Energia de ligação e reações químicas 3.1 Energia e reações químicas Energia de ligação e reações químicas ↪ Energia envolvida na rutura e formação de ligações Químicas ↪ Energia envolvida numa reação química

3.1 Energia e reações químicas Energia interna de um sistema químico Em química, considera-se um sistema a parte do Universo que se pretende estudar. A restante parte do Universo que não está em estudo designa-se por meio exterior. O sistema e o meio exterior estão separados pela fronteira. Meio exterior Sistema Fronteira

3.1 Energia e reações químicas Energia interna de um sistema químico Os sistemas podem classificar-se em: sistemas abertos: há troca de matéria e de energia com o meio exterior; sistemas fechados: não há troca de matéria com o meio exterior, apenas troca de energia; sistemas isolados: não há troca nem de matéria nem de energia com o meio exterior. Vapor de água Calor Calor

3.1 Energia e reações químicas Reação química em sistema aberto.

Energia do sistema = energia cinética + energia potencial 3.1 Energia e reações químicas Energia interna de um sistema químico Os sistemas químicos são formados por enormes quantidades de unidades estruturais que possuem energia. Esta energia constitui a energia interna do sistema para a qual contribuem dois componentes: A energia cinética, Ec, que resulta do movimento das partículas do sistema. A energia potencial, Ep, que resulta da interação entre as partículas, nomeadamente das forças intermoleculares (entre moléculas ou átomos) e intramoleculares (entre átomos). Energia do sistema = energia cinética + energia potencial A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o sistema.

3.1 Energia e reações químicas As reações químicas são transformações em que determinadas substâncias (reagentes) originam outras (produtos da reação). Ao escrever uma reação química deve ter em conta a Lei de Lavoisier ou Lei da Conservação da Massa. Lei de Lavoisier: Para cada um dos elementos químicos envolvidos numa reação química, o número de átomos nos reagentes é igual ao número de átomos nos produtos da reação.

3.1 Energia e reações químicas Numa reação química, os reagentes transformam-se em produtos da reação.

3.1 Energia e reações químicas Lei de Lavoisier A obediência a essa lei pode verificar-se contando o número de átomos de cada elemento, nos reagentes e nos produtos da reação. Reagentes Produtos da reação N2 + 3H2 2NH3 1 molécula de N2 + 3 moléculas de H2 2 moléculas de NH3 2 átomos de N + 6 átomos de H 2 átomos de N + 6 átomos de H

3.1 Energia e reações químicas Energia interna de um sistema químico O rearranjo dos átomos numa reação química envolve a rutura das ligações nos reagentes e a formação de ligações nos produtos da reação.

3.1 Energia e reações químicas ↪ A rutura das ligações químicas nos reagentes envolve absorção de energia − processo endoenergético. Esboço do diagrama de energia associado à rutura de ligações nos reagentes.

3.1 Energia e reações químicas ↪ A formação das ligações químicas dos produtos provoca libertação de energia − processo exoenergético. Esboço de diagrama de energia associado à formação de ligações nos produtos.

3.1 Energia e reações químicas Energia interna de um sistema químico Numa reação química, os reagentes transformam-se em produtos da reação. Se a energia interna dos produtos da reação for menor do que a energia interna dos reagentes, a reação é exotérmica. Reagentes → Produtos da reação + Energia Se a energia interna dos produtos da reação for maior do que a energia interna dos reagentes, a reação é endotérmica. Reagentes + Energia → Produtos da reação

Distância entre átomos 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas H(g) + H(g) H2(g)   Átomos separados Molécula   Energia Distância entre átomos Processo endoenergético 0 kJ/mol O processo relativo à quebra de ligações químicas envolve absorção de energia e, por essa razão, é designado de endoenergético. – 458 kJ/mol

Distância entre átomos 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas H(g) + H(g) H2(g)   Átomos separados Molécula   Energia Distância entre átomos Processo exoenergético 0 kJ/mol O processo relativo à formação de ligações químicas envolve libertação de energia e, por essa razão, é designado de exoenergético. – 458 kJ/mol

Distância entre átomos 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas – 458 kJ/mol 0 kJ/mol Energia Distância entre átomos Processo endoenergético   Átomos separados Molécula H(g) + H(g) H2(g) Processo exoenergético

Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas Existem diversos processos laboratoriais para medir a energia de uma ligação. Estas energias podem ser medidas, por exemplo, a pressão ou a volume constante. A variação de entalpia (∆H) corresponde à energia de ligação medida a pressão constante. A variação de entalpia é usualmente medida em kJ/mol ou kJ mol–1.

3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas Transformações endoenergéticas acontecem com um aumento de entalpia (∆H > 0) Transformações exoenergéticas ocorrem com uma diminuição de entalpia (∆H < 0) Quebra da ligação Energia absorvida Processo endoenergético ∆H > 0 Formação da ligação Energia libertada Processo exoenergético ∆H < 0

Diagrama de balanço energético para uma reação exotérmica. 3.1 Energia e reações químicas Transformações exoenergéticas ocorrem com uma diminuição de entalpia (∆H < 0) Diagrama de balanço energético para uma reação exotérmica.

