FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

FACTORS THAT MODIFY THE SPEED OF A CHEMICAL REACTION

Autores1: Bruna BorgesGuilherme Marchi

Heloisa FerraroJosé Silveira

Rayane Lara SantosOrientador2: Maurício Bueno da Rosa

RESUMOO artigo tem como principal objetivo analisar e descrever os fatores que alteram a velocidade de uma reação química. Em nosso cotidiano presenciamos várias reações onde está irá proporcionar transformações químicas em relação ao seu estado inicial. Um exemplo é a oxidação (ferrugem) em um pedaço de ferro. Sendo assim o estudo sobre a velocidade de reação é de extrema importância para termos conhecimento sobre os vários fatores que afetam, e essas variações de velocidades dependem de alguns fatores de extrema importância para o nosso estudo, como por exemplo, os catalisadores, luz, temperatura, superfície de contato e concentração dos reagentes.Palavras-chave: Concentração, luz, temperatura, e concentração.

SUMMARYThe article has the objective to analyze and describe the factors that affect the speed of a chemical reaction. In our daily witnessed several reactions where it will provide chemical transformations in relation to its initial state. An example is the oxidation (rust) on a piece of iron. Thus the study on the reaction rate is extremely important to have knowledge about the various factors that affect, and these variations in speeds depend on some factors of importance to our study, for example, catalysts, light, temperature surface contact and concentration of reactants.Key-Words: Concentration, light, temperature, and concentration.

1. INTRODUÇÃO

É comum presenciarmos em nosso cotidiano varias reações químicas,

onde está irá proporcionar transformações químicas em relação ao seu estado

inicial. Sendo assim de grande importância entender e analisar estas reações,

para que possamos manipuladas quando necessário. Nesse artigo iremos

abordar quais influencias um catalisador exerce sobre a velocidade da reação e

como ele atua. E quais as influenciam da luz e da temperatura em uma reação

química, investigando se esses fatores aumentam a velocidade da reação ou

1 Alunos do curso de Licenciatura em Química da PUCPR2 Prof. do Curso de Licenciatura em Química da PUCPR

diminuem sua velocidade. Analisaremos também como a concentração dos

reagentes influenciam a velocidade da reação assim com a superfície de

contato.

No primeiro capítulo poderemos entender como o um catalisador reage

dentro de uma reação química, onde este tem a capacidade de mudar a

velocidade de uma reação e não se transformar ao final desta (ou seja, ele não

será consumido durante o processo) e entender suas principais aplicações

como, por exemplo, que a catalise é um instrumento de extrema importância

para a sobrevivência no planeta, pois, sem ela algumas reações se tornariam

impossíveis de serem realizadas.

Continuando nossa reflexão no segundo capítulo desse artigo iremos

abordar quais influencias a temperatura e a luz exercem sobre uma reação

química, analisaremos como esses dois fatores atuam sobre a reação, como

inibidores ou como aceleradores. Algumas reações ocorrem de maneira mais

rápida quando há presença de luz, a luz é conhecida como reações

fotoquímicas e são bem comuns em nosso cotidiano, como por exemplo, a

fotossíntese feita pelas plantas. A temperatura está ligada à agitação das

moléculas, quanto mais calor, mais agitadas ficam as moléculas, aumentando a

velocidade reação.

Sendo assim no terceiro capítulo iremos analisar como a superfície de

contato interfere a velocidade de uma reação química. A superfície de contato

é a área de determinado reagente efetivamente exposta aos demais reagentes.

Como a realização de uma reação química depende fundamentalmente do

contato entre as substâncias reagentes, o aumento da superfície de contato

entre eles aumentam a velocidade das reações, pois maior é a possibilidade

das partículas colidirem umas com as outras. Sabemos que as partículas de

uma substância química possuem energia própria que faz com que elas fiquem

em movimento. Tal movimento dá origem à colisão, e a partir dessa colisão

pode ocorrer à reação. Para que uma reação ocorra é necessário que antes, os

reagentes superem certa barreira de energia, e quanto maior for essa barreira,

mas difícil será para a reação ocorrer e consequentemente ela será mais lenta.

