solvatação). A reordenação dessas cascas tem contribuição energética, mas para ácidos e bases fortes diluídos isso tende a se compensar e é por isso que o calor de neutralização é quase constante entre diferentes pares fortes.
- Formação da ligação O–H na água quando
- O que muda quando, em vez de ficar com
, forma-se ? - Precipitação / formação do sólido de
a partir dos íons aquosos corresponde à formação de uma rede iônica (lattice). A formação do lattice libera energia (é exotérmica) se a energia de interação iônica no sólido supera a energia necessária para desalojar as moléculas de água (hidratação). A entalpia de solução positiva indica que, no processo dissolução, foi necessário fornecer energia líquida para separar o sólido em íons e hidratar (ou seja, dissolver é endotérmico por ); o processo inverso (íons → sólido) libera aquela mesma energia. - Logo, se a reação final dá
em vez de , há essa liberação adicional de energia de , tornando a reação global um pouco mais exotérmica.
- Precipitação / formação do sólido de
- Papel da água:
- A água é o solvente que hidrata (solvata) os íons. A energia de solvatação (energia liberada ao rodear íons por moléculas de água) e a energia de rompimento da rede iônica do sal competem para determinar se a dissolução é endo- ou exotérmica. No caso do NaCl, a dissolução é levemente endotérmica.
- Na neutralização em solução, a água não é apenas produto: também estabiliza íons antes e depois da reação, e a mudança na estrutura de solvatação quando os íons se combinam para formar moléculas de água contribui para o balanço energético.
- Intuição final: a maior parte da energia liberada na neutralização vem da formação da água (forte contribuição exoterma). A diferença entre formar o sal em solução ou em sólido é pequena (aqui
) e deve-se à energia envolvida em formar/romper a rede iônica do NaCl e às energias de solvatação associadas.
Resposta
(a)
(por mol de água formada).
(b) (para
; aproximado e arredondável para
).
(c) A diferença (cerca de ) provém da conversão de
em
: precipitar/ form ar a rede iônica do sal libera energia (é o negativo do calor de solução). Em termos físicos, além da energia liberada ao formar a ligação O–H (neutralização), há contribuições de rompimento/ form ação da rede iônica e de solvatação/desolvatação dos íons; a água atua como solvente que hidrata os íons e cuja reorganização participa do balanço energético.
(b)
(c) A diferença (cerca de