QUÍMICA
1) Cinética Química
A Cinética Química foi desenvolvida na tentativa de responder perguntas referentes ao
fator tempo relacionado às reações químicas. Ou seja, é um ramo da Química que
estuda a velocidade das reações e os fatores que a influenciam. Estuda ainda a
possibilidade de controlar essa velocidade, tornando as reações mais rápidas ou mais
lentas, com base no mecanismo das reações.
1.1) Estudo das velocidades:
A velocidade de uma reação é a grandeza que indica como as quantidades de
reagentes e produtos variam com o passar do tempo. Também pode ser conhecida
como rapidez de uma reação.
OBS: 1- se não utilizarmos o módulo a
velocidade com sinal negativo indicará que os cálculos foram feitos com base no gasto
dos reagentes e o sinal positivo indicará que os cálculos foram feitos com base na
produção de produtos
2- as quantidades das substancias consumidas ou produzidas são normalmente
expressas em variação de concentração molar mas também podem ser expressas de
acordo com a variação da massa, do numero de mols e, no caso de substancias
gasosas, pela variação da pressão parcial. Já o intervalo de tempo deve ser expresso
numa unidade que se ajuste ao tipo de reação, podendo estar em segundos, minutos,
horas, dias, etc
A velocidade média global de uma reação
é indicada pela velocidade média de uma substância dividida pelo coeficiente
estequiométrico da mesma. Por exemplo, se uma substância teve velocidade média
8mols/min e seu coeficiente for 4 podemos concluir que a velocidade média global da
reação é 2mols/min
1.2) Gráficos em cinética química:
**Esse grafico, por exemplo, nos mostra
que o consumo de B e de C produziu A. Podemos concluir isso pelo fato das curvas B
e C serem decrescentes e a curva A ser crescente. Além disso, é possível perceber
que a curva C decresce cerca de duas vezes mais que a de B em um mesmo intervalo
de tempo, isso nos leva a inferir que o coeficiente estequiométrico de C é duas vezes
maior que o de B. **Como a curva de um gráfico pode nos revelar a velocidade
média? Através da tg do ângulo formado. Quanto mais inclinada for a curva, maior
será a sua velocidade média naquele intervalo de tempo.
**No inicio de uma reação, a quantidade de reagentes é máxima e a quantidade de
produtos é zero. A medida que a reação se desenvolve, os reagentes vão sendo
consumidos e, portanto, a quantidade deles vai diminuindo até se tornar mínima. Já no
caso dos produtos ocorre o contrario, sua quantidade vai aumentando ao longo da
reação ate que, no final da reação, chegue à quantidade máxima
OBS: na maioria das reações a velocidade é máxima no inicio da reação e vai
diminuindo com o passar do tempo.
1.3) Fatores que afetam a rapidez das reações:
Para que uma reação química ocorra é preciso ter afinidade entre os reagentes e
maior contato entre essas substâncias. Além disso, a energia utilizada na quebra de
ligações normalmente é proveniente de uma colisão efetiva, ou seja, aquela que
possui orientação e envolve energia.
OBS: Quanto maior o número de partículas no sistema, maior a frequência de colisões
das partículas, maior a chance de quebras de ligações e, portanto, maior a velocidade
da reação.
1.3.1) Conceitos importantes associados aos fatores cinéticos:
>>Energia de ativação: é a energia mínima necessária para que a colisão entre as
partículas dos reagentes, feita numa orientação favorável, seja efetiva, isto é, resulte
em reação. Quando isso ocorre, forma-se uma estrutura instável e intermediaria entre
os reagentes e os produtos que damos o nome de complexo ativado. É importante
lembrar que essa fase intermediaria não aparece quando representamos a reação por
escrito. Sendo assim, também é possível definir energia de ativação como a energia
necessária para que os reagentes atinjam o complexo ativado.
OBS: quanto menor a energia de ativação, maior a velocidade da reação e vice-versa.
>>Complexo ativado: é o estado intermediário da reação que, por sinal, é instável. As
partículas do C.A. tendem a se transformarem em produtos.
>>Mecanismo geral de uma reação química:
os reagentes absorvem energia para
quebrar ligações, depois tem-se o complexo ativado (muita energia, instabilidade) e,
por ultimo, consegue-se os produtos através da liberação de energia. Quando a
absorção é maior que a liberação tem-se uma reação endotérmica e, quanto a
liberação é maior que a absorção, tem-se uma reação exotérmica. Esse diagrama é
valido para reações elementares e para cada etapa das não elementares.
>>Reação endotérmica e reação exotérmica: para determinar se uma reação é
endotérmica ou exotérmica basta analisar o patamar que representa os produtos e o
patamar que representa os reagentes e, então, analisar se o delta H (variação da
entalpia) é positivo ou negativo.
>>Reação elementar: é aquela que ocorre em uma única etapa, ou seja, precisa-se
de apenas uma colisão para formar as moléculas de produtos.
>>Reação não elementar: é aquela que ocorre em mais de uma etapa, ou seja,
precisa-se de mais de uma colisão para formar as moléculas de produtos.
1.3.2) Fatores que influenciam a velocidade:
Esses fatores são responsáveis por tornar a reação mais lenta ou mais rápida
>>Natureza e concentração dos reagentes:
quanto maior for o
numero de ligações a serem rompidas nos reagentes e quanto mais fortes forem
essas ligações, mais lenta será a reação. Obviamente, ela será mais rápida se o
contrario acontecer. O aumento da concentração de reagentes acarreta em um
aumento de colisões entre as moléculas de reagentes que, consequentemente,
acarreta em um aumento da rapidez da reação.
