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Termoquímica: a energia nas transformações químicas · Energia de ligação

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.

Esquema de uma reação: reagentes, átomos livres e produtos, com energia absorvida na quebra e libertada na formação das ligações. Reagentes Átomos livres Produtos Quebra: absorve Formação: liberta
Pratica★★☆Por começar
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
  1. a) Calcula a energia necessária para quebrar todas as ligações de 1 mol de H₂ e de 1 mol de Cl₂.
  2. b) Calcula a energia libertada na formação de 2 mol de HCl a partir dos átomos livres.
  3. c) Determina a variação de entalpia da reação e classifica-a como exotérmica ou endotérmica.
Resolver

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
Pratica★★☆Por começar
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
  1. a) Indica quantas ligações de cada tipo se quebram e quantas se formam por cada mol de metano queimado.
  2. b) Calcula a variação de entalpia da reação usando as energias de ligação.
  3. c) Compara o valor obtido com o valor tabelado para esta combustão, $-890\ \text{kJ/mol}$, e apresenta uma razão possível para a diferença.
Resolver

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.

Pratica★★★Por começar
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
  1. a) Calcula a variação de entalpia da reação tal como está escrita.
  2. b) Determina a variação de entalpia por mol de NH₃ produzido.
  3. 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.
Resolver

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.

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