Cinética química: definição, fórmulas e aplicações

A cinética química é a área da ciência que estuda a velocidade com que os reagentes conseguem se transformar em produto e vice-versa. Além de observar essa variação, foram determinados os fatores que alteram essa velocidade, tanto para tornar o processo mais rápido, quanto para diminuir a rapidez.

Entender a influência da concentração dos reagentes, temperatura do processo, presença de moléculas catalisadoras, a superfície de contato envolvida na reação química e a pressão do ambiente é essencial para compreender a cinética química.

Todos esses conceitos serão abordados neste artigo, que traz um resumo do assunto com as principais informações e aplicações das fórmulas. Além disso, veja como esse tema é cobrado nas provas de vestibular, com resoluções completas. Continue lendo!

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Resumo de cinética química

O ramo da ciência que estuda a velocidade das reações, a cinética química, utiliza reações químicas genéricas para compreender a rapidez das transformações atômicas e moleculares. Na equação abaixo, você observa um esquema sobre isso.

A + B → C + D

Para elucidar, imagine que, em um recipiente vazio são adicionadas quantidades das substâncias A e B. A partir de processos químicos, esses compostos reagem entre si e geram os produtos C e D.

A partir desse raciocínio, determina-se que as moléculas que são misturadas são os reagentes (que vão reagir entre si) e as substâncias formadas são os produtos, como resultados da transformação obtida.

Nesse sentido, a cinética química estuda a rapidez com que os reagentes são consumidos, formando produtos. A mesma lógica pode ser interpretada como: a velocidade com que os produtos são construídos.

Por exemplo, quando observamos a combustão de uma fogueira, a madeira é queimada lentamente, formando gás carbônico e outros produtos. Ao mesmo tempo, se olharmos a explosão de uma bomba, os reagentes são rapidamente consumidos e a reação é muito veloz.

Fórmulas da cinética química

Para encontrar a velocidade média de uma reação química, podemos dividir a variação da quantidade de substância no meio pelo tempo decorrido. O cálculo pode ser feito a partir de um único composto da equação, seja ele um reagente ou um produto.

V_m = Variação da quantidade de substância / variação do tempo

É importante perceber que, os produtos estão sempre em processo de formação, então a quantidade deles no meio está em crescimento. De modo oposto, os reagentes estão sendo transformados, então sua disponibilidade no meio é cada vez menor, como demonstra o gráfico a seguir.

Cinética química - concentração de substâncias — Imagem: Adaptação/Wikimedia

Note que a concentração do reagente, em vermelho, está em constante diminuição. Ao mesmo tempo, notamos que o azul é o produto, porque ele inicia o processo com concentração igual a zero e ela cresce ao longo do tempo.

Assim, se calcularmos a V_m de vermelho, calculamos a velocidade de consumo e, por sua vez, a V_m do azul é a velocidade média de formação.

+ Veja também: O que cai sobre Equilíbrio Químico no Enem?

Teoria das colisões e energia de ativação

No caso de reações gasosas, a formação dos produtos depende da disponibilidade de reagentes e da configuração espacial desses átomos. Nesse sentido, moléculas corretamente orientadas resultam em um ganho de energia suficiente para iniciar o processo químico.

Na cinética química, essas colisões eficientes formam uma energia de ativação (E_a). Quando a reação atinge esse valor, forma-se o complexo ativado, que permite a ocorrência das transformações químicas.

Cinética química - energia de ativação — Imagem: Adaptação/Wikimedia

Como você pode perceber, todas essas características são próprias da reação química. Ao estudar a cinética, percebe-se que a velocidade do processo pode ser alterada se modificarmos os fatores corretos, favorecendo colisões mais efetivas ou fornecendo parte da energia necessária para o desenvolvimento. Entenda melhor nos tópicos abaixo.

Fatores que influenciam a cinética química

Concentração dos reagentes

Ao aumentar a concentração dos reagentes em um recipiente qualquer, garante-se que um maior número de moléculas choquem-se entre si. Assim, a probabilidade de formar mais complexos ativados é maior, aumentando a velocidade da reação como um todo.

Superfície de contato

No caso de sólidos, quanto maior for a área de contato entre os reagentes, maior será a probabilidade de formação dos complexos ativados. A superfície de contato é a área que fica exposta às outras substâncias e, quanto maior ela for, maior a velocidade da reação química.

Pressão

Em reações químicas que ocorrem entre substâncias gasosas, a pressão exercida sobre o sistema influencia diretamente na cinética química. Quando a pressão é muito grande, o espaço para os átomos fica pequeno, o que induz maior velocidade reacional.

Temperatura

O fornecimento de calor é essencial para o funcionamento das reações químicas. Por isso, quanto maior a temperatura, maior a agitação das moléculas, maior a chance de estabelecer colisões efetivas e formar complexos ativados, mais rápida é a reação.

Catalisadores

Catalisadores são substâncias químicas que possuem propriedades específicas em cada reação. Quando adicionados em um sistema, induzem maior velocidade, porque diminuem a energia de ativação necessária.

Ao final do processo, a quantidade de catalisador encontrada não se altera. Isso significa que eles não são consumidos ou produzidos, mas apenas influenciam o processo químico. As enzimas, por exemplo, são catalisadores biológicos essenciais para o desenvolvimento da vida.

Lei da velocidade

A lei da velocidade da reação é uma das fórmulas da cinética química que relaciona a concentração de reagentes e alguns expoentes experimentalmente determinados.

aA + bB → cC + dD

Na equação acima, a lei de velocidade seria:

v = k . [A]^X. [B]^Y

Considera-se que k é uma constante matemática determinada a partir da temperatura do sistema e que os expoentes x e y são dependentes de fatores experimentais. Nos exercícios de vestibulares, em geral, as reações químicas são elementares, o que significa que ocorrem em uma única etapa.

Apenas nesses casos, os expoentes x e y são exatamente iguais aos coeficientes da expressão química, assim: v = k.[A]^a.[B]^b.

Questões de vestibular sobre cinética química

(PUC-RS) Relacione os fenômenos descritos na coluna I com os fatores que influenciam sua velocidade mencionados na coluna II.

Coluna I

1 – Queimadas alastrando-se rapidamente quando está ventando;

2 – Conservação dos alimentos no refrigerador;

3 – Efervescência da água oxigenada na higiene de ferimentos;

4 – Lascas de madeiras queimando mais rapidamente que uma tora de madeira.

Coluna II

A – superfície de contato

B – catalisador

C – concentração

D – temperatura

A alternativa que contém a associação correta entre as duas colunas é

a) 1 – C; 2 – D; 3 – B; 4 – A.
b) 1 – D; 2 – C; 3 – B; 4 – A.
c) 1 – A; 2 – B; 3 – C; 4 – D.
d) 1 – B; 2 – C; 3 – D; 4 – A.
e) 1 – C; 2 – D; 3 – A; 4 – B.

1-C. O espalhamento das queimadas por meio do vento propicia maior concentração do reagente principal, o O₂.

2 – D. Como a temperatura do congelador é baixa, as reações de decomposição dos alimentos terão velocidades diminuídas, aumentando a conservação deles.

3 – B. O contato das substâncias presentes nos ferimentos e a água oxigenada favorece o trabalho da enzima catalase, presente no organismo, que aumenta a velocidade da reação.,

4 – A. As lascas de madeira propiciam maior superfície de contato com os reagentes, então elas queimam mais rápido que as toras.

+ Veja também: Química geral: o que é e principais assuntos

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Cinética química: definição, fórmulas e aplicações