Por fim no ultimo capítulo iremos compreender como a concentração dos

reagentes poderá afetar a velocidade de uma reação química. Porque a

concentração dos reagentes em uma reação interfere em sua velocidade? No

dia a dia podemos ver esse fenômeno? A concentração dos reagentes em uma

reação é um dos fatores que fazem com que ocorra uma reação. A

concentração dos reagentes em uma reação interfere em sua velocidade, pois

quanto maior a concentração dos reagentes, mais rápida será a reação

química.

Sendo assim o estudo sobre a velocidade de reação é de extrema

importância para termos conhecimento sobre os vários fatores que

afetam, e essas variações de velocidades dependem de alguns fatores

de extrema importância para o nosso estudo, como a temperatura, se

não analisarmos a temperatura de uma reação não saberíamos que com

o aumento ou diminuição da mesma isso alteraria o cozimento dos

alimentos, pois devido à elevação da pressão exercida sobre a superfície

do líquido, a sua temperatura de ebulição irá também aumentar e será

maior como a da panela de pressão. Com isso concluímos que os fatores

que alteram a velocidade de uma reação são de extrema importância

para o entendimento e estudo de vários fatores que englobam o nosso

dia a dia, e para o ensino da química, física e biologia.

CATALISADORES E SUAS APLICAÇÕES

No cotidiano observamos a ocorrência de várias reações químicas.

Essas reações e os fatores que influenciam juntamente com a sua velocidade,

são muito importantes. Algumas reações são muito rápidas, ocorrem quase

que instantaneamente, como, por exemplo, a combustão do TNT

(trinitrotolueno) e a oxidação da hidrazida (N2H4), pelo peróxido de hidrogênio

(H2O2). Outras reações, ao contrário, são muito lentas, às vezes demoram

séculos, como a formação do petróleo e a degradação do plástico.

Nesse capitulo iniciaremos um estudo dirigido sobre como um

catalisador influencia na velocidade de uma reação química e suas principais

importâncias, onde este é o mais conhecido para manipular a velocidade de

uma reação, “sendo uma substancia que aumenta a velocidade desta sem ser

efetivamente consumida no processo” (CANTO, 2008, p.1). Uma de suas

principais utilizações são os produtos de limpeza que contêm enzimas para

facilitar na remoção de sujeiras, essas enzimas facilitam a quebra das

moléculas de substâncias responsáveis pelas manchas nos tecidos. Outra

grande aplicação dos catalisadores é na área de bicombustíveis, pois

(...) são considerados biocombustíveis as substâncias combustíveis produzidas a partir da biomassa e neles se incluem o biodiesel. Atualmente, o biodiesel é essencialmente produzido a partir de plantas oleaginosas por um processo de transesterificação, envolvendo álcool (essencialmente metanol, CH3OH) e um catalisador, preferencialmente alcalino, de fase líquida, sendo, por isso, considerado um processo de catálise homogênea.(...) (CORDEIRO, 2011, p.1).

Um exemplo deste processo é a catalise básica3, que possui excelentes

rendimentos muitas vezes superiores a 90%. “Os ácidos de Brönsted-Lowry

também podem ser utilizados como catalisadores homogêneos para produção

do biodiesel, porém, a cinética da alcoolize é lenta e requer que a reação seja

realizada próxima da temperatura de ebulição do álcool” (CORDEIRO, 2011,

p.1).

Outro tipo de catalisador é o catalisador obtido através da casca de

arroz, que é utilizado para a produção mais econômica do combustível

alternativo, o biodiesel. O custo do biodiesel, ainda é maior que o diesel de

petróleo. Desta forma o uso de óleo residual de fritura das grandes cidades tem

sido uma alternativa na obtenção do biodiesel, porém apresenta alguns

inconvenientes, sendo um deles “a alta quantidade de ácidos graxos livres,

sendo necessária uma etapa de esterificação para posterior transesterificação,

e obtenção do biodiesel”. (SANTOS, 2011, p.1). Este processo levará a catálise

do biodiesel, sendo assim:

(...) o catalisador heterogêneo obtido a partir do fosfato de nióbio, que se destaca por suas características ácidas e apresenta resultados satisfatórios na esterificação de ácidos graxos com álcoois na ausência de solvente, suportado nas cinzas das cascas de arroz na

