Reações Químicas, Entalpia e Velocidade de Reação

Reações Químicas e Energia

Os compostos ou substâncias químicas podem liberar a energia armazenada de maneiras diferentes:

1. Energia térmica: provoca variações de temperatura.
2. Energia mecânica: proveniente do movimento de objetos.
3. Energia elétrica: gerada a partir de reações químicas que produzem eletricidade, como ocorre em pilhas.
4. Energia luminosa: emissão de luz.
5. Outros: por exemplo, som.

Origem da troca de energia em reações químicas

Em qualquer reação química há interação entre as espécies reagentes que envolve ruptura e formação de ligações. Lembre-se:

• Ruptura de ligações: exige fornecimento de energia (consumo de energia).
• Formação de ligações: libera energia, pois move o sistema para um estado mais estável.

O balanço total entre ligações quebradas e formadas indica se o processo absorve ou libera energia:

• Se as novas ligações formadas são mais fortes que as ligações quebradas, energia é liberada.
• Se as novas ligações forem mais fracas do que as que foram quebradas, a reação absorve energia.

Entalpia e calor

O diagrama de entalpia de reação representa a energia trocada com o ambiente como calor durante uma reação química. Como muitas reações ocorrem em recipientes abertos, estão sob pressão constante; por isso fala-se em entalpia de reação. A entalpia, ΔH, é a energia trocada com o ambiente como calor em um processo que ocorre à pressão constante.

De acordo com a absorção ou emissão de calor, classificam-se as reações em:

• Reações exotérmicas: liberam calor ao meio; o conteúdo de energia dos reagentes é maior do que o dos produtos (ΔH < 0).
• Reações endotérmicas: absorvem calor do meio; o conteúdo de energia dos produtos é maior do que o dos reagentes (ΔH > 0).

Equações termoquímicas

Uma equação termoquímica fornece as fórmulas dos reagentes e produtos, o estado físico das substâncias e o calor de reação sob a forma de entalpia, em condições padrão (P = 1 atm e T = 25 °C).

Exemplo: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) ΔH = −393,5 kJ·mol⁻¹

Ao utilizar equações termoquímicas seguem-se duas regras básicas:

1. A magnitude de ΔH é diretamente proporcional à quantidade de reagente ou produto; pode ser usada como fator de conversão para calcular o calor absorvido ou liberado para qualquer quantidade de substância.
2. O valor de ΔH para a reação inversa é igual em magnitude e oposto em sinal ao da reação direta.

A Lei de Hess

Declaração: A entalpia de uma reação depende apenas dos estados inicial e final e é independente do caminho seguido entre eles. Assim, o calor de uma reação pode ser obtido somando-se aritmeticamente entalpias de reações intermediárias cujo calor seja conhecido.

Taxa de reação

Taxa de reação é uma grandeza que indica a velocidade com que os reagentes são transformados em produtos. A velocidade de reação é a quantidade de reagente consumida ou de produto formado por unidade de tempo e por unidade de volume.

Medição da velocidade de reação: pode ser feita por variações de concentração, variações de pressão (quando há gases), variações de massa, mudanças na absorbância (espectrofotometria), entre outros métodos quantitativos.

Teoria da colisão e energia de ativação

A teoria da colisão propõe que, para ocorrer uma reação química, as moléculas reagentes devem colidir entre si. Quanto maior a frequência de colisões, maior a velocidade de reação. Nem todas as colisões produzem reação; apenas aquelas com energia suficiente e orientação adequada serão efetivas.

Energia de ativação (E_a): é a energia mínima necessária para que as partículas formem produtos reativos. É uma barreira energética que deve ser superada. No ponto máximo da barreira energética forma-se o complexo ativado, um estado de transição onde ligações reagentes começam a enfraquecer e ligações produtos começam a se formar. Esse estado de transição tem vida muito curta (da ordem de 10⁻¹³ s).

Portanto, para que uma colisão seja eficaz é necessário que haja energia suficiente e orientação correta.

Fatores que afetam a velocidade de reação

Os principais fatores que aumentam ou diminuem a velocidade de uma reação são:

• Temperatura: o aumento da temperatura eleva a energia das partículas, faz com que se movam mais rapidamente e aumente a frequência de colisões; também aumenta a fração de colisões com energia suficiente para vencer E_a, acelerando a reação.
• Concentração dos reagentes: o aumento da concentração implica mais partículas por unidade de volume, mais colisões e, portanto, maior probabilidade de colisões efetivas; assim, a velocidade de reação geralmente aumenta com a concentração.
• Área de contato: em reações heterogêneas (reagentes em diferentes fases), reagentes finamente divididos aumentam a superfície de contato, facilitando colisões e interações; maior superfície de contato normalmente aumenta a taxa de reação.
• Catalisadores: uma espécie química capaz de modificar a velocidade de uma reação, aumentando-a (catálise positiva) ou diminuindo-a (catálise negativa). O catalisador atua alterando a energia de ativação — reduzindo-a para aumentar a velocidade (ou, em alguns casos, aumentando-a para retardar) — de modo que um maior número de colisões passa a ter energia adequada para formar produtos. Características de um catalisador: atua em pequenas quantidades, deve ser recuperável ao final do processo, age sem ser consumido permanentemente e modifica a rota da reação (energia de ativação).