Taxa de reação química

Taxa de reação

A taxa na qual uma reação química ocorre é definida como a mudança na concentração do substrato ou produto ao longo do tempo. A taxa de uma reação química é uma função apresentada na forma de uma equação de taxa geralmente aplicável. Mudanças na quantidade de componentes em tal equação são geralmente expressas em concentrações molares. Observe que qualquer outra forma de expressar quantidade pode ser usada, como massa, fração molar ou fração atômica (proporção). A química também usa um conceito mais avançado chamado taxa instantânea de uma reação química . O curso da reação pode ser visualizado traçando a relação entre a concentração molar (no eixo y) e o tempo de reação (no eixo x). Para a curva resultante são determinadas uma tangente e sua inclinação, sendo que esta última corresponde à taxa instantânea da reação. Outro valor que também caracteriza a velocidade de uma reação química é a chamada meia-vida . É um valor que descreve o comportamento dos elementos radioativos ao longo do tempo. A meia-vida é o tempo necessário para que metade da quantidade inicial de substrato reaja, o que significa que quanto maior a meia-vida, menor será a constante de velocidade k na equação de velocidade de uma reação química. Fatores que afetam a taxa de uma reação química:

• Concentração do substrato – foi comprovado experimentalmente repetidas vezes que a taxa de reação depende decisivamente da concentração do substrato. Quanto maior for a sua concentração no sistema, mais rápido um determinado processo prosseguirá. Isso pode ser explicado usando a teoria das colisões. De acordo com esta teoria, uma condição para a ocorrência de uma reação química específica é a ocorrência de uma colisão bem-sucedida (isto é, colisão com energia suficiente) entre moléculas de substrato individuais. Assim, quanto mais moléculas de substrato houver (quanto maior for a sua concentração), maior será a probabilidade de uma colisão e, portanto, maior será a taxa de reação (esta é uma relação diretamente proporcional).
• Um catalisador presente no sistema – catalisadores são substâncias que, quando adicionadas a um sistema de reação, aumentam a velocidade com que uma reação química ocorre. Isto está relacionado com a redução da energia de activação, isto é, a energia necessária para os substratos ultrapassarem a barreira energética da reacção e formarem o complexo activo (o estado de transição) antes da formação dos produtos reais da reacção. A redução da energia de ativação pelo catalisador significa que menos energia é necessária para iniciar a reação química.
• Temperatura e pressão – de acordo com a regra de van’t Hoff, aumentar a temperatura do sistema de reação em 10ᵒC aumenta a taxa de reação em 2 a 4 vezes. Esta relação permite estimar a taxa de reação se a temperatura for aumentada, mas não se aplica a todas as reações e em casos excepcionais leva até a uma diminuição da taxa de reação ou a produtos indesejáveis. Para reações envolvendo apenas substâncias gasosas, a pressão no sistema desempenha um papel fundamental. Seu aumento significa que a concentração do substrato é maior, de modo que colisões bem-sucedidas entre moléculas individuais ocorrem de forma mais eficiente e a taxa de reação aumenta.
• Grau de finura – reações químicas envolvendo substratos sólidos ocorrem em sua superfície. Quanto maior a área superficial da substância, mais rápida e eficiente será a reação que a envolve. Assim, para aumentar ao máximo esta área, os substratos são submetidos a britagem ou trituração. Um exemplo é o pó de ferro, que se oxida rapidamente na chama de uma tocha, efeito que não é observado no aquecimento de uma barra de ferro.
• Mistura – a mistura tem um efeito semelhante na taxa de reação que no grau de finura. O início do movimento das moléculas no sistema leva ao seu contato mais frequente e à formação de produtos de reação. Nos processos de superfície, a mistura facilita o desprendimento das moléculas resultantes, por exemplo, da superfície do catalisador, aumentando assim o acesso aos centros activos para outros substratos.

Equação de taxa

A equação da taxa pode ser usada para descrever as relações entre a taxa de uma reação química e a concentração dos substratos. Cada transformação química possui uma equação de taxa característica. Em termos mais simples, esta relação pode ser expressa como o produto do coeficiente k (chamado de constante de taxa de reação, um valor que é constante para uma determinada reação química a uma determinada temperatura) e a concentração dos substratos. A forma da equação da taxa depende da ordem da reação:

• Reações de primeira ordem – a velocidade depende apenas da concentração do substrato, elevada à primeira potência.
• Reações de segunda ordem – neste caso, ambos os componentes reagentes ou o coeficiente estequiométrico na frente de um substrato (por exemplo, em reações de decomposição) devem ser incluídos na equação de velocidade. Numa tal reacção, a velocidade dependerá do produto das concentrações do substrato.

Os exemplos fornecidos acima são os mais comuns, pois a maioria das reações químicas são de primeira ou segunda ordem. Mas deve-se lembrar que também são possíveis reações de ordem diferente, como ordem zero, onde a taxa de reação independe da concentração dos substratos. A equação da velocidade escrita para uma reação química específica depende principalmente do seu mecanismo, ou seja, da sequência de reações elementares nas quais as moléculas sofrem alterações. No caso de processos com mecanismo de múltiplas etapas, a velocidade de toda a reação é determinada pela sua etapa mais lenta. Em tal situação, é difícil determinar com precisão a equação da taxa ou pode ser muito complicada. A equação da taxa também está ligada ao conceito de ordem de uma reação química . A ordem é definida como a soma dos expoentes na equação da taxa. Determina quantas moléculas, íons ou átomos devem participar de uma colisão bem-sucedida para que ocorra uma reação química.

Impacto dos catalisadores na taxa de reações químicas

Catalisadores são substâncias cuja presença em um sistema aumenta a taxa de uma reação química. É importante ressaltar que eles próprios não reagem nos processos. Juntamente com os substratos, formam os chamados complexos ativos, que são muito mais fáceis de transformar. Uma vez concluída a reação química, o catalisador é regenerado em sua forma original. A principal tarefa do catalisador é reduzir a energia de ativação, ou seja, a energia que deve ser fornecida para que ocorram colisões bem-sucedidas entre os substratos envolvidos na reação. Podemos distinguir catálise homogênea (o catalisador e os reagentes estão no mesmo estado físico), catálise heterogênea (o catalisador e os reagentes estão em estados físicos diferentes – o tipo mais comum de catálise, em que o catalisador é chamado de contato) e autocatálise (um dos produtos resultantes acelera ainda mais a reação química). A catálise e os catalisadores são aspectos extremamente valiosos e importantes da maioria dos processos industriais, principalmente os da indústria química . Os catalisadores são utilizados na maioria dos processos tecnológicos em química, por exemplo, na produção de ácido nítrico (V) ou ácido sulfúrico (VI) .