Diagrama de balanço energético para uma reação endotérmica. 3.1 Energia e reações químicas Transformações endoenergéticas acontecem com um aumento de entalpia (∆H > 0) Diagrama de balanço energético para uma reação endotérmica.

3.1 Energia e reações químicas Reação exotérmica A reação química entre alumínio e óxido de ferro (III) é acentuadamente exotérmica, ocorrendo um aumento da temperatura, que pode atingir os 3500 ˚C: 2 Aℓ(s) + Fe2O3 s → Aℓ2O3 s + 2 Fe(s)

3.1 Energia e reações químicas Reação endotérmica A reação química entre hidróxido de bário e cloreto de amónio é acentuadamente endotérmica, observando-se uma descida considerável da temperatura: Ba OH 2(s) + 2 NH 4 Cℓ s →2 N H 3 g + Ba Cℓ 2 s + 2 H 2 O(l)

3.1 Energia e reações químicas Através das energias de ligação é possível fazer um balanço energético entre as energias envolvidas na rutura e na formação de ligações químicas. Variação de entalpia de uma reação química, ΔH: ΔH = ΣElig(reagentes) - ΣElig(produtos) ΣElig(reagentes) – soma das energias de ligação nos reagentes ΣElig(produtos) – soma das energias de ligação nos produtos de reação

3.1 Energia e reações químicas

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química As reações químicas ocorrem em duas etapas: 1.ª – rutura de ligações dos reagentes (processo endoenergético) Entalpia (H) Reagentes Átomos separados ∆H > 0

∆H > 0 3.1 Energia e reações químicas As reações químicas ocorrem em duas etapas: 1.ª – rutura de ligações dos reagentes (processo endoenergético); 2.ª – formação de novas ligações nos produtos (processo exoenergético). Entalpia (H) Produtos Átomos separados ∆H > 0

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química A variação de entalpia de uma reação química resulta do balanço energético entre a energia envolvida na rutura e na formação das ligações químicas.

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química

3.1 Energia e reações químicas Primeira Lei da Termodinâmica Os sistemas químicos em geral não são isolados, havendo troca de energia com a vizinhança, por calor ou trabalho, o que faz variar a energia interna do sistema. O balanço energético é descrito pela Primeira Lei da Termodinâmica ou Lei da Conservação da Energia. Nas reações exotérmicas o sistema cede energia por calor, provocando um aumento da temperatura da vizinhança. Nas reações endotérmicas o sistema recebe energia como calor, provocando uma diminuição da temperatura da vizinhança.

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química Num sistema isolado, não havendo trocas de energia com o exterior e sendo a energia absorvida na quebra de ligações superior à libertada na formação de novas ligações (∆H > 0), a energia necessária para que o processo ocorra provirá da diminuição da energia cinética das partículas do sistema. Como consequência, a temperatura do sistema diminui. Num sistema isolado, não havendo trocas de energia com o exterior e sendo a energia libertada na formação de novas ligações superior à absorvida na quebra de ligações (∆H < 0), o excesso de energia associada à reação é convertido em energia cinética das partículas do sistema. Como consequência, a temperatura do sistema aumenta.

3.1 Energia e reações químicas Reações químicas em sistemas isolados Numa reação química em sistema isolado, pode ocorrer: transformação de energia potencial em energia cinética – a temperatura aumenta e a reação é exotérmica; Ec Ep transformação de energia cinética em energia potencial – a temperatura diminui e a reação é endotérmica. Ec Ep 30

A temperatura do sistema aumenta 3.1 Energia e reações químicas Reações químicas em sistemas fechados Muitas reações químicas envolvem transferência de energia com o meio exterior sob a forma de calor. Se esta transferência de energia se realizar a pressão constante, designa-se, como vimos, por entalpia. Início da reação Final da reação T1 T1 < T2 T1 Reação exotérmica A temperatura do sistema aumenta ΔH < 0 Para que a temperatura fique igual à inicial, há saída de calor para o meio exterior 31

A temperatura do sistema diminui 3.1 Energia e reações químicas Reações químicas em sistemas fechados Muitas reações químicas envolvem transferência de energia com o meio exterior sob a forma de calor. Se esta transferência de energia se realizar a pressão constante, designa-se, como vimos, por entalpia. Início da reação Final da reação T1 T2 < T1 T1 Reação endotérmica A temperatura do sistema diminui ΔH > 0 Para que a temperatura fique igual à inicial, há entrada de calor do meio exterior 32

3.1 Energia e reações químicas Para sistemas isolados Reação exotérmica A temperatura do sistema aumenta. A energia cinética interna aumenta; a energia potencial associada às ligações diminui. endotérmica A temperatura do sistema diminui. A energia cinética interna diminui; a energia potencial associada às ligações aumenta.

