A Cinética Química estuda a velocidade das reações e os fatores que a influenciam. Trata-se de uma área essencial para compreender como e por que uma transformação química ocorre.
Entender os mecanismos de reação permite controlar e otimizar processos, tanto em laboratório quanto na indústria. Por isso, é essencial compreender como eles influenciam a velocidade da reação para aplicar esse conhecimento na prática.
Neste texto, você vai entender a relação entre a lei de velocidade, os mecanismos da reação e como identificar a Etapa Determinante da Velocidade (EDV). Acompanhe abaixo.
Navegue pelo conteúdo
Lei de velocidade experimental
A Lei de velocidade fornece uma maneira matemática de relacionar a velocidade de uma reação química com as concentrações dos reagentes envolvidos. Ela é expressa por:
Ela deve ser determinada experimentalmente, ou seja, os expoentes x e y que indicam a ordem da reação em relação a cada reagente não são necessariamente os coeficientes estequiométricos da equação global da reação.
Para a determinação da expressão são necessários dados experimentais. Em geral, são organizados em uma tabela com diferentes concentrações e velocidades e permitem a realização de cálculos para definir a lei da velocidade.
Os mecanismos de reação
A maioria das reações químicas não acontecem de uma só vez. Em geral, elas se dão por pequenas etapas sucessivas, que envolvem colisões entre partículas, formação de espécies instáveis e, por fim, a transformação em produtos.
O mecanismo da reação é justamente essa sequência de etapas elementares. Ele, portanto, representa como, em nível molecular, os reagentes se convertem em produtos.
A equação química global da reação mostra apenas o antes e depois da reação. Nesse contexto, o mecanismo revela um quadro bem detalhado de como as ligações são quebradas e formadas durante o curso de uma reação.
Etapas elementares e molecularidade
Cada etapa do mecanismo é chamada de etapa elementar, e representa um único evento molecular.
A molecularidade nos diz quantas partículas colidem para que a etapa ocorra:
- Unimolecular: envolve 1 partícula (ex: decomposição);
- Bimolecular: envolve 2 partículas (mais comum); e
- Termolecular: envolve 3 partículas (incomum pois é difícil 3 moléculas colidirem ao mesmo tempo com a orientação e energia corretas).
Para uma etapa elementar, a ordem da reação é igual à sua molecularidade. Portanto, os expoentes da Lei de Velocidade dessa etapa são iguais aos seus coeficientes estequiométricos.
Etapa determinante da velocidade (EDV)
Para uma reação que ocorre em várias etapas, o caso geral é aquele em que todas têm velocidades com valores próximos. Nesse cenário, a velocidade global da reação depende da contribuição de todas as etapas.
No entanto, se uma das etapas for muito mais lenta que as demais, ela passa a controlar a velocidade global. Essa é chamada de etapa determinante da velocidade (EDV), também conhecida como princípio do estrangulamento.
Nesse sentido, como a EDV define o ritmo da reação global, a Lei de Velocidade da reação completa costuma ser igual à da EDV.
Dedução da lei de velocidade a partir do mecanismo
Em geral, existem dois casos principais que orientam a dedução da lei de velocidade com base no mecanismo da reação:
Caso 1: a primeira etapa é a etapa lenta (EDV)
Neste caso, a dedução é direta.
Exemplo:
- Etapa 1 (Lenta): A + B → C
- Etapa 2 (Rápida): C + D → E
- Reação Global: A + B + D → E
Como a EDV é a etapa 1, usamos sua molecularidade para a Lei de Velocidade:
v = k[A][B]
Isso ocorre porque não é possível haver intermediários na primeira etapa.
Caso 2: a etapa lenta é uma posterior (envolve intermediários)
Se a segunda etapa for a lenta, de forma que sua lei de velocidade seja v=k[C][D], temos um problema, pois existe concentração de intermediário na lei de velocidade.
Intermediários são substâncias formadas em uma etapa e consumidas em outra, por isso não aparecem na equação global. Para resolver isso, utilizamos o método da aproximação do pré-equilíbrio ou o método do estado estacionário.
