Chapter 17: Thermodynamics

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17.8:

Cálculo de Alterações de Energia Livre Padrão

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Calculating Standard Free Energy Changes

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A alteração da energia padrão livre para uma reação química que ocorre no âmbito da condição padrão pode ser calculada em uma de três maneiras. O primeiro método utiliza a equação para o delta G padrão da reação. Consideremos a formação de carbonato de cálcio a partir do óxido de cálcio e dióxido de carbono.A alteração da entalpia padrão da reação pode ser calculada a partir do calor da formação dos compostos na reação, e a alteração da entropia padrão pode ser calculada a partir das suas entropias molares padrão Utilizando os valores das tabelas de referência, a alteração da entalpia padrão e a alteração da entropia padrão para a reação podem ser determinadas. Substituindo os valores na equação para a alteração da energia livre padrão, o delta G padrão da reação a 298 kelvin é igual a 130, 7 10³joules. No segundo método, a alteração da energia livre padrão de uma reação é calculada a partir da diferença entre a soma das energias livres de formação dos produtos multiplicada pelos seus coeficientes estequiométricos e a soma das energias livres de formação dos reagentes multiplicada pelos seus coeficientes estequiométricos.Veja-se, por exemplo, a reação entre os gases de hidrogénio e de cloro para formar duas moles de gás de cloreto de hidrogénio. Como a entalpia da formação, a energia livre padrão de formação de um elemento puro é zero. Assim, as energias livres de formação dos gases de hidrogénio e de cloro são zero, enquanto que a do gás de cloreto de hidrogénio é de 95, 3 kilojoules.Assim, a energia livre desta reação é igual a 2 vezes a energia livre da formação do gás de cloreto de hidrogénio, ou 190, 6 kilojoules. Recorde-se que na lei de Hess para uma reação gradual, a alteração da entalpia líquida pode ser calculada a partir da soma das entalpias de cada etapa. O terceiro método calcula a alteração líquida da energia livre para uma reação de forma semelhante.Consideremos a combustão de sulfureto de zinco para produzir zinco metálico e gás de dióxido de enxofre, que pode ser realizada em dois passos com energias livre padrão conhecidas. Acrescentar as alterações da energia livre das reações dá um delta G global de 98, 8 kilojoules. Note-se que a etapa 1 é não espontânea.Ligando-o com a reação espontânea na etapa 2, a reação líquida tem um delta G negativo e é, portanto, espontânea.

17.8:

Cálculo de Alterações de Energia Livre Padrão

A alteração de energia livre para uma reação que ocorre nas condições padrão de pressão de 1 bar e a 298 K é designada por alteração de energia livre padrão. Uma vez que a energia livre é uma função de estado, o seu valor depende apenas das condições dos estados inicial e final do sistema. Uma abordagem conveniente e comum para o cálculo de alterações de energia livres para reações físicas e químicas é através do uso de compilações amplamente disponíveis de dados termodinâmicos de estado padrão. Um método envolve o uso de entalpias e entropias padrão para computar mudanças de energia livre padrão, ΔG°, de acordo com a seguinte relação.

A alteração de energia livre padrão para uma reação também pode ser calculada a partir dos valores da energia livre padrão de formação ΔG_f° dos reagentes e produtos envolvidos na reação. A energia livre padrão de formação é a alteração de energia livre que acompanha a formação de um mole de uma substância a partir dos seus elementos nos seus estados padrão. Semelhante à entalpia padrão de formação, ΔG_f° é, por definição, zero para substâncias elementares em condições normais de estado. Para a reação

a alteração de energia livre padrão à temperatura ambiente pode ser calculada como

O uso de energias livres de formação para computar alterações de energias livres para reações como descrito acima é possível porque ΔG é uma função do estado, e a abordagem é análoga ao uso da Lei de Hess na computação de alterações de entalpia. Considere a vaporização da água como um exemplo:

Uma equação que representa este processo pode ser derivada adicionando as reações de formação para as duas fases da água (invertendo necessariamente a reação para a fase líquida). A alteração de energia livre para a reação somada é a soma das alterações de energia livre para as duas reações adicionadas:

Essa abordagem também pode ser utilizada nos casos em que uma reação não espontânea é permitida pelo acoplamento a uma reação espontânea. Por exemplo, a produção de zinco elementar a partir de sulfureto de zinco é termodinamicamente desfavorável, como indicado por um valor positivo para ΔG°₁:

O processo industrial de produção de zinco a partir de minérios sulfídicos envolve a ligação desta reação de decomposição à oxidação termodinamicamente favorável do enxofre:

A reação acoplada exibe uma alteração de energia livre negativa e é espontânea:

Este processo é normalmente realizado a temperaturas elevadas, pelo que este resultado obtido utilizando valores de energia livre padrão é apenas uma estimativa. No entanto, a essência do cálculo é verdadeira.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy.