A velocidade das reações revela como e por que os processos químicos ocorrem em diferentes ritmos. É um tema que está presente desde processos industriais até o funcionamento do corpo humano.
Compreender a variação da concentração no tempo permite analisar mecanismos e otimizar condições de reação. Além disso, a relação com a estequiometria garante previsões precisas sobre o consumo de reagentes e formação de produtos.
Nesse texto, você vai entender a definição e o cálculo da velocidade das reações químicas, sua expressão matemática e a relação com a estequiometria. Acompanhe abaixo.
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O conceito de velocidade de reação
A velocidade de uma reação química pode ser entendida como a rapidez com que os reagentes são consumidos ou os produtos são formados. Em outras palavras, é quanto tempo leva para ocorrer, ou seja, o ritmo da transformação química.
Essa medição é fundamental para áreas como a indústria farmacêutica. Saber a velocidade de uma reação ajuda a controlar o tempo de produção de um medicamento.
Já no corpo humano, muitas reações ocorrem com rapidez e qualquer alteração na velocidade pode representar um problema de saúde.
Expressando a velocidade da reação
A velocidade das reações químicas é expressa como variação da quantidade de reagentes ou produtos em relação ao tempo. Essa quantidade pode ser em concentração (mais comum), em massa, em volume, ou ainda em número de mols.
A unidade depende da forma de expressão e de como a quantidade é utilizada. O mais comum é representar a variação da concentração em mol por litro por segundo (mol/(L·s)). Outras unidades também muito utilizadas são g/s e mol/min.
Velocidade Média
A velocidade média é a variação da concentração de uma substância em um intervalo de tempo determinado. Pode ser expresso por:
Para reagentes, a concentração diminui, então a velocidade média é negativa. Já para os produtos, a concentração aumenta, e a velocidade é positiva.
É importante salientar que por convenção, a velocidade da reação é dada como um valor positivo. Nesse sentido, utiliza-se um sinal negativo na fórmula para reagentes apenas para indicar que a concentração está caindo.
Em uma tabela com dados de concentração ao longo do tempo, é possível calcular a velocidade média considerando a variação entre dois instantes específicos. Neste caso é possível aplicar diretamente a expressão acima indicada.
No gráfico de concentração versus tempo, essa velocidade corresponde à inclinação da reta secante que une os dois pontos analisados. Essa inclinação representa o ritmo médio da reação nesse intervalo.
No gráfico acima é possível perceber isso tanto pela secante às curvas de concentração quanto pelo coeficiente estequiométrico. Logo, quanto maior o coeficiente, maior a quantidade consumida ou formada e maior a inclinação da curva.
Velocidade Instantânea
Enquanto a velocidade média fala de um intervalo de tempo, a velocidade instantânea fala de um único momento da reação. É como a diferença entre a velocidade média do carro durante a viagem e a velocidade mostrada no velocímetro em um instante específico.
A velocidade instantânea é dada pela inclinação da reta tangente à curva concentração vs. tempo em um ponto específico. É importante destacar que ela muda com o tempo, geralmente diminuindo à medida que os reagentes são consumidos.
Já a velocidade inicial, referente ao instante zero (t = 0) da reação, é geralmente a máxima velocidade da reação. Isso se justifica pois naquele momento os reagentes estão em sua maior concentração, logo, a inclinação da reta tangente para a reação é máxima nesse ponto.
Relação entre velocidade e estequiometria da reação
Considere uma reação genérica:
A velocidade com que cada substância é consumida ou formada depende da sua proporção na equação balanceada. Logo, não é possível comparar diretamente a velocidade de consumo de A com a de B, ou a formação de C com a de D, sem levar em conta os coeficientes estequiométricos.
Por isso, a velocidade da reação é padronizada pela equação:
O sinal negativo indica consumo dos reagentes e o positivo a formação dos produtos. Com essa fórmula, é possível calcular a velocidade de qualquer componente da reação a partir da velocidade da reação ou de outro componente.
+ Veja também: Cálculo Estequiométrico: o que é e como calcular!
Lei da Velocidade
A análise quantitativa da velocidade de uma reação química é expressa a partir dos valores das concentrações dos reagentes. Considere a seguinte reação química:
A expressão da lei da velocidade ou lei da ação das massas ou lei de Guldberg-Waage para a reação acima é:
Onde:
- k é a constante da lei da velocidade;
- [A] e [B] são as concentrações dos reagentes; e
- x e y são as ordens da reação em relação a cada reagente.
Constante de Velocidade (k)
A constante k é um valor específico para cada reação, em determinada temperatura, e sua unidade depende da ordem global da reação. Ela independe da natureza dos reagentes, da concentração e da pressão, mas depende da temperatura.
É calculada a partir do fator pré-exponencial (que representa as colisões entre as moléculas), da energia de ativação e da fração de moléculas com energia suficiente para reagir.
Ordem da Reação
As ordens x e y não são, necessariamente, iguais aos coeficientes estequiométricos, devem ser determinadas experimentalmente. A ordem global da reação é a soma das ordens parciais (x + y).
A partir da Lei da Velocidade, se soubermos as ordens e tivermos dados experimentais de concentração e velocidade, conseguimos calcular a constante k.
Exemplos:
- Ordem 0: k em mol/(L·s) — a velocidade é constante e independe da concentração;
- Ordem 1: k em s⁻¹ — a velocidade é diretamente proporcional à concentração de um reagente; e
- Ordem 2: k em L/(mol·s) — a velocidade é proporcional ao quadrado da concentração de um reagente ou ao produto das concentrações de dois reagentes.
Determinação Experimental da Velocidade
Para determinar a velocidade na prática os químicos usam vários métodos para monitorar a concentração ao longo do tempo:
- Espectrofotometria: mede a absorção de luz por substâncias coloridas;
- Condutimetria: mede a condutividade elétrica de soluções iônicas;
- Variação de volume ou pressão: útil para reações com gases; e
- Titulação: acompanha a quantidade de reagente consumido ao longo do tempo.
Questão no vestibular sobre velocidade de reação
PUC SP (2019)
Analise a reação de formação do gás amônia e assinale a alternativa correta.
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
A) A velocidade de consumo do nitrogênio é a mesma que a velocidade de consumo do hidrogênio.
B) A velocidade de consumo do nitrogênio é o dobro da velocidade de produção da amônia.
C) A velocidade de consumo de hidrogênio é 1,5 vezes a velocidade de produção de amônia.
D) A velocidade de produção de amônia é metade da velocidade de consumo de hidrogênio.
Alternativa correta:
C
A velocidade de consumo da amônia dividido por seu coeficiente estequiométrico é igual à velocidade de consumo do hidrogênio dividido pelo coeficiente estequiométrico. Assim, a relação entre as velocidades do hidrogênio e da amônia é:
Sendo assim, a velocidade de consumo do hidrogênio é igual a 1,5 vezes a da formação da amônia.
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