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Processos Endotrmicos e Exotrmicos: Uma Viso Atmico-Molecular

Haroldo Lcio de Castro BarrosNeste artigo, so analisadas, sob a perspectiva atmico-molecular, absoro e liberao de energia, na forma de calor, em processos fsico-qumicos. Para isso, entre outros aspectos, foram discutidos: as definies de sistema e vizinhana; os conceitos macroscpico e microscpico de temperatura; a percepo de calor como um processo de transferncia de energia, resultante de uma diferena de temperatura; o equilbrio trmico entre sistema e vizinhana em experimentos realizados em condies diatrmicas; os conceitos de energia interna de um sistema e de suas constituintes; a variao de temperatura de um sistema e a de energia cintica mdia das partculas; e variaes de energia potencial associadas ruptura e formao de ligaes qumicas e/ou de interaes intermoleculares. Com a discusso desses tpicos, muitas dificuldades dos estudantes, no estudo da termoqumica, podero ser mais facilmente superadas ou, mesmo, evitadas. absoro/liberao de energia; energia interna; formao/ruptura de ligaes

241Recebido em 03/10/08, aceito em 01/08/09

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o estudo de Termoqumica, comum os estudantes apresentarem dificuldades recorrentes como aquelas relacionadas s variaes de temperatura em processos endotrmicos e exotrmicos ou outras ligadas s energias cintica e potencial das partculas esta particularmente misteriosa! , pois, por exemplo, frequente a seguinte pergunta: Por que, em processos endotrmicos, como na dissoluo de determinado composto, notase uma diminuio na temperatura da soluo? Afinal, se h absoro de energia, a temperatura deveria aumentar!

no possvel a troca de calor entre gelo fundente e a gua lquida, tm eles e, em caso afirmativo, dvidas a mesma temperatura, as partculas quanto s consequncias do restabeque os constituem tm a mesma lecimento do equilbrio trmico. energia cintica mdia. Considerando o nvel microscpiEste trabalho procura, por meio co, nota-se que os estudantes nem de consideraes tericas e da dissempre tm uma boa compreenso cusso de alguns processos simples, do significado da energia interna de contribuir para a elucidao das difium sistema nem de suas constituintes culdades mencionadas. a energia cintica e a energia poTemperatura e energia interna tencial das partculas que o formam. Nossas discusses devem ser Ainda nesse nvel, existem as diniciadas com uma abordagem suvidas quanto associao de ruptura cinta dos conceitos macroscpico e e formao de ligaes (ou de interamicroscpico de temperatura. Em sees intermoleculares) com absoro guida, analisaremos a energia interna e liberao de energia, como tambm e suas componentes quanto identificapara, ento, consideo desses fenmeAspectos macroscpicos e microscpicos A interpretao atmicorarmos alguns pronos com alteraes molecular de processos cessos. A interpretao atmico-molecular na energia potencial endotrmicos e Quando dois corde processos endotrmicos e exodas partculas envolexotrmicos exige clareza pos so colocados trmicos exige clareza quanto aos vidas. Deve, ainda, quanto aos aspectos em contato, a temaspectos macroscpicos dos exser mencionada a macroscpicos dos peratura um parperimentos. H muitas dificuldades relutncia para adexperimentos. metro que determina com as definies de sistema e de mitir-se que, se dois se haver ou no vizinhana e com o fato de ser ou sistemas, como o transferncia de energia, na forma de calor, entre esses corpos e em que A seo Conceitos cientficos em destaque tem por objetivo abordar, de maneira crtica e/ou inovadora, conceitos direo se dar essa transferncia, cientficos de interesse dos professores de Qumica.QUMICA NOVA NA ESCOLA Processos Endotrmicos e Exotrmicos Vol. 31, N 4 , NOVEMBRO 2009

