21 - ENEM - Química - Cinética química - Prime Cursos

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26/11/2015 Estudando: ENEM ­ Química ­ Cursos Online Grátis | Prime Cursos
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ESTUDANDO: ENEM - QUÍMICA
21. CINÉTICA QUÍMICA
 
Com certeza você já foi alertado para não comprar produtos com o prazo de validade vencido ou certamente tem o
hábito de guardar alimentos e produtos perecíveis na geladeira. Mas o que determina o prazo de validade de um
refrigerante ou por que aquela torta de chocolate pode ser conservada por mais tempo simplesmente abaixando a
temperatura? Estes fenômenos estão diretamente relacionados com a velocidade com que as reações químicas se
propagam, ou seja, tanto o prazo de validade quanto a melhor temperatura de armazenamento de um produto são
determinados pela cinética química.
Velocidade Média de Uma Reação
A velocidade de uma  reação pode ser definida  como a  variação da  concentração de  reagentes ou produtos em
função do tempo, em outras palavras é a medida de quão rápido uma reação química se desenvolve.
Para ficar mais fácil de entender podemos fazer uma analogia com a velocidade de um veículo numa rodovia. Se
um automóvel percorre uma distância de 40km em aproximadamente 30min a sua velocidade média é de 80km/h (é
importante notar que necessariamente o veículo não se deslocou com velocidade constante de 80km/h, a depender
das  condições  de  conservação  e  sinalização  da  via  ele  pode  ter  percorrido  trechos  com  maior  ou  menor
velocidade).
Com  as  reações  químicas  é  semelhante.  Todavia  o  caminho  percorrido  é  na  verdade  o  quanto  de  reagente  foi
consumido ou o quanto de produto foi formado, de sorte que a velocidade da reação será expressa não em função
do espaço, mas da concentração de reagentes ou produtos.
Variação das concentrações de reagentes e produtos em função do tempo (em min)
Representação gráfica do desenvolvimento de uma reação química
As duas figuras acima mostram o desenvolvimento de uma reação genérica do tipo
A (reagente) → B (produto)
No eixo das abscissas está representado o tempo em minutos enquanto que a ordenada representa o decréscimo
na concentração do reagente A.
Podemos,  a  partir  deste  gráfico,  calcular  a  velocidade  média  da  reação.  Fazemos  isto  tomando  o  valor  da
concentração de A ([A]) em dois tempos distintos.
Calculamos a velocidade média de uma reação da mesma forma que calculamos a velocidade de um veículo numa
rodovia,  conforme  a  equação  abaixo  (o  sinal  negativo  significa  que  a  concentração  de  A  (reagente)  está
diminuindo).
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Para  uma  reação  do  tipo  aA  +  bB →  cC  +  dD  a  velocidade  da  reação  pode  ser  calculada  para  cada  uma  das
substâncias envolvidas, tanto produtos quanto reagentes.
Se considerarmos que os coeficientes estequiométricos são diferentes, verificaremos que para cada componente a
 velocidade de aparecimento (produtos) ou desaparecimento (reagentes) será diferente, por exemplo, se a = 1 e b =
2a velocidade de desaparecimento de B é duas vezes maior que a de A, pois para cada mol de A que reage dois de
B são consumidos.
Nestas  circunstâncias  o  cálculo  da  velocidade  média  global  da  reação  deve  considerar  as  proporções
estequiométricas com que os componentes do sistema reagem. Assim:
 
Condições para Ocorrência de uma Reação
TEORIA DAS COLISÕES
Representação da Teoria das Colisões com formação do Estado de Transição 
 FIQUE ATENTO
Complexado ativado é um estado intermediário, formado entre reagentes e produtos, também chamado estado de
transição.  Neste  complexo  as  ligações  originais  estão  enfraquecidas  devido  à  violência  da  colisão  entre  os
reagentes, proporcionando as condições ideais para que os produtos sejam formados.
Para que uma dada reação química ocorra é necessário que as espécies reagentes (átomos, moléculas ou íons) se
choquem umas com as outras. A  teoria das colisões estabelece que a velocidade de uma  reação é diretamente
proporcional ao número de choques efetivos por unidade de tempo.
Velocidade α n° de colisões/tempo
Isto  ocorre  porque  uma  reação  se  constitui  num  rearranjo  na  estrutura  das  substâncias,  para  tanto  as  ligações
originais devem ser quebradas antes que as novas ligações dêem origem aos produtos. Isto implica que a colisão
entre as partículas deve ser forte e energética o suficiente para que estas interações sejam rompidas.
Tal  energia  será  conseguida  se  as  moléculas  se  chocarem  em  alta  velocidade  o  que  pode  ser  conseguido
fornecendo  calor  ao  sistema.  Em  resumo,  quanto  maior  a  velocidade  do  choque  maior  a  probabilidade  deste
choque resultar numa transformação química.
