Dependência da temperatura

Cinética Química

A taxa de reação é a velocidade com que ocorre uma reação química. A taxa de reação é definida como a mudança na concentração de um componente na reação com o tempo. A velocidade de uma reação depende de vários fatores, incluindo a concentração de reagentes e a temperatura na qual a reação é realizada. Cada reagente contribui para a velocidade da reação por um fator específico. Essa relação é definida pela lei da taxa de reação.

Lei de taxas

A lei de velocidade é uma equação que descreve a relação entre a concentração de reagentes, A e B, e suas ordens de reação, m e n. A constante de taxa, k, relaciona as concentrações e ordens dos reagentes com a taxa de reação. Depende da reação como a temperatura na qual a reação é realizada.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

Equação de Arrhenius

A equação de Arrhenius relaciona a constante de taxa de reação com a energia de ativação de uma reação química. A energia de ativação é definida como a quantidade de energia que uma reação química precisa para prosseguir. Se uma reação não atender a esse requisito de energia de ativação, a reação não prosseguirá.

A relação exponencial negativa entre k e a temperatura indica que, à medida que a temperatura aumenta, o valor de k também aumenta. Como a constante de taxa pode ser determinada experimentalmente em uma faixa de temperaturas, a energia de ativação pode ser calculada usando a equação de Arrhenius. Tomando o logaritmo natural de ambos os lados, a equação de Arrhenius é reescrita como uma equação linear.

Um gráfico de ln k vs. 1/T produz uma linha reta com uma inclinação igual a -E_a/R e uma interceptação y de ln A. Como a constante de gás ideal, R, é conhecida, E_a pode ser determinada graficamente usando uma série de valores de k em diferentes temperaturas.

Catalisadores e Energia de Ativação

Algumas reações químicas têm uma energia de ativação suficientemente grande que faz com que a reação prossiga lentamente, se é que ocorre. A reação de decomposição do peróxido de hidrogênio em oxigênio e água ocorre espontaneamente, mas ocorre a uma taxa incrivelmente lenta. Uma maneira de superar essa barreira inicial é fornecer energia na forma de calor. No entanto, isso nem sempre é ideal, pois o calor excessivo pode afetar a estabilidade dos produtos ou reagentes ou pode facilitar reações colaterais.

A energia de ativação para reações químicas pode ser alterada usando catalisadores. Um catalisador reduz a energia de ativação de uma reação química, mas não é consumida pela reação. Em outras palavras, um catalisador facilita a reação química, facilitando a superação do requisito crítico de energia de ativação. Na decomposição do peróxido de hidrogênio, a adição de nitrato de ferro reduz a energia de ativação e permite que a reação prossiga em um ritmo mais rápido. No entanto, é importante observar que, embora um catalisador possa afetar a taxa de uma reação, um catalisador NÃO altera a quantidade de produto produzido pela reação.

Referências

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química e Reatividade Química. Belmont, CA: Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Química: A Natureza Molecular da Matéria e da Mudança. Boston, MA: Colina McGraw.

A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. A taxa de uma reação química é definida pela lei da taxa, que descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação.

A constante de taxa converte a relação para as unidades adequadas de taxa, moles por litro por segundo. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem geral da reação. No entanto, a constante de taxa tem mais significado do que simplesmente a conversão de unidades. A constante de taxa está relacionada à quantidade mínima de energia necessária para que uma reação química ocorra - chamada de energia de ativação.

Em uma reação, os reagentes estão em um estado inicial de energia potencial. À medida que a reação prossegue, ela deve superar uma certa energia potencial, a energia de ativação, antes de atingir seu estado final. A energia líquida da reação é a diferença entre os estados inicial e final. Essa diferença pode ser negativa, o que significa que a reação libera energia, ou positiva, o que significa que absorve energia.

Se não houver energia suficiente disponível para superar a energia de ativação, a reação não prosseguirá. Em alguns casos, a energia pode ser fornecida na forma de calor. Isso fornece energia adicional para superar a barreira à ativação, e a reação pode prosseguir. Um catalisador também pode ser adicionado, o que fornece uma via alternativa de menor energia de ativação entre os reagentes e os produtos.

Os catalisadores não são consumidos na reação e, portanto, não afetam a energia líquida da reação. A energia de ativação é determinada experimentalmente e está relacionada à constante de reação k pela equação de Arrhenius, onde A é o fator pré-exponencial ou de frequência, R é a constante universal do gás e T é a temperatura absoluta na qual a reação ocorre.

A partir dessa equação, sabemos que aumentar a temperatura da reação ou diminuir a energia de ativação aumenta a constante de taxa. Voltando à equação da lei de taxa, segue-se que uma constante de taxa mais alta resulta em uma taxa de reação mais alta. Isso faz sentido porque, à medida que a temperatura aumenta, as moléculas se movem mais rápido e colidem com mais frequência, resultando em uma fração aumentada de moléculas com maior energia do que a energia de ativação.

Neste laboratório, você aprenderá a medir a energia de ativação de uma reação experimentalmente usando a decomposição do peróxido de hidrogênio como reação modelo.