Apresentando a entropia
Simplificando, a entropia (dado o símbolo S ) é uma medida da aleatoriedade ou desordem de um sistema. Deixe-me dar um exemplo disso. Digamos que você jogou 100 moedas para o ar. As chances de todos eles darem cara ou coroa são muito baixas. No entanto, as chances de eles pousarem de maneira aleatória são muito altas. Se você jogá-los para o ar uma segunda vez, é muito provável que todos eles caiam de uma forma aleatória diferente, algumas caras e outras coroas.
Existe apenas uma maneira de colocar todas as moedas com o mesmo lado para cima; mas para a aleatoriedade, há um número infinito de maneiras. Experimente você mesmo como uma rápida demonstração de como os sistemas tendem a se tornar mais aleatórios por conta própria, se for permitido. Os cientistas costumam usar a palavra espontâneo em vez de «por conta própria», e isso significa um processo que pode ocorrer por si mesmo, sem qualquer trabalho externo.
Outro exemplo de aleatoriedade ou entropia é meu quarto. Novamente, há uma chance muito alta de que, sozinho, meu quarto seja uma bagunça aleatória em alguns dias, com roupas, revistas e livros por toda parte. Para que eu pare esse caos, tenho que me esforçar (ou, em outras palavras, tenho que trabalhar no sistema) para arrumá-lo novamente e colocá-lo em ordem. Em geral, a natureza tende a se mover espontaneamente de estados mais ordenados para estados mais aleatórios. Então, agora que demos a você uma razão científica para explicar um quarto bagunçado, vamos ver o que mais podemos fazer com este novo conceito.
Fatores que afetam o valor da entropia
Ao prever se um sistema tem uma entropia alta ou baixa, temos que pensar em quantos lugares diferentes as partículas podem estar. Em outras palavras, elas podem se mover e ficar desorganizadas? Pense na dança de linha, que é muito ordenada e organizada, e compare isso com a dança break, que é muito mais caótica e livre. Em sistemas físicos e químicos, geralmente se aplica o seguinte:
O líquido tem uma entropia mais alta do que o sólido .
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Aqui, nosso cubo de gelo está realmente restrito – as moléculas de água são mantidas no lugar no sólido por forças intermoleculares e, portanto, são muito ordenadas; o movimento é muito limitado. As moléculas não podem se mover para fora da estrutura sólida e têm uma chance muito limitada de aleatoriedade. No entanto, o líquido tem alguma liberdade para se espalhar e ficar desordenado. As forças que mantêm as moléculas juntas são mais fracas do que o gelo. A entropia aumentou.
O gás tem uma entropia mais alta do que o líquido .
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As moléculas de gás não são mais mantidas juntas por quaisquer forças e são livres para se mover para onde quiserem. Aqui, nossas moléculas de vapor d’água podem se espalhar pela sala e se mover. Nosso líquido, porém, ainda tem algum pedido. Uma maneira simples de lembrar que a entropia aumenta com a ordem das fases é ‘Cabrinhas Bobas’. Os sólidos têm a entropia mais baixa e os gases têm os valores de entropia mais altos.
Aquecer as coisas aumenta a entropia .
Quanto mais alguma coisa esquenta, mais ela pode se mover, mais desordem ela tem. Imagine que você está em um clube e dançando com seus amigos. Quando está frio, vocês se juntam e se movem bem devagar. Seu grupo é bastante organizado enquanto vocês se mantêm juntos. No entanto, conforme o clube esquenta e você fica cada vez mais quente, você começa a se espalhar e se afastar dos amigos. Sua desordem, ou entropia, aumentou.
Quanto mais mols de gás, maior será a entropia .
Já aprendemos que o gás tem a entropia mais alta. Portanto, quanto mais moles de gás você tem, mais entropia existe.
Previsão de mudança de entropia
Ao prever se uma reação física ou química terá um aumento ou diminuição da entropia, observe as fases das espécies presentes. Lembre-se de ‘Cabrinhas Silly’ para ajudá-lo a contar. Dizemos que ‘se a entropia aumentou, Delta S é positivo’ e ‘se a entropia diminuiu, Delta S é negativo’. Aqui estão dois exemplos rápidos:
‘Você prevê se a entropia aumentará ou diminuirá nesta reação?’
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Ok, aqui estamos indo de três moles de gás para dois moles de líquido. Sabemos que ‘Cabrinhas Silly Little’ nos diz que a entropia aumenta do sólido ao gasoso. Agora, aqui estamos indo do gás ao líquido. Portanto, a entropia diminuiu; nesta reação o Delta S é negativo.
Aqui está outro exemplo: ‘Sublima de dióxido de carbono sólido’.
Essa reação física é simplesmente gelo seco. O dióxido de carbono vai diretamente do sólido para o gás; isso é chamado de sublimação. Aqui, ‘Silly Little Goats’ nos diz que a entropia aumentou e o Delta S é positivo.
Calculando Mudança de Entropia em uma Reação Química
Além de prever se a mudança de entropia será positiva ou negativa, também podemos calcular a mudança de entropia usando os valores fornecidos em uma tabela de dados. Podemos fazer isso porque a entropia, assim como a entalpia, é uma função de estado. Porque isso significa que não precisamos nos preocupar como passamos de um lugar para outro, tudo o que nos importa é onde começamos e onde terminamos. Para medir a mudança de entropia de uma reação, podemos usar a equação simples:
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Aqui, você pode ver que calculamos a mudança de entropia simplesmente deduzindo o valor de entropia dos reagentes do valor de entropia dos produtos. Quanto maior for o número positivo, maior será o aumento da entropia. Então, vamos dar um exemplo rápido.
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Ok, olhando para esta reação, você deve prever imediatamente se haverá um aumento ou diminuição na entropia. Aqui estamos formando um gás e, portanto, nossa previsão é que a entropia aumentará. Vamos ver se isso é verdade. Temos alguns valores de entropias padrão que podemos usar:
| Composto | Valor J / mol.K |
|---|---|
| CaCO3 (s) | 92,9 |
| CaO (s) | 39,8 |
| CO2 (g) | 213,6 |
Podemos substituir esses valores em nossa equação e calcular a mudança de entropia. Portanto, temos 39,8 + 213,6 J por mole por K para os produtos e podemos subtrair 92,9 J mol por K para os reagentes. Nossa mudança geral de entropia é de +160,5 J por K. Então, assim como previmos, há um valor positivo para a mudança de entropia e a entropia aumentou.
Resumo da lição
Nesta lição, aprendemos que a entropia é uma medida de desordem ou aleatoriedade de um sistema e que a natureza se move espontaneamente em direção a sistemas com maior entropia. A entropia aumenta à medida que você passa de sólido para líquido para gasoso, e você pode prever se a mudança de entropia é positiva ou negativa observando as fases dos reagentes e produtos. Sempre que houver um aumento nos moles de gás, a entropia aumentará. Você pode calcular a mudança de entropia de uma reação usando a equação simples.
Resultados de Aprendizagem
Depois de terminar esta lição, você deverá ser capaz de:
- Definir entropia
- Descreva como a natureza se move espontaneamente em termos de entropia e a entropia de sólidos, líquidos e gases
- Explique como prever a mudança de entropia observando as fases do reagente e do produto
- Identifique a equação para calcular a mudança de entropia de uma reação