Estrutura: como os átomos se organizam
Os átomos se unem compartilhando ou transferindo elétrons. Cada átomo de uma molécula mantém os pares de elétrons (ligações e pares livres) o mais longe possível uns dos outros, porque pares de elétrons se repelem. Essa ideia simples (chamada VSEPR) dá a forma da molécula.
Formas comuns
- Linear: CO2 (180 graus).
- Angular (dobrada): H2O (cerca de 104,5 graus), porque dois pares livres empurram as ligações para mais perto.
- Piramidal: NH3 (cerca de 107 graus), um par livre.
- Tetraédrica: CH4 (109,5 graus), quatro ligações, nenhum par livre.
Estruturas maiores seguem as mesmas ideias: o diamante é uma rede gigante de átomos de carbono, e um cristal de sal é uma grade repetida de íons.
Propriedades: o que a forma e a carga decidem
Alguns átomos puxam os elétrons compartilhados com mais força; essa força de puxar se chama eletronegatividade. Se as forças dentro de uma molécula não se anulam, uma ponta fica um pouco negativa e a outra um pouco positiva. A molécula é polar. Se as forças se anulam, como no CO2 reto ou no CH4 tetraédrico, a molécula é apolar.
O que isso muda
- Moléculas polares se atraem mais, por isso a água ferve a 100 °C enquanto o metano ferve perto de −162 °C.
- Semelhante dissolve semelhante: sal e açúcar se dissolvem na água; o óleo não.
- Redes gigantes (diamante, sílica) são muito duras e fundem em temperaturas muito altas; os metais conduzem eletricidade porque os elétrons se movem livremente.
Energia: energia de ativação, calor e catalisadores
Para começar uma reação, as ligações antigas precisam primeiro se afrouxar. Isso exige um empurrão mínimo chamado energia de ativação (Ea). Pense numa bola que precisa subir uma colina antes de poder descer rolando.
Calor da reação
Se os produtos têm menos energia que os reagentes, o calor é liberado (exotérmica, ΔH negativo). Se têm mais, o calor é absorvido (endotérmica, ΔH positivo). O ΔH não depende da altura da colina.
Catalisadores
Um catalisador dá à reação um caminho mais fácil, com uma colina mais baixa. A reação fica mais rápida, mas as energias inicial e final, e portanto o ΔH, não mudam. O catalisador não é consumido.
Equilíbrio: quando uma reação parece parar
Muitas reações são reversíveis: A ⇄ B. No início só acontece a reação direta. Conforme B se acumula, a reação inversa acelera. No equilíbrio as duas velocidades são iguais, então as quantidades de A e B ficam constantes. Nada parou; as duas reações continuam (é dinâmico).
Constante de equilíbrio
Para A ⇄ B, K = [B] / [A]. Um K grande significa que há quase só produtos; um K pequeno significa que há quase só reagentes. O K muda apenas com a temperatura.
A ideia de Le Chatelier
Se você perturba um sistema em equilíbrio (adiciona mais A, muda a pressão ou a temperatura), ele se desloca para reduzir a perturbação. Um catalisador não desloca o equilíbrio; só faz chegar lá mais rápido.
Experimente: veja a polaridade com um pente
Esfregue um pente de plástico em cabelo seco. Abra uma torneira para cair um fio fino de água. Aproxime o pente do fio: a água se curva em direção a ele, porque as moléculas de água são polares. Agora faça o mesmo com um fio fino de óleo de cozinha: ele quase não se move. No 3D, escolha a água e o dióxido de carbono, um de cada vez, e compare os números.
Fórmulas e definições principais
- Ângulos de ligação: CO2 180, NH3 cerca de 107, H2O cerca de 104,5, CH4 109,5 (graus)
- Exotérmica: produtos abaixo dos reagentes, dH < 0
- Endotérmica: produtos acima dos reagentes, dH > 0
- Para A <-> B: K = [B] / [A]
- No equilíbrio: velocidade direta = velocidade inversa
Exemplos resolvidos
1. Por que o dióxido de carbono é apolar, mesmo que cada ligação C=O seja polar?
O CO2 é reto. As duas forças das ligações são iguais e apontam em sentidos opostos, então se anulam. A molécula não tem ponta positiva nem negativa.
2. Uma mistura em equilíbrio tem [A] = 0.2 mol/L e [B] = 0.6 mol/L para A <-> B. Encontre K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. Os produtos são favorecidos.
3. Um catalisador reduz a energia de ativação de 80 kJ para 50 kJ. Os reagentes estão 20 kJ acima dos produtos. Qual é o dH e qual é a nova barreira direta?
dH = produtos menos reagentes = -20 kJ (exotérmica), e o catalisador não o altera. A nova barreira é 50 kJ.
Erros comuns
- Achar que o catalisador muda a quantidade de produto no equilíbrio. Ele só muda a rapidez com que o equilíbrio é alcançado.
- Dizer que a reação para no equilíbrio. As reações direta e inversa continuam, com velocidades iguais.
- Achar que ligações polares sempre formam uma molécula polar. A forma pode anular as forças (CO2).
- Confundir energia de ativação com dH. Uma é a altura da colina, a outra é a diferença entre o início e o fim.