2 3 transformacoes quimicas

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2.3. TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS

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REAÇÃO QUÍMICA Reação química é uma transformação química da qual resulta a formação de novas substâncias. As reações químicas podem ser representadas por equações químicas.

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De acordo com a Lei de Lavoisier ou Lei da Conservação da Massa, verifica-se que numa reação química o número de átomos de cada elemento químico é igual nos reagentes e nos produtos da reação. Os átomos rearramjam-se, com quebra e formação de novas ligações.

Representação da combustão do hidrogénio.

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• Durante uma reação química existe rutura de ligações químicas nos reagentes e formação de novas ligações químicas nos produtos.

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Esboço do diagrama de energia associado à rutura de ligações nos reagentes.

 A rutura das ligações químicas nos reagentes envolve absorção de energia − processo endoenergético. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Esboço de diagrama de energia associado à formação de ligações nos produtos.

 A formação das ligações químicas dos produtos provoca libertação de energia − processo exoenergético. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Energia interna de um sistema químico Em química, considera-se um sistema a parte do Universo que se pretende estudar. A restante parte do Universo que não está em estudo designa-se por meio exterior. O sistema e o meio exterior estão separados pela fronteira.

Meio exterior Sistema Fronteira

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Os sistemas podem classificar-se em: sistemas abertos: há troca de matéria e de energia com o meio exterior;

sistemas fechados: não há troca de matéria com o meio exterior, apenas troca de energia;

sistemas isolados: não há troca nem de matéria nem de energia com o meio exterior.

Vapor de água

Calor

Calor

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Exemplo de uma reação química em sistema aberto:

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Os sistemas químicos são formados por enormes quantidades de unidades estruturais que possuem energia. Esta energia constitui a energia interna do sistema para a qual contribuem dois componentes:

Energia do sistema = energia cinética + energia potencial

Resulta do movimento das partículas do sistema.

Resulta da interação entre as partículas, nomeadamente das forças intermoleculares (entre moléculas ou átomos) e intramoleculares (entre átomos).

A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o sistema. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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A energia de um sistema isolado é constante – 1ª Lei da Termodinâmica

Nos sistemas isolados: • Numa reação exotérmica há aumento de temperatura o que corresponde a um aumento da energia cinética; logo tem de haver uma diminuição da energia potencial. • Numa reação endotérmica há diminuição de temperatura o que

corresponde a uma diminuição da energia cinética; logo tem de haver um aumento da energia potencial.

Reacção exotérmica: T  Ec  Ep  Reacção endotérmica : T  Ec  Ep  Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Para sistemas isolados

Reação

Reação

exotérmica

endotérmica

A temperatura do sistema aumenta.

A temperatura do sistema diminui.

A energia cinética interna aumenta; a energia potencial associada às ligações diminui.

A energia cinética interna diminui; a energia potencial associada às ligações aumenta.

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Para sistemas não isolados

T2 > T1

T1

T1

Reação exotérmica

Início da reação

A temperatura do sistema aumenta

Libertação de energia

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Para que a temperatura fique igual à inicial, há saída de calor para o meio exterior.

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Para sistemas não isolados

T2 < T1

T1

T1

Reação endotérmica

Início da reação

A temperatura do sistema diminui

Absorção de energia

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Para que a temperatura fique igual à inicial, há entrada de calor do meio exterior.

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Para sistemas não isolados

Reação

Reação

exotérmica

endotérmica

Há transferência de energia do sistema para a vizinhança.

A energia libertada na formação das ligações dos produtos é superior à energia absorvida na quebra de ligações dos reagentes.

Há transferência de energia da vizinhança para o sistema.

A energia libertada na formação das ligações dos produtos é inferior à energia absorvida na quebra de ligações dos reagentes.

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VARIAÇÃO DE ENTALPIA

A variação de entalpia, ΔH, é uma grandeza que mede a energia transferida entre o sistema e a vizinhança quando a reação química ocorre a pressão constante e pode ser negativa ou positiva.  Se a reação for exotérmica, ΔH será negativa, ΔH < 0.  se a reação for endotérmica, ΔH será positiva, ΔH > 0.

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Energia envolvida na rutura e formação de ligações químicas • Transformações endoenergéticas acontecem com um aumento de entalpia (∆H > 0)

Quebra da ligação

Energia absorvida

Processo endoenergético

∆H > 0

• Transformações exoenergéticas ocorrem com uma diminuição de entalpia (∆H < 0)

Formação da ligação

Energia libertada

Processo exoenergético

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∆H < 0

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E Reagentes H < 0

Calor

Produtos da reação

Numa reação exotérmica, o sistema cede calor ao meio exterior.

