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TRABALHO- MARIA EDUARDA ROVEDA
2° EM- 03/05/2022

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A velocidade média de uma reação (Vm) pode ser medida por meio da variação da concentração dos reagentes ou da variação da concentração dos produtos em relação ao tempo transcorrido de reação, conforme a fórmula a seguir:

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Visto que se considera a variação da concentração e do tempo, é necessário diminuir os valores finais pelos iniciais daquele intervalo da reação. Isso permite que esse cálculo da velocidade média seja feito em qualquer intervalo de tempo do processo:

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Se for considerada a variação da concentração dos produtos, a fórmula será:

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Já no caso da variação da concentração dos reagentes, teremos que adicionar um sinal negativo na fórmula, pois como os reagentes são consumidos durante o processo, a sua concentração final será menor que a inicial e o resultado daria negativo, assim, temos:

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A unidade da velocidade média será dada de acordo com as unidades da concentração e do tempo. Por exemplo, se a concentração for dada em mol/L e o tempo em segundos, a unidade de Vm será mol. L-1. s-1. No entanto, as quantidades de reagentes e produtos também podem ser expressas em termos de massa, volume – principalmente no caso de gases –, número de mol, etc. Já o tempo também pode ser dado em minutos ou horas, dependendo da velocidade com a qual se processa a reação.

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Como conseguimos a velocidade média global da reação?

Basta dividir cada valor da velocidade pelo coeficiente da respectiva substância na equação química que representa a reação. De forma geral:

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Para entender como se aplica esse conceito, vejamos o exemplo de uma reação que ocorre em um balão com 10 mol do gás ozônio (O3). Suas moléculas colidem umas com as outras, formando moléculas de oxigênio (O2), conforme a equação química a seguir:

2O3→ 3O2

Depois de 1 minuto restam apenas 4 mol de ozônio, o que significa claramente que 6 mol reagiram. Assim, a velocidade média de decomposição do O3 foi de 6 mol. L-1. min-1, como mostrado a seguir:

Vm =  - ? [ reagentes]

?t

Vm =  - ? [ final - inicial]

?t

Vm =  - ? [ O3]

?t

Vm =  -  [4-10 ] mol/L

1 min

Vm =  6 mol/L

1 min

Vm de decomposição de O3= 6 mol. L-1. min-1

Isso significa que, durante 1 minuto, seis mol de O3 reagiram em cada litro do sistema.

Mas se fizéssemos esse cálculo em relação ao produto (O2), a velocidade média da reação de sua formação seria de 9 mol. L-1. min-1:

2O3→ 3O2

2 mol ------ 3 mol

6 mol ------   x

x = 9 mol de O2 formados

Vm =   ? [ produto]

?t

Vm =   ? [ final - inicial]

?t

Vm =   ? [ O2]

?t

Vm =    [9 - 0 ] mol/L

1 min

Vm =  9 mol/L

1 min

Vm de formação de O2 = 9 mol. L-1. min-1

Se quisermos descobrir também a velocidade global da reação, basta, conforme já dito, dividir cada velocidade pelo seu respectivo coeficiente. Veja como isso é feito abaixo:

2O3→ 3O2

Vm da reação= 6 mol. L-1. min-1 = 3 mol. L-1. min-1

2

Ou

Vm da reação= 9 mol. L-1. min-1 = 3 mol. L-1. min-1

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Algumas condições para a ocorrência de reações químicas são: afinidade entre os reagentes, contato entre eles, colisão efetiva entre suas moléculas e a energia de ativação.

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A velocidade com que as reações se processam varia muito, e existem alguns fatores que interferem não só nessa velocidade, mas até mesmo na ocorrência dessas reações. Eles são basicamente quatro: contato entre os reagentes, afinidade química, colisões favoráveis e energia de ativação.

Contato entre os reagentes: Para que as moléculas dos reagentes possam colidir umas com as outras, é necessário que elas entrem em contato.

Por exemplo, o sódio é um elemento metálico que reage com o oxigênio, oxidando-se em minutos quando em contato com o ar. Reage também violentamente com a água, como mostra a imagem abaixo:

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Afinidade química: Essa propriedade diz respeito à capacidade que uma substância tem de reagir com a outra, pois mesmo se duas ou mais substâncias forem colocadas em contato, mas não houver afinidade entre elas, não ocorrerá a reação.
o há afinidade química entre o sódio e o querosene, por exemplo, assim como acontece com um giz deixado exposto no ar, eles nunca irão reagir, porque não há afinidade química entre eles, o giz permanecerá intacto.

