Qual é a influência da superfície de contato na rapidez de uma reação química

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.

Quanto maior a superfície de contato dos reagentes, maior é a velocidade das reações.

Tanto a palha de aço usada em limpeza doméstica quanto os pregos possuem como principal constituinte o ferro metálico. Se realizarmos uma reação de combustão de uma palha de aço e de um prego, qual queimará primeiro? Se você respondeu a palha de aço, está correto. Ela queima muito mais rápido que o prego, conforme as imagens acima mostram.

Existem vários fatores que influenciam a velocidade das reações e que são estudados em Cinética-Química. Nesse caso, o fator que interfere na velocidade dessa reação de combustão é a superfície de contato dos reagentes. De acordo com a teoria das colisões, para que uma reação química ocorra, é necessário que os reagentes que possuem afinidade química entrem em contato e que ocorram colisões efetivas entre as suas partículas. Para serem efetivas e resultarem em reação, as colisões entre as partículas devem ocorrer em uma orientação favorável e com energia suficiente (energia de ativação).

Essas colisões ocorrem entre as moléculas ou partículas da superfície dos materiais sólidos. Assim, no caso da palha de aço, a sua superfície de contato é maior do que a do prego, ou seja, está mais fragmentada, está com uma maior área exposta e, dessa forma, mais átomos de ferro entram em contato com o oxigênio do ar que causa a combustão. Com isso, a quantidade de choques entre esses reagentes e a probabilidade de ocorrerem choques efetivos aumentam, o que resulta no aumento da velocidade da reação.

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Com isso, podemos chegar à seguinte conclusão:

Quanto maior a superfície de contato dos reagentes, maior é a taxa de desenvolvimento ou velocidade de uma reação e vice-versa.

Isso pode ser visto em diversas situações do cotidiano. Por exemplo, a própria palha de aço enferruja mais rápido que o prego ou uma barra de ferro porque ela tem uma maior superfície de contato com o oxigênio e com a umidade do ar que causa a oxidação do ferro. Outro caso é se colocarmos em uma mesma quantidade de água um comprimido efervescente inteiro, um comprimido em pedaços e um em pó. Veremos que o pulverizado será o que se dissolverá mais rápido, pois está mais fragmentado. O último a terminar de efervescer será o comprimido inteiro, pois ele é mais compactado e sua superfície de contato é menor.

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