>>Superfície de contato:
é a área de um determinado reagente
efetivamente exposta aos demais. Como a reação química depende do contato entre
as substancias reagentes, é possível afirmar que quanto maior a superfície de contato
entre os reagentes, mais rápida será a velocidade desta.
>>Luz e eletricidade: a luz e a eletricidade são fatores responsáveis por ativar muitas
reações químicas. Por exemplo, se os reagentes forem simplesmente postos em
contato, num recipiente de material inerte (por exemplo, quartzo), isolados do meio
externo, a reação será extremamente lenta, podendo levar séculos para se completar.
Mas, se fizermos passar por esse recipiente uma faísca elétrica, a reação se
desenvolverá em uns poucos segundos.
>>Pressão: quando se aumenta a pressão, o contato dos reagentes aumenta, pois o
volume do sistema diminui. Sendo assim, a concentração dos reagentes por unidade
de volume aumenta e possibilita um maior número de colisões entre as partículas o
que, consequentemente, faz a velocidade da reação aumentar. Porém, esse efeito só
é considerável quando substâncias na fase gasosa participam da reação.
>>Temperatura:
um aumento de temperatura
representa diretamente um aumento de energia cinética ou um aumento do movimento
das partículas porque é uma medida da energia cinética. Quando se aumenta a
temperatura, a velocidade das partículas aumenta e, consequentemente, a colisão
ocorre com maior frequência e violencia. ~~Regra de Van't Hoff: afirma que a cada
elevação de 10ºC na temperatura de uma reação, a velocidade é duplicada. Porém,
isso é válido apenas para reações elementares.
>> Catalisador:
é uma
substancia que aumenta a velocidade da reação, diminuindo a energia de ativação
necessária para os reagentes atingirem o complexo ativado. O catalisador não sofre
alteração permanente, ou seja, ele não é consumido na reação. Tal ação só existe
quando tem afinidade química entre os reagentes. Isso significa que não há
catalisador que faça, por exemplo, a água reagir com o monóxido de carbono. Além
disso, se a reação for reversível o catalisador irá atuar da mesma maneira sobre as
reações direta e inversa, ou seja, ele não altera o equilibro da reação. A ação de um
catalisador pode ser homogênea ou heterogênea. A catalise homogênea é aquela em
que o catalisador e os reagentes formam um sistema monofásico (ocorre uma
absorção do catalisador)e a heterogênea é aquela em que o catalisador e os
reagentes formam um sistema bifásico (ocorre uma adsorção do catalisador). Existe
também a autocatálise quando um dos produtos da reação age como catalisador da
reação, nesse caso a reação é bastante lenta no início e a velocidade vai aumentando
a medida que os produtos vão sendo formados. Um exemplo é o peróxido de
hidrogênio (água oxigenada). Quando são desnaturadas com o aquecimento, perde, a
atividade catalítica.
~~Enzimas: funcionam como catalisadores biológicos. Promovem um fantástico
aumento da velocidade das reações.
~~Catálise automotiva: o objetivo deles é tornar completas as combustões dos
hidrocarbonetos, acelerando a transformação de CO em CO2. Ou seja, facilitam o
processo em que a oxidação do C atinge o nox máximo (+4). Além disso, também são
utilizados para converter os óxidos de nitrogênio prejudiciais à saúde em substâncias
menos nocivas.
OBS: os venenos de catalisador são substâncias capazes de reduzir ou anular o efeito
de outra que atua como catalisador de uma reação. Já o ativador de catalisador
funciona como um catalisador do catalisador, é responsável por acelerar/aumentar o
efeito de outra que atua como catalisador.
>>Inibidor: é uma substância que retarda a velocidade das reações, atua aumentando
a energia de ativação (Eat) e não pode ser recuperado no final da reação.
Popularmente são conhecidos como conservantes e podem alterar a entalpia da
reação. Os inibidores sao importantes para o controle e o estudo de reações que
ocorrem muito rápido. Além disso, é importante lembrar que inibidor não é sinônimo de
catalisador negativo e que não pode ser recuperado no final da reação.
1.4) Lei Cinética:
A lei cinética é a equação matemática que relaciona velocidade e concentração de
reagentes, evidenciando a influência da última na rapidez de uma reação. Pode ser
determinada a partir de dados obtidos experimentalmente. O enunciado atual desta lei
é "a cada temperatura, a velocidade de uma reação é diretamente proporcional ao
produto das concentrações molares dos reagentes, elevadas a expoentes
determinados experimentalmente". No caso de uma reação elementar, os expoentes
que devem ser elevadas as concentrações molares dos reagentes na expressão da
velocidade são os próprios coeficientes dos reagentes na equação balanceada. No
caso de uma reação não elementar, ou seja, aquela que possui mais de uma etapa, a
velocidade da reação depende apenas da velocidade da etapa lenta. Em outras
palavras, podemos dizer que a etapa lenta é a etapa determinante da velocidade da
reação. Além disso, podemos dizer que, no último caso, a velocidade da reação global
será proporcional apenas às concentrações molares dos reagentes que participam da
etapa lenta.
>>Temperatura e lei cinética: quanto maior for a temperatura, maior será o valor da
constante de velocidade (k) para a reação química.
>>Energia de ativação e lei cinética: quanto menor for a energia de ativação de
uma reação, maior será sua constante de velocidade (k), ou seja, quanto menor Eat,
maior v.
**Ordem de reação: é a soma dos expoentes que aparecem na expressão da
velocidade da reação. A ordem da reação em relação a cada reagente indica a
dependência existente entre a concentração molar de determinado reagente e a
velocidade da reação global.
Exemplo: