VELOCIDADE DE UMA REACÇÃO

VELOCIDADE DE UMA REACÇÃO

Todas as reacções químicas ocorrem com velocidades diferentes, algumas são tão rápidas que ocorrem em fracção de segundos, como por exemplo a explosão dos fogos de artifício ou de uma bomba e outras são lentas, como o enferrujar (oxidação) do ferro. Por isso, um dos objectivos da Cinética Química é de expressar de forma quantitativa a velocidade com que ocorrem as reacções químicas.

 Se nos recordarmos, na Física aprendemos que a velocidade de um corpo é dada pela relação entre o deslocamento de um corpo na unidade de tempo, portanto, esta velocidade nos indica o quanto de distância (deslocamento) um corpo percorre em um determinado momento (espaço de tempo). No entanto, acontece que as reacções químicas não se deslocam de um lugar para o outro, e agora, como exprimir a velocidade de uma reacção ?

Na verdade na Química, a velocidade de uma reacção é definida como sendo a alteração da concentração de um dos reagentes ou produtos, em um intervalo de tempo em que ocorre a alteração. Para que possamos entender como isso acontece suponhamos que temos a seguinte reacção: A → B que ocorre num recipiente fechado de 1 L:

Interpretando os esquemas acima, vemos que no início da reacção (t₀ = 0 segundos) só temos apenas a concentração ou quantidade do reagente A (bolinhas azuis), no entanto, a medida que o tempo passa a reacção vai ocorrendo, consequentemente o reagente A vai sendo consumido e por isso a sua concentração ou quantidade diminui e é justamente por esse motivo que vemos por exemplo que no instante t₁ = 10 segundos parte do reagente A se transformou em B (bolinhas vermelhas). Assim, a medida que a reacção vai ocorrendo o reagente A (bolinhas azuis), vai transformando-se em B (bolinhas vermelhas) de tal modo que acaba sendo consumido na totalidade, ou seja, chega um momento onde verifica-se que todo o reagente A transformou-se em B, como é possível ver no instante t₃ = 60 segundos.

Geralmente essas quantidades ou concentrações são expressas em mol/L usando-se os parênteses rectos ou colchetes [ ] que contêm a fórmula da substância considerada. No caso da nossa reacção: A → B, podemos escrever: [A] e [B]. Assim, [A] lê-se concentração em mol/L de A e [B] lê-se concentração em mol/L de B.

As variações das concentrações dos reagentes e produtos de uma reacção podem ser representadas num gráfico. Então para a nossa reacção: A → B, o gráfico é representado a seguir:

 

Neste gráfico é fácil perceber que no início (t_o = 0 s) só temos a concentração do reagente A e é por esse motivo que a sua curva começa lá de cima, pois no início a sua concentração é máxima, porém, com o decorrer do tempo o reagente A é consumido, portanto, a concentração vai diminuindo e é por isso que a sua curva é decrescente. Por outro lado, no início ainda não há produto, e é por isso que a curva de B começa do zero. Sendo produto, o B, a medida que a reacção vai ocorrendo ele (o produto B) vai sendo formado, consequentemente a sua concentração vai aumentando e é por isso que a sua curva é crescente justamente para mostrar esse aumento da concentração.

Deste modo, podemos concluir que numa reacção química observa-se a alteração da concentração de um dos reagentes ou produtos, em um intervalo de tempo em que ocorre a reacção e isso nos possibilita determinar a velocidade média da reacção.

Velocidade média da reacção

É a variação da concentração (dos reagentes ou produtos) que ocorre por unidade de tempo.

Assim podemos escrever:

Dado que é comum na Matemática usarmos o delta (∆) para indicar a variação, assim podemos escrever:

Onde:

• ∆ [ ] = Concentração final – Concentração inicial

∆ [ ] = [ ]_final  – [ ]_inicial

• ∆t = tempo final – tempo inicial

∆t = t_final – t_ibicial                            

Portanto, para a reacção a seguir:

A → B

Teríamos:

Agora consideremos o exemplo a seguir para mostrar como a fórmula acima pode ser usada:

O estudo da cinética da reacção: Y + X → Z revelou a seguinte variação da concentração de Z na unidade de tempo:

Z (mol/L)	0	10	20	30
Tempo (s)	0	200	450	800

Determine a velocidade da reacção nos intervalos, 0 a 200 segundos, 200 a 450 segundos e 450 a 800 segundos.