O método do estado estacionário é o mais comum no Ensino Médio e parte da ideia de que as etapas rápidas anteriores estão em equilíbrio. Assim, podemos substituir a concentração do intermediário por uma expressão que envolva apenas os reagentes iniciais, como ocorre no caso em que a etapa lenta é a primeira.
Diferença entre os intermediários e o complexo ativado
É muito comum, nesta etapa, haver confusão entre intermediários e o complexo ativado:
- Intermediários: são espécies químicas que realmente existem, embora por um tempo curto. São formadas em uma etapa da reação e consumidas em outra; e
- Complexo ativado: é um arranjo altamente instável e de altíssima energia, que existe por um instante extremamente breve, no topo da barreira energética de uma etapa.
Diagramas de energia para reações em múltiplas etapas
O diagrama de energia de múltiplas etapas representa as variações de energia ao longo do mecanismo da reação. Em cada diagrama temos:
- Picos: representam a energia necessária para cada etapa (associada ao complexo ativado);
- Vales: entre os picos, representam os intermediários; e
- Pico mais alto: corresponde à EDV, pois é o maior obstáculo energético a ser superado.
Validando um mecanismo
A validação de um mecanismo químico envolve compará-lo com a lei de velocidade determinada experimentalmente. Um mecanismo só é considerado plausível se a lei de velocidade deduzida a partir da EDV for idêntica à lei experimental.
Vale destacar que a lei de velocidade não comprova definitivamente o mecanismo, mas serve como um filtro. Qualquer mecanismo que gere uma lei incompatível com os dados experimentais deve ser descartado.
Resolução de exercícios
Em exercícios, é comum receber um mecanismo com etapas identificadas como lenta ou rápida. A tarefa é deduzir a lei de velocidade com base na EDV e compará-la com a experimental. Caso sejam iguais, o mecanismo é consistente.
Se houver vários mecanismos propostos, repete-se o processo para cada um, identificando os que são compatíveis com os dados fornecidos. Esse raciocínio é essencial para entender como a teoria se relaciona com a prática nos estudos de cinética química.
Não esqueça sempre de olhar a EDV, pois é ela que dita o ritmo e define a Lei de Velocidade.
Aplicações e contextualização
O estudo de mecanismos não é só teórico, ele apresenta aplicações reais como:
- Na indústria, ajuda a otimizar processos, economizar energia e tempo;
- Na biologia, explica como as enzimas funcionam; e
- Na catálise, mostra como um catalisador altera o mecanismo, criando uma nova EDV com menor energia de ativação.
Questão no vestibular sobre lei de velocidade a partir de mecanismos
FMABC SP (2018)
Considere as seguintes informações sobre a formação de ácido sulfúrico atmosférico, precursor da chuva ácida.
2 SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g) (1)
SO3 (g) + H2O () ⇌ H2SO4 (l) (2)
Considere o gráfico das etapas do processo de formação do H2SO4 (l).
Analisando o gráfico, conclui-se que a etapa lenta do processo é a:
A) 2, porque apresenta menor energia de ativação.
B) 2, porque apresenta maior energia de ativação.
C) 1, porque apresenta maior energia de ativação.
D) 1, e para retardá-la pode-se utilizar um catalisador.
E) 2, e para acelerá-la pode-se utilizar um catalisador.
Alternativa correta:
C
Quanto menor a energia de ativação, maior a facilidade de ocorrência da reação. Logo, a etapa 2 é mais rápida que a etapa 1. A etapa 1 apresenta maior energia de ativação e é a etapa mais lenta da reação.
Se prepare para o vestibular com o Estratégia!
Nos cursos preparatórios da Coruja, os alunos são treinados para conectar diferentes áreas do conhecimento e aplicar essas informações em simulados e provas.
As aulas são ministradas por professores especialistas, com nossos Livros Digitais Interativos (LDI), além de contar com simulados exclusivos. Clique no banner e comece seus estudos com o Estratégia Vestibulares!
