CINÉTICA QUÍMICA

A possibilidade de controlar o tempo em que determinado fenômeno se desenvolve, tornando-o mais lento ou mais rápido, é um item presente em qualquer pesquisa científica, principalmente no que diz respeito às transformações químicas.

É fácil constatar que cada reação química, feita sob determinadas condições, ocorre em certa taxa de rapidez, gastando um tempo determinado para se completar. Em geral, podemos variar essa taxa de rapidez da reação modificando as condições a que ela está submetida.

Algumas reações são muitas rápidas e ocorrem quase instantaneamente, como, por exemplo, a combustão do TNT (trinitrototolueno) e a oxidação da hidrazina, N2H4, pelo peróxido de hidrogênio, H2O2 (reação utilizada na propulsão de foguetes). Outras reações, ao contrário, são muitas lentas, às vezes demoram séculos, como a formação do petróleo e a degradação natural de certos tipos de lixo, como os plásticos (120 anos) e os vidros (4 mil anos).

Estudar o mecanismo de reações desse tipo ou como a taxa (ou velocidade) de desenvolvimento da reação varia em função de cada reagente é uma tarefa bastante difícil. Há, porém, muitas reações que ocorrem com uma taxa de desenvolvimento moderada, como a decomposição térmica de sais, a combustão de vários compostos orgânicos, a transformação dos alimentos pela ação de bactérias. A respeito de reações desse tipo, podemos fazer uma série de perguntas:

Qual a taxa de desenvolvimento (velocidade) média de uma reação? Quais os fatores que influem na taxa de desenvolvimento da reação? Como alterar a taxa de desenvolvimento da reação para que se torne mais rápida ou

mais lenta? Como aumentar o rendimento de certo produto da reação? É possível determinar o caminho pelo qual os reagentes se transformam mais rápida

ou mais lenta? Responder a essas e a outras perguntas referentes ao fator tempo relacionado com as

reações químicas é justamente o objetivo da Cinética Química.

1.0 Velocidade média ou taxa de desenvolvimento da reaçãoMedir a velocidade de uma reação significa medir a quantidade de reagente que desaparece ou a quantidade de produto que se forma, por unidade de tempo. Por exemplo, seja a equação:

À proporção que a reação caminha, os reagentes N2 e H2 vão sumindo e o produto NH3 vai aparecendo. Se a reação for completa e em quantidades estequiométricas, a representação gráfica do andamento dessa reação será a que mostramos ao lado. Após certo tempo t, os reagentes N2 e H2 acabam e a reação pára. Teremos então a quantidade máxima possível de NH3.

Velocidade média de uma reação química é o quociente da variação da molaridade de um dos reagentes (ou produtos) da reação pelo intervalo de tempo em que essa variação ocorre.

Cinética química é o estudo da velocidade das reações químicas e dos fatores que influem nessa velocidade.

Velocidade média = variação da molaridade de um dos reagentes mol/LIntervalo de tempo

ou

Velocidade média = variação da molaridade de um dos produtos mol/LIntervalo de tempo

A formula acima pode ser abreviada para:

Vm=∆n∆ t

Vamos considerar, por exemplo a reação N2 + 3 H2 2 NH3 nos forneça os seguintes resultados sob determinadas condições experimentais:

Tempo de reação (min) Variação da molaridade do NH3 (mol/L)0 05 20,0

10 32,515 40,020 43,5

Utilizando os dados dessa tabela, obtemos, de acordo com a definição, as seguintes velocidades médias:

1.1 Velocidade média em função dos reagentes e produtosAnalisando as duas primeiras linhas das tabela, concluímos que, nos 5 primeiros minutos, a reação produziu 20 mol/L de NH3. Desse modo, de acordo com a estequiometria da equação, temos:

Sendo assim, temos as seguintes velocidades médias:

1.2 Velocidade média da reaçãoVoltemos para a reação N2 + 3 H2 2 NH3. Nessa reação, o consumo de 1 mol de gás nitrogênio, N2, ocorre simultaneamente ao consumo de 3 mol de gás hidrogênio, H2, ao mesmo tempo em que se formam 2 mol de gás amônia, NH3. Na página anterior, que a velocidade média em função H2, será 3 vezes maior que a velocidade média calculada em função de do N2, e 1,5 vezes maior em função do NH3.