Nesse aspecto ainda há outra questão, o fato de que quanto maior a afinidade entre as substâncias, maior será a velocidade da reação. Por exemplo, ao considerarmos as reações de oxidorredução, essa afinidade corresponde à tendência de ganhar elétrons que um dos reagentes tem e a tendência de perder elétrons do outro reagente. No caso dos metais, eles têm a tendência de doar elétrons, oxidando-se. Quanto maior for essa tendência, maior é a reatividade do metal.

Teoria das colisões: Para que uma reação química ocorra, as moléculas dos reagentes que entraram em contato devem colidir de modo efetivo.

Energia de ativação (Eat): Para que as colisões sejam favoráveis e resultem em reação química, é necessário que os reagentes possuam uma energia mínima, que é a energia de ativação.

A energia de ativação é necessária para a formação do complexo ativado, isto é, uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos, onde as ligações dos reagentes estão sendo enfraquecidas e as ligações dos produtos estão sendo formadas.

Sem a energia de ativação, a reação não acontece. Por exemplo, no caso do sódio com a água, esses reagentes possuem a energia mínima para que a reação entre eles ocorra, por isso, só por estarem em contato, eles já reagem.

Agora considere outro caso: o gás propano, presente no gás de cozinha, possui afinidade química com o oxigênio do ar para entrar em combustão. No entanto, tais reagentes não possuem a energia de ativação e é por isso que quando abrimos a válvula do fogareiro, deixando o gás escapar, não acontece reação nenhuma. É preciso fornecer energia para a reação de combustão ocorrer e é isso que é feito quando aproximamos o palito de fósforos. Visto que essa reação de combustão é exotérmica, liberando energia, a reação continua ocorrendo até que pelo menos um dos reagentes seja totalmente consumido.

Portanto, quanto menor for a energia de ativação, mais rápida será a velocidade com que a reação se desenvolverá.

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Energia de ativação é a energia mínima para que uma reação química possa ocorrer, ou seja, é um dos fatores determinantes para a ocorrência de uma reação, juntamente com o contato e a colisão favorável entre as moléculas dos reagentes.

Quando há o contato e a colisão entre as moléculas dos reagentes, há a formação de um composto intermediário (antes da formação do produto), denominado complexo ativado. Esse complexo é um grupamento de todos os átomos dos reagentes.

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Porém, o tempo para formar o complexo ativado indica se uma reação química será mais rápida ou mais lenta que a outra. Assim, a colisão favorável, aliada à energia de ativação, é determinante para a velocidade da reação.

É preciso ressaltar que a energia de ativação não cessa enquanto o complexo ativado não estiver formado.

A forma mais comum de analisar a energia de ativação e o complexo ativado é utilizando um gráfico, o qual apresenta, como padrão, energia ou entalpia (em KJ ou Kcal) no eixo y, o caminho da reação (do reagente em direção aos produtos) no eixo x, e uma curva, como podemos ver a seguir:

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Modelo de um gráfico padrão utilizado em cinética química

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Nesse modelo de gráfico, o complexo ativado é dado pelo ponto mais alto da curva (ponto a do próximo gráfico), e a energia de ativação é todo o percurso dos reagentes até o complexo ativado (seta vermelha no gráfico):

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Verificação do complexo e da energia de ativação no gráfico

Para determinar o valor da energia de ativação, então, basta subtrair da energia do complexo ativado a energia dos reagentes, como na expressão matemática abaixo:

Eat = Hcomplexo ativado – Hreagentes

Suponha, por exemplo, que uma reação química esteja ocorrendo entre os reagentes AB e CD, para a formação dos produtos AD e CB, de acordo com o seguinte gráfico:

AB + CD → AD + CB

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Gráfico da reação de formação de AD e CB

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Analisando esse gráfico, temos que:

• A energia necessária para a formação do complexo ativado é de 30 Kcal, por ser a energia relacionada ao ponto mais elevado da curva;

• A energia de ativação dessa reação seria de 10 Kcal apenas, porque ela parte dos reagentes que apresentam energia de 20 Kcal e termina no complexo ativado que apresenta energia de 30 Kcal, conforme demonstrado a seguir:

Eat = Hcomplexo ativado – Hreagentes

Eat = 30 – 20

Eat = 10 Kcal

Uma forma de tornar uma reação química mais veloz, pelo que vimos, é reduzindo a energia de ativação, pois, quanto menor ela for, mais rápido o complexo ativado será formado e, consequentemente, mais rápida será a obtenção dos produtos.