3Catálise é a mudança de velocidade de uma reação química devido à adição de uma substância (catalisador) que praticamente não se transforma ao final da reação. Os aditivos que reduzem a velocidade das reações se chamam inibidores. Os catalisadores agem provocando um novo caminho, no qual tem uma menor energia de ativação. Existem dois tipos de catálise: homogênea, na qual o catalisador se dissolve no meio em que ocorre a reação, e neste caso forma um reativo intermediário, que se rompe; e heterogênea, em que se produz a absorção dos reagentes na superfície do catalisador.

reação de esterificação do ácido oleico por rota metílica e etílica (...) (SANTOS, 2011, p.1).

Sendo uma das formas de produzir o catalisador heterogêneo a partir do

fosfato de nióbio. De suma importância para a pesquisa e o estudo é “o uso de

catalisadores para a combustão do metano4, pois ele disponibiliza em turbinas

menores temperaturas de trabalho, diminuindo assim a emissão de NOX”

(ANVERSA, 2003, p.15), que é um poluente ambiental e está associado à

chuva ácida e à formação de ozônio troposférico. Este catalisador está

associado à combustão catalítica (amplamente definida como reação de

oxidação na superfície do catalisador), porém esse processo ainda é precoce,

pois a “análise da oxidação total do metano ainda é feita de forma teórica”

(ANVERSA 2003, p. 15). Sendo assim de grande importância o uso desse

catalisador para que haja a diminuição de emissão de poluentes.

INFLUENCIAS DA TEMPERATURA E DA LUZ SOBRE UMA REAÇÃO

QUÍMICA

A temperatura e a luz são consideradas os dois mais importantes

agentes ambientais, influenciadores de uma reação química. Alguns fatores

podem aumentar ou diminuir a velocidade de uma reação. A temperatura é um

fator que acelera a velocidade da reação, “Normalmente a velocidade das

reações aumenta com o aumento da temperatura. Um aumento de 10 ºC chega

a dobrar a velocidade de uma reação” (ARQUIMEDES, 2002, p.1), assim como

a luz que também aumenta a velocidade da reação.

A temperatura está ligada à agitação das moléculas. Quanto mais calor,

mais agitadas ficam as moléculas. Aumenta-se a temperatura, aumenta a

energia cinética5 das moléculas (movimento). Se as moléculas se movimentam

4O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos leves, que à temperatura ambiente e pressão atmosférica, permanece no estado gasoso, sendo o metano o seu maior componente. Na natureza, ele é encontrado acumulado em rochas porosas no subsolo, frequentemente acompanhado por petróleo, constituindo um reservatório A oxidação total do metano é uma importante reação e é estudada principalmente por dois motivos. Primeiro, por ser utilizada na produção de energia, e segundo, pelo controle na emissão de gases desta reação para a atmosfera, uma vez que tanto CO2(g) quanto CH4(g), além de outros gases, podem causar o efeito estufa.

5 Define-se a energia cinética de uma partícula de massa m que viaja com velocidade v. O trabalho realizado pela resultante de forças que atua em um corpo é igual à variação da sua energia cinética.

mais, elas se chocam mais e com mais energia, diminuindo a energia de

ativação e em consequência, aumenta o número de colisões efetivas e,

portanto a velocidade da reação também aumenta, “Quando se eleva a

temperatura de uma reação química à velocidade de formação do produto

aumenta” (ARQUIMEDES, 2002, p.12). Sendo assim, para concluirmos todas

as etapas desta reação, necessitamos entender mais profundamente todos

seus fundamentos básicos, pois:

(...) a energia que uma molécula possui depende da natureza da molécula. Se a molécula é um único átomo, ela possui energia cinética devida a sua movimentação. Ela também possui energia adicional se alguns de seus elétrons estão em um estado de maior energia que o estado normal, chamado de estado original. Um átomo ou molécula é dito como estando no estado excitado, especificamente um estado eletrônico excitado, quando ela possui esta energia adicional. Moléculas, as quais contêm mais de um átomo, pode possuir, além da energia cinética (...) (ARQUIMEDES, 2002, p.14).

