Energia de Ativação e a Lei de ação das massas

Você sabia que a cinética química está presente em nosso dia a dia através da identificação dos fatores que irão influenciar a velocidade das reações químicas, aumentando ou diminuindo sua rapidez? Então venha estudar conosco e se preparar para a prova do Enem!

Quando colocamos os alimentos dentro da geladeira ou do freezer, estamos diminuindo a temperatura na qual estes alimentos estão expostos. A gente acaba fazendo isso no automático, mas nosso intuito é evitar a deterioração dos alimentos. Por isso, nessa aula vamos entender as reações elementares, o que é energia de ativação e a velocidade da reação!

Além dos processos já falados, existem outros bem comuns da nossa rotina que mostram a importância da temperatura e da energia utilizada nas reações. Em outro processo, quando estamos cozinhando os alimentos, aumentamos a chama do fogão, para aumentar a temperatura de cozimento dos alimentos e assim agilizar todo o processo.

Quando fazemos churrasco com carvão, é comum, no início da queima, as pessoas abanarem, para que a chama se propague mais rápido. Pode não parecer, mas você está fazendo um processo químico! Esses processos também ocorrem em nosso organismo. Muitas reações químicas são realizadas por catalisadores, as enzimas, que favorecem reações de quebras e digestão dos alimentos. Já nas indústrias, os catalisadores são importantes para o desenvolvimento mais rápido das reações químicas.

Conseguiu verificar como a Química está presente em nosso cotidiano por diversos processos e maneiras? Agora vamos ver um pouquinho da teoria.

Reações Elementares e Cinética Química

Na Química, o termo velocidade está relacionado ao quanto uma reação química se desenvolve mais rapidamente ou mais lentamente. A cinética química estuda a velocidade das reações químicas (rapidez com que os reagentes são consumidos ou a rapidez com que os produtos são formados) e os fatores que a influenciam.

Tem-se a seguinte reação hipotética:

aA    +   bB     →   cC    +   dD

No início da reação há apenas as substâncias A e B (reagentes que vão sendo consumidos e diminuindo progressivamente), em seguida começam a se formar as substâncias C e D, que vão aumentando até que a reação se complete.

A velocidade média (Vm), calculada em função de uma das substâncias participantes da reação, é a razão entre a quantidade consumida ou produzida da substância e o intervalo de tempo (Δt) em que isso ocorreu:

reações elementares fórmula da velocidade

A velocidade média da reação é o valor da velocidade de consumo de um dos reagentes, ou da velocidade de formação de um dos produtos, dividido pelo respectivo coeficiente da substância na equação da reação balanceada.

Como exemplo temos a seguinte reação:

N2(g)   +   3 H2(g)  ↔ 2NH3 (g)

Tempo Reagente 1 Reagente 2 Produto
T0 = 0 10 mol 15 mol 0
T1 = 1seg 9 mol 12 mol 2 mol
T2 = 2seg 7 mol 6 mol 6 mol
T3 = 3seg 7 mol 6 mol 6 mol

 

Vamos calcular a velocidade média de N2, NH3 e H2 no intervalo To – T2:

VN2 cálculo velocidade N2 =  – 1,5 mol/seg (isso significa que ele está sendo consumido)

VNH3 = cálculo velocidade NH3 = 3 mol/seg (está sendo produzido)

VH2 = cálculo velocidade h2= – 4,5 mol/seg

O que é Energia de Ativação?

Para que uma reação química ocorra, os reagentes devem entrar em contato e devem ter afinidade química. As moléculas dos reagentes devem colidir entre si, com energia suficiente para romper as ligações existentes nos reagentes.

Para que a colisão ocorra, é preciso que os reagentes adquiram uma quantidade mínima de energia chamada de energia de ativação. Por exemplo, para que a chama do fogão seja formada, é preciso fornecer uma faísca elétrica para permitir a ocorrência da reação entre o gás oxigênio e o gás de cozinha.

Quando a energia de colisão entre as partículas dos reagentes é igual ou superior à energia de ativação, forma-se uma estrutura instável e intermediária entre os reagentes e produtos denominada de complexo ativado (estado transitório da reação entre os reagentes, enquanto os produtos ainda não foram formados).

Complexo ativado das reações elementares

Quanto mais o complexo ativado demorar para ser formado, maior será a energia de ativação utilizada pelos reagentes, e menor será a velocidade de reação. As reações químicas mais rápidas são aquelas em que a energia de ativação usada pelos reagentes é menor, o que resulta em uma formação mais rápida do complexo ativado.