Para evitarmos esta confusão, ou seja, para obtermos um único resultado que expresse a velocidade média da reação, ― convencionou-se dividir cada um desses valores pelo coeficiente estequiométrico da substância considerada. Com isso, os valores da velocidade média passam a ser:

Outro problema que surge é que, à medida que a reação se desenvolve, a molaridade dos reagentes vai diminuindo com o tempo; consequentemente, a velocidade média em função dos reagentes serão negativas. Para evitar que isso aconteça, convencionou-se trocar o sinal algébrico relativo aos reagentes.

2.0 Como as reações ocorrem?

2.1 Condições fundamentaisHá duas condições que são fundamentais (embora não sejam suficientes) para que uma reação química possa ocorrer:

Os reagentes devem entrar em contato Deve haver afinidade química entre os reagentes

2.2 Teoria das colisõesConsidere, por exemplo, a seguinte reação:

Além de colocarmos o H2 em contato com I2, pode haver reação, pois há afinidade química entre essas substâncias. A realização ou não de reação química, nesse caso, passa a depender de duas outras condições, dita acessórias:

As partículas dos reagentes deve colidir entre si. A colisão entre as partículas dos reagentes deve ocorrer numa orientação favorável,

com energia suficiente para romper as ligações existentes nos reagentes.

De acordo com a teoria das colisões, essa reação se processa do seguinte modo:

2.3 Energia de ativação e complexo ativado

Energia de ativação é a quantidade mínima de energia necessária para que a colisão entre as partículas dos reagentes, feita numa orientação favorável, seja efetiva e resulte em reação.

Complexo ativado de uma reação é uma estrutura intermediária e instável entre os reagentes e os produtos.Voltemos ao exemplo da reação H2 +I2 2 HI

A energia de ativação pode ser calculada pela seguinte expressão:Eat=E−Epr

Eat = energia de ativaçãoE = energia necessária para que a reação se inicieEpr = energia próprias dos reagentes

2.3.1 Reações endotérmica e exotérmica

Os produtos de uma reação química possuem também conteúdo energético, o qual se denomina energia própria dos produtos (Epp). Quando o complexo ativado (instável) se rearranja para formar os produtos, ocorre sempre uma liberação de energia, que pode ser calculada pela diferença: E - Epp

Desse modo, podemos concluir: Se a diferença E – Epp for maior que a energia de ativação, a reação será exotérmica.

E – Epp > Eat reação exotérmica Se a diferença E – Epp for menor que a energia de ativação, a reação será endotérmica.

E – Epp < Eat reação endotérmica

2.3.2 Gráficos da energia de ativação

3.0 Fatores que influenciam a velocidade média das reações

São diversos fatores que podem influir na velocidade média ou na taxa de desenvolvimento de uma reação química tornando-a mais rápida ou mais lenta. Entre eles se destacam: natureza dos reagentes, superfície de contato, luz, eletricidade, pressão, temperatura, concentração de reagentes, catalisadores e inibidores.Muitas vezes, controlando esses fatores isoladamente ou em conjunto de forma adequada, o químico pode fazer com que uma reação ocorra no tempo desejado.

3.1 Efeito da temperatura na velocidade das reações químicasUm alimento cozinha mais rapidamente numa panela de pressão (a água ferve a uma temperatura maior), o que favorece o cozimento. Para melhor conservação dos alimentos, devemos guardá-los em freezers; diminuindo a temperatura estaremos diminuindo a velocidade das reações responsáveis pela decomposição.

Sendo a temperatura uma medida da agitação térmica das partículas de uma substância, um aumento de temperatura representa diretamente um aumento de agitação dessas partículas.Agitando-se mais rápida e intensamente, as partículas colidirão com maior frequência e violência, o que acarretará um aumento da velocidade da reação.

3.2 CatalisadoresCatalisador é uma substância que participa da formação do complexo ativado fazendo com que os reagentes necessitem de uma energia de ativação menor para atingir esse estado, aumentando dessa forma a velocidade da reação. O catalisador, entretanto, não participa do produto da reação sendo integralmente recuperado no final (em massa e composição).

A partir do gráfico acima, concluímos que os catalisadores criam um caminho alternativo, que exigem menor energia de ativação, fazendo com que a reação se processe de maneira mais rápida.