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A cinética química consiste no estudo das velocidades das reações químicas. Ela está presente no nosso dia a dia quando, por exemplo, guardamos os alimentos na geladeira a fim de retardar a sua decomposição, ou quando usamos uma panela de pressão com o objetivo de cozinhar os alimentos mais rapidamente.
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A cinética química investiga a velocidade das reações químicas e os fatores que a modificam, como concentração dos reagentes, temperatura, presença de catalisadores e superfície de contato. Ela se baseia no princípio de que a taxa de reação é determinada pela frequência e energia das colisões entre as moléculas dos reagentes.
A Lei das Velocidades fornece a relação entre a taxa de reação e a concentração dos reagentes, enquanto a energia de ativação é a energia mínima necessária para que as moléculas reajam.
A cinética química também estuda mecanismos de reação, descrevendo as etapas sequenciais que levam à formação dos produtos. Esse campo é crucial para o desenvolvimento de processos industriais, síntese de novos materiais e compreensão de processos biológicos.
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As reações químicas acontecem com diferentes velocidades e a cinética química pode ser alterada. As velocidades de reação determinam o quão rapidamente os reagentes são consumidos e os produtos são gerados.
Sabemos que uma reação é rápida quando os reagentes se transformam em produtos quase instantaneamente. Exemplo: a explosão de uma bomba ou uma reação de precipitação.
Em reações lentas, por outro lado, os reagentes levam um longo tempo para gerar os produtos. Exemplo: processo de corrosão ou decomposição de material orgânico.
A velocidade de uma reação é definida como a variação da concentração de um dos reagentes, ou um dos produtos, dividida pelo tempo que a transformação leva para acontecer.
A velocidade pode mudar com o tempo, por isso, definimos a velocidade média da reação como a variação da concentração molar de um reagente ou produto durante um certo intervalo de tempo.
A expressão da velocidade média (Vm) é dada por:
$$Vm = {Δ [ ] \over Δt}.$$
$$Vm = {[final] - [inicial] \over tfinal - tinicial}.$$
Como os reagentes são consumidos, ao calcular Δ [reagentes] obtemos um valor negativo, já que a concentração final é menor do que a inicial. Por isso, colocaremos um sinal negativo na equação acima para garantirmos que a velocidade média da reação seja positiva.
Portanto, as expressões da velocidade média para reagentes e para produtos são dadas por:
$$Vm = {- Δ [Reagentes] \over Δt}.$$
ou
$$Vm = {Δ [Produtos] \over Δt}.$$
Diversos fatores interferem na ocorrência de uma reação química. Primeiro, deve haver uma afinidade química entre os reagentes para permitir que a reação ocorra. Além disso, esses reagentes devem estar em contato, garantindo a colisão entre as moléculas e resultando na quebra das ligações e formação de novas ligações.
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Nas reações químicas, ocorre o rearranjo dos átomos dos reagentes para formar os produtos. Porém, não são todos os choques que ocorrem entre as partículas que vão resultar em produtos (choques não-eficazes). São os choques eficazes ou efetivos que resultarão na quebra das ligações dos reagentes e na formação de novas ligações para gerar os produtos.
Quando ocorre o choque em uma posição favorável, é formada uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos conhecida como complexo ativado. O complexo ativado é um estado intermediário, ou estado de transição, cuja estrutura apresenta ligações enfraquecidas entre os reagentes e permite a formação de novas ligações que irão compor os produtos, conforme mostra o exemplo abaixo.
Fonte: USBERCO, J. e SALVADOR, E. 2013. Química. São Paulo: Editora Saraiva.
Para que o complexo ativado se forme, as moléculas dos reagentes devem possuir energia suficientemente alta e colisão em geometria favorável. Essa energia é conhecida como energia de ativação (Ea) e é a menor quantidade de energia necessária para que a reação química ocorra.
A energia de ativação é necessária tanto para reações exotérmicas quanto endotérmicas, como indica os diagramas a seguir:
Fonte: USBERCO, J. e SALVADOR, E. 2013. Química. São Paulo: Editora Saraiva.
Quanto menor for a energia de ativação, mais rapidamente a reação ocorrerá.
Quanto maior a superfície de contato dos reagentes, maior será a velocidade de reação. Os reagentes terão maior superfície de contato quanto menores forem seus fragmentos. Isso fará com que o número de choques seja maior e, com isso, a velocidade da reação será, também, maior.
