Por que a energia é conservada em reações químicas?

Brian Wong Segue 10 de jul · 5 min ler

A conservação de energia é uma característica universalmente importante da matéria que impulsiona nossos carros, aquece nossas casas e alimenta nossas armas mais destrutivas. Este artigo aborda o que significa conservação de energia – e como ela funciona – no contexto de reações químicas.

A promessa de conservação de energia

Os átomos de oxigênio na atmosfera da Terra são quase sempre encontrados em pares fortemente ligados, e não sozinhos. Isso ocorre porque, quando dois átomos de oxigênio compartilham um par de elétrons, ambos podem alcançar o arranjo particularmente estável de oito elétrons externos.

Mas imagine que separamos dois átomos individuais de oxigênio e os colocamos lado a lado no vácuo, sem outras partículas próximas. A conservação da energia promete que, se permitirmos que esses átomos se unam e formem uma ligação, uma quantidade equivalente de energia será liberada nos arredores. É essa liberação correspondente de energia que pode ser aproveitada para trabalho útil, por exemplo, criando calor ou acionando um motor.

Isso parece um pouco suspeito. Que tipo de energia será liberada? Para onde vai? O que poderia absorver a energia desde que esses átomos estão sentados no espaço vazio? E por que a energia deve ir a algum lugar – por que os dois átomos não podem apenas se unir e ser felizes sem que o mundo seja mais sábio?

Átomos de estrelas cruzadas

Para resolver esse mistério, precisamos diminuir o tempo e observar a interação dos dois átomos de oxigênio. Colocados lado a lado, eles imediatamente começam a se mover juntos por causa da força elétrica atraente entre o núcleo positivo de um e os elétrons negativos do outro (as nuvens elétricas dinâmicas mudam favoravelmente para atração através de um dipolo "espontâneo").

Existe uma distância de separação idealmente estável entre os núcleos dos dois átomos, onde os átomos não sentem uma força atrativa nem repulsiva. A essa distância, eles se beneficiam do compartilhamento de elétrons para formar uma carapaça de valência completa, mas eles não estão tão presos juntos que os núcleos se repelem. Quando separados por mais do que esta distância, os átomos experimentam uma força atrativa, e abaixo dessa distância a repulsão internuclear domina e eles começam a se afastar um do outro.

À medida que os átomos se aproximam desse ponto ótimo, eles continuam acelerando em direção ao outro. Quando chegam a esse ponto de transição, estão na velocidade mais alta que atingiram até o momento. O que acontece depois?

Os dois átomos não podem repentinamente dissipar sua velocidade massiva ao perceber que atingiram a distância ideal de ligação. A noção de distância de ligação não tem sentido para os átomos – eles são apenas dois objetos que se movem um contra o outro de acordo com as leis de Newton – e isso significa que eles não vão parar até que uma força oposta os faça girar.

Nesse ponto de transição, a força resultante desloca-se para uma ligeira repulsão, porque os núcleos positivos estão muito próximos. Isso começa a retardar a aproximação dos átomos. À medida que a distância entre os núcleos se aproxima de zero, a força repulsiva continua aumentando em direção ao infinito, diminuindo cada vez mais os átomos. Eventualmente, a força repulsiva crescente desgasta toda a velocidade restante que os átomos têm, e eles chegam a um momento parado, muito próximos.

Naturalmente, os átomos não podem permanecer em repouso aqui. A forte força repulsiva que experimentam a essa distância os faz voar para longe novamente. A força resultante torna-se atraente novamente na distância ideal de ligação, mas eles também ultrapassam esse ponto por causa de sua energia cinética acumulada.

Eventualmente, os átomos perdem o vapor na mesma posição em que começaram, e todo o processo se repete.

Uma analogia

Uma analogia conveniente para este processo é uma bola pesada balançando em um pêndulo. Considere a posição da bola ao longo do eixo x à medida que ela se move para frente e para trás. A posição no ponto mais baixo do balanço corresponde à distância de ligação ideal em nossa história de oxigênio. Se o pêndulo pudesse simplesmente ser colocado em repouso nesta posição de energia mais baixa, ficaria feliz em ficar lá para sempre.

Mas, se deixarmos o peso de um ponto à direita, ele irá passar da parte inferior do arco e parar em um ponto à esquerda, simétrico, às suas posições iniciais, antes de começar a balançar de volta.

Podemos modelar esse comportamento matematicamente em termos de energia cinética com base na velocidade do peso e energia potencial com base em sua posição. Essas grandezas podem ser definidas de tal maneira que sua soma – a energia total desse sistema – seja conservada em todos os pontos do balanço como consequência direta das leis básicas de movimento de Newton.

Como a energia é conservada e inicialmente semeamos o sistema com uma quantidade positiva de energia, puxando a bola para a direita, o pêndulo no vácuo continuará oscilando para frente e para trás para sempre. Da mesma forma, os átomos de oxigênio no vácuo continuarão se refletindo indefinidamente.

Quando isso acaba?

Mas o mundo real não é um vácuo, e tendemos a encontrar pêndulos físicos em repouso com o peso no fundo do arco. Intuitivamente, atribuímos isso ao atrito, ou resistência do ar, mas o que isso realmente significa?

Quando o pêndulo oscila no ar, colide constantemente com minúsculas moléculas no ar. Em cada colisão, o pêndulo transmite parte de seu momento para as moléculas de ar, que então saltam a uma velocidade maior que a anterior, e o pêndulo é desacelerado levemente. Embora as moléculas de ar sejam microscópicas, a contribuição de todas essas colisões não é desprezível, e o pêndulo está perdendo energia continuamente para o ar circundante. Eventualmente, ele irá parar completamente.

O mesmo fenômeno permite que os átomos eventualmente se unam. Se nossos dois átomos de oxigênio não estão no vácuo, então é possível que eles transfiram energia suficiente para as moléculas adjacentes para que fiquem em uma distância de ligação confortável. Por exemplo, se um dos átomos de oxigênio estiver suspenso na superfície de uma partícula de poeira comparativamente pesada, a poeira pode absorver a energia cinética do átomo de oxigênio que chega e permitir que os dois átomos de oxigênio se liguem.

Este é o mecanismo que usamos para derivar o trabalho útil de reações químicas. Por exemplo, quando a madeira é queimada, o carbono na madeira se liga ao oxigênio no ar para formar as fortes ligações no dióxido de carbono. Esses átomos de carbono e oxigênio são capazes de zapear juntos e grudar apenas porque penhoram todo o excesso de energia formado por sua atração nos átomos ao redor, aquecendo o ar.

Resolvendo o Mistério

Começamos com uma afirmação declarada em livros de química em toda parte: quando uma ligação química se forma, uma quantidade equivalente de energia é liberada no meio ambiente. Esse fraseado gerou a pergunta: por quê? Por que uma quantidade correspondente de energia deve ser liberada?

Nossa nova perspectiva torna a conservação de energia neste contexto mais óbvia do que mística. Não é que sempre que uma ligação se forma, a energia é magicamente liberada. Em vez disso: o vínculo nunca pode se formar a menos que a energia possa ser despejada em algum lugar; de outra forma, a força atrativa entre os átomos os aceleraria além do ponto de ligação e eles iriam continuar saltando um do outro para sempre.