A decomposição térmica de carbonatos metálicos (MCO3) é uma via importante para a produção de óxidos metálicos (MO), principalmente contendo metais alcalinos terrosos. Os óxidos são amplamente utilizados na indústria da construção e em processos metalúrgicos. Na tabela abaixo estão dados termodinâmicos da reação de decomposição na temperatura de 27^circ C.
De <br> (kJmol^-1) De T De <br> (J^-1 cdot mol^-1) De <br> (kJmol^-1)
MgCO3 100,6 -52500
CaCO3 178,3 -48000
SrCO3 234,6 -51000
BaCO3 269,3 -51630
a) Escreva as equações da decomposição dos carbonatos - considere a formação do CO2.
b) A De decomposição dessa reação para os diferentes carbonatos é endotérmica. O que isso significa? Explique o porquê dos diferentes valores.
c) Conceitue entropia. Calcule o De decomp. e explique os diferentes valores de entropia.
d) Calcule o De decomp. A reação é espontânea ou não espontânea? Explique o porquê.
e) Qual a temperatura de decomposição para cada uma dessas reações quando o equilíbrio é atingido?
f) A temperatura foi aumentada para 627^circ C, o que ocorre com o De decomp para os carbonatos de magnésio e de bário? Compare com o obtido na letra d e explique o porquê dessa diferença.

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. A gente tem uma tabela com alguns dados termodinâmicos da decomposição de carbonatos metálicos, como MgCO3, CaCO3, entre outros. A matéria envolvida aqui é Termodinâmica, mais especificamente as variações de energia em reações químicas. Vamos precisar usar conceitos como entalpia ( De), entropia ( De) e energia livre de Gibbs ( De) para resolver as questões propostas.

Passo 2

a) Escreva as equações da decomposição dos carbonatos - considere a formação do CO2.
A decomposição térmica dos carbonatos metálicos segue a seguinte equação geral:
MCO3 MO + CO2
Onde M representa o metal, como Mg, Ca, Sr ou Ba.

Passo 3

b) A De decomposição dessa reação para os diferentes carbonatos é endotérmica. O que isso significa? Explique o porquê dos diferentes valores.
Quando a reação é endotérmica, isso significa que ela absorve calor do ambiente. A entalpia de decomposição ( De) positiva indica que a reação precisa de energia para acontecer. Os diferentes valores de De para cada carbonato refletem a quantidade de energia necessária para quebrar as ligações químicas específicas de cada composto. Quanto maior a entalpia, mais energia é exigida para decompor o carbonato correspondente.

Passo 4

c) Conceitue entropia. Calcule o De decomp. e explique os diferentes valores de entropia.
Entropia ( S) é uma medida da desordem ou do grau de aleatoriedade em um sistema. A variação de entropia ( De) na reação de decomposição nos mostra como a desordem muda durante a reação.
Para calcular De, usamos a fórmula:
Analisando a tabela:
  • Para MgCO3: De
  • Para CaCO3: De
  • Para SrCO3 e BaCO3, os valores de De não estão completos na tabela.
Os valores negativos indicam que a desordem diminui durante a decomposição. Isso pode parecer contraintuitivo, mas ocorre porque a formação do óxido metálico ( MO) resulta em uma estrutura mais ordenada comparada ao carbonato inicial.

Passo 5

d) Calcule o De decomp. A reação é espontânea ou não espontânea? Explique o porquê.
A energia livre de Gibbs ( De) é calculada pela fórmula:
De
Na tabela, alguns valores de De já estão fornecidos:
  • MgCO3: falta calcular
  • CaCO3: falta calcular
  • SrCO3: De
  • BaCO3: De
Se De for negativo, a reação é espontânea. Pelo valor de BaCO3, vemos que é espontânea. A espontaneidade depende do equilíbrio entre De e TDe. Mesmo que a reação seja endotérmica ( De positivo), o termo -TDe pode tornar De negativo se a entropia aumentar suficientemente com a temperatura.

Passo 6

e) Qual a temperatura de decomposição para cada uma dessas reações quando o equilíbrio é atingido?
A temperatura de decomposição ocorre quando De. Usamos a fórmula:
0 = De
Aplicando os valores:
  • Para MgCO3: T = 100,6 times 10^3 J cdot mol^-1-52500 J cdot mol^-1 approx -1,92 K (Valor não físico, indicando que a reação não ocorre espontaneamente a 27°C)
  • Para CaCO3: T = 178,3 times 10^3-48000 approx -3,71 K (Também não físico)
Os resultados negativos indicam que, a 27°C, as reações não estão no equilíbrio favorável à decomposição. É necessário elevar a temperatura para que o processo se torne espontâneo.

Passo 7

f) A temperatura foi aumentada para 627^circ C, o que ocorre com o De decomp para os carbonatos de magnésio e de bário? Compare com o obtido na letra d e explique o porquê dessa diferença.
Primeiro, convertemos 627^circ C para Kelvin:
T = 627 + 273 = 900 K
Calculamos De para MgCO3 e BaCO3:
Para MgCO3:
De
Para BaCO3:
De
Comparando com a letra d, onde De era negativo a 27°C, agora a um aumento de temperatura, De tornou-se positivo. Isso indica que, a 627°C, as reações de decomposição para o magnésio e o bário não são mais espontâneas, pois agora a energia livre de Gibbs é positiva.

Resposta

As reações de decomposição dos carbonatos de magnésio e de bário a 627^circ C não são espontâneas, já que o De passou a ser positivo, diferentemente do valor negativo obtido inicialmente, devido ao aumento da temperatura que favoreceu o termo entropia na equação de Gibbs.

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