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Geometria molecular, polaridade e energia de ligação · Energia e comprimento de ligação

Parâmetros da ligação

Cerca de 78 % do ar que respiras em Lisboa ou no Porto é azoto, e no entanto este gás quase não reage com nada. O oxigénio, que está ao lado na tabela periódica, reage com muito mais facilidade. A que se deve a diferença? A resposta está em dois números que caracterizam cada ligação: a energia e o comprimento.

A curva de energia potencial

Imagina dois átomos de hidrogénio, inicialmente muito afastados. Quando se aproximam, o que acontece à energia potencial do sistema?

  • Atração: cada núcleo atrai o eletrão do outro átomo. A energia potencial diminui e o sistema torna-se mais estável.

  • Repulsão: quando se aproximam demasiado, os núcleos (ambos positivos) repelem-se e os eletrões também. A energia potencial aumenta muito.

Entre estes dois efeitos há uma distância em que a energia é mínima: é aí que o sistema é mais estável e se forma a ligação.

Curva da energia potencial de dois átomos de hidrogénio em função da distância entre os núcleos, com o mínimo na distância de equilíbrio E distância internuclear d = 74 pm energia de ligação (profundidade do mínimo) repulsão dominante atração dominante

Na curva lêem-se dois parâmetros:

Quanto mais profundo o mínimo, mais estável é a ligação e mais energia custa quebrá-la. Na molécula de hidrogénio, H₂, o comprimento de ligação é $74\ \text{pm}$ e a energia de ligação é $436\ \text{kJ mol}^{-1}$.

Pratica★★☆Por começar
Quando dois átomos de hidrogénio se aproximam um do outro, a energia potencial do sistema varia com a distância entre os núcleos, como se mostra na figura. a) Como se…

Quando dois átomos de hidrogénio se aproximam um do outro, a energia potencial do sistema varia com a distância entre os núcleos, como se mostra na figura.

energia potencial distância internuclear E = 0 d = ? E = ?
  1. a) Como se designa a distância d assinalada no mínimo da curva? O que representa?
  2. b) Como se designa a energia E assinalada na figura? O que representa?
  3. c) Explica por que razão a energia potencial aumenta muito quando a distância entre os núcleos se torna muito pequena.
  4. d) Na molécula de hidrogénio, H₂, a distância d é $74\ \text{pm}$ e a energia E é $436\ \text{kJ/mol}$; na molécula de cloro, Cl₂, os valores correspondentes são $199\ \text{pm}$ e $243\ \text{kJ/mol}$. Indica, justificando, qual das duas moléculas tem a ligação mais forte.
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Ordem de ligação, energia e comprimento

Entre dois átomos do mesmo elemento pode haver uma ligação simples, dupla ou tripla, conforme o número de pares de eletrões partilhados. Os dados do carbono mostram uma regularidade:

Ligação Pares partilhados Energia / kJ mol⁻¹ Comprimento / pm
C−C 1 348 154
C=C 2 612 134
C≡C 3 838 120

Mais pares partilhados significa mais eletrões entre os núcleos a atraí-los, por isso os núcleos ficam mais próximos e é mais difícil separá-los.

O mesmo acontece com o azoto: N−N, N=N e N≡N têm energias $163$, $418$ e $946\ \text{kJ mol}^{-1}$.

Pratica★★☆Por começar
A tabela apresenta valores médios da energia e do comprimento de ligação entre átomos de carbono. | Ligação | Energia de ligação / (kJ/mol) | Comprimento de ligação / pm…

A tabela apresenta valores médios da energia e do comprimento de ligação entre átomos de carbono.

Ligação Energia de ligação / (kJ/mol) Comprimento de ligação / pm
C−C 348 154
C=C 612 134
C≡C 838 120
  1. a) Estabelece, a partir da tabela, a relação entre o número de pares eletrónicos partilhados (ligação simples, dupla ou tripla), o comprimento de ligação e a energia de ligação.
  2. b) Se a energia da ligação dupla fosse exatamente o dobro da energia da ligação simples, que valor teria? Compara esse valor com o valor real e apresenta uma explicação para a diferença.
  3. c) No etano (C₂H₆), no eteno (C₂H₄) e no etino (C₂H₂), a ligação entre os dois átomos de carbono é, respetivamente, simples, dupla e tripla. Ordena os três compostos por ordem crescente do comprimento da ligação carbono-carbono. Justifica.
Resolver

Energia de ligação e reatividade

Quebrar ligações custa energia. Por isso, uma molécula com uma ligação de energia muito elevada reage com dificuldade: é preciso fornecer muita energia para a «abrir».

Na estrutura de Lewis do azoto, cada átomo de N tem 5 eletrões de valência; para completarem o octeto, partilham 3 pares de eletrões (pares ligantes) e cada átomo fica ainda com 1 par não ligante: $:\!\text{N}\equiv\text{N}\!:$. O azoto tem, assim, uma ligação tripla com $946\ \text{kJ mol}^{-1}$. O oxigénio, $\text{O}=\text{O}$, tem uma ligação dupla com $497\ \text{kJ mol}^{-1}$. A ligação do azoto é cerca do dobro da do oxigénio em energia, o que ajuda a explicar porque é que o N₂ é tão pouco reativo.

Barras que comparam a energia de ligação do oxigénio, 497 kJ/mol, e a do azoto, 946 kJ/mol O₂ (O=O) N₂ (N≡N) 497 946 E / kJ mol⁻¹
Pratica★★☆Por começar
O azoto é o gás mais abundante da atmosfera, mas é muito pouco reativo. As energias das ligações entre átomos de azoto são: N−N, $163\ \text{kJ/mol}$; N=N,…

O azoto é o gás mais abundante da atmosfera, mas é muito pouco reativo. As energias das ligações entre átomos de azoto são: N−N, $163\ \text{kJ/mol}$; N=N, $418\ \text{kJ/mol}$; N≡N, $946\ \text{kJ/mol}$.

  1. a) Representa a estrutura de Lewis da molécula de azoto, N₂.
  2. b) Relaciona a baixa reatividade do azoto com o valor da energia da ligação na sua molécula.
  3. c) Na molécula de oxigénio, O₂, a ligação é dupla e a sua energia é $497\ \text{kJ/mol}$. Compara a reatividade dos dois gases com base nas energias de ligação.
  4. d) Prevê, justificando, qual das duas moléculas, N₂ ou O₂, tem a ligação mais curta.
Resolver

Em resumo

  • O comprimento de ligação é a distância internuclear no mínimo da curva de energia potencial; a energia de ligação é a energia necessária para quebrar a ligação.

  • A curva resulta do equilíbrio entre a atração (núcleo–eletrão) e a repulsão (núcleo–núcleo e eletrão–eletrão), que cresce muito a distâncias pequenas.

  • Entre átomos do mesmo elemento, mais pares partilhados significam maior energia e menor comprimento (C−C, C=C, C≡C; N−N, N=N, N≡N), sem proporcionalidade.

  • Uma ligação de energia elevada, como a do N₂, torna a molécula pouco reativa.

  • De volta ao início: o azoto reage pouco porque a sua ligação tripla é muito curta e muito energética.

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