Velocidade de Reação
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Velocidade de Reação


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Velocidade de reação

A cinética química é o ramo da físico-química que está preocupado com a compreensão das taxas das reações químicas. Os princípios da cinética química aplicam-se aos processos físicos, bem como para reações químicas. Em uma reação química, os reagentes são transformados em produtos, o que significa que as ligações químicas são quebradas e formadas de modo que ocorra mudanças nas posições relativas dos átomos nas moléculas. Neste contexto vale ainda dizer que em uma reação química há mudanças nos arranjos dos elétrons que formam as ligações químicas. Uma descrição de um mecanismo de reação deve, portanto, lidar com os movimentos e velocidades de átomos e elétrons. O mecanismo detalhado pelo qual um processo químico ocorre é chamado de caminho de reação.

Algumas reações químicas ocorrem em única etapa (reações elementares), outras no entanto, ocorrem em múltiplos passos. Medições das velocidades das reações químicas ao longo de uma série de condições podem mostrar se uma reação ocorre em um ou mais passos. Se uma reação for gradual, as medidas cinéticas fornecem algumas informações sobre o mecanismo de reação. As informações referentes aos mecanismos de reação também são fornecidas por alguns estudos não-cinéticos (técnicas espectroscópicas, por exemplo), mas pouco pode ser conhecido sobre um mecanismo até que sua cinética tenha sido investigada.

Definição de velocidade de reação

A velocidade de uma reação é definida em termos das taxas com as quais os produtos são formados e os reagentes são consumidos. Para sistemas químicos, é comum lidar com as concentrações de substâncias, que são definidas como a quantidade de substância por unidade de volume. A velocidade pode então ser definida como a concentração de uma substância que é consumida ou produzida em tempo unitário. Conforme a reação processa, a concentração dos reagentes diminui e a dos produtos aumenta. Às vezes é mais conveniente expressar a velocidade de reação como números de moléculas formadas ou consumidas por tempo unitário. Algumas reações químicas são quase instantâneas, enquanto outras costumam levar algum tempo para atingir o equilíbrio final.


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Curva de concentração de reagentes e produtos por tempo

Equações das leis de velocidade

Considere a seguinte reação química genética:

\[aA + bB \to pP + qQ\]
Neste caso, vamos supor ainda que os reagentes são representados pelas letras maiúsculas A e B, enquanto as letras P e Q denotam produtos. Por fim, as letras “a, b, p, q” representam os coeficientes estequiométricos da reação. Deste modo, a velocidade de reação (v) é definida como:\(v = - {1 \over a}{{d[A]} \over {dt}} = - {1 \over b}{{d[B]} \over {dt}} = + {1 \over p}{{d[P]} \over {dt}} = + {1 \over q}{{d[Q]} \over {dt}}

\[Aqui, o sinal negativo da expressão é usado somente para indicar que a concentração de reagentes diminui com o tempo (t) de reação.

Velocidade média de reação

Como já discutimos, a velocidade de uma reação química pode ser definida como a mudança na concentração de uma substância dividida pelo intervalo de tempo em que esta alteração é observada. Consideremos agora a seguinte reação química:\]
A \to B

\[Neste exemplo, um reagente A sofre uma transformação química para gerar o produto B. Por convenção dos químicos, é comum representar a concentração de qualquer reagente ou produto como [reagente] ou [produto]. Então podemos escrever a concentração de A e de B como [A] e [B]. Deste modo, a velocidade de reação é dada por:\]
v = - {{\Delta [A]} \over {\Delta t}} = {{\Delta [B]} \over {\Delta t}}

\)

em que Δ[A] é a diferença entre a concentração de A no intervalo de tempo \(\Delta t = {t_2} - {t_1}\).

O entendimento das expressões de velocidade de reação permite que os cientistas otimizem os parâmetros dos processos químicos, a fim de obter os resultados mais desejados de uma reação química.

Leis de velocidade de reação

A lei da velocidade de reação é uma relação matemática entre a velocidade e a concentração dos reagentes. Para a nossa reação genérica,

\[aA + bB \to pP + qQ\]
a lei da velocidade pode ser escrita, genericamente por:\(v = k{[A]X}{[B]Y}

\)

onde, X e Y são os coeficientes da lei da velocidade. Essa relação é obtida experimentalmente. A expressão da lei de velocidade pode incluir algumas, todas ou nenhuma das espécies reagentes envolvidas na reação. Note, por exemplo que se X ou Y forem zero, a expressão pode ou não depender da concentração de A ou B. A soma X + Y é a ordem da reação.

A constante de proporcionalidade, k, é conhecida como constante de velocidade e é específica para a reação mostrada em uma determinada temperatura. A constante de velocidade muda com a temperatura, e suas unidades dependem da soma dos expoentes do termo de concentração na expressão da lei de velocidade.

Fatores que afetam a velocidade de reação

Certos fatores podem influenciar na velocidade de reação, por exemplo: a temperatura, a concentração de reagentes, a pressão e catalisador.

Concentração dos reagentes: o aumento da concentração de reagentes aumenta a velocidade da reação, exceto nas reações de ordem zero. Isso ocorre devido ao fato da maior facilidade das moléculas de reagentes se encontrarem e se combinarem em sistemas mais concentrados.

Temperatura: o aumento da temperatura proporciona o acréscimo na velocidade de uma reação, porque a energia cinética (energia do movimento da partícula) mais alta proporciona mais colisões entre as moléculas do reagente. Isso, por sua vez, aumenta a chance dessas moléculas tenham energia de ativação suficiente para reagir umas com as outras.

Pressão: o efeito da pressão é muito semelhante ao da temperatura. Aumentar a pressão do sistema irá proporcionar o aumento da velocidade de reação, pois maior quantidade de energia cinética as moléculas do reagentes terão.

Catalisador: um catalisador reduz a energia de ativação da reação, por consequência ocorre o aumento da velocidade de reação.


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Parâmetros que afetam a velocidade de reação