O que é a energia de ativação por que ela é importante para a ocorrência de reações químicas?

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 que é uma reação química?

Uma reação química ocorre quando certas substâncias sofrem transformações em relação ao seu estado inicial (reagentes), resultando em um ou mais produtos. Para que isso possa acontecer, as ligações entre átomos e moléculas devem ser rompidas e devem ser restabelecidas de outra maneira. Como essas ligações podem ser muito fortes, geralmente é necessária energia na forma de calor para iniciar a reação.

A reação química é representada por meio da equação química, que é composta por fórmulas e coeficientes estequíométricos.

A ocorrência de uma reação química é indicada pelo aparecimento de novas substâncias (produtos), diferentes das originais (reagentes). Quando as substâncias reagem, às vezes ocorrem fatos visíveis que confirmam a ocorrência da reação. Dentre eles, podemos destacar: liberação de gás, liberação de luz, mudança na coloração, mudança no odor, mudança na temperatura e formação de precipitado.

Quando ocorre uma reação química?

Para que uma reação química ocorra, é necessário satisfazer 4 condições fundamentais:

1. Os reagentes devem entrar em contato;

Eles precisam entrar em contato para que suas partículas possam colidir, rompendo as ligações dos reagentes e formando as ligações dos produtos.

2. Deve haver afinidade química entre os reagentes;

Quanto maior for a afinidade química, mais rápida será a reação.

3. As colisões entre as partículas dos reagentes devem ser eficazes;

Os choques que resultam em quebra das ligações dos reagentes e formação de novas ligações são aqueles que ocorrem na orientação correta e com a energia suficiente.

4. Deve-se atingir a energia de ativação.

A quantidade mínima de energia necessária para que cada reação ocorra é chamada de energia de ativação.

A energia de ativação funciona como uma espécie de barreira para que a reação ocorra, pois, quanto maior ela for, mais difícil será para a reação ocorrer. Em alguns casos, é preciso fornecer energia para os reagentes.

Classificação das Reações Químicas

As reações químicas podem ser classificadas segundo vários critérios.

• Em relação à energia:

Quando uma reação libera calor, nós a chamamos de exotérmica (do grego: exo, “para fora”; thermos, calor); é o caso da queima do carvão:

C + O~2  →~ CO~2 +~ calor

~~Ou quando uma reação consome calor para se processar, nós a chamamos de endotérmica (do grego: endo, “para dentro”; thermos, calor);

N~2~ + O~2~ + calor → 2 NO

A classificação mais importante é dada a seguir:

• reações de síntese ou de adição;• reações de análise ou de decomposição;• reações de deslocamento ou de substituição ou de simples troca;~~• reações de dupla troca ou de dupla substituição.

Reações de síntese ou de adição

Ocorrem quando duas ou mais substâncias reagem, produzindo uma única substância mais complexa.

A+B→AB

Síntese total: quando partimos apenas de substâncias simples.
Exemplo: S + O~2 →~ SO~2~ e 2H~2~+ O~2~ →2H~2~O

Síntese parcial: quando, entre os reagentes, já houver no mínimo uma substância composta.
Exemplo: MgO + H~2~O → Mg(OH)~2~

Reações de análise ou de decomposição

Ocorrem quando uma substância se divide em duas ou mais substâncias de estruturas mais simples.

AB → A+B

Por exemplo:
2H~2~O   2 H~2~ + O~2~2H~2~O~2~   2H~2~O + O~2~

Certas reações de análise ou de decomposição recebem nomes especiais, como:

• Pirólise: decomposição pelo calor (na indústria é chamada também de calcinação – elevadas temperaturas);

• Fotólise: decomposição pela luz;

Peróxido de hidrogênio em presença de luz se decompõe em água e gás oxigênio.

2H~2~O~2~  → 2H~2~O + O~2~

• Eletrólise: decomposição pela eletricidade;

H~2~O → H~2~ + ½ O~2~

Reações de deslocamento ou de substituição ou de simples troca

Ocorrem quando uma substância simples reage com uma substância composta e “desloca” desta última uma nova substância simples.

AB + C → A + CB

C vê B ligado a A, aproxima-se e, sendo mais forte, desloca A e assume a ligação com B. Caso C não seja mais forte que A nada acontece.

Desta forma, temos:

2Na + 2H~2~O → 2NaOH + H~2~ (o sódio desloca o hidrogênio da água H-OH)

Au + HCl  não reage (o ouro não consegue deslocar o hidrogênio)

Reações de Oxirredução (Redox)

As reações de oxirredução estão entre as reações químicas mais comuns e importantes. Estas reações envolvem a transferência de elétrons de uma substância para outra. O termo oxidação se refere à perda e redução ao ganho de elétrons. Nestas reações, a substância que perde elétrons é conhecida como agente redutor, e a que ganha elétrons, agente oxidante. Como em uma transformação química o número de elétrons se mantém constante, oxidação e redução ocorrem simultaneamente.

