Qual a relação entre a energia de ativação é a velocidade da reação?

Definições básicas

Cinética química é o ramo da química que estuda a rapidez das reações químicas, bem como os fatores que a influenciam.

A rapidez, ou velocidade, de uma reação química indica a variação da quantidade de reagentes e produtos com o passar do tempo.

Consideremos uma reação química, já balanceada

aX + bY → cZ + dW

onde os reagentes X e Y vão sendo consumidos e os produtos Z e W formados.

Chamamos de velocidade média de consumo de X a razão:

Ou seja, a variação da concentração do reagente X com o tempo. O mesmo vale para o reagente Y.

Para os produtos Z e W, definimos:

O mesmo valendo para o produto W.

Considerando os coeficientes da reação balanceada definimos a velocidade média da reação como:

Energia de ativação

A energia de ativação é a energia mínima necessária para que a reação possa ocorrer. Ela recebe este nome porque reagentes e produtos passam por uma configuração intermediária que recebe o nome de complexo ativado. Trata-se, portanto, da energia mínima necessária para a formação deste complexo ativado.

A energia de ativação é explicada pela teoria da colisão: a reação química é constituída por colisões entre as moléculas dos reagentes. Nem toda colisão, porém, é eficaz, pois é necessário que haja energia suficiente e geometria molecular adequada. A energia de ativação é aquela requerida para que as colisões sejam eficazes, ou seja, resultem no complexo ativado.

Fatores que influenciam a velocidade da reação

• Concentração:

Quanto maior a concentração dos reagentes, maior a velocidade da reação.

• Energia de ativação:

Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação.

• Temperatura: 

Quanto mais elevada a temperatura, mais rápida será a reação.

• Pressão:

No caso de reações que envolvam reagentes gasosos, quanto maior a pressão, mais rápida a reação.

• Superfície de contato:

Para o caso de reagentes em diferentes fases, quanto maior a superfície de contato do reagente sólido, mais rápida será a reação.

• Catálise:

É uma reação na qual existe a presença de uma substância capaz de acelerar a reação - um catalisador -, mas que não toma parte na reação propriamente dita, permanecendo inalterada sua massa e suas propriedades após a reação. Seu efeito baseia-se na redução da energia de ativação. (Da mesma forma, pode ocorrer a presença de um inibidor - substância que inibe a ação do catalisador. Neste caso, obviamente, o efeito do catalisador é anulado, e a velocidade da reação permanece inalterada.)

Lei cinética de uma reação

É a equação que permite calcular a velocidade de uma reação a partir das concentrações de reagentes. De forma genérica:

v = k · [X]m · [Y]n

onde:

k : constante da velocidade da reação, dependente da temperatura.

[X] e [Y]: concentração dos reagentes X e Y em mol/L

m e n: são expoentes determinados experimentalmente, e que recebem o nome de "ordem da reação". Assim:

m: ordem da reação em relação a X

n: ordem da reação em relação a Y

m + n: ordem total da reação

Mecanismos das reações

É o conjunto de etapas em que ocorre uma reação, sendo a velocidade da reação determinada pela etapa mais lenta.

Dá-se o nome de reação elementar àquela que ocorre em apenas uma etapa. Reação não-elementar é aquela que ocorre em duas ou mais etapas.

No caso de uma reação elementar, a lei cinética pode ser adaptada para:

v = k · [X]x · [Y]y

onde x e y é o número de moléculas respectivamente de X e Y que sofrem a colisão que provocará a reação.

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

A centelha gerada por um dispositivo de aço golpeado contra um Ferrocerium provendo a energia de ativação para iniciar a combustão de um Bico de Bunsen. A chama azul irá se auto-sustentar após as fagulhas se extinguirem, porém a combustão do gás é agora energeticamente favorável.

Energia de ativação é a energia mínima necessária para iniciar uma reação química, e o seu valor varia de reação para reação. Conforme o modelo de colisão, essa energia vem das energias cinéticas das moléculas quando colidem. Após a colisão, a energia cinética das moléculas pode ser utilizada para esticar, dobrar e romper as ligações conduzindo às reações químicas. Quando a colisão entre as moléculas ocorre de forma eficaz tem-se o que é denominado de complexo ativado ou estado de transição; um arranjo molecular capaz de romper a barreira imposta pela energia de ativação.

