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CENTRO FAMILIAR DE FORMAÇÃO POR ALTERNÂNCIA MANOEL MONTEIRO CURSO – TÉCNICO EM AGROPECUÁRIA INTEGRADO AO ENSINO MÉDIO MAGNO BRITO CARNEIRO CINÉTICA QUÍMICA LAGO DO JUNCO – MA 2021 CINÉTICA QUÍMICA Cinética química é a área de estudo da Química que investiga a rapidez das reações químicas e os mecanismos por meio dos quais elas se processam. O conhecimento e o estudo das reações, além de ser muito importante em termos industriais, também estão relacionados ao nosso dia a dia. A velocidade de uma reação é a rapidez com que os reagentes são consumidos ou rapidez com que os produtos são formados. A combustão de uma vela e a formação de ferrugem são exemplos de reações lenta. Na dinamite, a decomposição da nitroglicerina é uma reação rápida. As velocidades das reações químicas são determinadas através de leis empíricas, chamadas leis da velocidade, deduzidas a partir do efeito da concentração dos reagentes e produtos na velocidade da reação. A rapidez da reação química é expressa pela variação de alguma grandeza relacionada com a quantidade de reagente, o produto (concentração, quantidade d matéria, pressão massa, volume) por unidade de tempo. Isso significa que podemos calcular a velocidade de uma reação, tanto pelo acréscimo das massas ou das concentrações dos reagentes, quanto pelo das massas ou das concentrações dos produtos. TAXA MEDIA DE DESENVOLVIMENTO DE UMA REAÇÃO A taxa média de desenvolvimento de uma reação química pode ser dada através da razão da variação de concentração pelo tempo de reação. Que podemos expressar pela formula matemática: Tdm = Δ|[R]| Δ𝑡 Onde: Tdm – taxa média de desenvolvimento (mol/L/S). Δ|[R]| – quantidade de um reagente ou produto (mol/L). ∆𝑡 – variação de tempo (s, min). Como os reagentes são consumidos, ao calcular Δ[R] 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. COMO OCORREM AS REAÇÕES Uma reação pose ser mais rápida ou mais lenta dependendo das condições em que ela é realizada. Para que uma reação ocorra é necessário que haja estes quatro principais fatores: Afinidade química, Contato, Energia de ativação, Choques eficazes. • Afinidade química: Diz respeito à capacidade que uma substancia tem de reagir com a outra. • Contato: sem contato não haverá reação. • Energia de ativação: Energia mínima para que ocorra a reação. • Choques eficazes: Ocorre quando há uma posição espacial favorável no choque entre as moléculas e energia suficiente, para então haver a quebra de ligação. • Teoria das Colisões: trata-se de um modelo que explica satisfatoriamente os fatores que influenciam na velocidade das reações. De acordo com a teoria das colisões, os átomos, moléculas ou íons das substancias reagentes devem colidir para que a reação química ocorra. Quanto mais colisões por unidade de tempo houver (maior frequência de choques), maior será a rapidez da reação. • Complexo ativado: é o estado intermediário entre reagentes e produtos. Aqui, a molécula instável e muito energética não é reagente, porém não é mais produto. FATORES QUE AFETAM A TAXA DE DESENVOLVIMENTO DAS REAÇÕES QUÍMICAS A taxa de desenvolvimento de uma reação pode ser aumentada ou diminuída mediante alterações de certos fatores. SUPERFÍCIE DE CONTATO É a área de um determinado reagente efetivamente exposta aos demais reagentes. Sabe-se que, para as reações ocorrerem dependem do contato entre as substâncias reagentes; assim quanto maior a superfície de contato, maior será o número de colisões entre as partículas e consequentemente maior será a velocidade da reação. Exemplo: em uma fogueira, queima mais rapidamente quando sua estrutura está de forma em que fique espaços, pois sua superfície de contato é maior com o oxigênio do ar. A queima acontece de forma mais lenta. A queima acontece de forma mais rápida. Resumidamente temos: TEMPERATURA O aumento na temperatura, aumenta a energia cinética das partículas dos