Como funciona a concentração dos reagentes e a taxa de desenvolvimento das reações?

Definições básicas

Cinética química é o ramo da química que estuda a rapidez das reações químicas, bem como os fatores que a influenciam.

A rapidez, ou velocidade, de uma reação química indica a variação da quantidade de reagentes e produtos com o passar do tempo.

Consideremos uma reação química, já balanceada

aX + bY → cZ + dW

onde os reagentes X e Y vão sendo consumidos e os produtos Z e W formados.

Chamamos de velocidade média de consumo de X a razão:

Ou seja, a variação da concentração do reagente X com o tempo. O mesmo vale para o reagente Y.

Para os produtos Z e W, definimos:

O mesmo valendo para o produto W.

Considerando os coeficientes da reação balanceada definimos a velocidade média da reação como:

Energia de ativação

A energia de ativação é a energia mínima necessária para que a reação possa ocorrer. Ela recebe este nome porque reagentes e produtos passam por uma configuração intermediária que recebe o nome de complexo ativado. Trata-se, portanto, da energia mínima necessária para a formação deste complexo ativado.

A energia de ativação é explicada pela teoria da colisão: a reação química é constituída por colisões entre as moléculas dos reagentes. Nem toda colisão, porém, é eficaz, pois é necessário que haja energia suficiente e geometria molecular adequada. A energia de ativação é aquela requerida para que as colisões sejam eficazes, ou seja, resultem no complexo ativado.

Fatores que influenciam a velocidade da reação

• Concentração:

Quanto maior a concentração dos reagentes, maior a velocidade da reação.

• Energia de ativação:

Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação.

• Temperatura: 

Quanto mais elevada a temperatura, mais rápida será a reação.

• Pressão:

No caso de reações que envolvam reagentes gasosos, quanto maior a pressão, mais rápida a reação.

• Superfície de contato:

Para o caso de reagentes em diferentes fases, quanto maior a superfície de contato do reagente sólido, mais rápida será a reação.

• Catálise:

É uma reação na qual existe a presença de uma substância capaz de acelerar a reação - um catalisador -, mas que não toma parte na reação propriamente dita, permanecendo inalterada sua massa e suas propriedades após a reação. Seu efeito baseia-se na redução da energia de ativação. (Da mesma forma, pode ocorrer a presença de um inibidor - substância que inibe a ação do catalisador. Neste caso, obviamente, o efeito do catalisador é anulado, e a velocidade da reação permanece inalterada.)

Lei cinética de uma reação

É a equação que permite calcular a velocidade de uma reação a partir das concentrações de reagentes. De forma genérica:

v = k · [X]m · [Y]n

onde:

k : constante da velocidade da reação, dependente da temperatura.

[X] e [Y]: concentração dos reagentes X e Y em mol/L

m e n: são expoentes determinados experimentalmente, e que recebem o nome de "ordem da reação". Assim:

m: ordem da reação em relação a X

n: ordem da reação em relação a Y

m + n: ordem total da reação

Mecanismos das reações

É o conjunto de etapas em que ocorre uma reação, sendo a velocidade da reação determinada pela etapa mais lenta.

Dá-se o nome de reação elementar àquela que ocorre em apenas uma etapa. Reação não-elementar é aquela que ocorre em duas ou mais etapas.

No caso de uma reação elementar, a lei cinética pode ser adaptada para:

v = k · [X]x · [Y]y

onde x e y é o número de moléculas respectivamente de X e Y que sofrem a colisão que provocará a reação.

O efeito da concentração na velocidade das reações pode ser observado quando aumentamos a concentração de um ou mais reagentes, e a reação ocorre com maior rapidez.

A velocidade das reações químicas é estudada pela Cinética Química. Esse estudo é importante porque precisamos conhecer os fatores que influenciam a taxa de desenvolvimento de uma reação para conseguir acelerar algumas reações químicas que são muito lentas ou retardar algumas que são muito rápidas ou indesejáveis.

Um dos principais fatores que influenciam a velocidade das reações é a concentração dos reagentes. Se colocarmos o zinco mergulhado em duas soluções de ácido sulfúrico, sendo uma mais diluída (com mais água) e outra mais concentrada, por exemplo, veremos que o recipiente que contém o zinco na solução mais concentrada de ácido sulfúrico formará uma efervescência bem nítida, conforme a imagem no início deste artigo mostra.

Por outro lado, não ocorre praticamente nenhuma alteração no recipiente que contém o zinco mergulhado em uma solução bem diluída de ácido sulfúrico.

Por que isso ocorre? Bem, a reação entre o zinco e o ácido sulfúrico pode ser vista a seguir:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

Observe que há a formação do gás hidrogênio. As bolhas formadas são desse gás e indicam não só a ocorrência da reação, mas também que a reação se torna bem mais rápida quando se usa uma concentração maior de ácido sulfúrico.

Outro exemplo é quando temos uma reação de combustão ao ar livre e outra ocorrendo dentro de um recipiente fechado com gás oxigênio puro. A chama torna-se bem mais intensa quando a queima ocorre dentro do recipiente com oxigênio puro, ou seja, onde o combustível reage com 100% de moléculas de oxigênio. Já a combustão ao ar livre contém apenas 20% de moléculas do gás oxigênio, pois o ar é constituído de cerca de 79% de moléculas de gás nitrogênio e 1% de outros gases.

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Esses dois exemplos mostram o efeito da concentração na velocidade das reações, que é o seguinte:

“Quanto maior a concentração dos reagentes, maior será a velocidade de uma reação.”

Isso é explicado quando analisamos a teoria das colisões, que diz que, para que a reação química ocorra, as partículas (moléculas, átomos, íons etc.) dos reagentes devem colidir entre si. Mas essa colisão deve ser efetiva, ou seja, deve ser feita em uma orientação adequada e com energia suficiente.

Assim, quando aumentamos a concentração de um ou mais reagentes, a quantidade de partículas deles aumenta no meio. Consequentemente, ocorrem mais colisões entre as partículas, e a probabilidade de ocorrerem colisões efetivas (que resultem na reação) torna-se maior, o que ocasiona um aumento da velocidade da reação.

De forma resumida, temos:

Videoaula relacionada:

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Como ocorre a concentração dos reagentes?

O que e a taxa de desenvolvimento de uma reação?

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