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10.º ano A · Física e Química A
Termoquímica: a energia nas transformações químicas · Energia de ligação

Quebra e formação de ligações químicas

Quando acendes o esquentador lá de casa, o gás queima e a água do duche aquece. De onde vem essa energia? Não aparece do nada: vem das ligações químicas das moléculas que reagem. Neste apartado vais ver porque é que partir ligações custa energia, porque é que formá-las liberta energia, e como o saldo entre as duas decide se uma reação aquece ou arrefece a vizinhança.

Porque é que as ligações têm energia

Dois átomos de hidrogénio, longe um do outro, quase não interagem. Quando se aproximam, os eletrões de cada um passam a ser atraídos pelo núcleo do outro. Se a distância for a certa, a atração vence as repulsões e o sistema fica com menos energia do que tinha com os átomos separados. Formou-se uma ligação.

Energia potencial de dois átomos de hidrogénio em função da distância internuclear, com um mínimo na distância de equilíbrio. Ep distância internuclear distância de equilíbrio átomos separados: E ≈ 0 energia mínima: H₂ estável

Repara no gráfico:

  • À direita, os átomos estão muito afastados e a energia é praticamente nula (referência).

  • Na distância de equilíbrio a energia é mínima: é aí que a molécula é mais estável.

  • Se os átomos se aproximarem ainda mais, as repulsões entre os núcleos e entre os eletrões fazem a energia subir muito.

Um sistema de átomos ligados tem menos energia (é mais estável) do que os mesmos átomos livres. Por isso:

  • para quebrar uma ligação é preciso fornecer energia: processo endotérmico;

  • ao formar uma ligação, a energia é libertada para a vizinhança: processo exotérmico.

Pratica★☆☆Por começar
O professor escreveu no quadro: «A quebra de ligações químicas é um processo endotérmico; a formação de ligações químicas é um processo exotérmico.» a) Classifica, como…

O professor escreveu no quadro: «A quebra de ligações químicas é um processo endotérmico; a formação de ligações químicas é um processo exotérmico.»

  1. a) Classifica, como endotérmico ou exotérmico, o processo $\text{H}_2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{H}\ \text{(g)}$, que corresponde à rutura da ligação H–H.
  2. b) Classifica o processo $2\ \text{Cl}\ \text{(g)} \rightarrow \text{Cl}_2\ \text{(g)}$.
  3. c) Justifica as classificações anteriores, explicando, em cada caso, se é preciso fornecer energia ou se a energia é libertada, tendo em conta a estabilidade dos átomos ligados face aos átomos livres.
Resolver

O que acontece numa reação química

Uma reação química é um rearranjo de átomos. Nos reagentes, algumas ligações quebram-se; com os átomos libertados, formam-se novas ligações nos produtos. Tudo acontece em dois "momentos" que podemos imaginar separadamente:

  1. Quebra das ligações dos reagentes: absorve energia.

  2. Formação das ligações dos produtos: liberta energia.

Esquema da reação H₂ + Cl₂ → 2 HCl: quebra das ligações dos reagentes, átomos livres e formação das ligações dos produtos. Reagentes Átomos livres Produtos H₂ + Cl₂ 2 H + 2 Cl 2 HCl quebra absorve energia formação liberta energia

O balanço energético e o sinal de ΔH

O que acontece à energia no total depende de qual das duas parcelas é maior.

Situação Energia absorvida (quebra) / kJ mol⁻¹ Energia libertada (formação) / kJ mol⁻¹ Reação $\Delta H$ / kJ mol⁻¹
Libertada > absorvida menor maior exotérmica $\Delta H < 0$
Absorvida > libertada maior menor endotérmica $\Delta H > 0$

A variação de entalpia, $\Delta H$, mede precisamente esse saldo (a pressão constante, é o calor trocado com a vizinhança). Se o sistema liberta mais energia do que absorve, a sua entalpia diminui: $\Delta H$ é negativo. Se absorve mais do que liberta, a entalpia aumenta e $\Delta H$ é positivo.

Balanço energético: a energia absorvida na quebra de ligações sobe e a energia libertada na formação desce; o saldo é ΔH. energia reagentes átomos livres produtos + energia − energia ΔH < 0

Em termos das energias de ligação, $E_{\text{lig}}$ (em $\text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, fase gasosa):

$$\Delta H = \sum E_{\text{lig}}\ (\text{ligações quebradas}) - \sum E_{\text{lig}}\ (\text{ligações formadas})$$

Cuidado com o sinal: a energia das ligações quebradas entra com sinal positivo e a das formadas com sinal negativo.

Pratica★★☆Por começar
A reação entre o hidrogénio e o cloro, $\text{H}2\ \text{(g)} + \text{Cl}2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{HCl}\ \text{(g)}$, é exotérmica. Analisando-a à escala das…

A reação entre o hidrogénio e o cloro, $\text{H}_2\ \text{(g)} + \text{Cl}_2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{HCl}\ \text{(g)}$, é exotérmica. Analisando-a à escala das ligações químicas:

  1. a) Indica quais as ligações que se quebram nos reagentes e quais as que se formam nos produtos.
  2. b) Explica, comparando a energia absorvida na quebra das ligações com a energia libertada na formação das novas ligações, por que razão o balanço global da reação é exotérmico.
  3. c) Relaciona o sinal de $\Delta H$ da reação com esse balanço de energias.
Resolver

Em resumo

De volta ao início: a energia que aquece a água do esquentador vem do saldo entre as ligações que se quebram e as que se formam, e é maior a que se liberta do que a que se gasta.

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