Um Exemplo de como a temperatura pode alterar na velocidade de uma

reação química é, quando a palha de aço, contendo essencialmente (Fe), entra

em contato com volumes iguais de uma solução aquosa de hipoclorito de sódio

(NaClO) de mesma concentração, em meio ácido (H+). A velocidade dessa

reação varia em função da temperatura.

Algumas reações químicas ocorrem com maior velocidade quando estão

na presença de luz, “A presença de luz de certo comprimento de onda também

pode acelerar certas reações químicas” (ARQUIMEDES, 2002, p.1), é uma

energia em forma de onda eletromagnética6 que ajuda a quebrar a barreira da

energia de ativação, “são chamadas de reações fotoquímicas, na grande

maioria das reações fotoquímicas, percebe-se a presença de um reagente

colorido, denominado componente fotoquimicamente ativo” (PIERRE, 2006,

p.3), esse reagente possui moléculas que absorvem luz visível, permanecendo

ativadas energeticamente, facilitando a reação. Podemos exemplificar o que foi

citado da seguinte maneira:

6 As ondas eletromagnéticas são campos eletromagnéticos propagantes.

Podemos também retardar a velocidade de uma reação diminuindo a

quantidade de luz. Um exemplo é a fotossíntese realizada pelas plantas é um

tipo de reação que é influenciada pela presença da luz, pois

(...) a fotossíntese é o principal processo de transformação de energia na biosfera. No entanto, necessita de muito pouco para acontecer: água, dióxido de carbono e luz. No processo fotossintético a planta absorve a radiação solar, que é a fonte de energia necessária para a transformação da água e do dióxido de carbono em açúcar. Durante este processo a planta liberta, como resíduo, para a atmosfera, um gás fundamental para a respiração dos seres vivos, o oxigênio (...) (PRIETO, 2007, p.7).

Outro exemplo é o da água oxigenada que se decompõe mais facilmente

quando está exposta à luz, por isso devemos deixá-la guardada em local

escuro. Outra reação onde é muito utilizada a luz é a decomposição do

Brometo de prata7 que dá origem aos filmes fotográficos devido a sua

sensibilidade à luz.

INFLUÊNCIA DA SUPERFÍCIE DE CONTATO NA VELOCIDADE DA REAÇÃO

Se numa reação atuam reagentes em distintas fases, o aumento da

superfície de contato entre eles aumentam a velocidade das reações. Porém, o

que seria a superfície de contato? É a área de determinado reagente

efetivamente exposta aos demais reagentes. Como a realização de uma

reação química depende fundamentalmente do contato entre as substâncias

reagentes, conclui-se que: “Quanto maior a superfície de contato dos reagentes

envolvidos, maior a taxa de desenvolvimento da reação e vice-versa.” (REIS,

2010, p. 224). Considerando, por exemplo, uma reação entre uma substância

sólida e uma líquida, quanto mais reduzida a pó estiver à substância sólida,

maior é a superfície de contato entre as partículas de ambas as substâncias e,

portanto, maior é a possibilidade de essas partículas colidirem umas com as

outras. Este exemplo pode ser provado pelo experimento, pois

7 A emulsão fotográfica é uma gelatina que serve de suporte para grãos de brometo de prata. O brometo de prata é um elemento que reage à incidência de luz. Dependendo do tempo e intensidade da luz, esta transformação irá acontecer em maior ou menor intensidade criando as tonalidades em uma fotografia.

(...) com o auxílio de dois béqueres de 100 ml, contendo 50 ml de água destilada em temperatura ambiente cada, adicionamos simultaneamente meio comprimido de antiácido, no entanto um dos comprimidos foi totalmente triturado. Assim, foi possível observar que o comprimido inteiro demorou mais para reagir com a água destilada e, também apresentou resíduos no fundo do béquer, isto é, ouve saturação do comprimido com a água destilada. Já o comprimido em pó adicionado a água destilada reagiu mais rápido e apresentou um ponto de saturação muito inferior ao ponto de saturação apresentada pela reação anterior. O que confere estabilidade para concluir que o fato de triturar o comprimido acelera o tempo e a intensidade da reação (...) (MARCHAM, 2008, p.3).

Mas para entender como essas reações ocorrem, é necessário se

entender a teoria das colisões proposta por Lewis8. Sabemos que as partículas

de uma substância química possuem energia própria que faz com que elas

fiquem em movimento. Tal movimento dá origem à colisão, e a partir dessa

colisão pode ocorrer à reação.

No entanto, uma colisão nem sempre é suficiente para que ocorra uma

reação. Experiências mostram que, em determinadas reações, o número de

colisões por segundo atinge um milhão, porém a maioria dessas colisões não é

efetiva, pois as partículas que entram em choque possuem uma quantidade de

energia insuficiente para que as ligações sejam rompidas nos reagentes e

formadas as novas ligações nos produtos.

Um exemplo dessa alteração é “quando uma solução aquosa de ácido

clorídrico (HCl) é adicionada a uma amostra de mármore, cujo principal

constituinte é o carbonato de cálcio (CaCO3), ocorre uma reação com formação

de gás carbônico (CO2)” (PINTO, 2005, p.2). Portanto, para que ocorra uma

reação é necessário um mínimo de energia. Quando há colisões entre

partículas que não possuem esse mínimo, estes se tornam inúteis, já quando

as colisões ocorrem entre partículas que possuem pelo menos esse mínimo ou

mais. A quantidade mínima de energia necessária para isto ocorrer é

conhecida como energia de ativação.

(...) supomos que as moléculas se comportam como bolas de bilhar defeituosas: quando elas colidem em velocidades baixas, elas ricocheteiam, mas podem se despedaçar quando o impacto tem energia muito alta. Se duas moléculas colidem com energia cinética abaixo de certo valor, elas simplesmente ricocheteiam. Se elas se encontram com energia superior a esse valor, ligações químicas podem se quebrar e novas ligações pode se formar (...) (ATKINS & JONES, p. 606, 2006).

8 William Lewis (1708 —1781) foi um químico e físico inglês. É conhecido por seus escritos sobre farmácia e medicina, e por suas pesquisas sobre metais.

Nesse ponto, entram os fatores cinéticos. Para que uma reação ocorra é

necessário que antes, os reagentes superem certa barreira de energia, e

quanto maior for essa barreira, mas difícil será para a reação ocorrer e

consequentemente ela será mais lenta. Dessa forma, “uma reação

termodicamente favorável pode ocorrer de forma extremamente lenta ou

acabar nem sendo observada em um intervalo de tempo consideravelmente

grande; então se diz que a reação é cineticamente desfavorável.” (ATKINS &

JONES, 2006, p. 602). Um bom exemplo disso é o carvão e o diamante, que

são duas formas diferentes de carbono (alótropos9); em condições normais a

transformação de diamante a carvão é termodicamente favorável, porém

cineticamente desfavorável. É preciso entender que uma reação para ser

cineticamente viável, necessita primeiramente ser termodicamente possível.

9 Alotropia é o fenômeno em que um mesmo elemento químico pode originar substâncias simples diferentes. As substâncias simples distintas são conhecidas como alótropos.

CONCENTRAÇÃO DO REAGENTE X VELOCIDADE DA REAÇÃO

As colisões entre as moléculas substância só são possíveis, pois “as

partículas de uma substância possuem uma quantidade de energia chamada

energia cinética que fazem com que elas se movimentem” (BOSQUILHA, 2005,

p.5). Tal movimento origina as colisões, contudo nem todas as colisões são

efetivas e nem sempre apena uma colisão é o suficiente para que uma reação

ocorra. Experiências mostram que em determinadas reações, ocorrem por

segundo cerca de mais de um milhão de choques entre as moléculas, porém a

maioria dessas colisões não é eficaz, pois as partículas que se chocam não

possuem uma quantidade de energia suficiente para romper as ligações dos

reagentes e formar novas ligações originando os produtos.