A esta energia mínima necessária para que a reação se propague chamamos de Energia de Ativação. Com base
nesta  teoria  podemos  entender  como  alguns  fatores  como  concentração  dos  reagentes,  pressão,  estado  de
agregação e o uso de um catalisador influenciam na velocidade de uma reação química.
Fatores Que Afetam a Velocidade de Uma Reação
Estado  de  agregação  (superfície  de  contato).  O  estado  de  agregação,  ou  estado  físico,  de  uma  substância  é
determinado pela intensidade com que as espécies estão ligadas. Isto depende da natureza química das próprias
espécies envolvidas além de fatores físicos como temperatura e pressão.
Nos sólidos as forças intermoleculares são extremamente fortes, resultando no aprisionamento da espécie química
no  retículo cristalino. Nestas condições uma  reação envolvendo substâncias sólidas ocorre apenas na superfície,
incluindo interstícios porosos.  Isto se deve ao fato de que as espécies no interior do objeto não estão disponíveis
para  colidirem  com  outros  reagentes,  assim  a  velocidade  da  reação  dependerá  fortemente  da  área  superficial
disponível  para  os  choques.  Aumentando  esta  superfície  de  contato,  por  exemplo,  moendo  um  comprimido
efervescente, um maior número de sítios nos quais o choque pode ser efetivado numa transformação química se
tornam disponíveis.
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Guerra de espadas em Cruz das Almas – Ba. As espadas são feitas de bambu e recheadas com pólvora e limalha
de ferro. O ferro dividido em pequenos fragmentos queima rapidamente.
No  caso  de  líquidos,  apesar  das  interações  intermoleculares  ainda  serem  muito  intensas,  as  espécies  reativas
possuem maior  mobilidade  possibilitando  a  ocorrência  de  choques  em  toda  a  extensão  do  sistema  (volume  do
líquido). Nestas condições a velocidade da reação dependerá de outras variáveis como viscosidade, concentração e
temperatura.
Nos gases as forças intermoleculares são, de forma geral, consideradas desprezíveis. Assim, as moléculas reativas
têm “total” liberdade para colidirem umas com as outras.
Nestas condições a velocidade dependerá apenas das concentrações (pressões parciais) e da temperatura.
Em resumo quanto maior a superfície de contato (ou mais fluido for o sistema reacional) maior será a velocidadede
uma reação.
TEMPERATURA E PRESSÃO
Como vimos na Teoria das Colisões uma reação depende da freqüência e da energia com que as partículas dos
reagentes se chocam.
Uma das  formas de aumentar a  freqüência de choques e  também a  força destas colisões é  fornecendo calor ao
meio reacional. Esta energia térmica extra será convertida em energia cinética, fazendo com que as partículas se
movam  com  maior  velocidade.  Isto  resulta  em  um  maior  número  de  choques  efetivos,  isto  é,  não  apenas  a
freqüência aumenta como também a energia das colisões. A regra de Van’t Hoff diz que, em geral, um aumento de
10°C no sistema fará com que a velocidade de reação dobre.
Nocaso específico de sistemas gasosos a concentração das espécies é diretamente proporcional às suas pressões
parciais. Em gases definimos a pressão como o número de colisões entre as moléculas gasosas e as paredes do
recipiente.  É  óbvio  que  um  aumento  de  pressão  também  aumenta  o  número  de  choques  entre  as  próprias
moléculas, bem como deve aumentar a energia com que estes choques acontecem. Podemos, portanto concluir
que em sistemas gasosos o aumento de pressão aumenta o número de choques, inclusive os efetivos, aumentando
em conseqüência a velocidade da reação.
CATALISADORES
Um catalisador basicamente é uma substância química capaz de aumentar a velocidade de uma reação sem ser
consumido durante este processo. Um exemplo extremamente importante são as enzimas. Estas são catalisadores
bioquímicos  indispensáveis  ao  funcionamento  do  organismo.  O  que  de  fato  acontece  é  que  esta  espécie
disponibiliza um caminho termodinâmico alternativo para a reação com uma energia de ativação bem menor que a
normal.
Diagrama de Energia de uma reação química
A  conseqüência  é  que  um  número  maior  de  moléculas  pode  realizar  colisões  efetivas  aumentando
conseqüentemente a velocidade com que a reação se propaga.
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Existem  dois  tipos  diferentes  de  catalisadores,  os  homogêneos  se  encontram  na mesma  fase  dos  reagentes  e
normalmente formam intermediários de reação sendo recuperados em sua forma original ao final do processo.
Os catalisadores heterogêneos possuem ampla aplicação na indústria e também no cotidiano, como é o caso dos
catalisadores automotivos. São chamados heterogêneos por que se encontram numa fase diferente dos reagentes,
sendo  normalmente  superfícies  sólidas.  Nem  todos  os mecanismos  são  perfeitamente  entendidos  pela  química,
mas  de  forma geral  estas  espécies  proporcionam uma  superfície  favorável  à  reação,  ou  seja,  as moléculas  são
atraídas  pela  superfície  ficando  adsorvidas  (presas  na  superfície  do  catalisador),  nesta  situação  as  ligações
químicas das espécies reagentes ficam mais frágeis diminuindo a energia necessária para quebrá­las (Energia de
ativação) aumentando a velocidade da reação.
Catalisador automotivo
Localização do catalisador automotivo
O catalisador de redução – É a primeira parte do catalisador. Usa platina e ródio para ajudar a reduzir a saída de
NOx. Quando as moléculas NO ou NO2 entram em contato com o catalisador, ele “expulsa” o átomo de nitrogênio
para fora da molécula. Com isso, o átomo fica retido e o catalisador libera o oxigênio na forma de O2. Os átomos de
nitrogênio  se  unem  com  outros  átomos  de  nitrogênio.  Todos  são  retidos  pelo  equipamento,  formando  N2.  Por
exemplo:
O  catalisador  de  oxidação  ­  É  a  segunda  parte  do  catalisador.  Reduz  os  hidrocarbonetos  não  queimados  e  o
monóxido de carbono, queimando­os (oxidação) sobre o catalisador de platina e paládio. Isso ajuda na reação do
CO e dos hidrocarbonetos com o restante do oxigênio nos gases de escapamento. Por exemplo:
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Como funciona um catalisador automotivo
Concentração dos reagentes (Lei de Velocidade) Considere uma reação simples. A colisão bimolecular (entre duas
moléculas) de dois reagentes (A e B) produz a substância AB. Podemos escrever a equação química da seguinte
forma:
A + B → AB
Considerando  que  a  velocidade  da  reação  é  diretamente  proporcional  ao  número  de  colisões  efetivas,  se  a
concentração de B  fosse dobrada o número de possíveis  colisões  (combinações entre A e B)  também dobraria,
uma vez que passaria a existir proporcionalmente duas moléculas de B para cada molécula de A como mostra a
figura a seguir. O mesmo aconteceria se a concentração de A fosse duplicada.
Probabilidades de colisões numa reação bimolecular.
Estatisticamente  podemos  concluir  que  a  velocidade  da  reação  é  diretamente  proporcional  ao  produto  das
concentrações ou:
v=k.[A].[B]
Em que  v  é  a  velocidade  da  reação  e  k  é  uma  constante  de  proporcionalidade  também  chamada  constante  de
velocidade ou constante cinética da reação.
Consideremos agora um sistema mais complexo no qual duas moléculas de A precisam colidir com uma molécula
de B produzindo a molécula A2B.
2A + B → A2B
Neste caso a probabilidade de choques efetivos pode ser determinada matematicamente pelos princípios de análise
combinatória. O número de combinações possíveis de dois átomos de A para um átomo de B pode ser calculada da
seguinte forma:
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Velocidade da reação onde P é probabilidade de choques entre as espécies A e B.
Para um número muito grande de moléculas, como acontece em sistemas reais, o termo A­1 pode ser aproximado
como A. Inserindo o termo 2! na constante de velocidade a equação pode ser reescrita da seguinte forma. 
v = K[A]2 [B]
Esta equação, chamada Lei de Ação das Massa, mostra a dependência da velocidade com a concentração. Assim,
teoricamente, para a seguinte reação genérica aA + bB + cC + ... → produtos, a equação de velocidade será,
V = [A]a.[B]b.[C]c
Os expoentes a, b e c determinam a “Ordem de Reação”, ou seja, o número mínimo de moléculas que precisam se
encontrar  para  propagar  a  transformação  química.  Se  a  soma  dos  expoentes  é  1,  dizemos  que  a  reação  é  de
primeira ordem, se 2 a reação é de segunda ordem e assim por diante.
Devemos, no entanto, guardar algumas restrições com relação a esta regra. Esta equação só funciona se todas as
etapas da reação apresentam a mesma velocidade. No caso de reações envolvendo moléculas mais complexas é
comum que a reação ocorra em várias etapas, em cada uma das quais um fragmento da molécula é modificado.
Assim é provável que algumas etapas sejam mais lentas do que as outras.
Não devemos esquecer que a lei de velocidade depende do processo de colisão envolvido. Na prática isto significa
que numa reação que ocorre em muitas etapas somente as mais lentas influenciarão na velocidade da reação. É
mais  ou menos como um trânsito engarrafado, o que determina a duração da viagem não são as vias em que os
veículos circulam livremente, mais os pontos em que os motoristas são obrigados a ficarem parados por conta do
congestionamento.
Deste modo nem sempre os coeficientes estequiométricos terão relação com a ordem da reação.