Neste caso percebemos que nos são fornecidos dados do produto, o Z, então com base nos dados desta tabela vamos calcular a velocidade da reacção em todos estes intervalos de tempo, para isso usaremos a fórmula que acabamos de ver acima:

Como se pode ver a velocidade parece estar a diminuir e de facto isso acontece, pois a velocidade da reacção não é constante, ou seja, ela varia com o decorrer do tempo. Isso acontece porque a medida que o tempo passa a reacção vai ocorrendo, consequentemente, a concentração dos reagentes vai diminuindo e cada vez mais que a concentração dos reagentes torna-se menor torna-se difícil a reacção ocorrer assim a reacção torna-se cada vez mais lenta até que chegará um momento que vai parar.

A seguir vamos considerar um outro exemplo:

A tabela abaixo mostra a variação das concentrações de Nitrogénio, Hidrogénio e NH₃ na unidade de tempo, durante a produção do Amoníaco:

Tempo (s)	[N2]	[H2]	[NH3]
0	12	36	0
240	6	18	12

A partir dos dados da tabela vamos calcular a velocidade média da reacção em função de cada um dos participantes da reacção:

Vimos pela definição de velocidade média que esta é a variação da concentração dos reagentes ou produtos na unidade de tempo, isso significa que usando tanto a variação da concentração dos reagentes ou produtos podemos calcular a velocidade da reacção, e é o que fizemos neste caso, pois calculamos a velocidade da reacção em relação ao Nitrogénio, Hidrogénio e Amoníaco. Contudo, obtivemos valores diferentes da velocidade. No caso dos reagentes, N₂ e H₂ obtivemos valores negativos e isso está correcto, pois este sinal negativo mostra que a medida que a reacção vai ocorrendo a concentração dos reagentes vai diminuindo. Já para o caso do NH₃ obtivemos um valor positivo e isso é lógico já que o NH₃ é um produto e a medida que a reacção vai ocorrendo, o NH₃ está sendo formado e por isso a sua concentração aumenta.

No entanto, temos um pequeno “problema”, pois conforme vemos, os valores das velocidades obtidos não são iguais, o que é óbvio pois os coeficientes estequiométricos da reacção são diferentes. Dissemos que é um “problema”, pois imaginemos que estamos a fazer uma prova e cada um decide usar qualquer participante da reacção da calcular a velocidade, isso faria com que tivemos valores diferentes, então a IUPAC para evitar “problemas” desta natureza, convencionou introduzir na fórmula do cálculo da velocidade da reacção, digamos um factor de correcção. Neste caso convencionou-se dividir o valor da velocidade pelo respectivo coeficiente estequiométrico da substância de modo a obtermos um único valor, o qual chamaremos de velocidade média da reacção:

Ainda assim, estes valores continuam sendo diferentes embora o valor absoluto seja igual. No caso dos reagentes, N₂ e H₂ os valores ainda são negativos. Portanto, para evitar trabalhar com valores negativos temos que colocar o sinal menos (-) em frente a ∆ [reagentes], pois como sabemos a medida que a reacção ocorre, os reagentes vão sendo consumidos e como consequência a sua concentração diminui. Deste modo, se a concentração diminui, significa que no fim teremos uma concentração dos reagentes sendo menor que a concentração inicial, por isso, se formos a calcular a variação da concentração dos reagentes, ∆ [reagentes] veremos que sempre será um número negativo. Então temos:

No caso dos produtos não é necessário este ajuste na fórmula uma vez que ∆ [produtos] é sempre positiva, pois a concentração final é sempe maior que a inicial.

Portanto, para a nossa reacção inicial: A → B

Temos:

Deste modo para uma reacção genérica:  aA + bB → cC + dD

Podemos escrever:

Ou também:

Assim, se pegarmos cada valor da velocidade média que obtivemos anteriormente e dividirmos pelos respectivos coeficientes estequiométricos teremos um único valor, o qual chamaremos de velocidade média da reacção

Assim, ficamos com:

Assim, se quisermos calcular a velocidade média da reacção sem especificar a substância podemos usar a expressão acima de acordo com a IUPAC.

Notas importantes

• A velocidade com que um reagente é consumido também é denominada velocidade de consumo ou desaparecimento
• A velocidade com que um produto é formado denominada velocidade de formação ou de aparecimento

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