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?
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Atração: cada núcleo atrai o eletrão do outro átomo. A energia potencial diminui e o sistema torna-se mais estável.
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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.
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 $436\ \text{kJ mol}^{-1}$.
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.
- a) Como se designa a distância d assinalada no mínimo da curva? O que representa?
- b) Como se designa a energia E assinalada na figura? O que representa?
- c) Explica por que razão a energia potencial aumenta muito quando a distância entre os núcleos se torna muito pequena.
- 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.
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 $946\ \text{kJ mol}^{-1}$.
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 |
- 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.
- 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.
- 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.
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.
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, $946\ \text{kJ/mol}$.
- a) Representa a estrutura de Lewis da molécula de azoto, N₂.
- b) Relaciona a baixa reatividade do azoto com o valor da energia da ligação na sua molécula.
- 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.
- d) Prevê, justificando, qual das duas moléculas, N₂ ou O₂, tem a ligação mais curta.
Em resumo
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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.
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A curva resulta do equilíbrio entre a atração (núcleo–eletrão) e a repulsão (núcleo–núcleo e eletrão–eletrão), que cresce muito a distâncias pequenas.
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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.
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Uma ligação de energia elevada, como a do N₂, torna a molécula pouco reativa.
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De volta ao início: o azoto reage pouco porque a sua ligação tripla é muito curta e muito energética.