reagentes, e com isso aumentando a quantidade de choques efetivos e a velocidade das reações. Quanto maior for a temperatura, maior será a velocidade de uma reação. Isso pode ser facilmente visto em diversas situações em nosso cotidiano, como por exemplo, quando queremos diminuir a velocidade da reação de decomposição de um alimento, nós abaixamos a temperatura, colocando-o na geladeira. Se quisermos aumentar a velocidade da reação de cozimento dos alimentos, basta colocá-los numa panela de pressão que, com o aumento da pressão, aumenta também a temperatura de ebulição da água líquida em que o alimento está. Isso ocorre porque para que uma reação ocorra é preciso satisfazer algumas condições, como a de que as partículas devem se chocar eficazmente e com a energia mínima necessária, que é denominada de energia de ativação. Assim, quando aumentamos a temperatura do sistema, aumentamos também a agitação das partículas reagentes e fornecemos mais energia cinética para elas. Com isso, mais colisões ocorrerão e com mais energia, aumentando a quantidade de partículas que reagirão e, consequentemente, aumentando a velocidade da reação. Resumidamente temos: AUMENTO DA SUPERFÍCIE DE CONTATO DOS REAGENTES. AUMENTA A FREQUÊNCIA DE COLISÕES. MAIS COLISÕES EFETIVAS POR UNIDADE DE TEMPO. MAIS RÁPIDA A REAÇÃO. AUMENTO DA TEMPERATURA AUMENTO DA ENERGIA CINETICA MOLÉCULAR. COLISÕES ENTRE MOLÉCULAS COM MAIOR ENERGIA. AUMENTO DA RAPIDEZ DA REAÇÃO. Causa Consequência Gerando CONCENTRAÇÃO O efeito da concentração na velocidade das reações pode ser observado quando aumentamos a concentração de um ou mais reagentes, e a reação ocorre com maior rapidez. Por exemplo, quando temos uma reação de combustão ao ar livre e outra ocorrendo dentro de um recipiente fechado com gás oxigênio puro. A chama torna-se bem mais intensa quando a queima ocorre dentro do recipiente com oxigênio puro, ou seja, onde o combustível reage com 100% de moléculas de oxigênio. Já a combustão ao ar livre contém apenas 20% de moléculas do gás oxigênio, pois o ar é constituído de cerca de 79% de moléculas de gás nitrogênio e 1% de outros gases. O efeito da concentração na velocidade das reações, pode ser compreendido: “Quanto maior a concentração dos reagentes, maior será a velocidade de uma reação.” Para que uma reação se efetive é necessário que ocorram choques ou colisões eficazes entre os átomos dos reagentes. Assim, quando aumentamos a sua concentração haverá uma maior quantidade de moléculas presentes no sistema em um mesmo espaço, o que acarretará em aumento nas suas colisões em um mesmo intervalo de tempo e, consequentemente, uma maior probabilidade de ocorrerem choques efetivos ou eficazes. Isso pode ser visualizado na figura a seguir, onde se comparando o primeiro sistema com o segundo é possível constatar que o aumento da concentração dos reagentes faz com que haja mais moléculas e mais colisões, aumentando a rapidez da reação: Dessa forma, resumidamente temos: Embora essa seja uma constatação que se repete para a maioria dos casos, é necessário fazer os cálculos experimentais para determinar a influência da concentração específica em cada reação, pois, em alguns casos, se dobrarmos a concentração dos reagentes a rapidez da reação também dobra, já em outros casos quadriplica e, ainda em outras reações, a velocidade permanece constante. CATALISADORES Os catalisadores são definidos como substancias que interferem no mecanismo das reações químicas, aumentando a sua velocidade através da diminuição da energia de ativação. Tais substânciasnão se incorporam nem se consomem no substrato, logo, a massa dos catalisadores é a mesma no início e no fim das reações. Ação: Os catalisadores interferem na energia de ativação de uma reação química sem alterar o equilíbrio químico, sua ação pode acelerar ou retardar a velocidade na qual uma reação atinge o equilíbrio, no entanto, não afeta a composição no equilíbrio. Uma