Velocidade das reações é a medida de quão depressa uma reação química acontece, isto é, da rapidez com que os reagentes são consumidos ou os produtos são formados ao longo do tempo. Esse tema, estudado pela cinética química, explica desde a combustão rápida de um combustível até o lento enferrujamento do ferro.
O que é velocidade das reações?
Uma reação química transforma substâncias iniciais, chamadas reagentes, em novas substâncias, os produtos. Durante esse processo, a quantidade dos reagentes tende a diminuir, enquanto a dos produtos tende a aumentar. A velocidade informa a variação dessa quantidade em determinado intervalo de tempo.
Considere a decomposição de um comprimido efervescente em água. Nos primeiros instantes, há intensa liberação de bolhas de gás; depois, o fenômeno diminui até parar. A reação ocorreu, mas sua velocidade não foi igual durante todo o tempo. Em geral, as reações são mais rápidas no início porque há maior quantidade de partículas reagentes disponíveis para interagir.
É importante não confundir velocidade de reação com rapidez de movimento de um objeto. Em Química, ela se refere à transformação da matéria. Também não depende apenas de a reação ser espontânea: uma transformação pode ser termodinamicamente possível e, ainda assim, acontecer muito devagar, como a oxidação de certos metais.
Cinética química é a área da Química que estuda a velocidade das reações, os mecanismos pelos quais elas ocorrem e os fatores que podem acelerá-las ou retardá-las.
Como calcular a velocidade de uma reação
A velocidade média pode ser determinada pela razão entre a variação de uma grandeza observável e o intervalo de tempo correspondente. Em experimentos, podem ser acompanhadas a concentração de uma substância, a massa de um sólido, o volume de um gás, a pressão ou a mudança de cor de uma solução.
Quando se usa a concentração, a expressão geral é:
velocidade média = variação da concentração / variação do tempo
Para um reagente, a concentração diminui. Por isso, em uma representação matemática mais rigorosa, coloca-se um sinal negativo antes da variação de concentração, de modo que a velocidade seja expressa como valor positivo. Para um produto, cuja concentração aumenta, esse sinal não é necessário.
Imagine que a concentração de um reagente passe de 0,80 mol/L para 0,50 mol/L em 10 segundos. A variação é de -0,30 mol/L. Assim, a velocidade média de consumo desse reagente é 0,03 mol/L por segundo. O resultado mostra uma média no intervalo analisado; ele não garante que a reação teve exatamente essa velocidade em cada segundo.
Os coeficientes da equação química também merecem atenção. Em uma reação como 2A formando B, A é consumido em proporção duas vezes maior que B é formado. Para comparar corretamente as velocidades das espécies, os coeficientes estequiométricos devem ser considerados.
Teoria das colisões e energia de ativação
Segundo a teoria das colisões, uma reação ocorre quando as partículas dos reagentes colidem de maneira eficaz. Não basta que elas se encontrem: a colisão precisa apresentar energia suficiente e uma orientação favorável para permitir o rearranjo das ligações químicas.
A energia mínima necessária para que os reagentes atinjam uma configuração capaz de originar produtos é chamada de energia de ativação. Ela funciona como uma barreira energética. Quanto maior essa barreira, menor tende a ser a quantidade de colisões capazes de produzir reação nas mesmas condições.
Por exemplo, moléculas presentes em uma mistura podem se chocar muitas vezes sem reagir. Se o choque tiver energia baixa ou ocorrer em uma posição inadequada, as partículas apenas se afastam. Já uma colisão efetiva pode romper ligações existentes e formar outras, produzindo novas substâncias.
A velocidade, portanto, aumenta quando cresce o número de colisões efetivas por unidade de tempo. Os fatores estudados na cinética atuam justamente sobre a frequência dos encontros entre partículas ou sobre a energia necessária para que eles sejam produtivos.
Fatores que alteram a velocidade das reações
As condições do sistema podem modificar intensamente a velocidade de uma reação. O efeito de cada fator deve ser compreendido pela teoria das colisões, e não decorado como uma regra isolada.
| Fator | Como atua | Exemplo |
|---|---|---|
| Concentração | Mais partículas por volume aumentam a frequência de colisões. | Ácido mais concentrado reage mais rapidamente com determinado metal. |
| Temperatura | Aumenta a energia cinética e a fração de colisões eficazes. | Alimentos se deterioram mais depressa fora da geladeira. |
| Superfície de contato | Expõe mais partículas de um sólido ao reagente. | Pó de carvão queima mais rapidamente que um bloco do mesmo material. |
| Pressão | Em sistemas gasosos, aproxima as partículas e eleva a frequência de choques. | Processos industriais com reagentes gasosos podem usar pressão elevada. |
Concentração e temperatura
Ao aumentar a concentração de um reagente em solução, eleva-se a quantidade de partículas em um mesmo volume. Com mais encontros entre elas, a chance de colisões efetivas aumenta. Porém, esse efeito depende de o reagente participar da etapa que controla a velocidade da reação.
A elevação da temperatura geralmente acelera uma reação. As partículas passam a se mover com maior energia cinética, colidem mais frequentemente e, principalmente, uma parcela maior delas supera a energia de ativação. Por esse motivo, aquecer uma reação costuma ser mais eficiente do que apenas aumentar o número total de colisões.
Superfície e pressão
Quando um sólido é triturado, sua massa permanece a mesma, mas sua área exposta aumenta. Isso amplia a região de contato com outro reagente. Um comprimido inteiro, por exemplo, tende a reagir mais lentamente que o mesmo comprimido pulverizado em condições equivalentes.
A pressão tem efeito mais evidente quando os reagentes são gases. Ao comprimir o sistema, as moléculas ficam mais próximas, chocando-se mais vezes por unidade de tempo. Para líquidos e sólidos, que já possuem partículas próximas, essa influência costuma ser pouco relevante.
Catalisadores e inibidores
Um catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação ao fornecer um caminho alternativo com menor energia de ativação. Ele participa de etapas do processo, mas é regenerado ao final e não é consumido na equação global da reação.
As enzimas são catalisadores biológicos. No organismo, elas tornam possíveis e suficientemente rápidas muitas reações que ocorrem em condições moderadas de temperatura e pH. Fora dessas condições, uma enzima pode perder sua estrutura e deixar de atuar adequadamente.
Catalisadores não alteram a quantidade final de produtos prevista pelo equilíbrio químico; eles apenas fazem o sistema atingir o equilíbrio mais rapidamente. Também não devem ser confundidos com reagentes, pois não aparecem como substâncias consumidas no balanço global.
Já os inibidores reduzem a velocidade de uma reação. Eles são usados, por exemplo, para retardar processos de oxidação ou degradação. Conservantes alimentares e substâncias que diminuem a corrosão podem atuar, em certas situações, como inibidores.
Gráficos da velocidade das reações
Gráficos de concentração em função do tempo ajudam a visualizar o andamento de uma reação. Para um reagente, a curva é decrescente; para um produto, é crescente. A inclinação da curva, chamada de coeficiente angular, está relacionada à velocidade: quanto mais inclinada ela estiver, maior será a velocidade naquele trecho.
Em muitas reações, a curva fica menos inclinada com o passar do tempo. Isso indica redução da velocidade, normalmente associada ao consumo dos reagentes. Quando a concentração deixa de variar, a reação pode ter terminado por falta de reagente limitante ou, em reações reversíveis, o sistema pode ter alcançado equilíbrio dinâmico.
Diagramas de energia também são frequentes. Neles, os reagentes e produtos aparecem em diferentes níveis energéticos, e o ponto mais alto representa o estado ativado. A diferença entre o nível dos reagentes e esse ponto máximo corresponde à energia de ativação. Na presença de catalisador, o pico energético é menor.
- Curva mais íngreme: maior velocidade de transformação.
- Concentração de reagente diminuindo: consumo do reagente.
- Concentração de produto aumentando: formação de produto.
- Pico menor no diagrama energético: menor energia de ativação.
Síntese e pontos de revisão
A velocidade das reações mede a rapidez com que reagentes desaparecem ou produtos surgem. Ela pode ser acompanhada por concentração, massa, volume, pressão ou outra grandeza que varie durante a transformação.
- Reações dependem de colisões efetivas entre as partículas.
- Colisões eficazes exigem orientação adequada e energia igual ou superior à energia de ativação.
- Concentração, temperatura, superfície de contato e pressão em gases podem aumentar a frequência ou a eficácia das colisões.
- Catalisadores reduzem a energia de ativação por um caminho alternativo e aceleram a reação sem serem consumidos no resultado global.
- Em gráficos, a inclinação indica a velocidade; em geral, ela diminui à medida que os reagentes são consumidos.
Ao resolver exercícios, identifique primeiro qual grandeza está sendo medida, compare as condições experimentais e relacione o resultado à teoria das colisões. Esse procedimento permite explicar, com base química, por que uma reação foi mais rápida ou mais lenta.