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caso ela ocorra. Nessa definio, lquido a uma temperatura mais translao e/ou a velocidade de rosupe-se contato diatrmico, ou elevada, fornece um interesasante tao e/ou a frequncia de vibrao seja, possvel a troca de calor entre elo entre os conceitos macroscpidas partculas. os corpos. Ademais, supe-se que co e microscpico de temperatura. A percepo da energia potencial no possa haver troca de energia enOs choques entre as partculas do mais difcil do que a da cintica. tre eles, na forma de trabalho, ou de lquido, em constante movimento No nvel molecular, como exposto irradiao. Se no trmico, com o bulacima, a energia potencial de um houver transferncia bo de vidro do tersistema est associada s interaes Considerando o nvel de energia, na forma mmetro, transferem entre ncleos e eltrons e relacionamicroscpico, nota-se que de calor, diz-se que energia para o vidro, se posio das partculas. Ela s se os estudantes nem sempre existe equilbrio traquecendo-o2. Este, mostra evidente quando se transfortm uma boa compreenso mico entre os corpos por sua vez, transma em trabalho ou em outras formas do significado da energia e que eles tm a fere energia para o de energia como mostraremos mais interna de um sistema nem mesma temperatumercrio, provocanadiante. de suas constituintes a ra. Caso contrrio, do a sua dilatao. A energia interna de um sistema energia cintica e a energia a transferncia de Quanto mais intenso pode ser aumentada pela execuo potencial das partculas energia ocorrer na o movimento das de trabalho sobre ele como, por que o formam. direo da maior partculas do lquido, exemplo, a compresso do ar pela temperatura para a tanto mais energia aplicao de uma presso externa. menor. Deve ser notado que o tertransferida e tanto maior a dilatao No processo inverso, o ar comprimo calor mais apropriadamente do mercrio, ou seja, tanto maior mido pode realizar trabalho sobre a empregado como um processo de a temperatura. Assim, em ltima vizinhana, como (por meio de uma transferncia de energia do que anlise, pode-se dizer que o termmquina prpria) desparafusar a como uma forma de energia (Beatie metro mede a quantidade mdia do roda de um automvel. apud Castellan, 1986). movimento das partculas que esto A energia interna de um sistema Sob o ponto de vista microscem contato com ele. pode tambm ser aumentada pela pico, a temperatura de um sistema A energia interna3 de um sisteabsoro de calor. Transferncia de um parmetro que se relaciona ma a soma de todas as formas energia na forma de calor e execudiretamente com a energia cintica de energia que o sistema possui. o de trabalho so modos equivamdia das partculas que o constiPara a maioria dos propsitos da lentes de se alterar a energia interna tuem1. Assim, pode-se afirmar que, qumica que so diferentes, digade um sistema. Calor e trabalho s se em determinada situao, gelo e mos, daqueles da fsica nuclear , aparecem durante a transferncia gua lquida esto na temperatura de os componentes significativos da de energia. Portanto, um sistema 0oC, ento as suas partculas consenergia interna so aqueles que no possui calor ou trabalho ele tituintes possuem a mesma energia podem alterar-se no possui uma energia cintica mdia. Vale lembrar que decurso de uma reainterna (Beatie apud Sob o ponto de partculas podem ser tomos, moo qumica quais Castellan, 1986). vista microscpico, a lculas, ons ou agregados dessas sejam: (I) as enerConsideremos temperatura de um sistema espcies. Assim, na gua lquida, em gias associadas exemplos de varia um parmetro que se vez de molculas, deve-se referir a translao, rotao o de energia porelaciona diretamente agregados moleculares (unidos por e vibrao das partencial em alguns com a energia cintica ligaes de hidrognio), que podem tculas (ou de outras processos como a mdia das partculas que o ter um nmero varivel de molculas. unidades estruturais sublimao de um constituem. Por outro lado, em se tratando de capazes desses mocristal de cloreto de slidos cristalinos, devem tambm vimentos); e (II) a sdio. A energia de ser consideradas as vibraes da energia eletrnica, que a energia interao entre os ons sdio e clorede. Esses fatos tm implicaes na associada s vrias interaes, inreto, que possuem cargas opostas, energia cintica mdia dos sistemas tramoleculares e intermoleculares, basicamente energia potencial elee explicam porque tanto as partculas que existem entre ncleos e eltrons trosttica5 e tem um valor negativo. 4 constituintes do gelo fundente quan(Dasent, 1982) . A soma dos compoTransferindo-se energia ao sistema to as da gua lquida, a 0oC, tm a nentes agrupados em (I) corresponcomo calor, os ons podem ser semesma energia cintica mdia por de energia cintica das partculas parados at o infinito, situao em mais estranho que, primeira vista, constituintes do sistema, e a soma que a sua energia potencial torna-se isso possa parecer. dos componentes agrupados em (II), igual a zero. Portanto, para romper as A transferncia de energia, que sua energia potencial. ligaes inicas no cloreto de sdio, ocorre quando, por exemplo, um Energia cintica a energia assoh aumento na energia potencial do termmetro de mercrio, tempeciada ao movimento. Quanto maior sistema, a qual passa de um valor ratura ambiente, inserido em um ela for, tanto maior a velocidade de negativo a zero. Na verdade, naQUMICA NOVA NA ESCOLA Processos Endotrmicos e Exotrmicos Vol. 31, N 4 , NOVEMBRO 2009