A concentração dos reagentes10 em uma reação interfere em sua

velocidade, pois quanto maior a concentração dos reagentes, mais rápida será

a reação química. Essa propriedade está relacionada com o número de

colisões entre as partículas. Quando aumentamos a concentração dos

reagentes aumenta a velocidade da reação, pois:

(...) aumentar a concentração dos reagentes de uma reação significa aumentar a quantidade de reagentes por unidade de volume. Quanto maior for o numero de partículas reagentes maior será o número de choques entre elas. Com o aumento do número de choques, aumenta a velocidade da reação (...) (BOSQUILHA, 2005, p. 5).

Temos a reação: 1A+1B = 1AB. Neste caso se considerarmos A o soluto

e B o solvente, se tivermos x de A e x de B a velocidade da reação será y, mas

se aumentarmos a concentração de A para 2x e mantivermos a concentração

de B de x a velocidade da reação será mais lenta e se mantivermos a

concentração de A de x e mudarmos B para 3x a velocidade da reação se

maior do que nos casos anteriores.

Isso demonstra que o número de colisões e, consequentemente, a

velocidade da reação é proporcional ao produto das concentrações. É

importante observar que as reações envolvendo reagentes gasosos, quando se

10 Um reagente químico ou reativo químico é uma espécie química usada numa reação química. Implica geralmente numa substância química que é adicionado com a finalidade de provocar um fenômeno químico.

aumenta a pressão, ocorrem uma diminuição de volume e consequentemente

há aumento nas concentrações dos reagentes.

(...) a velocidade de uma reação é, a cada instante proporcional a uma constante, própria da reação em determinadas condições experimentais, e ao produto das concentrações dos reagentes, cada uma delas elevada à potência correspondente ao número de moléculas com que a respectiva reagente figura na equação.11

Figura 1: Possibilidade de colisões

Fonte: http://www.marco.eng.br/cinetica/trabalhodealunos/CineticaBasica/influencia.html

A partir desse fato, podemos concluir que a velocidade de uma reação

depende também da concentração dos reagentes, pois ela está relacionada

com o número de choques entre as moléculas, pois o número de numero de

choques e a velocidades da reação irão depender da concentração de A e B.

Isso demonstra que o número de colisões e, consequentemente, a velocidade

da reação são proporcionais ao produto das concentrações.

11 Lei de Guldberg-Waage, esta lei, estabelecida em 1867, por Guldberg e Waage, é denominada lei da ação das massas, onde esta explica os fatores que alteram a velocidade da reação. Tendo a ração Aa +Bb → Cc + Dd temos V = K . [A]a . [B]b onde: [A] = concentração de A em mol/litro, [B] = concentração de B em mol/litro, [A] = An/V, [B] = Bn/V, a,b = são determinas experimentalmente, V= volume da substância em litros; K = cte que só depende da temperatura.

REFERÊNCIAS

CANTO, Tito. Química na abordagem do cotidiano. 1ª Edição. São Paulo: Moderna

2008, p. 1.

CORDEIRO, Claudiney. Nova Química. Curitiba. Vol. 34, p.1, 2011.

ANVERSA, Danieli, Projeto de catalisadores para a produção de metano.

Campinas. P. 15, 2003.

SANTOS, Heloa, Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em

Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – PIBITI. Vitória, p.1, 2011.

PIERRE, Tatiana. Reações fotoquímicas. Rio de Janeiro, p.3, 2006.

PRIETO, Ana. Tecnologia educativa. São Paulo, p.7, 2007.

LAVORENTI, Arquimedes. Cinética química. São Paulo, p.1 e14, 2002.

REIS, Martha. Química: Meio Ambiente, Cidadania e Tecnologia. Vol.2. São

Paulo: FTD, 2010.

ATKINS, Peter; JONES, Loretta; Princípios de Química: Questionando a Vida

Moderna e o Meio Ambiente. Traduzido por Ricardo Bicca de Alencastro. 3ª ed.

Porto Alegre: Bookman, 2006.

MARCHAN, Geisiele. Cinética Química. 10 de Junho de 2012 p.3 e 6.

PINTO, Carlos Eduardo, Reações Químicas (Fatores que alteram a

velocidade de reação), 2005 P.2.

BOSQUILHA, Gláucia. Química da enciclopédia Mega Estudante Cidadão,

São Paulo 2005, p.516.