No gráfico abaixo, podemos calcular a energia de ativação através do seguinte cálculo: subtrair a energia do complexo ativado pela energia dos reagentes:

gráfico de energia de ativação
Fonte: manualdaquimica.com.br

Calculando a energia de ativação:

Eat = 130-50

Eat = 80 kj

Independente de a reação química ser exotérmica ou endotérmica, os reagentes sempre irão necessitar de uma energia de ativação para atingir o complexo ativado. A energia de ativação varia de acordo com o tipo de reação química: nas reações endotérmicas ela é maior do que nas reações exotérmicas.

gráfico reação endotérmica com energia de ativação
Fonte: mundoeducacao.bol.uol.com.br

ΔH > 0

Hp > Hr

gráfico de reação exotérmica
Fonte: mundoeducacao.bol.uol.com.br

ΔH < 0

Hp < Hr

A energia de ativação representa um obstáculo na transformação de reagentes em produtos, assim, a reação só ocorre se esse obstáculo for transposto, isto é, se as moléculas dos reagentes adquirirem energia de ativação.

Quanto menor for a energia de ativação a ser adquirida, mais facilmente os reagentes irão transpor esse obstáculo, e mais rapidamente a reação irá ocorrer. Quanto maior for a energia de ativação a ser adquirida, mais difícil será para os reagentes transpor esse obstáculo, e a reação ocorrerá mais lentamente.

Fatores que alteram a velocidade das reações

As reações químicas ocorrem com velocidades diferentes e estas podem ser alteradas, porque além da concentração de reagentes e produtos, as velocidades das reações dependem de outros fatores como a luz e a eletricidade. Por exemplo, quanto maior o fornecimento de luz e eletricidade, maior será a velocidade das reações que são ativadas por esses fatores.

A pressão também influencia a velocidade de uma reação, pois quanto maior a pressão em sistemas em que ocorrem reações na fase gasosa, maior o contato entre as partículas reagentes e, com isso, maior a velocidade da reação. A concentração de reagentes também influencia a velocidade de uma reação, pois quanto maior o número de partículas de reagente por unidade de volume, maior a possibilidade de haver colisão entre essas partículas, e assim, maior a velocidade da reação.

Outro fator que interfere na velocidade das reações é a temperatura. Por ser diretamente proporcional ao movimento das partículas de uma substância, um aumento de temperatura implica um aumento do movimento das partículas, aumentando assim os choques entre elas. Esse acúmulo de choques provoca o aumento da velocidade da reação.

A adição de catalisador é uma substância que adicionada à reação aumenta a velocidade da mesma. O catalisador age diminuindo a energia de ativação, mas não alterando o ΔH. Esse catalisador não é consumido durante a reação química (assim, se o exercício te perguntar quem foi o catalisador na reação, é só buscar aquela substância que não foi consumida).

Quando uma reação química processa-se com a utilização de um catalisador, observa-se uma segunda curva abaixo da curva maior, indicando que a energia de ativação sofreu uma diminuição. Isso significa que a formação do complexo ativado foi mais rápida, tornando a reação também mais rápida.

gráfico de reação com catalisador
Fonte: mundoeducacao.bol.uol.com.br

No gráfico abaixo observamos que a seta azul indica uma energia de ativação menor, com presença de catalisador, que se processa de forma mais rápida, e a seta vermelha indica uma energia de ativação maior.

gráfico de reação com catalisador e diferente energia de ativação
Fonte: mundoeducacao.bol.uol.com.br
Lei da Ação das Massas

Dois químicos noruegueses, Cato Maximilian Guldeberg (1836 – 1902) e Peter Waage (1833 – 1900), estudando a cinética das reações químicas em função da concentração dos reagentes, estabeleceram por volta de 1864 a Lei de Ação das Massas, cujo enunciado é:

A cada temperatura, a velocidade de uma reação é diretamente proporcional ao produto das concentrações em quantidade de matéria dos reagentes, elevadas a expoentes determinados experimentalmente.

Considerar a seguinte reação hipotética:

aA   +   bB    →  cC   +   dD

V = k. [A]x .  [ B ]y

v = velocidade da reação

k = constante de velocidade

[A] = concentração molar de A

[B] = concentração molar de B

x e y = expoentes determinados experimentalmente

Quando uma reação química se desenvolve em uma única etapa, recebe a denominação de reação elementar. Numa reação elementar, os expoentes a que se devem ser elevadas as concentrações em quantidade de matéria dos reagentes na expressão da velocidade são os próprios coeficientes dos reagentes da equação balanceada.

aA   +   bB    →   cC   +  dD

Ordem de uma reação é a soma de todos os expoentes que aparecem na expressão da velocidade da reação.

V = k. [A]a .  [B]b

ou como no exemplo:

2 CO(g)  +   1 O2(g)  →   2 CO2(g)

V = k . [CO]2 . [O2]1

ordem da reação = 2  +  1  = 3 (3ª ordem)

Quando a reação se desenvolve em duas ou mais etapas distintas, esta reação chama-se não elementar. A velocidade dessa reação depende apenas da velocidade da etapa lenta. A velocidade da reação global será proporcional apenas às concentrações em quantidade de matéria dos reagentes que participam da etapa lenta.

Temos como exemplo:

etapa 1(lenta): C(graft)    +    ½ O2(g)  →   CO(g)

etapa 2 (rápida):  CO(g)   +   ½ O2(g)  →    CO2(g)

etapa global:  C(graft)     +     O2(g)  →    CO2(g)

velocidade da reação:   V = k. [C]1 .  [O2]½

Podemos determinar experimentalmente a ordem de uma reação e consequentemente os expoentes que entram na expressão da velocidade, observando como a variação na concentração de um dos reagentes altera a velocidade da reação.

Vamos ver como isto será feito a partir de uma reação genérica:

N2(g) +  3  H2(g)  →  2 NH3(g)

reações elementares

Na tabela acima há 3 experimentos que representam as etapas da reação, as concentrações e as velocidades de cada etapa.

Como não é uma reação elementar, onde os coeficientes são os expoentes, e também não é reação não elementar, onde iremos trabalhar com a reação lenta, devemos escolher dois experimentos: primeiro verificamos onde a concentração de N2 varia, e onde a concentração de H2 se mantém constante. Assim, do experimento I para o experimento II, a concentração de N2 dobrou, enquanto que a velocidade quadruplicou, e H2 se manteve igual. Assim temos:

2x = 4

2x = 2²

X = 2

Agora observamos a concentração de H2: no experimento I e III, a concentração de H2 mudou e a concentração de N2 não mudou. Do experimento I para o III, a concentração de H2 dobrou e a velocidade também. Assim temos:

2x = 2, logo x = 1 (reagente H2 de 1º ordem)

A expressão da velocidade é igual a:

V = k. [N2]2 .  [H2]1

Depois de tanta informação vamos ver as aulas e compreender melhor este conteúdo?

Agora vamos testar nossos conhecimentos em alguns exercícios:

1) (UFMG-MG-2009) A elevação da temperatura aumenta a velocidade das reações químicas porque aumenta os fatores apresentados nas alternativas, exceto:

a) a energia cinética média das moléculas

b) a energia de ativação

c) a frequência das colisões efetivas

d) o número de colisões por segundo entre as moléculas

e) a velocidade média das moléculas

gab.: B

2) (UNESP-SP) Sobre catalisadores, são feitas quatro afirmações:

I- são substâncias que aumentam a velocidade de uma reação

II- reduzem a energia de ativação da reação

III- as reações nas quais atuam não ocorreriam nas suas ausências

IV- enzimas são catalisadores biológicos

Dentre estas afirmações, estão corretas, apenas:

a) I e II

b) II e III

c) I, II e III

d) I, II e IV

e) II, III e IV

gab.: D

3) (VUNESP-SP-2012) Uma certa reação química, representada pela equação abaixo:

A   +   4B    →    X   + Y

É formada após a ocorrência de 3 etapas, as quais estão representadas a seguir:

reação I:     A  +  2B   →  C   +  D  (reação lenta)

reação II:   C   +   B  →   X

reação III:   D  +   B   →  Y   (reação rápida)

Qual das alternativas abaixo contêm a expressão da velocidade para essa reação genérica?

a) V = k. [A]2 . [B]1

b) V = k . [A]1 . [B]2

c) V = k . [A]1 . [B]1

d) V = k . [B]2

gab.; B

4) (UERN-RN) No estudo cinético da reação representada por: x + y → z, foram encontradas as seguintes variações de concentração e velocidade em um intervalo de tempo:

Analisando os resultados, a expressão correta da lei da velocidade para essa reação é:

a) V = k . [x]2 . [y]2

b) V = k . [x]3 . [y]3

c) V = k . [x]3 . [y]2

d) V = k . [x]2 . [y]3

gab.: D

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.