Cálculo da variação de entalpia com energias de ligação
Num fogão a gás, o metano arde e aquece a água do jantar. De onde vem a energia que sai da chama? Vem das ligações: gasta-se energia a quebrar umas e liberta-se mais energia a formar outras. Neste apartado vais aprender a fazer essa contabilidade e a prever o sinal de $\Delta H$ sem fazer nenhuma experiência.
A energia de ligação como moeda de troca
A energia de ligação é a energia que é preciso fornecer para quebrar 1 mol de ligações de um dado tipo, entre átomos em fase gasosa. Mede-se em $\text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$.
Quanto maior é a energia de ligação, mais forte é a ligação. A mesma energia é libertada quando essa ligação se forma a partir dos átomos livres.
| Ligação | H–H | Cl–Cl | H–Cl |
|---|---|---|---|
| $E_\text{lig}$ / kJ mol⁻¹ | 436 | 243 | 432 |
Repara que a energia de ligação não é o valor da reação, mas apenas o preço de cada tipo de ligação. É com estes preços que se faz a contabilidade da reação.
Considera a reação $\text{H}2\ \text{(g)} + \text{Cl}2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{HCl}\ \text{(g)}$ e os valores de energia de ligação da tabela: | Ligação | H–H |…
Considera a reação $\text{H}_2\ \text{(g)} + \text{Cl}_2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{HCl}\ \text{(g)}$ e os valores de energia de ligação da tabela:
| Ligação | H–H | Cl–Cl | H–Cl |
|---|---|---|---|
| Energia de ligação (kJ/mol) | 436 | 243 | 432 |
- a) Calcula a energia necessária para quebrar todas as ligações de 1 mol de H₂ e de 1 mol de Cl₂.
- b) Calcula a energia libertada na formação de 2 mol de HCl a partir dos átomos livres.
- c) Determina a variação de entalpia da reação e classifica-a como exotérmica ou endotérmica.
A expressão de cálculo
Imagina que a reação se faz em duas etapas: primeiro quebram-se todas as ligações dos reagentes (gasta-se energia) e depois formam-se todas as ligações dos produtos (liberta-se energia).
O porquê da subtração: a energia absorvida conta como positiva e a libertada como negativa. Se se liberta mais do que se absorve, $\Delta H < 0$ e a reação é exotérmica. Se se absorve mais do que se liberta, $\Delta H > 0$ e é endotérmica.
Contar ligações em moléculas maiores
O passo mais delicado é saber quantas ligações de cada tipo existem. Para isso, desenha a estrutura de Lewis de cada molécula e conta uma a uma. Uma ligação dupla ou tripla conta como um tipo de ligação próprio (C=O, N≡N), com a sua energia.
| Molécula | Ligações |
|---|---|
| $\text{CH}_4$ | 4 C–H |
| $\text{O}_2$ | 1 O=O |
| $\text{CO}_2$ | 2 C=O |
| $\text{H}_2\text{O}$ | 2 O–H |
| $\text{NH}_3$ | 3 N–H |
| $\text{N}_2$ | 1 N≡N |
A combustão completa do metano é representada por…
A combustão completa do metano é representada por $\text{CH}_4\ \text{(g)} + 2\ \text{O}_2\ \text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\ \text{(g)} + 2\ \text{H}_2\text{O}\ \text{(g)}$. Na molécula de dióxido de carbono, o carbono está ligado a cada oxigénio por uma ligação dupla.
| Ligação | C–H | O=O | C=O | O–H |
|---|---|---|---|---|
| Energia de ligação (kJ/mol) | 413 | 498 | 799 | 463 |
- a) Indica quantas ligações de cada tipo se quebram e quantas se formam por cada mol de metano queimado.
- b) Calcula a variação de entalpia da reação usando as energias de ligação.
- c) Compara o valor obtido com o valor tabelado para esta combustão, $-890\ \text{kJ/mol}$, e apresenta uma razão possível para a diferença.
Interpretar o resultado
O valor de $\Delta H$ calculado refere-se à reação tal como está escrita, com os coeficientes dados. Se escreveres a equação com coeficientes duplos, $\Delta H$ duplica.
Para obter a variação de entalpia por mole de uma substância, divide pelo seu coeficiente na equação.
A ligação N≡N é muito forte (946 kJ/mol, mais do dobro da energia de uma N–H, que é 391 kJ/mol). Por isso o azoto do ar é pouco reativo: é preciso fornecer muita energia para quebrar a sua ligação tripla. Por isso é preciso fornecer energia para quebrar a ligação tripla, e é por essa razão que a indústria dos adubos recorre a condições de reação exigentes para que a síntese ocorra.
A síntese do amoníaco, base da produção de adubos azotados, é representada por $\text{N}2\ \text{(g)} + 3\ \text{H}2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{NH}3\ \text{(g)}$.…
A síntese do amoníaco, base da produção de adubos azotados, é representada por $\text{N}_2\ \text{(g)} + 3\ \text{H}_2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{NH}_3\ \text{(g)}$.
| Ligação | N≡N | H–H | N–H |
|---|---|---|---|
| Energia de ligação (kJ/mol) | 946 | 436 | 391 |
- a) Calcula a variação de entalpia da reação tal como está escrita.
- b) Determina a variação de entalpia por mol de NH₃ produzido.
- c) A energia da ligação N≡N é quase o triplo da energia da ligação N–H. Explica, a partir deste facto, porque é que o azoto atmosférico é tão pouco reativo e porque é que a indústria usa temperaturas e pressões elevadas nesta síntese.
Em resumo
-
A energia de ligação é a energia necessária para quebrar 1 mol de ligações em fase gasosa; é libertada na formação da mesma ligação.
-
$\Delta H = \sum E_\text{lig}(\text{quebradas}) - \sum E_\text{lig}(\text{formadas})$, com os reagentes primeiro.
-
Conta as ligações com a estrutura de Lewis e multiplica pelos coeficientes da equação.
-
$\Delta H < 0$: exotérmica (liberta-se mais do que se gasta); $\Delta H > 0$: endotérmica.
-
Para obter $\Delta H$ por mole de uma substância, divide pelo coeficiente dela.
-
De volta ao início: no metano a quebra gasta 2 648 kJ e a formação liberta 3 450 kJ, e é esse saldo de 802 kJ que aquece a água no fogão.