Velocidade de reação, energia de ativação e fatores · Química 3ª série

Velocidade média de uma reação

Algumas reações são quase instantâneas, como a combustão de um palito de fósforo. Outras levam anos, como a formação da ferrugem. Para comparar, usamos a velocidade de reação: quanto a quantidade de um reagente (ou de um produto) varia a cada unidade de tempo.

Usamos o módulo porque a concentração de um reagente diminui ($\Delta[\text{R}] < 0$), mas a velocidade é sempre positiva. Para um produto, a concentração aumenta e não precisa de módulo.

A curva do reagente é mais inclinada no início: a reação é mais rápida quando há muito reagente. Por isso falamos em velocidade média em um intervalo.

Os coeficientes da equação ligam as velocidades das substâncias. Em $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$, para cada $2$ mol de $\text{H}_2\text{O}_2$ consumidos, forma-se $1$ mol de $\text{O}_2$. Logo, o $\text{O}_2$ se forma na metade da velocidade com que o $\text{H}_2\text{O}_2$ é consumido.

Pratica★☆☆

Em uma reação, a concentração de um reagente caiu de $0{,}80\ \text{mol/L}$ para $0{,}50\ \text{mol/L}$ em $10$ segundos. Calcule a velocidade média de consumo desse…

Em uma reação, a concentração de um reagente caiu de $0{,}80\ \text{mol/L}$ para $0{,}50\ \text{mol/L}$ em $10$ segundos. Calcule a velocidade média de consumo desse reagente, em mol/(L·s), e explique em uma frase o que esse valor representa.

Resolver

Pratica★★☆

Para a reação $2\,\text{H}2\text{O}2 \rightarrow 2\,\text{H}2\text{O} + \text{O}2$, mediu-se que a concentração de $\text{H}2\text{O}2$ passou de $1{,}00\ \text{mol/L}$…

Para a reação $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$, mediu-se que a concentração de $\text{H}_2\text{O}_2$ passou de $1{,}00\ \text{mol/L}$ para $0{,}60\ \text{mol/L}$ em $20$ minutos.

a) Calcule a velocidade média de consumo de $\text{H}_2\text{O}_2$, em mol/(L·min).
b) Usando a proporção estequiométrica da equação, determine a velocidade média de formação de $\text{O}_2$ no mesmo intervalo.

Resolver

Colisões e energia de ativação

Para reagir, as partículas precisam se encontrar. Essa é a teoria das colisões. Mas nem todo choque gera reação. Para ser efetivo, o choque precisa de duas condições:

ter energia suficiente para romper ligações dos reagentes;
acontecer com orientação adequada das moléculas.

A energia mínima necessária é a energia de ativação ($E_a$). No topo da barreira de energia, as partículas formam o complexo ativado, um estado instável e intermediário entre reagentes e produtos.

Observe duas medidas diferentes no gráfico:

$E_a$ = energia do complexo ativado − energia dos reagentes (a "subida");
$\Delta H$ = energia dos produtos − energia dos reagentes (o saldo final).

Quanto maior a $E_a$, menos colisões têm energia suficiente e mais lenta é a reação, na mesma temperatura. A $E_a$ é uma barreira, como um morro que a bola precisa subir para chegar ao outro lado.

Pratica★☆☆

Defina energia de ativação e diga se, em uma reação, uma energia de ativação maior tende a tornar a reação mais rápida ou mais lenta, considerando a mesma temperatura.…

Defina energia de ativação e diga se, em uma reação, uma energia de ativação maior tende a tornar a reação mais rápida ou mais lenta, considerando a mesma temperatura. Justifique brevemente.

Resolver

Fatores que alteram a velocidade

Se a velocidade depende de colisões efetivas, tudo o que aumenta o número de colisões ou a fração de colisões com energia suficiente acelera a reação.