Altas temperaturas aumentam a energia cinética das moléculas, fazendo com que o número de choques aumente e, consequentemente, a velocidade da reação também.
O cientista Jacobus de Van’t Hoff estabeleceu a seguinte relação entre a variação da temperatura e a velocidade das reações: um aumento de 10 °C faz com que a velocidade da reação dobre. Seguindo essa regra, os alimentos devem se deteriorar 4 vezes mais rápido a 25°C do que em uma geladeira, a 5°C, por exemplo.
Os catalisadores são substâncias usadas para acelerar as reações químicas sem serem consumidas durante a reação. Por exemplo, em nosso sistema digestório existem enzimas que funcionam como catalisadores biológicos na conversão de nutrientes em substâncias que são absorvidas e utilizadas pelas nossas células.
A energia de ativação necessária para que a reação ocorra é menor quando são utilizados catalisadores, acelerando a reação. Observe o gráfico abaixo:
Fonte: USBERCO, J. e SALVADOR, E. 2013. Química. São Paulo: Editora Saraiva.
Perceba que o uso do catalisador não altera o ΔH da reação e nem o seu rendimento. A quantidade de produtos formados será a mesma nos dois casos. A única diferença está no tempo da reação. Além disso, um catalisador irá acelerar tanto a reação direta quanto a reação inversa, reduzindo a energia de ativação de ambas.
Como a velocidade de reação depende do número de choques entre as moléculas, quanto maior for a concentração dos reagentes, maior será a velocidade da reação. No caso de reagentes gasosos, quando a pressão for aumentada, haverá uma redução no volume, causando aumento nas concentrações dos reagentes.
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Podemos expressar matematicamente a velocidade de uma reação química relacionando-a com a concentração dos reagentes através da lei da velocidade ou lei cinética.
De acordo com a lei da velocidade, para uma reação genérica:
a A + b B → c C
Temos a seguinte lei da velocidade:
v = k [A]x [B]y
Considerando:
v = velocidade da reação
k = constante da velocidade, a uma dada temperatura
[A] e [B] = concentrações dos reagentes (em mol/L)
x e y = ordem da reação. São determinados experimentalmente.
Para reações que ocorrem em uma única etapa (reação elementar), x e y correspondem aos coeficientes estequiométricos a e b. Logo:
v = k [A]a [B]b
A maioria das reações ocorre em mais de uma etapa, e o conjunto dessas etapas é denominado mecanismo de reação.
Entenda melhor: O que é equilíbrio químico?
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O mecanismo de reação é o conjunto de etapas que transformam os reagentes em produtos. Nesse mecanismo, existem etapas que são lentas e etapas que são rápidas. A velocidade da reação sempre será determinada pela etapa mais lenta. Genericamente, temos: 2 A + B → A2B
Mecanismo:c
Para escolher uma equação matemática para representar a variação da velocidade de uma reação com a concentração dos reagentes, devemos nos basear somente em dados experimentais. Observe o exemplo abaixo:
2 A + 3 B → C
A tabela seguinte fornece valores experimentais da variação da velocidade com a concentração dos reagentes:
| [A] mol/L | [B] mol/L | V mol/L x min | |
| Primeira experiência | 0,3 | 0,1 | 0,5 |
| Segunda experiência | 0,6 | 0,1 | 1,0 |
| Terceira experiência | 0,6 | 0,2 | 4,0 |
De acordo com a lei da velocidade, a equação da velocidade, baseada na equação global, seria:
v = k [A]2 [B]3
Essa reação está inadequada, pois devemos nos basear nos dados experimentais mostrados na tabela para determinar os valores corretos de x e y e, com isso, deduzir a equação da velocidade. Para sabermos os valores de x e y:
Podemos concluir, com isso, que a velocidade varia com a primeira potência de [A] e com a segunda potência de [B]. A equação da velocidade é, então:
v = k [A]1 [B]2
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Alguns fatores podem alterar a rapidez das reações químicas. A seguir, destacam-se três exemplos no contexto da preparação e da conservação de alimentos:
Com base no texto, quais são os fatores que influenciam a rapidez das transformações químicas relacionadas aos exemplos 1, 2 e 3, respectivamente?