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E Produtos da reação H > 0 Calor Reagentes

Numa reação endotérmica, o sistema recebe calor do meio exterior.

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ESTIMATIVA DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA DE UMA REAÇÃO Através das energias de ligação é possível fazer um balanço energético entre as energias envolvidas na rutura e na formação de ligações químicas. TABELA I – ENERGIAS (ENTALPIAS) DE LIGAÇÃO EM KJ MOL-1

Ligação

C≡O

N≡N

C≡N

C≡C

C=O

C=N

C=C

S=O

Energia de ligação

1072

945

891

837

799

615

611

523

Ligação

O=O

O–H

C–F

H–H

H – Cℓ

C–H

N–H

C–O

Energia de ligação

498

463

439

436

431

414

391

351

Ligação

C–C

C – Cℓ

C–N

C ℓ– Cℓ

N–O

N–N

F–F

O–O

Energia de ligação

348

328

293

242

201

163

159

146

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Exemplo:

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A variação de entalpia de uma reação química resulta do balanço energético entre a energia envolvida na rutura e na formação das ligações químicas.

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A combustão do etano pode ser traduzida pela equação química:

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Ep

A variação de entalpia será dada por:

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Ep

A equação termoquímica para esta combustão será:

Nesta reação libertam-se 2798 kJ de energia por cada 2 moles de etano e 7 moles de oxigénio consumidas e por cada 4 moles de dióxido de carbono e 6 moles de água formadas.

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EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA Equação química que inclui a variação de entalpia da reação em causa.

• A variação de entalpia da reação é de – 571,6 kJ, o que significa

que há a libertação de 571,6 kJ de energia quando 2 moles de H2(g) reagem com 1 mole de O2(g) para formar 2 moles de H2O(ℓ). Como a equação química indica a combustão de 2 moles de H2(g) ou a formação de 2 moles de H2O(ℓ), a variação de entalpia pode também ser expressa por:

• ΔH = – 285,8 kJ mol–1.

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Por exemplo, na combustão do carbono: −1 C(s) + O2 g → CO2 g ; ∆H=−395,5 kJ mol O valor negativo da variação de entalpia significa que a

reação é exotérmica: libertam-se 393,5 kJ por cada mole de carbono que reage.

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Reaçþes inversas Reação de decomposição da ĂĄgua (eletrĂłlise): 2 2HH → 2 H2 g + O2 (g); ∆đ??ť = 571,6 kJ 2 OO(l) 2 (l) → 2 H2 g + O2 (g); ∆đ??ť = 571,6 kJ H2 O (l) → H2 g + 1/2 O2 (g); ∆đ??ť = 285,8 kJ mol-1 Reação de sĂ­ntese da ĂĄgua: 2 H2 g + O2 g → 2 H2 O (l); ∆đ??ť = −571,6 kJ ďƒ˜ Se uma reação for endotĂŠrmica, a sua inversa serĂĄ exotĂŠrmica. ďƒ˜ As variaçþes de entalpia da reação direta e inversa sĂŁo simĂŠtricas.

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Energia envolvida numa reação química

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Reações fotoquímicas As reações fotoquímicas são transformações químicas que acontecem por absorção de energia sob a forma de luz (ultravioleta, visível, infravermelho). Exemplos: • as reações de fotossíntese que ocorrem nos seres vivos com clorofila; • a interação entre a luz, a película e o papel fotográfico levando à obtenção da fotografia; • o bronzeamento da pele do ser humano quando exposta à luz do Sol.

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Fotodissociação A fotodissociação consiste na quebra das ligações químicas provocada pela radiação incidente.

A fotodissociação é um processo endoenergético (há absorção de energia). Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Para que o fenómeno de fotodissociação aconteça é necessário que a energia dos fotões seja suficiente para quebrar as ligações químicas.

O valor mínimo dessa energia designa-se por energia de dissociação.

Nas reações químicas de fotodissociação formam-se radicais livres.

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Radicais livres são espécies muito reativas por possuírem eletrões desemparelhados. Representa-se simbolicamente por X•. As espécies poliatómicas são radicais se tiverem um número ímpar de eletrões.

Por terem eletrões desemparelhados, os radicais são, de um modo geral, espécies químicas muito reativas. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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As moléculas com energia de ligação maior são mais estáveis e é

necessária radiação de maior energia para dissociar as suas ligações.

Maior energia de ligação

Mais difícil quebrar a ligação

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Maior estabilidade

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Fotoionização A fotoionização consiste na ionização de moléculas e átomos

provocada pela radiação incidente.

Este fenómeno ocorre quando a molécula (ou átomo) absorve um

fotão com energia suficiente para remover um dos seus eletrões mais externos. O valor mínimo de energia incidente para que este fenómeno surja corresponde ao valor da primeira energia de ionização. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Não ocorre fotoionização nem fotodissociação.

Ocorre fotoionização ou fotodissociação, sendo a energia excedente transformada em energia cinética, provocando um aumento da temperatura. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Os dois principais constituintes da atmosfera são o azoto (N2) e o oxigénio (O2). Sujeitas à radiação, estas moléculas podem sofrer fenómenos de:

Fotodissociação: N2 g → N g + N g ; ∆H = 945 kJ/mol O2 g → O g + O g ; ∆H = 498 kJ/mol

Fotoionização:

+

N → N + e− ; ∆H = 1385 kJ/mol +

N2 → N2 + e− ; ∆H = 1513 kJ/mol +

O → O + e− ; ∆H = 1313 kJ/mol +

O2 → O2 + e− ; ∆H = 1205 kJ/mol A energia requerida para a ionização é consideravelmente superior à que é necessária para a dissociação. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Reações fotoquímicas na atmosfera As radiações ultravioleta provenientes do Sol têm uma vasta gama de frequências - UVA (as menos energéticas), UVB (intermédias) e UVC (as mais energéticas).

Recordando: Quanto maior for o comprimento de onda da radiação, menor será a sua frequência e, menor será a sua energia. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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A maior parte das radiações ultravioletas não atinge a troposfera (camada mais próxima da superfície).

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As radiações mais energéticas são absorvidas em reações de fotoionozação e de fotodissociação. A atmosfera terrestre funciona como um filtro de radiação solar. Reações de fotoionização - Ocorre na termosfera e em parte na mesosfera, por ação das radiações UV mais energéticas (formam-se iões N2+ , O2+ , O+).

Reações de fotodissociação - Ocorre na estratosfera , e também na troposfera, por ação da radiação UV (formam-se radicais livres HO•, O•, Cℓ•, Br•). Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Ozono atmosférico

O ozono está misturado com os outros formando

gases uma

atmosféricos, camada

de

importância vital para o nosso planeta, pois atua como filtro de radiação. Esta camada concentra-se em torno dos 30 km acima do nível do mar. Estratosfera (30 km de altitude) localização da camada de ozono.

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Formação do ozono

O2 →O• + O•

O• + O2→ O3

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Decomposição do ozono

O3 → O• + O2

O• + O3 → 2 O2

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Reação global de formação e decomposição do ozono

Existe um equilíbrio dinâmico na formação e na decomposição naturais de ozono na estratosfera, equilíbrio esse que durante muito tempo manteve constante a concentração de ozono na estratosfera.

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Raios UV

Moléculas de oxigénio

1

o

o

Átomos de oxigénio

4

o

o Raios UV

o 2

o 3

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Moléculas de ozono

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Degradação da camada de ozono

Quando a velocidade de decomposição de ozono se tornou maior do que a velocidade da sua formação, quebrou-se o referido equilíbrio.

Medições feitas ao longo do tempo vieram confirmar que a concentração de ozono na estratosfera

estava

a

diminuir.

Esta

diminuição é mais acentuada sobre a Antártida. A esta zona da estratosfera, onde o ozono se rarefez, costuma chamar-se

«buraco do ozono». Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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Exemplos de substâncias indesejáveis que contribuem para a degradação da camada de ozono: óxidos de nitrogénio e radicais de cloro, Cl• que provêm, fundamentalmente, dos CFC, derivados halogenados de metano e de etano. Cℓ• + O3 → CℓO + O2 CℓO + O• → Cℓ• + O2 Reação global: O3 + O• → 2 O2

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Cℓ• + O3 → CℓO + O2 CℓO + O• → Cℓ• + O2 Reação global: O3 + O• → 2 O2

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Buraco do ozono O buraco do ozono tem vindo a diminuir, graças ao empenho da comunidade internacional na redução das emissões de CFC.

Através do gráfico é possivel prever que a recuperação total da camada de ozono só ocorrerá dentro de algumas décadas. Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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1) : radiação UV de menor energia e próximas do visível ; fonte do bronzeado ; não absorvidas pela camada de ozono; atingem a troposfera; contribuem para o envelhecimento da pele (penetram em profundidade na pele) . 2) : radiação UV de energia intermédia ; fonte de queimaduras solares e cancro de pele ; quase totalmente absorvidas pela camada de ozono chegando algumas à troposfera (pequena %) . : radiação UV de maior energia ; é absorvida na termosfera ; nunca atingem a Terra . Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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