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CINÉTICA QUÍMICA

A cinética química é a parte da físico-química que estuda a velocidade das reações, fatores que influem na velocidade e como tornar uma reação mais rápida ou mais lenta.

VELOCIDADE MÉDIA (VM) DE UMA REAÇÃO QUÍMICA.

Na Física, a velocidade média estuda o espaço percorrido por um corpo em um determinado intervalo de tempo. Na Química, o conceito é semelhante. Estudaremos a quantidade de reagente consumido ou de produto formado em um determinado intervalo de tempo.

A OCORRÊNCIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS.

A ocorrência das reações químicas está diretamente relacionada ao momento em que as moléculas reagentes se chocam de forma eficaz ou efetiva (Colisão eficaz).

A figura abaixo ilustra a ocorrência da reação H2  +   Cℓ2   →  2 HCℓ :

A ENERGIA DE ATIVAÇÃO (EA).

É a energia mínima que as moléculas devem possuir para que a colisão eficaz ocorra, produza o complexo ativado, o que garante o início da reação.

OBSERVAÇÃO

Normalmente as moléculas reagentes não possuem essa “energia mínima”, que então deverá ser fornecida para que se inicie a reação.

Um bom exemplo é a energia que devemos fornecer para iniciar a queima do carvão em uma churrasqueira. Tal energia é utilizada para provocar a colisão eficaz entre as moléculas de carvão (C) e oxigênio (O2) produzindo gás carbônico, além de considerável quantidade de calor.

O estudo cinético de uma reação química pode ser representado graficamente:

FATORES QUE INFLUEM NA VELOCIDADE DAS REAÇÕES.

Os principais fatores que influem na velocidade das reações são:

Temperatura

O aumento na temperatura → aumenta a energia cinética das moléculas → aumenta a freqüência das colisões → aumenta a velocidade da reação.

Pressão

O aumento na pressão → diminui o volume do sistema → aumenta a aproximação das moléculas reagentes → aumenta a freqüência das colisões → aumenta a velocidade da reação.

OBSERVAÇÃO

O efeito da pressão só é significativo quando a reação ocorre em fase gasosa.

Concentração dos reagentes

O aumento na concentração dos reagentes → aumenta o nº de moléculas por unidade de volume → aumenta a probabilidade das colisões → aumenta a velocidade da reação.

Exemplo: Ao abanarmos uma churrasqueira quando o carvão inicia a combustão, estamos aumentando a concentração de O2 e por isso o carvão queima mais rapidamente.

Superfície de contato

A superfície de contato é a área de um determinado reagente que está exposta para contato com um outro reagente. Como a efetivação de uma reação depende do choque entre moléculas, o aumento na superfície de contato → aumenta a freqüência das colisões → aumenta a velocidade da reação.

OBSERVAÇÃO

O efeito da superfície de contato só é considerável se um dos reagentes da reação for sólido.

Exemplo: Quando quebrarmos um comprimido efervescente, reduzindo-o em pedaços, notamos que sua reação com a água se dá com uma velocidade muito superior em relação à utilização de um comprimido inteiro.

CATALISADOR

Os catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade das reações, diminuindo a energia de ativação, mas não são consumidos no processo.

OBSERVAÇÃO

Nos casos em que uma reação química não é desejada, adiciona-se aos reagentes uma substância capaz de aumentar a energia de ativação, tornando a colisão eficaz mais difícil de ocorrer. São os chamados catalisadores negativos ou inibidores.

Ex: Conservantes de alimentos.

O gráfico abaixo representa a reação sem e com catalisador:

OBSERVAÇÃO

Lembre-se de que a energia de ativação deve ser fornecida para as moléculas reagentes. Assim, quanto menor ela for, mais rapidamente ocorrerá a colisão eficaz e conseqüentemente mais rápida será a reação.

EXERCÍCIO RESOLVIDO

A cinética da reação  N2(g)   +   3 H2(g)   →   2 NH3(g)  foi estudada na tabela abaixo:

Mols de N2

8

4

2

1

Tempo ( min)

0

10

20

30

a) Determine a velocidade média da reação, nos dez primeiros minutos, em mol de N2/minuto.

b) Determine a velocidade média de formação de NH3, em litros/hora, nas CNTP, no intervalo de 10-20 minutos.

c) Determine a velocidade média de consumo do H2, em gramas/segundo, nos 20 primeiros minutos de reação.

Solução:

As questões que envolvem velocidade média em reações químicas, em geral são questões tipicamente de cálculos estequiométricos.

a)  

OBSERVAÇÃO

Devemos ignorar possíveis sinais negativos provenientes dos cálculos de variação do nº de mols (Dn) e do tempo de reação (Dt).

b) Observe que nesse item a pergunta se refere ao produto da reação (NH3), mas a tabela faz um estudo cinético em função do N2. Nesse caso é necessária a utilização do cálculo estequiométrico.

Cálculo da Vm em relação ao N2:

Como a proporção molar entre N2 e NH3 é de 1 : 2, concluímos que a Vm de produção de NH3 é o dobro da Vm de consumo do N2.

Agora é preciso ajustar as unidades da velocidade. Observe que o item pede a velocidade em litros de NH3, nas CNTP por hora. Temos então:

1 mol de NH3 ———– 22,4 litros (CNTP)

0,4 mol de NH3 ———– x

x = 8,96 litros de NH3/ min    X    60 minutos    =   537,6 litros de NH3/ hora.

c) Cálculo da Vm em relação ao N2:


Como a proporção molar entre N2 e H2 é de 1 : 3, concluímos que a Vm de consumo de H2 é o triplo da Vm de consumo do N2.

Agora é preciso ajustar as unidades da velocidade. Observe que o item pede a velocidade em gramas de H2 por segundo. Temos então:

1 mol de H2 ———– 2 gramas

0,9 mol de H2 ———– x

x = 1,8 g/min

Dividindo-se o valor por 60, temos:  Vm = 0,03 gramas de H2/segundo.

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