Cinética Química+Vídeo aula explicativa

Extraído do vlog: Aulalivre .net

A Cinética Química é o estudo das velocidades das reações químicas. Nela é introduzida a variável tempo nas transformações físico-químicas. Enquanto que na termodinâmica determina-se a variação das propriedades de um sistema quando este passa de um estado de equilíbrio para outro, na cinética se estabelece o tempo necessário para que a transformação ocorra. A cinética química está baseada em processos químicos experimentais, que são modelados matematicamente por meio de equações diferenciais. O método consiste em montar a equação diferencial que retrata um determinado fenômeno e resolvê-la, obtendo-se assim a função que representa, explicitamente, a variação da concentração dos reagentes com o passar do tempo.

Um exemplo que pode ilustrar a diferença entre a abordagem termodinâmica e a cinética é a transformação do diamante em grafite nas condições ambientes. Por meio de considerações termodinâmicas conclui-se que a transformação é espontânea, visto que o carbono na forma de grafite possui, nessas condições, maior estabilidade do que na forma de diamante. Já do ponto de vista cinético, vê-se que essa transformação não ocorre em velocidade apreciável, de modo que não se pode constatar a sua ocorrência no dia a dia. Este é o motivo pelo qual não se verifica a transformação de um anel de diamante em um anel de grafite!

          

                         Grafite                                                                                Diamante

O conhecimento da cinética de qualquer processo é de grande importância, devido a suas aplicações:

- na físico–química, para o estudo das ligações químicas (energia de ligação, estabilidade de compostos);

- na química orgânica, para a determinação dos mecanismos das reações;

- em engenharia química, para o desenvolvimento de teorias de combustão, explosões, transferência de massa e energia e no cálculo de reatores;

- no âmbito farmacêutico, nos estudos de estabilidade e degradação de medicamentos.

O que é a velocidade de uma reação química? Como determiná-la?

Para o estudo da cinética química é necessário estabelecer uma definição precisa, quantitativa, da velocidade de uma reação química. No cotidiano, uma reação é dita rápida quando ocorre quase instantaneamente, como em uma explosão. Já uma reação lenta pode ser exemplificada com um processo de corrosão de um metal exposto às condições atmosféricas, que leva um tempo longo para ocorrer.

A velocidade de uma reação química pode ser definida como a variação na concentração de uma espécie (reagente ou produto) dividida pelo tempo que a mudança leva para ocorrer.

Um forma de expressar a velocidade de uma reação é através da velocidade média, calculada a partir da variação da concentração molar de um reagente, R,,durante o intervalo de tempo.

As velocidades são sempre definidas de modo a se obter grandezas positivas. Assim, para uma reação R → P define-se:

Velocidade média de consumo:

Velocidade média de formação:

Ou, em termos de variações infinitesimais:

Na cinética química um conceito fundamental é o de velocidade instantânea. A velocidade instantânea pode ser entendida como uma velocidade média calculada em um intervalo de tempo muito curto, em torno de um instante de tempo de referência. Pode-se compreender a velocidade instantânea como o limite da velocidade média para um intervalo de tempo tendendo a zero, o que matematicamente corresponde à derivada da função que descreve a variação da concentração com o tempo.

Para obter a velocidade de uma reação em um determinado instante, uma maneira é traçar a tangente no ponto correspondente do gráfico de concentração versus tempo. Como se pode ver no gráfico abaixo:

Como se classificam as reações químicas do ponto de vista cinético?

Do ponto de vista cinético, as reações químicas podem ser classificadas em elementares e não elementares.

Reações elementares são aquelas que ocorrem em uma só etapa e para elas a equação estequiométrica traduz perfeitamente o mecanismo pelo qual a reação ocorre.

Por exemplo, para a reação elementar:

Sua velocidade depende do número de colisões das moléculas do reagente A com as moléculas do reagente B. Portanto, sua velocidade será proporcional à concentração do reagente A e à concentração do reagente B:

Reações não elementares são aquelas que ocorrem por meio de várias etapas elementares, cada uma com uma expressão de velocidade própria.

Por exemplo, a reação entre o hidrogênio e o bromo para formar ácido bromídrico, no estado gasoso:

Esta reação foi estudada experimentalmente e verificou-se que ocorre por meio das seguintes etapas:

k1 

k2

k3

k4

k5

E a velocidade global dessa reação pode ser expressa da seguinte forma:

Como pode se observar por este exemplo, a lei de velocidade não pode ser deduzida da equação química, devendo ser determinada experimentalmente.

O que é a constante de velocidade?

Na expressão tem-se a constante de proporcionalidade , que é a constante de velocidade da reação.

Matematicamente, k é a velocidade da reação quando as concentrações são unitárias. A constante de velocidade k tem dimensões que dependem da ordem de reação:

Onde n= ordem da reação.

Fonte:

O material apresentado neste sítio foi baseado nos seguintes livros: Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente (Atkins, 2006), Físico-Química (Atkins, 1999) e Fundamentos de físico-química: uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas (Netz, 2002). Conheça nossa bibliografiacompleta.

Este trabalho foi realizado pelo acadêmico Rômulo Messias Kipper, estudante do curso de Licenciatura em Química da UFRGS, sob a orientação da professora Tania Denise Miskinis Salgado (tania.salgado@ufrgs.br) , do Departamento de Físico-Química do Instituto de Química da UFRGS, com o apoio financeiro da Secretaria de Educação a Distância (SEAD) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.