Cinética química

A cinética química é a parte da química que estuda as velocidades das reações onde, com o aumento da temperatura se aumenta a velocidade.

Existem fatores que influenciam na velocidade como “temperatura”, “superfície” e “concentração de reagentes”.

Velocidade de uma reação

A velocidade de uma reação é a variação da concentração dos reagentes pela variação de uma unidade de tempo. As velocidades das reações químicas geralmente são expressas em molaridade por segundo (M/s).

A velocidade média de formação de um produto de uma reação é dado por:

Vm = variação da concentração do produto / variação do tempo

A velocidade da reação decresce com o tempo. A velocidade de formação do produto é igual a velocidade de consumo do reagente.:

Velocidade da reação = variação da concentração dos reagentes / variação do tempo

A velocidade das reações química pode ocorrer em escalas de tempo muito amplas. Por exemplo, uma explosão pode ocorrer em menos de um segundo, a cocção de um alimento pode levar minutos ou horas, acorrosão pode levar anos, e a erosão de uma rocha pode ocorrer em milhares ou milhões de anos.

Fatores que influenciam na velocidade da reação:

• Superfície de contato: Quanto maior a superfície de contato, maior será a velocidade da reação.
• Temperatura: Quanto maior a temperatura, maior será a velocidade da reação. 
• Concentração dos reagentes: Aumentando a concentração dos reagentes, aumentará a velocidade da reação.

Numa reação química, a etapa mais lenta é a que determina sua velocidade. Observe o exemplo a seguir: Operóxido de hidrogênio reagindo com íons iodeto, formando água e oxigênio gasoso.

I - H₂O₂ + I^-  ⇒ H₂O + IO^- (Lenta) 

II - H₂O₂ + IO^-  ⇒  H₂O + O₂ + I^- (Rápida) 

Equação simplificada: 2 H₂O₂  ⇒  2 H₂O + O₂.

A equação simplificada corresponde a soma das equações I e II. Como a etapa I é a etapa lenta, para aumentar a velocidade da reação, deve-se atuar nela. Tanto para aumentar ou diminuir a velocidade da reação, a etapa II (rápida) não vai influir; sendo a etapa I a mais importante.

A lei de Guldberg-Waage:

Considere a seguinte reação: a A + b B  ⇒  c C + d D

Segundo a lei de Guldberg-Waage; V = k [A]^a [B]^b.

Onde:

• V = velocidade da reação;
• [ ] = concentração da substância em mol / L;
• k = constante da velocidade específica para cada temperatura.

A ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade. Utilizando a equação anterior, calculamos a ordem de tal reação pela soma de (a + b).

Teoria da colisão

Pela teoria da colisão, para haver reação é necessário que:

• as moléculas dos reagentes colidam entre si;
• a colisão ocorra com geometria favorável à formação do complexo ativado;
• a energia das moléculas que colidem entre si seja igual ou superior à energia de ativação. 

Colisão efetiva ou eficaz é aquela que resulta em reação, isto é, que está de acordo com as duas últimas condições da teoria da colisão. O número de colisões efetivas ou eficazes é muito pequeno comparado ao número total de colisões que ocorrem entre as moléculas dos reagentes.

Quanto menor for a energia de ativação de uma reação, maior será sua velocidade.

Uma elevação da temperatura aumenta a velocidade de uma reação porque aumenta o número de moléculas dos reagentes com energia superior à de ativação.

Regra de van't Hoff - Uma elevação de 10°C duplica a velocidade de uma reação.

Esta é uma regra aproximada e muito limitada.

O aumento da concentração dos reagentes aumenta a velocidade da reação. 

Energia de ativação:

É a energia mínima necessária para que os reagentes possam se transformar em produtos. Quanto maior a energia de ativação, menor será a velocidade da reação.

Ao atingir a energia de ativação, é formado o complexo ativado. O complexo ativado possui entalpia maior que a dos reagentes e dos produtos, sendo bastante instável; com isso, o complexo é desfeito e dá origem aos produtos da reação. Observe o gráfico:

Onde:

C.A.= Complexo ativado.

Eat. = Energia de ativação.

Hr. = Entalpia dos reagentes.

Hp. = Entalpia dos produtos.

DH = Variação de entalpia.

Catalisador:

O catalisador é uma substância que aumenta a velocidade da reação, sem ser consumida durante tal processo.

A principal função do catalisador é diminuir a energia de ativação, facilitando a transformação de reagentes em produtos. Observe o gráfico que demonstra uma reação com e sem catalisador:

Inibidor: é uma substância que retarda a velocidade da reação.

Veneno: é uma substância que anula o efeito de um catalisador.

A ação do catalisador é abaixar a energia de ativação, possibilitando um novo caminho para a reação. O abaixamento da energia de ativação é que determina o aumento da velocidade da reação.

• Catálise homogênea - Catalisador e reagentes constituem uma só fase.
• Catálise heterogênea - Catalisador e reagentes constituem duas ou mais fases (sistema polifásico ou mistura heterogênea). 

  

Enzima

Enzima é uma proteína que atua como catalisador em reações biológicas. Caracteriza-se pela sua ação específica e pela sua grande atividade catalítica. Apresenta uma temperatura ótima, geralmente ao redor de 37°C, na qual tem o máximo de atividade catalítica.

Promotor de reação ou ativador de catalisador é uma substância que ativa o catalisador, mais isoladamente não tem ação catalítica na reação.

Veneno de catalisador ou inibidor é uma substância que diminui e até destrói a ação do catalisador, sem tomar parte na reação.

Autocatálise

Autocatálise - Quando um dos produtos da reação atua como catalisador. No início, a reação é lenta e, à medida que o catalisador (produto) vai se formando, sua velocidade vai aumentando.

Conclusão

Na cinética química estuda-se a velocidade das reações químicas.

As velocidades das reações químicas são expressas por M/s “molaridade por segundo”.

Quanto maior for a temperatura, maior será a velocidade, existindo fatores que influenciam nessa velocidade, como “superfície”, “temperatura” e “concentração dos reagentes”, onde, quanto maior for a superfície de contato maior será a velocidade de reação, quanto maior a temperatura maior será  a velocidade de reação, quanto maior for a concentração dos reagentes maior será a velocidade de reação.

“lei de Guldberg-Waage”  lei onde a ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade

Existe uma energia mínima para que os reagentes se transformem em produto, essa “energia mínima”  da se o nome de “energia de ativação”, quanto maior for a energia de ativação, menor será a velocidade da reação.

Para diminuir essa “energia de ativação” pode-se usar um catalisador que facilita a transformação de reagentes em produtos.

Autoria: Eduardo Faia Miranda

Veja também:

• Catálise e Catalisadores
• Teoria das Colisões
• Reações Endotérmicas e Exotérmicas
• Reações Espontâneas e Não Espontâneas
• Evidências de Reações Químicas
• Oxidação e Redução
  

Exercícios resolvidos sobre o conteúdo:

• Cinética Química - Exercícios

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