3.1 Energia e reações químicas Para sistemas não isolados Reação exotérmica Há transferência de energia do sistema para a vizinhança. A energia libertada na formação das ligações dos produtos é superior à energia absorvida na quebra de ligações dos reagentes. endotérmica Há transferência de energia da vizinhança para o sistema. A energia libertada na formação das ligações dos produtos é inferior à energia absorvida na quebra de ligações dos reagentes.

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química Exemplo:

3.1 Energia e reações químicas

3.1 Energia e reações químicas

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química Conclui-se, assim, que a reação de combustão do metano é exoenergética e pode representar-se da seguinte forma:

Energia envolvida numa reação química 3.1 Energia e reações químicas Energia envolvida numa reação química O valor encontrado para ∆H significa que durante a combustão de 1 mol completa de metano são libertados, a pressão constante, 818 kJ de energia. Dado que o valor de ∆H é negativo, a reação é exoenergética e a temperatura deste sistema reacional, em meio isolado, aumenta, como seria de esperar numa combustão.

3.1 Energia e reações químicas Variação de entalpia – outro exemplo Vamos calcular a variação de entalpia para a formação do amoníaco: 3 H 2 g + N 2 g → 2 NH 3 g Esta reação pode ser representada, evidenciando o tipo e número de ligações presentes, por:

3.1 Energia e reações químicas As energias das ligações presentes nos reagentes e nos produtos da reação estão indicadas na seguinte tabela: A partir destes valores é possível calcular a variação da entalpia para a reação de formação do amoníaco: ΔH = (3 × E + E ) - (6 × E ) ΔH = (3 × 436 + 945) – (6 × 389) = -81 kJ

3.1 Energia e reações químicas Reação de síntese da água: 2 H 2 g + O 2 g → 2 H 2 O(l); ∆H = −571,6 kJ mol −1 Se uma reação for endotérmica, a sua inversa será exotérmica. As variações de entalpia da reação direta e inversa são simétricas.

3.1 Energia e reações químicas Sódio Síntese da água Espetros de emissão contínuos de riscas de absorção Resultam da luz emitida por um corpo Resultam da absorção parcial da luz ao atravessar a matéria

3.1 Energia e reações químicas Por exemplo, na combustão do carbono: C(s) + O2 g → CO2 g ; ∆H=−395,5 kJ mol −1 O valor negativo da variação de entalpia significa que a reação é exotérmica: libertam-se 393,5 kJ por cada mole de carbono que reage.

3.1 Energia e reações químicas

3.1 Energia e reações químicas Classifique em Verdadeira ou Falsa cada uma das afirmações seguintes. Num sistema aberto podem ocorrer trocas de matéria e de energia com o meio exterior. A energia interna de um sistema é igual à energia cinética média das partículas que o constituem. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o sistema. Numa reação exotérmica o sistema recebe energia do meio exterior e ΔH < 0. Num sistema isolado o aumento de energia cinética é feito à custa da diminuição da energia potencial. Verdadeiro. Falso. É igual à soma da energia cinética e da energia potencial. Verdadeiro. Falso. O sistema cede energia ao meio exterior. Verdadeiro.

Exercício O diagrama ao lado mostra as diferenças 3.1 Energia e reações químicas Exercício O diagrama ao lado mostra as diferenças de energia apresentadas pelos reagentes, produtos e átomos isolados numa reação química. 1. Conclua, com base no gráfico, que a rutura de ligações é um processo endoenergético, enquanto a formação de ligações nos produtos é um processo exoenergético. 2. Classifique a reação química sob o ponto de vista energético. Proposta de resolução 1. Uma vez que a energia dos átomos separados é superior à energia dos reagentes, para que os átomos se separem terá de ser fornecida energia aos reagentes. Como o processo envolve absorção de energia é considerado endoenergético. Por outro lado, os produtos apresentam menor energia do que os átomos isolados, logo o processo de formação dos produtos implica libertação de energia daí a designação de exoenergético. 2. Como no balanço energético existe absorção de energia, uma vez que a energia dos produtos é superior à energia dos reagentes, a reação química é endotérmica.

Exercício Considere o esboço do gráfico que 3.1 Energia e reações químicas Exercício Considere o esboço do gráfico que representa a energia dos reagentes e dos produtos para uma reação química. 1. Com base no gráfico, compare os valores absolutos da energia absorvida na rutura de ligações químicas nos reagentes com a energia que é libertada na formação das ligações químicas nos produtos. 2. A reação química apresentada é endotérmica ou exotérmica? Justifique. Proposta de resolução Como a energia dos reagentes é superior à energia dos produtos será necessário fornecer menos energia para a quebra das ligações nos reagentes do que a que será libertada (em valor absoluto) na formação dos produtos. A reação química será exotérmica pois irá libertar energia uma vez que a energia libertada (em valor absoluto) na formação de produtos é superior à absorvida para a quebra de ligações nos reagentes.