Resumos · Física e Química APT · Secundário

Transformações químicas

Estuda-se a energia envolvida nas transformações químicas (reações endotérmicas e exotérmicas), a relação entre a energia de ligação e o balanço energético de uma reação, as reações fotoquímicas na atmosfera (formação e destruição do ozono, ação dos CFC) e as reações de combustão. Matéria do 10.º ano, avaliada no Exame Nacional (prova 715).

4 secções~9 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·0666 / 17

Perfil de exame

Classificar reações quanto à energia envolvida (endotérmicas e exotérmicas)Relacionar energias de ligação com o balanço energético de uma reaçãoInterpretar reações fotoquímicas na atmosfera e reações de combustão

Operadores:classificarelacionacalculainterpretaexplicarepresenta

nível básico

Distinguir reações endotérmicas de exotérmicas e reconhecer reações de combustão e fotoquímicas.

nível avançado

Estimar a energia de uma reação a partir das energias de ligação e interpretar os equilíbrios fotoquímicos atmosféricos.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Transformações químicas

Energia nas transformações químicas#

PadrãoAE-fisica-e-quimica-a-10-transformacoes-quimicas

Toda a transformação química envolve trocas de energia com o exterior, porque quebrar ligações consome energia e formar ligações liberta energia. Se o balanço final liberta energia (em regra sob a forma de calor), a reação é exotérmica; se o balanço absorve energia, a reação é endotérmica. Esta classificação energética é tão importante como a classificação química da reação.

Numa reação exotérmica, os produtos têm menos energia do que os reagentes: a energia «em excesso» é libertada para a vizinhança (que aquece). É o caso das combustões e da maioria das reações de síntese. A Fig. 1 mostra o perfil energético de uma reação exotérmica, com os produtos abaixo dos reagentes.

Perfil energético de uma reação exotérmica

Fig. 1Fig. 1 — Reação exotérmica: os produtos têm menos energia do que os reagentes (liberta-se energia).

Numa reação endotérmica, os produtos têm mais energia do que os reagentes: é preciso fornecer energia à reação (a vizinhança arrefece). A fotossíntese e muitas decomposições são endotérmicas. A Fig. 2 mostra o perfil correspondente, com os produtos acima dos reagentes.

Perfil energético de uma reação endotérmica

Fig. 2Fig. 2 — Reação endotérmica: os produtos têm mais energia do que os reagentes (absorve-se energia).

Em ambos os casos existe uma barreira de energia — a energia de ativação «Eₐ» — que é preciso ultrapassar para a reação ocorrer, correspondente à energia mínima necessária para começar a quebrar ligações. A diferença de energia entre produtos e reagentes é a variação de energia da reação, que determina se é exo ou endotérmica.

Exemplo resolvido

Classificar uma reação pelo perfil energético

Numa reação, os reagentes estão a 40 kJ, o estado de transição a 110 kJ e os produtos a 90 kJ. Classifica-a e indica a energia de ativação e a variação de energia.

Energia de ativação
Eₐ = energia do estado de transição − energia dos reagentes = 110 − 40 = 70 kJ.
Variação de energia
ΔE = produtos − reagentes = 90 − 40 = +50 kJ (positiva).
Classificar
Produtos com mais energia do que reagentes (ΔE > 0) ⇒ reação endotérmica.

Resultado: Reação endotérmica, com Eₐ = 70 kJ e ΔE = +50 kJ.

Erros frequentes

Confundir energia de ativação (barreira) com variação de energia da reação (diferença produtos − reagentes).
Pensar que numa reação exotérmica a vizinhança arrefece (aquece, porque recebe energia).

Revisão ativa

Num perfil energético, os reagentes estão a 60 kJ, o estado de transição a 100 kJ e os produtos a 25 kJ. Classifica a reação e indica a energia de ativação.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Energia de ligação e balanço energético#

AprofundamentoAE-fisica-e-quimica-a-10-transformacoes-quimicas

A variação de energia de uma reação pode estimar-se a partir das energias de ligação: é preciso fornecer energia para quebrar as ligações dos reagentes e liberta-se energia ao formar as ligações dos produtos. O balanço é «ΔH ≈ Σ E(ligações quebradas) − Σ E(ligações formadas)» — energia gasta menos energia libertada (ver Fig. 3 para valores típicos).