Fator	Efeito	Por quê
Temperatura	Aumentar acelera	Partículas mais rápidas: mais colisões e, principalmente, mais colisões com energia $\geq E_a$
Concentração (ou pressão, em gases)	Aumentar acelera	Mais partículas por volume: mais colisões por segundo
Superfície de contato	Mais subdividido, mais rápido	Mais partículas do sólido expostas ao outro reagente
Catalisador	Acelera	Oferece outro caminho, com $E_a$ menor

Por isso o comprimido efervescente triturado dissolve mais depressa: a superfície de contato com a água é muito maior. Pelo mesmo motivo, uma palha de aço queima rápido, mas um prego de ferro, não. E o alimento na geladeira dura mais porque, com temperatura baixa, menos colisões superam a $E_a$ das reações que o estragam.

Pratica★☆☆

A Larissa percebeu que um comprimido efervescente inteiro demora mais para se dissolver em água do que o mesmo comprimido triturado. Qual fator que altera a velocidade…

A Larissa percebeu que um comprimido efervescente inteiro demora mais para se dissolver em água do que o mesmo comprimido triturado. Qual fator que altera a velocidade de reação explica essa diferença? Explique com suas palavras.

Resolver

Pratica★★☆

O Gabriel guarda alimentos na geladeira para que durem mais tempo. Explique, usando a ideia de colisões entre partículas e de energia de ativação, por que a diminuição…

O Gabriel guarda alimentos na geladeira para que durem mais tempo. Explique, usando a ideia de colisões entre partículas e de energia de ativação, por que a diminuição da temperatura reduz a velocidade das reações que estragam o alimento.

Resolver

Catalisador

O catalisador acelera a reação sem ser consumido no processo. Ele não "empurra" as moléculas: abre um caminho alternativo com energia de ativação menor. Mais colisões passam a ser efetivas, e a reação fica mais rápida.

O ponto de partida (reagentes) e o de chegada (produtos) são os mesmos nas duas curvas. Por isso o catalisador não altera o $\Delta H$, nem desloca quanto de produto se forma no final. Só muda a rapidez com que se chega lá.

Pratica★★☆

Um gráfico de energia em função do caminho da reação mostra que, sem catalisador, a energia de ativação é $90\ \text{kJ/mol}$. Com um catalisador, ela passa a ser…

Um gráfico de energia em função do caminho da reação mostra que, sem catalisador, a energia de ativação é $90\ \text{kJ/mol}$. Com um catalisador, ela passa a ser $60\ \text{kJ/mol}$. A energia dos reagentes é $20\ \text{kJ/mol}$ e a dos produtos é $-10\ \text{kJ/mol}$.

a) Calcule a variação de entalpia $\Delta H$ da reação sem catalisador e com catalisador.
b) Explique por que o catalisador aumenta a velocidade sem alterar o $\Delta H$.

Resolver

Lei de velocidade (ampliação)

Experimentalmente, a velocidade de muitas reações pode ser escrita em função das concentrações:

$$v = k\,[\text{A}]^{x}\,[\text{B}]^{y}$$

Aqui $k$ é a constante de velocidade (depende da temperatura), e os expoentes $x$ e $y$ são as ordens da reação em relação a A e a B. Eles são determinados em experimentos, não pelos coeficientes da equação (a menos que a reação ocorra em uma única etapa).

Para achar a ordem, compare dois experimentos em que apenas uma concentração muda: se dobrar $[\text{A}]$ dobra a velocidade, $x = 1$; se quadruplica, $x = 2$; se não muda, $x = 0$.

Determinando ordens e k

Exp.	$[\text{A}]$	$[\text{B}]$	$v$ (mol/(L·s))
1	0,10	0,10	$2{,}0\times10^{-3}$
2	0,20	0,10	$4{,}0\times10^{-3}$
3	0,20	0,20	$1{,}6\times10^{-2}$

Exp. 1 → 2: só $[\text{A}]$ dobra e $v$ dobra. Logo, $x = 1$.

