2 3 transformacoes quimicas

2.3. TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS

1 Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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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3

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

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4

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.

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5

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.

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6

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.

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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 â&#x2020;&#x2019; 2 H2 g + O2 (g); â&#x2C6;&#x2020;đ??ť = 571,6 kJ 2 OO(l) 2 (l) â&#x2020;&#x2019; 2 H2 g + O2 (g); â&#x2C6;&#x2020;đ??ť = 571,6 kJ H2 O (l) â&#x2020;&#x2019; H2 g + 1/2 O2 (g); â&#x2C6;&#x2020;đ??ť = 285,8 kJ mol-1 Reação de sĂ­ntese da ĂĄgua: 2 H2 g + O2 g â&#x2020;&#x2019; 2 H2 O (l); â&#x2C6;&#x2020;đ??ť = â&#x2C6;&#x2019;571,6 kJ ď&#x192;&#x2DC; Se uma reação for endotĂŠrmica, a sua inversa serĂĄ exotĂŠrmica. ď&#x192;&#x2DC; As variaçþes de entalpia da reação direta e inversa sĂŁo simĂŠtricas.

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31

Energia envolvida numa reação química

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32

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.

33 Ano letivo 2016/2017 | Prof. Isabel Reis

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

A fotodissociação é um processo endoenergético (há absorção de energia).

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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.

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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.

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38

Não ocorre fotoionização nem fotodissociação.

Ocorre fotoionização ou fotodissociação, sendo a energia excedente transformada em energia cinética, provocando um aumento da temperatura.

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39

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.

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40

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.

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41

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

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42

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•).

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44

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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45

Formação do ozono

O2 →O• + O•

O• + O2→ O3

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46

Decomposição do ozono

O3 → O• + O2

O• + O3 → 2 O2

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47

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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48

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

49

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».

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50

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.

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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 .

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