Para reduzir a energia de ativação e, assim, acelerar a reação, uma alternativa é utilizar um catalisador, o qual é uma substância química que deve ser adicionada ao meio reacional (reação), que participa da formação do complexo ativado, porém não forma nenhuma substância no produto, ou seja, é recolhido ao final e pode ser reutilizado.

Graficamente, a presença do catalisador é notada pelo incremento de uma segunda curva, como podemos observar abaixo:

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Gráfico que apresenta a curva com um catalisador

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Dessa forma, a curva com o catalisador (em vermelho) apresenta uma nova energia de ativação (seta azul) e um novo valor (x) de energia para o complexo ativado, sempre mais baixo com relação à curva da reação realizada sem a presença do catalisador.

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Um catalisador é uma substância capaz de acelerar a velocidade em que se processam determinadas reações químicas sem sofrer alterações, ou seja, não é consumido, mas regenera-se completamente no final.

A água oxigenada (solução aquosa de peróxido de hidrogênio — H2O2), por exemplo, sofre uma decomposição bem lenta em condições ambientes, formando o gás oxigênio e a água, conforme a equação química a seguir:

2 H2O2 → 2 H2O + 1 O2

Essa reação é acelerada quando a água oxigenada é colocada sobre algum machucado. Isso pode ser visto por meio das bolhas que se formam pela formação intensa do gás oxigênio. O que aumentou a velocidade dessa reação? Um catalisador biológico, também chamado de biocatalisador, que é uma enzima presente no sangue denominada catalase.

A reação que ocorre na presença de um catalisador é chamada de catálise. Nas equações químicas que representam essas reações, o catalisador é indicado através de uma seta, tendo em vista que ele não participa nem como reagente nem como produto.

O processo de fabricação da amônia, que é chamado de Haber-Bosch, usa o ferro como catalisador. Além dele, também são usados o óxido de potássio e o óxido de alumínio que ativam a ação catalítica do ferro. Assim, observe como essas substâncias aparecem na equação a seguir e como elas realmente não participam da reação, apenas aceleram o processo:

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Processo de Haber-Bosch de fabricação da amônia

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Isso nos mostra que o uso de catalisadores é muito importante principalmente para as indústrias, pois viabiliza processos que demorariam muito para serem realizados. É importante entender que as substâncias catalisadoras não aumentam a quantidade de produto da reação, apenas aceleram o processo.

Mas surge a pergunta: como os catalisadores aumentam a velocidade das reações?

Eles conseguem isso porque trocam o mecanismo pelo qual a reação se processa, ou seja, eles formam um “caminho” alternativo para que a reação ocorra com uma energia de ativação menor.

Digamos, por exemplo, que a seguinte reação genérica ocorra sem o uso de catalisadores:

A2 + B2 → 2 AB

Assim como ocorre com toda reação, essa também será realizada somente se os reagentes atingirem a energia de ativação, que é a energia mínima para que se forme o complexo ativado, uma estrutura intermediária e instável entre os reagentes e os produtos.

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Formação de complexo ativado em reação química genérica

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A seguir há um gráfico que ilustra esse processo. Veja como a energia de ativação tem um valor elevado na formação do complexo ativado e como ela funciona como uma espécie de obstáculo para que a reação ocorra:

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Gráfico com energia de ativação em reação sem catalisador

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Agora se usarmos um catalisador “C” para a realização dessa reação genérica, ele combinar-se-á com um dos reagentes, formando o composto intermediário que, por sua vez, transformar-se-á no produto esperado, e o catalisador será regenerado. Isso acontece, por exemplo, da seguinte forma:

A2 + B2 → 2 AB

1ª etapa: A2 + C → A2C (composto intermediário)

2ª etapa: A2C + B2 → 2 AB + C

(produto)  (catalisador)

Quando a reação se processa por esse caminho, a energia de ativação é menor, como mostra o gráfico a seguir:

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Quanto menor é a energia de ativação, maior é a velocidade da reação e vice-versa. É assim que os catalisadores atuam, eles conseguem aumentar a velocidade das reações porque permitem que elas ocorram com uma menor energia de ativação.

É importante lembrar também que o catalisador não altera o valor do ?H (variação de entalpia) e que, se a reação for reversível, ele diminuirá a energia de ativação tanto da reação direta quanto da inversa, provocando o aceleramento das reações em ambos os sentidos.