Laboratório virtual da lei de Hess: hidratação do CuSO₄

Este laboratório virtual da lei de Hess reproduz a prática de entalpia do A-level que determina a variação de entalpia de hidratação do sulfato de cobre(II). Essa variação não pode ser medida diretamente, porque o CuSO₄ anidro se dissolve assim que encontra a água. Em vez disso, os alunos dissolvem CuSO₄ anidro e depois CuSO₄·5H₂O em água num copo de isopor, registram cada variação de temperatura, calculam as duas entalpias de dissolução e as combinam num ciclo de Hess. Eles comparam a resposta com o valor tabelado e explicam a diferença. Cabe numa aula e dá a todos os grupos o mesmo conjunto de dados limpo, sem resíduo de sulfato de cobre.

Alinhamento com o currículo

• AQA A-level Chemistry 3.1.4.2–3.1.4.3 (calorimetria e lei de Hess) e a prática obrigatória de medir uma variação de entalpia.
• IB Chemistry Reactivity 1.1–1.2 (medida de variações de entalpia e ciclos de energia).
• AP Chemistry Unit 6, tópicos 6.4 (calorimetria) e 6.9 (lei de Hess).

O Simulic não é afiliado nem endossado pela AQA, IB, College Board ou qualquer banca examinadora.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"Você dissolve sulfato de cobre(II) anidro branco em água e depois sulfato de cobre(II) hidratado azul num copo novo de água. O que acontece com a temperatura em cada caso?"

A maioria dos alunos espera que os dois se comportem da mesma forma. Não corrija ainda.

Método na simulação

1. Abra a aba Laboratório e deixe Experimento em "Hidratação do CuSO₄". Confira se Tampa está marcada.
2. Coloque Medir em "Reação 1", Sólido em 4,00 g de CuSO₄ anidro e Solução em 50 mL. Clique em Adicionar sólido e agitar.
3. Observe o gráfico temperatura–tempo. Espere a rodada terminar em t = 300 s e clique em Registrar. A linha mostra ΔT, Q = m·c·ΔT e ΔH = −Q/n.
4. Coloque Medir em "Reação 2", Sólido em 6,25 g de CuSO₄·5H₂O, 50 mL. Clique em Adicionar sólido e agitar, espere e clique em Registrar.
5. Use ΔH(hidratação) = ΔH₁ − ΔH₂. Quando as duas reações estão registradas, o quadro acima da tabela de resultados mostra o resultado da lei de Hess ao lado do valor tabelado.
6. Desmarque Tampa, clique em Nova medida e repita as duas reações. Compare.

Reação	Sólido	Massa (g)	n (mol)	T₁ (°C)	T₂ (°C)	ΔT (°C)	Q (J)	ΔH (kJ/mol)
1	CuSO₄	4,00		20,0
2	CuSO₄·5H₂O	6,25		20,0

Resultados esperados

Todos os valores vêm da simulação, que trata a solução como água (c = 4,18 J g⁻¹ K⁻¹) e deixa o copo perder calor para a sala a 20 °C.

Rodada	T máxima ou mínima (°C)	ΔT (°C)	ΔH (kJ/mol)
Reação 1, 4,00 g, com tampa	27,3	+7,3	−60,9
Reação 2, 6,25 g, com tampa	18,7	−1,3	+10,9
Lei de Hess, com tampa			−71,7 (tabelado −78,2; desvio de 8%)
Lei de Hess, sem tampa			−63,4

• Dissolver CuSO₄ anidro é exotérmico; dissolver o sal hidratado é endotérmico.
• 4,00 g e 6,25 g contêm cerca de 0,025 mol de CuSO₄, então as duas rodadas são comparáveis.
• Dobrar a massa para 8,00 g dobra o ΔT para +14,7 °C, mas o ΔH continua em cerca de −61 kJ/mol.
• Sem a tampa, perde-se mais calor enquanto o sólido se dissolve, então o resultado se afasta mais do valor tabelado.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) O que acontece com a temperatura quando cada sal se dissolve?
2. Por que se usam 4,00 g de CuSO₄ e 6,25 g de CuSO₄·5H₂O?
3. Na reação 1 (4,00 g, 50 mL, com tampa), quanto vale ΔT?
4. Com os seus dois valores de ΔH, qual é a variação de entalpia de hidratação do CuSO₄?
5. O seu valor é menos negativo que −78,2 kJ/mol. Explique por que e sugira uma melhoria.

Respostas para o professor: (1) CuSO₄ anidro: a temperatura sobe; CuSO₄·5H₂O: ela cai. (2) Os dois contêm cerca de 0,025 mol de CuSO₄, então a mesma quantidade se dissolve no mesmo volume de água. (3) +7,3 °C (aceite ±0,2). (4) Cerca de −71,7 kJ/mol (aceite de −73,7 a −69,7). (5) Há troca de calor com o ambiente enquanto o sólido se dissolve, então os ΔT medidos ficam pequenos demais; a capacidade térmica do copo também é ignorada. Melhore o isolamento (mantenha a tampa) e extrapole a curva de resfriamento até o instante da mistura.

Erros conceituais comuns

• "ΔH₁ − ΔH₂ está invertido." Siga as setas. CuSO₄(s) → CuSO₄(aq) diretamente é ΔH₁. O outro caminho passa pelo CuSO₄·5H₂O e depois o dissolve (ΔH₂). Então ΔH₁ = ΔH(hidratação) + ΔH₂.
• "Uma variação de temperatura maior significa um ΔH maior." O ΔT depende da massa e do volume de água. O ΔH é por mol, então fica mais ou menos igual quando a massa dobra.
• "Uma dissolução endotérmica não precisa de tampa." Entra calor da sala, o que deixa a queda de temperatura pequena demais, então a tampa importa nas duas rodadas.

Extensão

• Mude Experimento para "Formação do MgO". Faça reagir 0,20 g de Mg e 0,50 g de MgO com HCl em excesso, e some ΔfH(H₂O). A simulação dá −567,5 kJ/mol contra −601,6 kJ/mol do valor tabelado.
• Na aba Ciclo de Hess, siga os caminhos de formação e de combustão para a mesma reação e veja que os dois dão o mesmo ΔrH.

Perguntas frequentes

O link da turma pode abrir direto na aba Laboratório?

Sim. Na página Compartilhar, fixe Tela em "Laboratório de calorimetria" (e Experimento em "Entalpia de hidratação do CuSO₄") nos valores iniciais do link. Caso contrário, o primeiro passo do método pede aos alunos que abram a aba Laboratório.

Por que o resultado fica 8% longe do valor tabelado?

O modelo perde calor para a sala e ignora o copo, como um copo de isopor real. Isso torna o erro um bom tema de discussão, e não um engano a esconder.

Qual é a diferença em relação ao laboratório virtual de calorimetria?

O laboratório virtual de calorimetria mede diretamente uma entalpia de neutralização. Este laboratório mede duas reações e usa a lei de Hess para achar uma terceira que não pode ser medida.

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