ruptura de qualquer ligao qumica ou de interao intermolecular, o sistema absorve energia e h aumento de sua energia potencial6. Processo anlogo ao que acabamos de descrever, envolvendo basicamente energia potencial eletrosttica, ocorre quando um eltron removido de um tomo gasoso, levando formao de um on positivo. Nesse processo de ionizao, h aumento da energia potencial do sistema. Por outro lado, a energia potencial de um sistema, constitudo por molculas de gua gasosa, diminui quando, ao condensarem-se, formando gua lquida, aumenta o nmero de ligaes de hidrognio entre essas molculas7. Na formao de qualquer ligao qumica ou de interao intermolecular, o sistema libera energia e h diminuio de sua energia potencial. Em outros sistemas, como o da gua represada em uma regio elevada, a energia potencial gravitacional da gua transforma-se em energia cintica quando ela cai. Em uma usina hidroeltrica, essa energia cintica aproveitada para a gerao de eletricidade. Feitas essas consideraes, discutiremos, inicialmente, as variaes de energia interna em dois pares de experimentos em que no ocorrem reaes qumicas. Em cada par, um processo exotrmico e o outro, endotrmico. Finalizaremos com um exemplo de reao qumica.

ntica e potencial de suas partculas havia sido absorvida na vaporizao constituintes. e utilizada para romper as ligaes A gua lquida absorve energia, de hidrognio e que estava na forma na forma de calor, do bico de gs de energia potencial, devolvida para transformar-se em gua gasosa vizinhana como calor ou na execuo e, assim, a vaporizao um procesde trabalho ao restabelecerem-se as so endotrmico. Exatamente porque, ligaes de hidrognio. na vaporizao, h absoro de Um exemplo prtico o de uma energia, a gua gasosa tem energia mquina trmica, em que a energia interna maior do que a gua lquida8. do vapor de gua, gerado pela Nesse experimento, a gua lqueima de um combustvel, aciona quida e a gasosa mantm-se os pistes, realizando um trabalho mesma temperatura. Uma pergunta e condensando-se nesse processo. usual : por que no Outros exemplos h aumento na temso as queimaduA energia potencial, em peratura, j que h ras da mo de uma qualquer sistema, no absoro de calor? pessoa por vapor de facilmente perceptvel, O motivo que a gua ou por gua exceto quando ela se energia, fornecida fervente. Considetransforma em outra forma pelo bico de gs, remos que tanto o de energia ou quando h transforma-se intevapor quanto a gua execuo de trabalho. gralmente em enerlquida estejam a gia potencial das 100oC. Em qualquer molculas da gua, no havendo dos dois casos, h liberao de eneralterao em sua energia cintica gia, na forma de calor, para a mo, mdia. Mantendo-se constante a cuja temperatura muito menor. Enenergia cintica mdia, no h vatretanto, deve ser lembrado que, no riao da temperatura. O aumento caso do vapor, a energia liberada da energia potencial das molculas maior (e a queimadura, mais grave!), da gua gasosa faz com que estas uma vez que o vapor se condensa tenham energia interna maior do que sobre a mo, e a transformao a das molculas na fase lquida. A H2O(g) H2O(l) libera energia adienergia absorvida utilizada para cional quela devido diferena de romper a maior parte das ligaes de temperatura. hidrognio, principais responsveis Dissoluo endotrmica e dissoluo por manter a gua na fase lquida9. exotrmica Como a energia potencial se manifesta na gua gasosa? A enerConsideremos, agora, outro exgia potencial, em qualquer sistema, perimento dissoluo de sulfato no facilmente perceptvel, exceto de potssio em um bquer contendo quando ela se transforma em outra gua , realizado em condies diaVaporizao e condensao da gua forma de energia ou quando h exetrmicas, ou seja, em que possvel Consideremos um experimencuo de trabalho. a troca de calor entre sistema e vizito em que a gua, Assim, para exanhana. O sistema, no incio, conscontida em um balo minarmos a energia titudo pela gua pura, H2O(l), e pelo colocado sobre a potencial da gua gasulfato de potssio, K2SO4(s), ambos No nvel molecular, a chama de um bico sosa, consideremos temperatura ambiente. Depois da energia potencial de um de gs, entre em um segundo experirpida dissoluo do sal, o sistema sistema est associada s ebulio. Suponhamento, em que ocorpassa a ser a soluo resultante de interaes entre ncleos mos que tanto a re a condensao do sulfato de potssio. e eltrons e relaciona-se gua lquida quanvapor de gua, geNota-se, nos instantes iniciais posio das partculas. to o vapor formado rado no experimento do experimento (em que no houve (que em conjunto anterior. A temperatutempo hbil para a troca de calor constituem o sistema) estejam na ra mantida constante e igual a 100oC. com a vizinhana), uma diminuio temperatura de 100 oC. Deseja-se Sendo o primeiro experimento o conda temperatura do sistema, que deve discutir, nessa mudana de fase, trrio do segundo, neste as ligaes ser atribuda a uma diminuio da as variaes da energia interna do de hidrognio so restabelecidas e h energia cintica mdia de suas parsistema em termos das energias ciliberao de energia. A energia, que tculas constituintes. Como a energiaQUMICA NOVA NA ESCOLA Processos Endotrmicos e Exotrmicos Vol. 31, N 4 , NOVEMBRO 2009

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total deve ser conservada, pode-se on-dipolo. Entretanto, na dissoluo afirmar que h aumento da energia do hidrxido de sdio, a soma das potencial do sistema10. variaes de energia potencial deve A variao da energia potencial indicar que a energia potencial total pode ser entendida analisando-se diminui, j que o aumento inicial da as mudanas nas ligaes qumicas temperatura evidencia aumento da e interaes intermoleculares no energia cintica. Assim, pode-se sistema. A dissoluo envolve dois concluir que, nessa dissoluo, parte processos endotrmicos e um exoda energia potencial transforma-se trmico. Os dois endotrmicos so as em energia cintica. rupturas, pelo menos parciais, das liCom o tempo, o sistema perde gaes inicas no sulfato de potssio energia, como calor, para a vizislido e das ligaes de hidrognio nhana. A temperatura do sistema na gua lquida. O processo exotrmidiminui e, eventualmente, o equilbrio co a formao das interaes ontrmico restabelecido. O balano dipolo no sulfato de potssio aquoso, energtico no final do experimento uma vez que tanto os mostra uma liberaons potssio K+ o de energia, na No obstante a maioria quanto os ons sulfato forma de calor, pelo das leis e dos princpios SO42 interagem sistema. A dissoluda Termodinmica ter com as molculas poo do hidrxido de sido formulada antes ou lares da gua, sendo sdio , portanto, de forma independente solvatados por elas. exotrmica. da teoria atmica, uma Originam-se espSe esses experiexplicao molecular dos cies hidratadas, que mentos de dissolufenmenos enriquece a podem ser represeno fossem conducompreenso destes e tadas, respectivazidos em condies muito contribui para ela. mente, por K+(aq) e adiabticas, como por SO42(aq)11. Como em uma garrafa trindicado no pargrafo anterior, resulta mica, ou seja, sem que houvesse que a soma das variaes de energia troca de calor entre o sistema e a potencial desses trs processos deve vizinhana, as variaes de tempemostrar que a energia potencial total ratura seriam permanentes. Pode-se, do sistema aumenta, uma vez que a portanto, afirmar que, em condies diminuio da temperatura s pode adiabticas, aqueles processos, ser atribuda a uma diminuio da que realizados diatermicamente so energia cintica mdia das partculas. endotrmicos, resultam em dimiCom o decorrer do tempo, a vinuio da temperatura do sistema, zinhana cede energia, na forma de enquanto os exotrmicos resultam calor, para o sistema, aumentando a em aumento12 (Lima e cols., 2008). temperatura deste, at que o equilUma reao qumica exotrmica brio trmico com o meio ambiente seja restabelecido. Assim, pode-se A interpretao atmico-moleconcluir que o balano energtico cular da variao da energia interna no final do experimento mostra uma em transformaes qumicas no absoro de energia, na forma de diferente daquela apresentada nos calor, pelo sistema e a dissoluo exemplos anteriores, exceto pelo do sal dita endotrmica. fato de que, nas reaes qumicas, Abordaremos, de modo mais ao formarem-se novas substncias, resumido, um quarto experimento, h sempre ruptura e/ou formao de tambm realizado em condies ligaes qumicas e no apenas de diatrmicas a dissoluo, em gua, interaes intermoleculares. do hidrxido de sdio, NaOH(s), Consideremos, como exemplo, a em que a temperatura do sistema combusto do metano: aumenta inicialmente. Como no exemplo anterior, h rupturas de CH4(g) + 2 O2(g) ligaes inicas e de ligaes de CO2(g) + 2 H2O(g) (Eq. 1) hidrognio e formao de interaesQUMICA NOVA NA ESCOLA Processos Endotrmicos e Exotrmicos