catálise é uma reação química em que há presença de catalisadores. Qualquer catálise ocorre porque os catalisadores fornecem um novo caminho para a reação, caminho este que necessita de uma energia de ativação menor. Os catalisadores se unem ao reagente para formar um composto intermediário, que depois se transforma, originando o produto e regenerando o catalisador. Resumidamente temos: AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DOS REAGENTES AUMENTO DA FREQUÊNCIA DAS COLISÕES DAS MOLÉCULAS DO REAGENTE AUMENTO DA RAPIDEZ DA REAÇÃO Acarreta Acarreta CATALISADORES DIMINUIÇÃO DA ENERGIA DE ATIVAÇÃO AUMENTO DA RAPIDEZ DA REAÇÃO Atua na Acarreta ENZIMAS: CATALISADORES BIOLÓGICOS. As enzimas, também chamadas de catalisadores biológicos ou biocatalisadores, são proteínas que aumentam a rapidez das reações bioquímicas diminuindo a energia de ativação destas. A enzima atua se combinando a uma molécula, através de uma baixa energia de ativação forma uma estrutura intermediária que se decompõe facilmente formando o produto e regenerando a enzima. O mecanismo de ação das enzimas é chamado de chave-fechadura e foi proposto em 1894 pelo químico alemão Hermann Fischer (1852-1919). Segundo ele, assim como uma chave tem o formato específico para determinada fechadura, as enzimas possuem regiões específicas (sítios ativos) para que o substrato se encaixe. É por isso que as enzimas são altamente específicas, isto é, cada uma acelera somente uma etapa. Substrato: Composto que sofre a ação enzimática e se combina com os centros ativos da enzima. A atividade das enzimas é controlável e seletiva. Assim, as enzimas atuam no metabolismo celular convertendo nutrientes como carboidratos, proteínas e gorduras em substâncias que podem ser absorvidas e usadas pelas células. Por isso, elas são tão importantes para nossas vidas. Elas são usadas pelo ser humano desde muito tempo atrás, sendo seus primeiros usos: • Na fabricação de queijo: onde ocorre a coagulação das proteínas do leite através da ação das enzimas; • Na fabricação de pão: Está cada vez mais comum a adição de enzimas para suplementar a farinha de trigo, e as mais utilizadas são a protease, que tem a função de agir sobre as proteínas, a amilase, para agir sobre o amido, e as hemiceluloses, que atua sobre as hemiceluloses; • Na fabricação de cerveja: as enzimas atuam na transformação do amido do malte em açúcares fermentescíveis, que são matéria-prima para a levedura que fará a fermentação do mosto cervejeiro. As enzimas atuam também em outras etapas do processo cervejeiro como fermentação e maturação. CATALISADORES NA INDÚSTRIA Os catalisadores estão presentes na maioria das reações processadas na indústria. A catálise é absolutamente essencial para a indústria moderna. A tecnologia acelera a velocidade de reações químicas recorrendo a substâncias chamadas de catalisadores. O catalisador também aumenta a seletividade. Quando se faz a reação química de por exemplo, A+B em busca do C, há o risco de o resultado ser D ou F. A utilização de um catalisador garante a reação apenas para o produto C. Metais de transição como a platina e o paládio transformam óxidos nítricos em nitrogênio, nos catalisadores de escapamentos de veículos. Na indústria de alimentos, o níquel de Roney transforma óleos vegetais em gorduras (hidrogenação), garantindo o ponto de fusão para mantê-los sólidos em temperatura ambiente. As enzimas também são catalisadores complexos e altamente eficientes. Elas atuam ainda na fermentação, caso das leveduras para a produção de álcool a partir da cana- de-açúcar. Segundo Roberto Rinaldi, desde a década de 1970, as indústrias dobraram sua produção gastando a mesma quantidade de energia. Isto foi possível graças à adoção de técnicas avançadas, que incluem catalisadores extremamente ativos. LEI CINÉTICA A uma temperatura constante, a taxa de desenvolvimento de uma reação química é diretamente proporcional