Cinética química e a velocidade das reações químicas

A cinética química é o ramo da Química que estuda a rapidez ou velocidade de uma reação química e os fatores que influenciam essas reações.

O que é cinética química

A cinética química é o ramo da Química que estuda a rapidez ou velocidade de uma reação química. As condições ambientais e também as substâncias envolvidas nas reações influenciam nas suas velocidades. Sendo assim, as reações químicas ocorrem com diferentes velocidades.

Energia e reações

Cada substância possui uma certa quantidade de energia (calor) em seu interior para manter os átomos unidos, que poderá ser modificada toda vez que essa substância sofrer qualquer transformação.

As reações químicas são rearranjos de átomos em que as quebras das ligações químicas das substâncias irão originar novas ligações e, consequentemente, novas moléculas. Podemos comprovar a sua ocorrência pela liberação de gás, de luz, formação de precipitado, mudanças na coloração e na temperatura da reação.

Em uma reação química, para que uma ligação seja rompida é preciso fornecer energia à reação, e para formar uma nova ligação, deve-se liberar energia.

Sendo assim, as reações químicas liberam ou absorvem energia do ambiente para que seus componentes possam interagir e formar novos compostos.

No nosso cotidiano, as reações químicas se processam com velocidades diferentes. Algumas podem ser muito rápidas, como uma explosão ou a queima dos fogos de artifício e um comprimido efervescente. Enquanto isso, existem outras lentas, que podem demorar vários anos, como a fermentação do suco de uva, usada na fabricação do vinho, ou a formação de petróleo.

O que é necessário para que ocorra uma reação química

Para que uma reação possa ocorrer há a necessidade de contato com orientação adequada entre as moléculas dos reagentes. Esse contato se dá por meio de choques e, assim, suas ligações são quebradas e se formam as novas ligações das moléculas dos produtos. Nessa etapa é formado o complexo ativado.

Há também a necessidade de afinidade química entre os reagentes da reação, ou seja, eles precisam reagir entre si para formar novos produtos. Portanto, podemos dizer que quanto maior for a afinidade química entre as substâncias, maior será a velocidade dessa reação.

Por último, quando as moléculas dos reagentes começam a reagir, devem bater umas nas outras, o que provoca a ruptura de suas ligações, formando novas ligações. Assim, quanto maior a quantidade de choques entre as moléculas, maior será a velocidade dessa reação química.

A energia necessária para que uma reação ocorra é denominada energia de ativação. Essa energia propicia o choque entre as moléculas dos reagentes, quebrando suas ligações e formando os produtos da reação.

Energia de ativação - Cinética química

O ponto mais alto do gráfico representa o complexo ativado, que é um estado intermediário entre os reagentes e os produtos. Ele compreende o ponto em que os reagentes começam a receber energia, até o momento final, que é o ponto mais alto.

Energia de ativação

Mas como podemos interpretar a energia de ativação? Usamos os gráficos de entalpia da termoquímica, onde teremos as reações exotérmicas que liberam calor para o ambiente, pois a energia presente nos reagentes é maior que a energia dos produtos. Assim, ocorre uma sobra de energia na reação, que será liberada na forma de calor.

Já as reações endotérmicas absorvem calor do ambiente, sendo que esse calor é incorporado para que a reação química possa acontecer. O equilíbrio da reação é deslocado para a formação dos produtos.

Reações exotérmicas e endotérmicas - Cinética química

Nos gráficos acima – que envolvem a energia necessária para que a reação ocorra, e o caminho da reação –, temos as reações exotérmicas e endotérmicas. Verificamos que as reações exotérmicas necessitam de menos energia de ativação para que a reação ocorra. Enquanto isso, as reações endotérmicas necessitam de muita energia de ativação para que a reação ocorra.

Assim, a reação mais rápida será aquela que precisa de menos energia de ativação para ocorrer.

O que é a velocidade média de uma reação química

A velocidade média de uma reação representa a velocidade com que os reagentes são consumidos, ou a velocidade com que os produtos são formados.

No início de uma reação química, a quantidade ou concentração de reagentes é muito grande, e vai diminuindo com o passar do tempo para a formação dos produtos. A quantidade ou concentração dos produtos no início é igual a zero, e com o passar do tempo aumenta consideravelmente.

Podemos representar graficamente uma reação química, e entender como ocorre o consumo dos reagentes e a formação dos produtos da reação.

