O que acontece com a energia cinética dos reagentes quando se aumenta a temperatura explique?

Índice

Introdução

A cinética química consiste no estudo das velocidades das reações químicas. Ela está presente no nosso dia a dia quando, por exemplo, guardamos os alimentos na geladeira a fim de retardar a sua decomposição, ou quando usamos uma panela de pressão com o objetivo de cozinhar os alimentos mais rapidamente.

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Velocidades de reação

As reações químicas acontecem com diferentes velocidades e a cinética química pode ser alterada. As velocidades de reação determinam o quão rapidamente os reagentes são consumidos e os produtos são gerados.

Sabemos que uma reação é rápida quando os reagentes se transformam em produtos quase instantaneamente. Exemplo: a explosão de uma bomba ou uma reação de precipitação.

Em reações lentas, por outro lado, os reagentes levam um longo tempo para gerar os produtos. Exemplo: processo de corrosão ou decomposição de material orgânico. 

Velocidade média de uma reação

A velocidade de uma reação é definida como a variação da concentração de um dos reagentes, ou um dos produtos, dividida pelo tempo que a transformação leva para acontecer.

A velocidade pode mudar com o tempo, por isso, definimos a velocidade média da reação como a variação da concentração molar de um reagente ou produto durante um certo intervalo de tempo.

A expressão da velocidade média (Vm) é dada por:

$$Vm = {Δ [ ] \over Δt}.$$

$$Vm = {[final] - [inicial] \over tfinal - tinicial}.$$

Como os reagentes são consumidos, ao calcular Δ [reagentes] obtemos um valor negativo, já que a concentração final é menor do que a inicial. Por isso, colocaremos um sinal negativo na equação acima para garantirmos que a velocidade média da reação seja positiva.

Portanto, as expressões da velocidade média para reagentes e para produtos são dadas por:

$$Vm = {- Δ [Reagentes] \over Δt}.$$

ou

$$Vm = {Δ [Produtos] \over Δt}.$$

Condições para a ocorrência das reações

Diversos fatores interferem na ocorrência de uma reação química. Primeiro, deve haver uma afinidade química entre os reagentes para permitir que a reação ocorra. Além disso, esses reagentes devem estar em contato, garantindo a colisão entre as moléculas e resultando na quebra das ligações e formação de novas ligações. 

Teoria da colisão

Nas reações químicas, ocorre o rearranjo dos átomos dos reagentes para formar os produtos. Porém, não são todos os choques que ocorrem entre as partículas que vão resultar em produtos (choques não-eficazes). São os choques eficazes ou efetivos que resultarão na quebra das ligações dos reagentes e na formação de novas ligações para gerar os produtos.

Quando ocorre o choque em uma posição favorável, é formada uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos conhecida como complexo ativado. O complexo ativado é um estado intermediário, ou estado de transição, cuja estrutura apresenta ligações enfraquecidas entre os reagentes e permite a formação de novas ligações que irão compor os produtos, conforme mostra o exemplo abaixo.

Para que o complexo ativado se forme, as moléculas dos reagentes devem possuir energia suficientemente alta e colisão em geometria favorável. Essa energia é conhecida como energia de ativação (Ea) e é a menor quantidade de energia necessária para que a reação química ocorra.

A energia de ativação é necessária tanto para reações exotérmicas quanto endotérmicas, como indica os diagramas a seguir:

Fonte: USBERCO, J. e SALVADOR, E. 2013. Química. São Paulo: Editora Saraiva.

Quanto menor for a energia de ativação, mais rapidamente a reação ocorrerá.

Fatores que influenciam a velocidade de uma reação

Superfície de contato

Quanto maior a superfície de contato dos reagentes, maior será a velocidade de reação. Os reagentes terão maior superfície de contato quanto menores forem seus fragmentos. Isso fará com que o número de choques seja maior e, com isso, a velocidade da reação será, também, maior.

Temperatura

Altas temperaturas aumentam a energia cinética das moléculas, fazendo com que o número de choques aumente e, consequentemente, a velocidade da reação também.

O cientista Jacobus de Van’t Hoff estabeleceu a seguinte relação entre a variação da temperatura e a velocidade das reações: um aumento de 10 °C faz com que a velocidade da reação dobre. Seguindo essa regra, os alimentos devem se deteriorar 4 vezes mais rápido a 25°C do que em uma geladeira, a 5°C, por exemplo.

Catalisador

Os catalisadores são substâncias usadas para acelerar as reações químicas sem serem consumidas durante a reação. Por exemplo, em nosso sistema digestório existem enzimas que funcionam como catalisadores biológicos na conversão de nutrientes em substâncias que são absorvidas e utilizadas pelas nossas células.

A energia de ativação necessária para que a reação ocorra é menor quando são utilizados catalisadores, acelerando a reação. Observe o gráfico abaixo:

Fonte: USBERCO, J. e SALVADOR, E. 2013. Química. São Paulo: Editora Saraiva.

Perceba que o uso do catalisador não altera o ΔH da reação e nem o seu rendimento. A quantidade de produtos formados será a mesma nos dois casos. A única diferença está no tempo da reação. Além disso, um catalisador irá acelerar tanto a reação direta quanto a reação inversa, reduzindo a energia de ativação de ambas.

Concentração dos reagentes

Como a velocidade de reação depende do número de choques entre as moléculas, quanto maior for a concentração dos reagentes, maior será a velocidade da reação. No caso de reagentes gasosos, quando a pressão for aumentada, haverá uma redução no volume, causando aumento nas concentrações dos reagentes.

Lei da velocidade

Podemos expressar matematicamente a velocidade de uma reação química relacionando-a com a concentração dos reagentes através da lei da velocidade ou lei cinética.

De acordo com a lei da velocidade, para uma reação genérica:

a A + b B → c C

Temos a seguinte lei da velocidade:

v = k [A]x [B]y

Considerando:

v = velocidade da reação

k = constante da velocidade, a uma dada temperatura

[A] e [B] = concentrações dos reagentes (em mol/L)

x e y = ordem da reação. São determinados experimentalmente.

Para reações que ocorrem em uma única etapa (reação elementar), x e y correspondem aos coeficientes estequiométricos a e b. Logo:

v = k [A]a [B]b

• Ordem da reação em relação a A = a
• Ordem da reação em relação a B = b
• Ordem total da reação = a + b

A maioria das reações ocorre em mais de uma etapa, e o conjunto dessas etapas é denominado mecanismo de reação.

Mecanismos de reações

O mecanismo de reação é o conjunto de etapas que transformam os reagentes em produtos. Nesse mecanismo, existem etapas que são lentas e etapas que são rápidas. A velocidade da reação sempre será determinada pela etapa mais lenta. Genericamente, temos: 2 A + B → A2B

Mecanismo:

• Etapa lenta: A + A → A2
• Etapa rápida: A2 + B → A2B
• A equação da velocidade será: v = k [A] [A] ou v = k [A]2

Determinação experimental da equação da velocidade de uma reação

Para escolher uma equação matemática para representar a variação da velocidade de uma reação com a concentração dos reagentes, devemos nos basear somente em dados experimentais. Observe o exemplo abaixo:

2 A + 3 B → C

A tabela seguinte fornece valores experimentais da variação da velocidade com a concentração dos reagentes:

De acordo com a lei da velocidade, a equação da velocidade, baseada na equação global, seria:

v = k [A]2 [B]3

Essa reação está inadequada, pois devemos nos basear nos dados experimentais mostrados na tabela para determinar os valores corretos de x e y e, com isso, deduzir a equação da velocidade. Para sabermos os valores de x e y:

• Comparando a primeira experiência com a segunda, vemos que a concentração de B permaneceu constante enquanto que a concentração de A dobrou. Consequentemente, a velocidade da reação também dobrou.
• Comparando a segunda experiência com a terceira, vemos que a concentração de A permaneceu constante enquanto que a concentração de B dobrou. Consequentemente, a velocidade da reação quadruplicou.

Podemos concluir, com isso, que a velocidade varia com a primeira potência de [A] e com a segunda potência de [B]. A equação da velocidade é, então:

v = k [A]1 [B]2

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