ao produto das concentrações dos reagentes elevadas a expoentes numéricos que são determinados experimentalmente. Hipoteticamente temos uma reação química balanceada representada: a A + b B → c C + d D A taxa de desenvolvimento dessa reação, com base na lei da ação das massas é dada por: Td = k[A]x ◦ [B]y Onde: Td – taxa de desenvolvimento da reação; K – constante de taxa de desenvolvimento (constante de proporcionalidade que característica de cada reação independente da temperatura); [A] e [B] – concentração em quantidade de matéria dos reagentes A e B; X e y – expoentes numéricos determinados experimentalmente. ORDEM DE REAÇÃO Ordem de reação, é a soma de todos os expoentes que aparecem na expressão da velocidade da reação, ou seja, serve para relacionar a velocidade da reação com a concentração em quantidade de matéria dos reagentes. Essa ordem da reação, pode ser dada em relação apenas a um dos reagentes ou pode ser uma ordem global da reação, as quais só podem ser determinadas (valores expoentes) com precisão por meio de experimentos. Para melhor entendimento, imagine uma reação química hipotética, realizada à temperatura de 25°C. 2 A + B → C + 3 D A ordem de reação é igual a 2 (dizemos reação de segunda ordem ou de ordem 2). Dizemos também que se trata de uma reação de ordem 1 (ou de primeira ordem) em relação a A e de ordem 1em relação a B. Assim, para uma expressão do tipo Td = k[A]x[B]y, a ordem da reação será x + y, a ordem a A, x e a revela a B, y. As reações químicas podem ocorrer a partir de um único reagente. Consideremos a decomposição do tetróxico de nitrogênio (N2O4): N2O4(g) → 2NO2(g) A taxa de desenvolvimento determinada nesse caso, é dada por: Td = k[N2O4]. Portanto, a taxa de desenvolvimento é diretamente proporcional à concentração de N2O4, e a reação é de primeira ordem. Uma observação a ser feita, consideremos hipoteticamente dados de taxa de desenvolvimento obtidos em três experimentos distintos: A + B → C A + B → C em três condições distintas Experimento [A] mol/L [B] mol/L Taxa de desenvolvimento (mol/L ◦ s) I 0,1 0,3 1,5 II 0,2 0,3 3,0 III 0,2 0,6 12 Em I e II, a taxa de desenvolvimento dobra quando a concentração de A dobra, para uma concentração constante de B, já II e III, percebesse que quadruplicou quando dobramos a concentração de B, para A (concentração constante). Então a Td é diretamente proporcional a concentração de A e diretamente proporcional ao quadrado da concentração de B. Td = k[A] ◦ [B]2 MECANISMO DAS REAÇÕES Quando uma reação química é representada apenas pela equação global do processo, não temos a certeza de que ela aconteceu em uma única etapa ou em mais etapas. A equação global balanceada expressa apenas que uma ou mais substancias reagiram para formar outra ou outras substancias, sem informar como os nível molecular, são convertidos em produtos. Reações elementares são reações que ocorre em uma única etapa. Ao escrevermos a expressão da taxa de desenvolvimento, os expoentes determinados experimentalmente são iguais aos coeficientes estequiométricos. Se a reação 2 A + B → C + D ocorre em uma única etapa, será expressa Td = k[A]2 ◦ [B]. Reações não elementares ocorre em duas ou mais etapas. Nesse caso, os coeficientes estequiométricos, não coincidem com os expoentes determinados experimentalmente. Considere hipoteticamente a reação 2 A + B → C + D, e que ela ocorra em duas etapas. Etapa I A(g) +B(g) → C(g) + E(g) Etapa II A(g) + E(g) → D(g) Etapa global 2 A(g) + B(g) → C(g) + D(g) A etapa global é o resultado da adição das etapas I e II, que são elementares e definem o mecanismo da reação. O mecanismo de reação é, portanto, o conjunto de etapas reacionais elementares que constituem uma reação química não elementar. Também chamamos esse conjunto de etapas de caminha de reação. A expressão da taxa de desenvolvimento será dada com base na equação de etapa lenta (não com base na global): Td = k[A] ◦ [E].