Reações de dupla troca ou de dupla substituição

Ocorrem quando dois compostos reagem, permutando entre si dois elementos ou radicais e dando origem a dois novos compostos:

AB + CD → AD + BC

A própria reação de salificação (ácido + base) é um exemplo de reação de dupla troca:

Casos especiais de reações de dupla troca:

A) Uma reação de dupla troca pode acontecer se houver pelo menos um produto volátil.

FeS + 2 HCl → FeCl~2~ + H~2~S~(gás)~

Os exemplos mais importantes de produtos gasosos que tendem a escapar do sistema em reação são os ácidos HF, HCl, HBr, HI, H~2~S e HCN. Três casos importantes de desprendimento gasoso são devidos às seguintes decomposições espontâneas:

Por esse motivo, em toda reação de dupla troca, em que deveria haver produção de H~2~CO~3~, H~2~SO~3~ ou de NH~4~OH, teremos, na realidade, água e CO~2~, água e SO~2~ ou água e NH~3~, respectivamente:

B) Quando um dos produtos for um precipitado

Uma reação de dupla troca pode acontecer desde que tenhamos reagentes solúveis e ao menos um produto insolúvel, que irá formar um precipitado.

A tabela a seguir fornece a solubilidade em água da maioria dos sais utilizados em laboratório e pode ser consultada sempre que for necessário prever a ocorrência ou não da formação de um precipitado.

Os precipitados formados podem ser classificados em:

• Granular: Pequenos grãos de formato irregular que se sedimentam rapidamente. Sua aparência pode ser comparada à do café moído, sedo possível distingui-las.
• Cristalino: Pequenas partículas de formato regular e superfície lisa. Aparenta-se aos cristais de sal de cozinha ou açúcar. Apresenta facilidade na filtração e também se sedimenta rapidamente.
• Finamente dividido: Partículas muito pequenas que não podem ser distinguidas umas das outras (a olho nu) e levam muito tempo para sedimentarem-se. Sua aparência pode ser comparada à de farinha de trigo.
• Coloidal tipo gelatinoso: Massa compacta com aspecto de gelatina, impossível de ser filtrada e de difícil manipulação.
• Coloidal finamente dividido: partículas extremamente pequenas (como no precipitado finamente dividido) que atravessam até os poros de um filtro. Devido ao tamanho, essas partículas dificilmente sedimentam-se.

Exercício

1. (FURRN) No filme fotográfico, quando exposto à luz,ocorre a reação:

2 AgBr →2 Ag + Br~2~

Essa reação pode ser classificada como:

a) pirólise.
b) eletrólise.
c) fotólise.
d) síntese.
e) simples troca.

2. O consumo de ácido sulfúrico pode ser utilizado como um indicador do desenvolvimento de um país. Industrialmente, esse ácido pode ser obtido a partir da pirita de ferro, que consiste basicamente em sulfeto ferroso (FeS). Classifique as equações de obtenção industrial do ácido sulfúrico mostradas a seguir:

 I.FeS + O~2~→ Fe + SO~2~II. 2 SO~2~+ 2 O~2~→ 2 SO~3~III. SO~3~ + H~2~O → H~2~SO~4~

a) Dupla troca, síntese, síntese.
b) Dupla troca, análise, análise.
c) Síntese, simples troca, dupla troca.
d) Simples troca, análise, análise.
e) Simples troca, síntese, síntese.

3. Fazendo-se a classificação das reações abaixo:

(I) CuSO~4~ + 2NaOH → Cu(OH)~2~ + Na~2~SO~4~
(II) Cu(OH)~2~ → CuO + H~2~O
(III) Zn + 2AgNBaCO~3~ → 2Ag + Zn(NBaCO~3~)~2~
(IV) NH~3~ + HCl → NH~4~Cl

A ordem correta é:

a) Decomposição, simples troca, dupla troca, adição.
b) Dupla troca, adição, simples troca, análise.
c) Dupla troca, análise, deslocamento, síntese.
d) Deslocamento, análise, dupla troca, adição.
e) Dupla troca, decomposição, síntese, simples troca.

GABARITO

1.C

2.E

3.C

O que é energia de ativação é qual a importância dela nas reações?

Porque a energia de ativação é importante?

Qual a relação entre a energia de ativação é a ocorrência de uma reação química?

O que é a energia de ativação de exemplos?