Energia e Reações Químicas

Energia e reações químicas

Há uma lei fundamental do Universo, a lei da conservação de energia, que diz que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. Isto quer dizer que, quando nos divertimos andando de montanha russa, transformamos a energia potencial adquirida pelo carrinho ao ser colocado no ponto mais alto do brinquedo, em energia cinética (Figura 2). Essa, por sua vez, é responsável pelo ganho de velocidade que descarrega tanta adrenalina e emoção ao longo das curvas e descidas da montanha russa. 

 Quando utilizamos um aparelho elétrico, como a torradeira, a televisão, ou mesmo o computador, estamos transformando a energia potencial acumulada na queda d'água de uma usina hidrelétrica em energia elétrica, que é transportada até nós através de fios e condutores. Do mesmo modo, quando utilizamos a torradeira para fazer uma torrada, estamos transformando a energia elétrica da tomada em calor, que esquenta o pão até o ponto desejado para obter uma torrada crocante. Esses exemplos mostram como diferentes tipos de energia, potencial, cinética, elétrica, calorífica, dentre outras, podem ser transformadas. 

Figura 2- Montanha russa, transformando energia potencial em cinética. 

Do mesmo modo, quando utilizamos um aparelho de MP3, estamos transformando a energia química contida na pilha em energia elétrica, que faz funcionar os circuitos e os demais componentes eletrônicos do sistema. Um veículo movido a gasolina, álcool ou diesel transforma a energia química, contida nas moléculas desses combustíveis, em calor e energia mecânica, responsáveis pela movimentação do automóvel. Portanto, a geração de energia a partir de compostos químicos é de extrema importância para a sociedade moderna. Sem os combustíveis não poderíamos nos locomover com eficiência e rapidez; sem as pilhas e baterias, muito das facilidades e conforto da vida moderna, como aparelhos de MP3 e telefone celular, não estariam disponíveis. 

 Mas como e por que a energia química é convertida em outras formas de energia? 

 Compostos químicos são formados por átomos que se ligam uns aos outros. É o que chamamos de ligação química. De modo bem simples, podemos entender uma reação química como a quebra das ligações entre os átomos dos reagentes e a formação de novas ligações químicas nos átomos que compõem os produtos. Por exemplo, o gás natural utilizado nas indústrias, residências e automóveis é composto basicamente de metano, uma molécula formada por um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio. No metano, o átomo de carbono realiza quatro ligações, uma com cada átomo de hidrogênio. Ao queimá-lo, ocorre uma reação chamada de combustão. Ou seja, o metano reage com a molécula de oxigênio (O2) do ar para produzir dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2) e vapor d'água (Figura 3). 

CH4 ( g )     +  2 O2 (g)      CO2 ( g )  +  2 H2O( l )   +  CALOR

Figura 3- Reação de combustão do gás natural.

Do ponto de vista químico, a combustão do metano envolve a quebra de várias ligações, como as do carbono e do hidrogênio e das ligações na molécula de oxigênio. Formam-se, em seguida, ligações entre o carbono e o oxigênio na molécula de CO2, e ligações entre hidrogênio e oxigênio, gerando a água. 

 Acontece que a energia contida numa ligação química depende, sobretudo, do tipo de átomos envolvidos. Ou seja, as ligações químicas entre os átomos possuem energias diferentes e, dessa forma, reagentes e produtos vão estar em patamares de energia distintos, sendo a diferença nesse caso transformada em calor, que usamos para cozinhar, aquecer um ambiente ou mesmo movimentar o automóvel, quando queimamos o gás natural.

 Sabemos que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Façamos um paralelo entre uma viagem de automóvel numa estrada montanhosa com o caminho de uma reação química, dos reagentes até os produtos.

A Figura 4 mostra que o carro parte de um ponto mais alto da estrada  (A) e chega até um ponto de menor altitude (B). Em tese, se estivéssemos em uma estrada reta, sem curvas, poderíamos deixar o carro descer livremente,  pois a energia potencial acumulada seria transformada em energia cinética, fazendo o carro chegar ao seu destino. Da mesma forma, numa reação química onde a energia dos reagentes é maior (ponto A) que a energia dos produtos (ponto B), a diferença pode aparecer na forma de calor. É o que chamamos de reação exotérmica. 

 Ao contrário, se tivéssemos uma situação como a mostrada na Figura 5, onde o ponto de partida (C) está mais baixo que o ponto de chegada (D) do carro, precisaríamos acelerar bastante o veículo para transformar energia cinética, que dá velocidade ao carro, em energia potencial, de forma a vencer a diferença em altitude. O mesmo se aplicaria a uma reação química. Se os reagentes possuem energia menor (C) que os produtos (D), precisaríamos fornecer calor para vencer essa diferença. É o que chamamos de reação endotérmica. É importante entender que a energia química a que estamos nos referindo nesses exemplos está associada, fundamentalmente, à energia das ligações químicas que estão sendo quebradas e formadas. O estudo do fluxo de calor que podemos ter numa reação química é chamado de termodinâmica e é importante para entender porque elas ocorrem. 

 

Figura 4- Representação de uma reação exotérmica (energia potencial transformada em energia cinética ou liberação de calor).

Figura 5- Representação de uma reação endotérmica (energia cinética transformada em energia potencial, ou fornecimento de calor).

 O fato de saber que uma reação é exotérmica (libera calor) não nos diz nada sobre a facilidade ou rapidez com que ela ocorre. Por exemplo, a gasolina só queima no interior do motor porque existe um dispositivo eletrônico chamado vela, que solta uma fagulha elétrica no interior do cilindro fazendo com que a combustão aconteça. A gasolina não queima em contato direto com o ar na temperatura ambiente ou na ausência de uma fagulha ou faísca elétrica. Isto porque o caminho de uma reação entre reagentes e produtos pode ser muito mais complexo. 

 A Figura 6 mostra uma situação em que o carro precisa ir de um ponto mais alto (E) até um ponto mais baixo (G). Se tomarmos somente os pontos de partida e chegada poderíamos imaginar que a perda de energia potencial seria compensada pelo ganho em energia cinética e não seria necessário nenhum gasto de energia adicional. Entretanto, entre a partida e a chegada há o ponto (F), que se situa numa altura maior que a do ponto de partida (E). Consequentemente, não seria possível ultrapassar esse ponto a partir do ponto (E) sem que alguma energia adicional fosse transferida para o veículo. Ou seja, para que possamos chegar de (E) até (G), temos que vencer a barreira imposta pelo ponto F gastando alguma energia. 

Figura 6- Representação da energia de ativação (F) necessária para que uma reação química ocorra.

Se fizermos o mesmo paralelo para uma reação química vemos  que, apesar da energia dos reagentes (E) ser maior que a dos produtos (G), a reação só ocorrerá se conseguirmos ultrapassar o ponto (F), cuja energia é maior que a dos reagentes e produtos. Em termos químicos, a barreira de energia que precisa ser vencida pelos reagentes no caminho até os produtos se chama energia de ativação, e está relacionada com a facilidade ou a velocidade que uma reação ocorre. Em outras palavras, a quebra de ligações químicas dos reagentes requer, muitas vezes, a introdução de uma quantidade extra de energia, como uma faísca elétrica no caso da queima da gasolina, de forma a iniciar a quebra das ligações químicas entre os átomos, levando aos produtos. Vale ressaltar que essa energia adicional é devolvida ao sistema, e o calor final liberado é função apenas das energias de reagentes e produtos. 

Fonte: Coleção química no cotidiano – Química e Energia