Nessa reao, representada pela Equao 1, so rompidas as 4 ligaes simples CH no metano, bem como as ligaes duplas O=O nas 2 molculas de oxignio e, para que isso ocorra, h absoro de energia. Paralelamente, formam-se 2 ligaes duplas C=O no dixido de carbono e 4 ligaes simples OH nas 2 molculas de gua, processos em que h liberao de energia. Nesse caso, pode-se afirmar, com segurana, que, em mdulo, a energia liberada maior do que a absorvida, pois todas as combustes so exotrmicas. A energia liberada nessas reaes pode ser aproveitada para aquecimento ou para a realizao de trabalho como, por exemplo, movimentar um veculo13. Nas reaes qumicas endotrmicas, em mdulo, a energia absorvida para a ruptura de ligaes maior do que a liberada na formao de outras ligaes. Em quaisquer casos, como explicado anteriormente, variaes permanentes na temperatura do sistema dependem das condies em que as reaes so efetuadas se em recipientes com paredes diatrmicas ou adiabticas.

ConclusoNo obstante a maioria das leis e dos princpios da Termodinmica ter sido formulada antes ou de forma independente da teoria atmica, uma explicao molecular dos fenmenos enriquece a compreenso destes e muito contribui para ela. Em especial, a discusso dos aspectos microscpicos permite abordar a dinmica dos processos de transferncia de energia e possibilita a introduo do fator tempo nesses processos. De fato, nossa experincia em sala de aula tem mostrado que, com a discusso dos tpicos abordados neste trabalho, muitas dificuldades tradicionais dos estudantes, no estudo da termoqumica, tm sido mais facilmente solucionadas.

Notas1. Deve ser lembrado que o nmero de partculas envolvidas, mesmo em um sistema minsculo, extremamente elevado em apeVol. 31, N 4 , NOVEMBRO 2009

