O que é cinética química?

Explicamos o que é cinética química, velocidade e velocidade de reação e os fatores que afetam a velocidade

O que é cinética química?

O cinética química É o ramo da química que é responsável por estudar a velocidade das reações químicas, que fatores afetam essa velocidade e quais são os mecanismos individuais ou etapas através das quais reações químicas ocorrem.

Além disso, nos permite entender muitos aspectos de reações químicas, como equilíbrio químico e energia de ativação, e estudos processos de catálise. O último o torna especialmente importante em várias aplicações, da bioquímica à engenharia industrial.

No centro da cinética está a velocidade da reação, que pode ser entendida como a taxa na qual os reagentes são transformados em produtos. No entanto, na cinética química, há uma definição muito mais precisa.

Definição de velocidade de reação

Para dar a definição completa da velocidade da reação, conforme usado na cinética química, vamos começar com a seguinte reação química genérica:

Nesta reação, A e B representam os reagentes, C e D representam produtos, enquanto A, B, C e d Eles representam os respectivos coeficientes estequiométricos.

A taxa de reação (representada com o símbolo v) Indica o quão rápido. Matematicamente, isso é expresso da seguinte maneira:

Onde δ [x] representa a mudança na concentração molar de espécie x (a, b, c ou d) no intervalo de tempo Δt.

É evidente que quanto mais rápido qualquer um dos reagentes forem consumidos, mais rápido os outros reagentes serão consumidos e mais rápido os produtos ocorrerão. Por esse motivo, é necessário apenas definir a velocidade em termos de um deles.

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Para garantir que o resultado do cálculo da velocidade seja sempre o mesmo, independentemente de qual espécie a velocidade é definida, ela deve sempre ser dividida entre o coeficiente estequiométrico e colocar um sinal menos antes da equação se for um reagente. Quer dizer:

Exemplo de definição de velocidade de reação

Dada a seguinte reação química:

Escreva a definição da velocidade de reação, dependendo de cada espécie envolvida.

Solução:

Em termos de H₂:

Em termos de eu₂:

Em termos de HI:

A lei de velocidade e a ordem da reação

Reações ocorrem quando átomos e moléculas colidem entre si com energia suficiente e orientação adequada. A probabilidade de que isso aconteça aumenta à medida que os átomos e moléculas estão mais concentrados.

Por esse motivo, a velocidade quase sempre depende da concentração de reagentes. Em alguns casos, a velocidade também depende da concentração de qualquer um dos produtos, bem como da concentração de qualquer catalisador ou inibidor que esteja presente no ambiente.

A equação matemática que relaciona a velocidade de uma reação à concentração das diferentes espécies envolvidas é chamada "Lei de velocidade”E, em casos mais simples, ele tem a seguinte forma:

Onde k É uma constante de proporcionalidade chamada velocidade constante, e os expoentes de A, B e qualquer outra espécie que apareça na equação, são chamados ordens de reação.

De acordo com a soma de todas as ordens de reação (que é chamada de ordem global), diferentes tipos de reações podem ser distinguidos. Estes diferem de quanto a concentração afeta a velocidade, na fórmula do tempo que leva para consumir metade dos reagentes (meia -vida) e na maneira como a concentração dos reagentes muda ao longo do tempo (os gráficos [a] vs t t ).

• Reações de pedido 0

Quando todos os expoentes na lei de velocidade são 0, a equação da lei de velocidade é reduzida a:

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Em outras palavras, são reações que ocorrem em velocidade constante e na qual a velocidade não depende da concentração de qualquer reagente ou produto.

Encomende gráficos 0

O gráfico de [a] vs t de reações de ordem 0 são linhas retas descendentes.

Legenda: o gráfico de concentração vs tempo de uma reação da ordem 0 fornece uma linha reta.

Vida média para ordem 0

Para uma reação da ordem 0, o tempo de meia -vida (t_1/2) É dado por:

• Reações de 1ª ordem

Nessas reações, a velocidade varia linearmente com a concentração. A lei de velocidade de primeira ordem é:

Gráficos de primeira ordem

O gráfico de [a] vs t das reações de primeira ordem são hiperbolas descendentes. No entanto, se o logaritmo neperiano de concentração (ln [a]) vs tempo for gráfico, uma linha reta é obtida.

O gráfico de concentração vs. o tempo de uma reação da ordem 1 dá uma hipérbole, mas o gráfico do logaritmo neperiano da concentração versus o tempo fornece uma linha

Vida média para reações de primeira ordem

Para uma reação da ordem 1, t_1/2 Não depende da concentração inicial e é dado por:

• Reações de segunda ordem

Uma reação pode ser a segunda ordem em relação a um único reagente ou de primeira ordem em relação a dois reagentes. No primeiro caso, a lei de velocidade é dada por:

Gráficos de segunda ordem

O gráfico de [a] vs t das reações de segunda ordem são hiperbolas descendentes. No entanto, se o inverso da concentração (1/[a]) vs é plotado, uma linha reta será obtida.

O gráfico de concentração vs. o tempo de uma reação da Ordem 2 fornece uma curva semelhante a uma hipérbole descendente, mas o gráfico da concentração vs. tempo fornece uma linha

Vida média para reações de segunda ordem

Para uma reação da Ordem 2, t_1/2 É dado por:

Fatores que afetam a velocidade da reação

Temperatura

A temperatura sempre aumenta a velocidade com que as reações ocorrem, uma vez que a frequência e a energia com as quais as moléculas colidem entre si aumentam. A dependência da velocidade da reação com a temperatura é dada pela equação de Arrhenius.

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Pressão

O aumento da pressão é equivalente a aumentar a concentração de todas as espécies no meio de reação (para reações de fase gasosa); portanto, os aumentos de pressão tendem a aumentar a velocidade das reações.

Catalisadores

Catalisadores são substâncias químicas que são adicionadas ao meio apenas para aumentar a velocidade de reação. A maioria dos catalisadores funciona alterando o mecanismo de reação por um que requer menor energia de ativação.

Exemplos de catalisadores comuns são enzimas em sistemas vivos e alguns metais como platina e paládio.

Inibidores

Inibidores são o oposto dos catalisadores. São substâncias que tornam as reações mais lentamente. Anticorrosivo são exemplos de inibidores que buscam reduzir a velocidade das reações de corrosão, para tornar as superfícies metálicas mais.