Na reação: N2(g)  +  3 H2(g)  →   2 NH3(g)

Temos o seguinte gráfico:

Gráfico - Cinética química
Fonte: quimicaevestibular.com.br

O gráfico acima relaciona a concentração dos compostos pelo tempo em que ocorrem as reações. Verificamos que os dois reagentes são consumidos e que suas quantidades diminuem com o passar do tempo. Ao mesmo tempo, a quantidade de produto formado aumenta com o passar do tempo.

Como calcular a velocidade média de uma reação química

O cálculo da velocidade média é determinado pela razão entre a variação da concentração dos reagentes ou dos produtos, e o intervalo de tempo no qual a reação ocorreu.

A concentração é expressa em: [  ], e sua unidade é mol/L. A variação de tempo é expressa em: ∆t, podendo ser usadas as unidades em hora, minuto e segundo.

A fórmula da velocidade média é representada por:

Velocidade média

∆t = intervalo de tempo, e é representado por: t final – t inicial

∆[ ] = [final]  – [inicial]

Observação: a variação da concentração dos reagentes apresenta valor negativo, pois sua concentração final é menor do que a inicial. Para realizar seu cálculo, devemos usar o módulo: | | na fórmula.

Exercícios resolvidos

1- Calcular a velocidade média de formação da amônia no intervalo de tempo correspondente entre 0 a 1 minuto, de acordo com a reação: 2 NH3    →  N2  +  3 H2

[NH3]mol/L:     tempo (minuto):

8                        0

4                        1

2                        2

1                        3

Resolução:

V[NH3]=|[NH3] final  [NH3] inicial|Tempo final  Tempo inicial

 

V[NH3]=|48|10

 

V[NH3]=|4|0= 4mol/minuto
2- (UECE-2010)

Seja a reação: X → Y + Z. A variação na concentração de X em função do tempo é:

X (mol/L) 1 0,7 0,4 0,3
Tempo (s) 0 120 300 540

A velocidade média da reação no intervalo de 2 a 5 minutos é:

a) 0,3 mol/L.min.

b) 0,1 mol/L.min.

c) 0,5 mol/L.min.

d) 1,0 mol/L.min.

e) 1,5 mol/L.min.

Resolução:

Primeiramente devemos saber que 2 minutos representam 120 segundos, e que 5 minutos representam 300 segundos.

Vamos agora para a fórmula da velocidade média:

Velocidade média exercício

Gabarito: b

Cálculo da velocidade média com o coeficiente estequiométrico

Podemos calcular também a velocidade média da reação química, sem citar a formação de produtos ou o consumo de reagentes. Nesse caso, iremos trabalhar com o valor das velocidades de cada participante dividindo pelo seu coeficiente estequiométrico.

Nesta fórmula que descrevemos abaixo, a quantidade que é formada ou a quantidade que é consumida não pode ser expressa por massa.

Na reação:  2A   +   3 B   →   C

Para calcularmos a velocidade média da reação iremos dividir as concentrações de cada composto pelo seu coeficiente estequiométrico, tendo no final de cada equação valores iguais:

Cálculo da velocidade média com o coeficiente estequiométrico

Exercício resolvido

(UNIFICADO-RJ-2012) Numa experiência envolvendo o processo: N2 + 3H2 → 2NH3,

a velocidade da reação foi expressa como = 4,0 mol/L.h. Considerando-se a não ocorrência de reações secundárias, a expressão dessa mesma velocidade, em termos de concentração de H2, será:

a) -Δ[H2]/Δt = 1,5 mol/L.h

b) -Δ[H2]/Δt = 5,0 mol/L.h

c) – Δ[H2]/Δt= 6,0 mol/L.h

d) -Δ[H2]/Δt = 8,0 mol/L.h

e) -Δ[H2]/Δt = 12,0 mol/L.h

Resolução:

O valor da velocidade da reação consta do enunciado. Assim, vamos calcular o valor da velocidade da concentração de H2 usando a fórmula:

Vm=V[H2]3

Sabemos o valor da velocidade da reação, então:

4=V[H2]3

Portanto, V [H2] = 12 mol/L.h. A resposta correta é a letra “e”.

Videoaula sobre cinética química

Por fim, para entender melhor sobre cinética química e velocidade das reações, veja esta aula do prof. Sobis:

Exercícios de cinética química e velocidade das reações

.

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.

Compartilhe: