Da espontaneidade de uma reação química

Antes de adentrarmos no estudo da espontaneidade das reações químicas, precisamos retomar alguns tópicos interessantes da termoquímica: como a definição de energia interna (E), entalpia (H), entropia (S) e energia livre de Gibbs (G).

Nos estudos da termodinâmica, processos que envolvem troca de energia possuem, em sua maioria, o intuito de produzir trabalho. Em química, ao analisarmos o comportamento das trocas de calor nas reações, percebemos que a produção de trabalho, em boa parte dos casos, é evidente e faz parte da variação da quantidade de calor de um sistema. Portanto, a termoquímica é responsável por estudar reações que tendem a absorver (endotérmicas) ou liberar (exotérmicas) calor. A quantidade de calor trocada numa reação química pode ser medida de duas formas: seja ela por energia interna (1), seja ela por entalpia (2).

• A energia interna (E)

Em sistemas que possuam dependência das variáveis temperatura e volume (T e V), sendo essa segunda constante, o cálculo da quantidade de calor (Q) envolvida na reação se dá pela variação de energia interna (ΔE). Por se tratar de uma variação, apenas existe a importância de ser analisado os estados finais e iniciais dessa reação química para determinar a quantidade de calor liberada ou absorvida; independendo, portanto, do que ocorre em todo o percurso da reação. Por ser de baixa aplicabilidade, os estudos termoquímicos tendem a utilizar-se da entalpia, e não da energia interna na determinação do caráter da reação.

ΔE = E₂ - E₁

E₂: energia interna final
E₁: energia interna inicial

• A entalpia (H^o)

Em sistemas que possuam uma dependência das variáveis temperatura e pressão, T e P, (sendo a segunda constante), o cálculo da quantidade de calor (Q) envolvida na reação se dá pela variação de entalpia (ΔH). Pelos mesmos motivos explicados acima, a variação de entalpia depende apenas do comportamento inicial e final da reação. A entalpia é a forma mais aplicável de se medir essa quantidade de calor e, por isso, é a mais utilizada em cálculos práticos. A preferência pela entalpia pode ser explicada pela versatilidade de reações que são realizadas em pressões constantes (em que o volume é variável).

ΔH = H₂ - H₁

H₂: entalpia final

H₁: entalpia inicial

Sendo a variação de entalpia maior que zero, dizemos que a reação possui um comportamento endotérmico. No entanto, se a variação de entalpia for menor que zero, dizemos que a reação química possui um comportamento exotérmico. 

-----

Agora, já com uma maior noção sobre os métodos utilizados para obtermos a quantidade de calor em experiências termodinâmicas, podemos nos voltar para o estudo da espontaneidade de uma reação química. Esses estudos estão diretamente ligados ao conceito de entropia. A entropia (S) é utilizada para calcularmos o grau de desordem de um sistema e, seu princípio, é intuitivamente observado: o universo tende ao caos, portanto, toda a reação que tender para uma desorganização do sistema reacional tende também à espontaneidade. Assim, reações promovem uma desorganização molecular: como sólidos produzindo líquidos ou gases, líquidos produzindo gases, sais se dissociando, etc. seriam espontâneas.

Outra observação que pode ser feita, também intuitiva, se dá na ideia de que reações exotérmicas (ΔH < 0) são espontâneas. No entanto, não é viável a generalização dessa tese, já que existem reações muito endotérmicas que são definitivamente espontâneas: observe a reação entre o hidróxido de bário e o tiocianato de amônio: dois sólidos brancos que, quando misturados, formam uma reação demasiadamente endotérmica; sendo assim, uma reação espontânea e endotérmica. Dessa forma, essa hipótese é derrubada.

Para obtermos uma certeza quanto a espontaneidade de uma reação química, utilizamos os conceitos advindos da energia livre de Gibbs (G):

ΔG = ΔH - T . ΔS

ΔG: variação da energia livre de Gibbs

ΔH: variação da entalpia

T: temperatura em Kelvin

ΔS: variação da entropia

Assim, se a variação da energia livre de Gibbs for maior que zero (ΔG > 0), numa determinada temperatura e variação entropia (ambos valores tabelados), a reação é considerada não espontânea. Já, se essa variação foi menor que zero, (ΔG < 0), a reação tente a uma maior espontaneidade. No entanto, quando a variação for igual a zero (ΔG = 0), dizemos que a reação está em equilíbrio dinâmico.

Continue em frente! Pesquise, estude, descubra sempre.