Fatores que Influenciam na Velocidade

Prosseguindo em nosso estudo de cinética química, é de suma importância conhecer e entender quais fatores influenciam na velocidade, de forma a facilitar a reação com o aumento da velocidade quando estes são maiores, ou de dificultar a reação caso contrário.

Os fatores discutidos neste material são quatro: a temperatura, a concentração dos reagentes, a superfície de contato entre eles e os catalisadores.

Concentração

Intuitivamente, levando como ideia que reações ocorrem por meio de colisões entre moléculas, pode-se perceber que com o aumento da concentração, ou seja, maior número de moléculas ou partículas em mesmo volume, haverá menos espaço para movimentação, e portanto mais colisões que poderão ocasionar nas reações químicas em discussão.

Podemos formular anotações empíricas dos fatores trabalhados, entretanto, sempre buscamos comprovações matemáticas de suas influências. Para as concentrações, primeiro tópico que trabalharemos, sua participação nas fórmulas que envolvem as leis de velocidades estão nas que são discutidas no início do estudo da cinética química.

Mostramos anteriormente, na primeira aula, com foco maior na aula 2, as leis de velocidade das reações, que incluem a constante de velocidade (k), e as concentrações dos reagentes, desta forma torna-se intuitivo e visível a influência destes na velocidade das reações químicas.

A imagem abaixo é a mesma trazida em um dos materiais anteriores da seção, onde podemos visualizar na segunda coluna as leis de velocidade, e assim a comprovação matemática da influência da concentração, com exceção das que tiverem ordem zero, pois pela própria definição, não sofrem esta influência dos reagentes.

Temperatura

O efeito da temperatura, diferentemente da concentração, não é expresso nas leis de velocidade das reações, por conta disso dúvidas sobre sua significativa existência podem surgir, mas seguindo um pensamento baseado na intuição química imagina-se que este efeito exista e tenha um grande papel determinando a velocidade das reações, e assim ocorre.

Para explicar este efeito utiliza-se como artifício a teoria das colisões, que será abordada na seguinte aula, e a equação de Arrhenius, como comprovação matemática. Brevemente, pela primeira, a temperatura deve ser considerada como grandeza que indica a agitação a nível molecular, logo, quanto maior ela for, maior será a probabilidade de duas moléculas chocarem-se em uma colisão que desencadeia a reação.

Energia de Ativação

Antes de nos debruçarmos na matemática envolvida na influência da temperatura, devemos revisar um conceito simples, mas necessário para este estudo, a energia de ativação.

Consideremos uma reação qualquer, sabemos que existe um nível distinto de energia nos reagentes e nos produtos, quando os primeiros entram em contato nem sempre eles reagem imediata e completamente, senão muitos dos elementos químicos e moléculas ao nosso redor não poderiam estar dispostos na forma como os conhecemos, e isso ocorre pela existência de uma energia necessária para que a reação ocorra, devendo ser atingida na colisão entre as moléculas.

Podemos visualizar essa ideia no gráfico a seguir, onde a energia de ativação (Ea) está disposta como uma barreira entre os reagentes iniciais e os produtos finais.

Equação de Arrhenius

Svante Arrhenius, de quem carrega o nome, elaborou a seguinte equação

$ln k = ln A - E_a /RT$

sendo que esta relaciona a constante de velocidade das reações com a temperatura, como pode ser percebido visualmente, e pode ser enunciada também como

$k = A.e^{-E_a /RT}$

Demonstração

$ln k = lnA - E_a /RT$ (primeiro enunciado)

$k = e^{ln A - E_a /RT}$ (definição de logaritmo natural)

$k = e^{ln A}.e^{- E_a /RT}$ (produto de duas potências de mesma base)

$k = A.e^{- E_a /RT}$ (propriedade $x^{log_x y} = y$ ) (segundo enunciado)

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Ela é construída pelas observações de que um gráfico que relaciona $ln{\space}k$ por ${1 \over T}$ resulta em uma função afim (fórmula: $f(x) = ax + b$ ). Esta função é característica por ter dois coeficientes, sendo o $a$ o coeficiente angular, e o $b$ , o linear, este é o fator pré-exponencial que indica a velocidade de ocorrência de colisões entre moléculas, representado na equação de Arrhenius como $A$ , enquanto o primeiro é uma razão do negativo da energia de ativação pela constante dos gases ideais, ou seja, ${-E_a \over R}$ . Lembre-se de usar $R = 8.3145{\space}J{\space}K^{-1}{\space}mol^{-1}$ .

Para utilizar a equação de forma a analisar a influência da temperatura em uma determinada reação para um problema teórico ou em laboratório, realizam-se manipulações algébricas, que resultam em

$ln {k^2 \over k^1} = {E_a \over R}.({1 \over T_1} - {1 \over T_2})$

Demonstração

$ln k_2 - ln k_1 = (ln A - E_a /RT_2) - (ln A - E_a /RT_1)$ (subtração de equações)

$ln {k_2 \over k_1} = ln A - E_a /RT_2 - ln A + E_a /RT_1$ (subtração de logaritmos de mesma base)

$ln {k_2 \over k_1} = - E_a /RT_2 + E_a /RT_1$ (considera-se A igual por ser a mesma reação)

$ln {k^2 \over k^1} = {E_a \over R}.({1 \over T_1} - {1 \over T_2})$ (energia de ativação é igual por ser a mesma reação)

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Área Superficial dos Reagentes

Pela ideia de colisões, aqui simplificada, a reação ocorre com a troca de átomos e elétrons entre as moléculas que compõe o grupo de reagentes, pode-se deduzir que o arranjo das moléculas afeta significativamente na ocorrência ou não de uma reação química, e assim ocorre. Dentro da ideia de arranjo, podemos considerar a disposição das moléculas, já que em determinada reação, a troca de partículas deve ocorrer por certas extremidades de cada reagente, o que implica que se outras partes se colidirem não resultarão em uma nova disposição de átomos, e a proximidade das moléculas, que terão maior chance de colisão com o quão mais próximas estão, o que envolve a área superficial destes reagentes, fornecendo maior ou menor região para a troca de elétrons ou átomos, na formação dos produtos.

Catalisadores

A catálise, processo de ação dos catalisadores será trabalhada de forma mais completa na sétima e última aula do tópico. Por enquanto, diremos apenas que catalisadores são substâncias químicas que facilitam as reações por terem a capacidade de diminuir a energia de ativação desta por meio de um mecanismo de catálise, que pode ser a reação com os reagentes formando novamente o catalisador nos produtos, assim os cortando da equação global, ou possibilitando a adsorção na superfície de outras substâncias.

Conclusão e Resumo

Devemos colocar em pauta que durante esta aula abrangemos de forma tangencial a teoria das colisões para explicar a dinamicidade nas reações, e abordaremos a mesma de forma mais aprofundada na aula posterior.

Por último, está disponível, na sequência, um infográfico que resume os fatores que influenciam na velocidade das reações.