Visão geral[editar | editar código-fonte]

Conhecido como modelo de colisão, existem três coisas necessárias nesta ordem para que uma reação aconteça:

Contudo, se duas moléculas simplesmente colidem, elas não irão sempre reagir; portanto, a ocorrência de uma colisão não é sempre o suficiente. A segunda exigência é que:

Esta é a ideia de uma transição de estado; se duas moléculas colidem, elas devem se afastar uma da outra caso elas não possuam energia suficiente para superar a energia de ativação e transpor a transição de estado (ponto de mais alta energia). Finalmente, a terceira condição é:

Para a reação ocorra entre duas moléculas que colidem, elas devem colidir em uma orientação correta, e possuírem um aporte de energia mínimo. Quando as moléculas se aproximam, suas eletrosferas se repelem mutuamente. Para superar esta repulsão é necessário energia (energia de ativação), a qual é tipicamente provida pelo calor do sistema; isto é, a energia de translação, vibração e rotação de cada molécula, embora algumas vezes pela luz (fotoquímico) ou campo elétrico (eletroquímico). Se existe bastante energia disponível, a repulsão é superada e as moléculas se aproximam o suficiente para que a atração entre elas provoque um rearranjo das ligações covalentes

A temperaturas baixas para uma reação em particular, a maioria das moléculas (mas não todas) não terá energia suficiente para reagir. Contudo haverá quase sempre um certo número de moléculas com bastante energia a qualquer temperatura porque a temperatura é uma medida da energia média do sistema; sendo que moléculas individuais podem ter mais ou menos energia que a média. Aumentando a temperatura, a proporção de moléculas com mais energia do que a energia de ativação cresce proporcionalmente, e conseqüentemente a velocidade da reação cresce. Tipicamente a energia de ativação é considerada como sendo a energia em quilojoule necessária para que 1 mol de reagente reaja.

Fundamentação matemática[editar | editar código-fonte]

A equação de Arrhenius fornece a base de relacionamento entre a energia de ativação e a velocidade na qual a reação se processara. Da equação de Arrhenius, a energia de ativação pode ser expressa como

Onde A é o fator de freqüência para a reação, R é a constante universal dos gases, e T e a temperatura (em kelvins). Quanto maior a temperatura, mais facilmente a reação será capaz de sobrepujar a energia de ativação. A é um fator espacial, o qual expressa a probabilidade das moléculas possuírem uma orientação favorável e serem capazes de se estabelecer na colisão. Para que a reação aconteça e ultrapasse a energia de ativação, a temperatura, orientação e energia das moléculas devem ser substanciais; esta equação controla a soma de todas estas coisas. Uma regra geral aproximada é que aumentando a temperatura em 10 graus irá dobrar a velocidade da reação, na ausência de quaisquer outros efeitos dependentes da temperatura, devido a um aumento do numero de moléculas que terá a energia de ativação

• http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/kinetics/faq/temperature-and-reaction-rate.shtml

Transição de estado[editar | editar código-fonte]

Fig-1 demonstra a relação entre energia de ativação () e a entalpia de formação (ΔH) com e sem um catalisador. A posição de maior (posição pico) representa a transição de estado. Com a catalise, a energia requerida para entrar na transição de estado diminui.

O estado de transição ao longo de uma reação normal é o ponto de máxima energia livre. O estado de transição existe somente por um período extremamente breve de tempo (10−15 s). A energia necessária para alcançar o estado de transição é igual a energia de ativação da reação. Reações de multi-estágio envolvem inúmeros pontos de transição, onde a energia de ativação é igual a maior energia requerida. Depois deste período as moléculas ou se separam novamente refazendo suas ligações originais, ou as ligações são quebradas e novos produtos são formados. Isto é possível porque ambas as possibilidades resultam na liberação de energia (como mostrado no diagrama de entalpia, Fig-1, ambas as posições são mais baixas que o estado transição). Uma substância que modifica o estado de transição diminuindo a energia de transição é denominada como catalisador; um catalisador biológico é denominado enzima. É importante notar que um catalisador diminui a energia de ativação; isto não muda a energia do produto remanescente e somente a energia de ativação é alterada (diminuída).

Ver também[editar | editar código-fonte]

• Cinética Química
• Equação de Arrhenius
• Tunelamento quântico

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

• «Livro de Biologia-Volume Único-2º Edição de Armênio Uzunian Ernesto Birner»

Qual é a relação entre a energia de ativação é a velocidade de uma reação?

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