nas 2 colheres (de sopa) de gua, h cerca de 6,02 x 1023 molculas! Assim, para a descrio das propriedades dos sistemas, no possvel analisar-se o comportamento individual das partculas, mas se deve recorrer a valores mdios de suas propriedades. Por essa razo, a temperatura associada ao valor mdio da energia cintica das partculas as partculas individuais tm energias cinticas diferentes e que no se mantm constantes com o tempo. 2. Movimento trmico o movimento molecular, aleatrio e catico, que tanto mais energtico quanto maior for a temperatura. 3. O conceito de energia interna fundamental em nossas discusses. Expresses como contedo de calor e calor de um sistema so equivocadas e obsoletas e no devem ser usadas (Silva, 2005). 4. Na medida em que os eltrons se movimentam em torno dos ncleos, a componente eletrnica da energia interna inclui a energia cintica dos eltrons, alm das energias de atrao eltron-ncleo e de repulso eltron-eltron. As repulses no so apenas coulombianas, mas tambm so devidas ao princpio de excluso de Pauli. 5. Alm da componente coulombiana, responsvel por cerca de 90% da energia de interao entre os ons, h tambm repulses no coulombianas entre eles, ligadas ao princpio de Pauli, e ainda outras contribuies menos importantes. Esses refinamentos, entretanto, no afetam a validade da discusso apresentada. 6. Tambm nas rupturas no mundo macroscpico, como na quebra de um cabo de vassoura, ligaes qumicas e/ou interaes intermoleculares so rompidas e, para que isso ocorra, o sistema no caso, o cabo de vassoura deve absorver energia. 7. Se se supe comportamento de gs ideal para a gua gasosa,

obviamente, no h qualquer tipo 11. Refere-se a rupturas parciais de interao entre as suas moldas ligaes inicas porque, em culas. Entretanto, na gua gasosa soluo, existem pares inicos e real, h agregados outros agregados. moleculares formaSimultaneamente, A discusso dos aspectos dos por ligaes de deve haver ruptura microscpicos permite hidrognio. Na gua de parte das ligaabordar a dinmica dos lquida, o nmero es de hidrognio processos de transferncia dessas ligaes entre as molculas de energia e possibilita a muito maior. de gua para que introduo do fator tempo 8. Deve ser notaocorra a solvatao nesses processos. do que, nesse prodos ons. cesso de vaporiza12. Em um exo, a presso mantida constante perimento feito em condies adiae, portanto, o calor absorvido igual bticas que no so comuns em entalpia de vaporizao. comum, nosso dia a dia , a interpretao na bibliografia de Ensinos Fundada variao da temperatura do sismental e Mdio, referir-se ao calor tema mais simples, no s porque de vaporizao como calor latente essa variao permanente aps de vaporizao. Essa denominao ter sido atingido o equilbrio interno incorreta e no deve ser usada, pois, do sistema, mas tambm porque o como observado anteriormente, um experimento no envolve troca de sistema no possui calor. calor com o meio ambiente. 9. Parte da energia absorvida 13. No Brasil, o gs natural veicuutilizada para romper as interaes lar, GNV, tem sido bastante utilizado dipolo-dipolo entre as molculas da como combustvel para veculos. gua lquida, aumentando a distnEle constitudo, basicamente, por cia entre elas na fase gasosa, as metano. distncias entre as molculas so muito maiores. 10. A energia total deve ser Haroldo Lcio de Castro Barros (haroldo@coltec. conservada porque, nos instantes ufmg.br), bacharel em Engenharia Qumica pela iniciais, no h tempo para a troca de Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), mestre em Qumica pela calor entre o sistema e a vizinhana. Purdue University (EUA), doutor em Qumica pela Alm disso, est implcito que no Tulane University (EUA), ps-doutor pela Universih troca de matria e desprezado dade de Londres (Inglaterra), professor associado eventual trabalho de expanso ou de do Colgio Tcnico da Escola de Educao Bsica e Profissional da UFMG (Coltec/UFMG). compresso.

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Abstract: Endothermic and exothermic processes: a molecular viewpoint. Absorption and liberation of energy, as heat, are analyzed, under a molecular viewpoint in this report. For this purpose, among other aspects, we discussed: definitions of system and surroundings; macroscopic and microscopic concepts of temperature; the perception of heat as a process of energy transfer, resulting from a temperature difference; thermal equilibrium between system and surroundings, in experiments carried out under diathermic conditions; the concepts of internal energy of a system and of its components; change in the temperature of a system and change in the average kinetic energy of its particles; changes in potential energy associated to the breakage and formation of chemical bonds and/or of intermolecular interactions.The discussion of such topics will help students to overcome or even to avoid many difficulties that they usually encounter in the study of thermochemistry. Keywords: absorption/liberation of energy; internal energy; breakage/formation of bonds.

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