Exp. 2 → 3: só $[\text{B}]$ dobra e $v$ vai de $4{,}0\times10^{-3}$ a $1{,}6\times10^{-2}$, ou seja, quadruplica. Logo, $y = 2$ (pois $2^2 = 4$).

Lei de velocidade: $v = k[\text{A}][\text{B}]^2$.

Com o exp. 1: $k = \dfrac{2{,}0\times10^{-3}}{0{,}10\cdot(0{,}10)^2} = 2{,}0\ \text{L}^2/(\text{mol}^2\cdot\text{s})$.

Qual é a velocidade com $[\text{A}] = 0{,}30$ e $[\text{B}] = 0{,}10$? Calcule: $v = 2{,}0\cdot0{,}30\cdot0{,}010 = 6{,}0\times10^{-3}\ \text{mol/(L·s)}$.

Pratica★★★

Uma reação $\text{A} + \text{B} \rightarrow \text{C}$ foi estudada em três experimentos a temperatura constante: | Experimento | $[\text{A}]$ (mol/L) | $[\text{B}]$…

Uma reação $\text{A} + \text{B} \rightarrow \text{C}$ foi estudada em três experimentos a temperatura constante:

Experimento	$[\text{A}]$ (mol/L)	$[\text{B}]$ (mol/L)	Velocidade inicial (mol/(L·s))
1	0,10	0,10	$2{,}0 \times 10^{-3}$
2	0,20	0,10	$4{,}0 \times 10^{-3}$
3	0,20	0,20	$1{,}6 \times 10^{-2}$

a) Determine a ordem da reação em relação a A e em relação a B.
b) Escreva a lei de velocidade e calcule o valor da constante $k$ com sua unidade.
c) Qual seria a velocidade se $[\text{A}] = 0{,}30\ \text{mol/L}$ e $[\text{B}] = 0{,}10\ \text{mol/L}$?

Resolver

Pratica★★★

Uma indústria de Cubatão (SP) testa duas formas de acelerar uma reação em fase gasosa: (I) elevar a temperatura de $300\ \text{K}$ para $330\ \text{K}$ e (II) adicionar…

Uma indústria de Cubatão (SP) testa duas formas de acelerar uma reação em fase gasosa: (I) elevar a temperatura de $300\ \text{K}$ para $330\ \text{K}$ e (II) adicionar um catalisador sólido em pó.

Compare as duas estratégias, discutindo para cada uma o efeito sobre a energia de ativação, sobre a fração de colisões efetivas e sobre o $\Delta H$ da reação. Em seguida, indique qual delas poderia ser preferível se a reação fosse exotérmica e reversível, e justifique considerando também o custo energético do processo.

Resolver

Volte ao começo: o comprimido triturado dissolve mais rápido por causa da maior superfície de contato, que aumenta o número de colisões efetivas por segundo.

Vamos praticar! 8 exercícios neste tema

★☆☆ Em uma reação, a concentração de um reagente caiu de $0{,}80\ \text{mol/L}$ para…★☆☆ Defina energia de ativação e diga se, em uma reação, uma energia de ativação maior tende…★☆☆ A Larissa percebeu que um comprimido efervescente inteiro demora mais para se dissolver…

Resumo

Velocidade média: $v_m = |\Delta[\text{R}]| / \Delta t$, em $\text{mol/(L·s)}$. As velocidades das substâncias seguem a proporção dos coeficientes.
Só colisões com energia $\geq E_a$ e boa orientação geram reação.
A energia de ativação é a barreira de energia; quanto maior, mais lenta a reação.
Temperatura, concentração (ou pressão) e superfície de contato maiores aceleram a reação.
O catalisador diminui a $E_a$ por um novo caminho, mas não altera o $\Delta H$.
Ampliação: $v = k[\text{A}]^x[\text{B}]^y$, com ordens obtidas de experimentos.