Energias de ligação de referência

Fig. 3Fig. 3 — Energias de ligação médias (kJ/mol); ligações mais fortes têm maior energia.

Se a energia libertada na formação das ligações dos produtos for maior do que a gasta a quebrar as dos reagentes, o balanço é negativo e a reação é exotérmica. Se for menor, o balanço é positivo e a reação é endotérmica. É esta contabilidade de ligações que explica, ao nível microscópico, a energia trocada.

As energias de ligação são valores médios tabelados (em kJ/mol), tanto maiores quanto mais forte é a ligação. A Fig. 3 apresenta valores de referência; note-se que ligações múltiplas (como «C=O», «O=O») têm energias superiores às simples entre os mesmos átomos.

Este método fornece uma estimativa (as energias de ligação são médias), mas é suficiente para prever se uma reação liberta ou absorve energia e para comparar reações. É uma aplicação direta do conceito de energia de ligação estudado na ligação química.

\Delta H \approx \sum E_{\text{quebradas}} - \sum E_{\text{formadas}}

Balanço energético por energias de ligação

Energia gasta a quebrar as ligações dos reagentes menos energia libertada a formar as dos produtos.

Exemplo resolvido

Estimar a energia de uma reação

Estima a variação de energia da reação H₂(g) + Cl₂(g) → 2 HCl(g), com E(H−H) = 436, E(Cl−Cl) = 243 e E(H−Cl) = 431 kJ/mol.

Ligações quebradas
1 × H−H + 1 × Cl−Cl = 436 + 243 = 679 kJ (energia fornecida).
Ligações formadas
2 × H−Cl = 2 × 431 = 862 kJ (energia libertada).
Balanço
ΔH ≈ 679 − 862 = −183 kJ/mol.

Resultado: ΔH ≈ −183 kJ/mol: o balanço é negativo, logo a reação é exotérmica.

Erros frequentes

Trocar o sinal: a energia gasta a quebrar entra positiva e a libertada a formar entra negativa (quebradas − formadas).
Esquecer os coeficientes estequiométricos ao contar o número de ligações de cada tipo.

Revisão ativa

Estima a variação de energia da reação H₂ + Cl₂ → 2 HCl usando: E(H−H) = 436, E(Cl−Cl) = 243 e E(H−Cl) = 431 kJ/mol.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Reações fotoquímicas na atmosfera#

PadrãoAE-fisica-e-quimica-a-10-transformacoes-quimicas

Reações fotoquímicas são reações desencadeadas pela absorção de radiação (em geral ultravioleta). Na atmosfera, a energia dos fotões UV é suficiente para quebrar ligações químicas — uma reação de fotodissociação —, o que só acontece porque a energia do fotão é igual ou superior à energia de ligação da molécula.

Na estratosfera existe um equilíbrio dinâmico que forma e destrói ozono (a «camada de ozono»), o ciclo de Chapman: a radiação UV dissocia «O₂» em átomos de oxigénio; estes combinam-se com «O₂» formando «O₃»; e o «O₃» absorve UV, voltando a dar «O₂» e «O» (ver Fig. 4). Neste processo, o ozono absorve a radiação UV mais nociva, protegendo a vida à superfície.

Ciclo do ozono na estratosfera

Fig. 4Fig. 4 — Ciclo de Chapman: formação e destruição do ozono pela radiação UV na estratosfera.

Certos poluentes destroem este equilíbrio. Os clorofluorocarbonetos (CFC), muito estáveis, sobem até à estratosfera onde a radiação UV liberta átomos de cloro; estes catalisam a destruição do ozono (um só átomo de cloro destrói muitas moléculas de «O₃»), sem serem consumidos. Daí o «buraco» na camada de ozono e a proibição dos CFC.

Estas reações ilustram a ligação entre a energia da radiação e a química: só fotões suficientemente energéticos (UV) provocam a dissociação. A Fig. 4 representa, de forma cíclica, a formação e a destruição do ozono na estratosfera.

Exemplo resolvido

Fotodissociação e energia do fotão

A energia de ligação O=O é ≈ 498 kJ/mol. Explica por que a radiação UV (mais energética) dissocia o O₂, mas a luz visível (menos energética) não.

Condição de dissociação
Só há dissociação se a energia do fotão for igual ou superior à energia de ligação da molécula.
Comparar energias
Os fotões UV têm maior frequência (E = h f) e, portanto, maior energia do que os da luz visível.
Concluir
A energia dos fotões UV atinge a energia de ligação O=O; a da luz visível não, pelo que não dissocia o O₂.

Resultado: A dissociação exige fotões com energia ≥ energia de ligação; só os UV, mais energéticos, a conseguem.

Erros frequentes

Confundir o ozono estratosférico (protetor) com o ozono troposférico (poluente).
Pensar que os átomos de cloro dos CFC se consomem (são catalisadores: destroem ozono sem se gastar).

Revisão ativa

Explica por que só a radiação ultravioleta, e não a luz visível, consegue dissociar a molécula de O₂ na atmosfera.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Combustão e representação de transformações químicas#

BaseAE-fisica-e-quimica-a-10-transformacoes-quimicas

Uma reação química representa-se por uma equação química, com os reagentes à esquerda e os produtos à direita, indicando os estados físicos (s, l, g, aq). A equação deve estar acertada — o número de átomos de cada elemento igual nos dois membros —, o que traduz a conservação da massa (lei de Lavoisier): na reação, os átomos rearranjam-se mas não se criam nem destroem (ver Fig. 5).

Exemplos de equações químicas acertadas

Fig. 5Fig. 5 — Equações acertadas: os átomos conservam-se (lei de Lavoisier).

As reações de combustão são reações exotérmicas de uma substância (o combustível) com o oxigénio (o comburente), com libertação de energia. A combustão completa de um hidrocarboneto dá dióxido de carbono e água: por exemplo, «CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O». Se o oxigénio for insuficiente, a combustão é incompleta e forma monóxido de carbono (tóxico) ou carbono.

Acertar uma equação faz-se ajustando os coeficientes estequiométricos (nunca os índices das fórmulas, que alterariam as substâncias). Começa-se pelos elementos que aparecem em menos substâncias e deixa-se o oxigénio e o hidrogénio para o fim; confirma-se contando os átomos de cada elemento nos dois membros.

As transformações químicas classificam-se ainda, quanto ao tipo, em síntese, decomposição, combustão, entre outras. A Fig. 5 apresenta exemplos de equações acertadas, ilustrando a conservação dos átomos que qualquer representação química deve respeitar.

Exemplo resolvido

Acertar a combustão do propano

Acerta a equação: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O.

Carbono
3 C no C₃H₈ ⇒ 3 CO₂.
Hidrogénio
8 H no C₃H₈ ⇒ 4 H₂O.
Oxigénio
Produtos: 3 × 2 (CO₂) + 4 × 1 (H₂O) = 10 O ⇒ 5 O₂.

Resultado: C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O.

Erros frequentes

Alterar os índices das fórmulas (em vez dos coeficientes) para acertar a equação.
Esquecer que a combustão incompleta produz CO ou C, e não apenas CO₂.

Revisão ativa

Acerta a equação da combustão completa do propano: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 10.º ano (DGE)

Transformações químicas

4 secções~9 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

Transformações químicas

Pontos-chave

Classificar uma reação pelo perfil energético

Pontos-chave

Estimar a energia de uma reação

Pontos-chave

Fotodissociação e energia do fotão

Pontos-chave

Acertar a combustão do propano

Fontes

Transformações químicas

Pontos-chave

Classificar uma reação pelo perfil energético

Pontos-chave

Estimar a energia de uma reação

Pontos-chave

Fotodissociação e energia do fotão

Pontos-chave

Acertar a combustão do propano

Fontes