Compreender a expressão da velocidade é essencial para dominar a cinética química. Ao relacionar a velocidade de uma reação com as concentrações de seus reagentes, essa expressão fornece uma ferramenta importante para analisar e prever o comportamento das reações químicas.
Neste conteúdo, você aprenderá como identificar a expressão da velocidade em reações elementares, em que os coeficientes estequiométricos determinam diretamente a ordem da reação, e também dominará o passo a passo para deduzir as ordens dos reagentes em reações não elementares, por meio do uso de dados experimentais e análises comparativas de concentrações e velocidades. Saiba tudo a seguir!
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O que é a velocidade de reação?
Em termos simples, a velocidade de reação é a rapidez com que reagentes são consumidos ou produtos são formados ao longo do tempo.
Assim como um carro tem uma velocidade expressa em km/h, uma reação química tem sua velocidade expressa em termos de mudança de concentração por unidade de tempo, geralmente mol/L·s (mols por litro por segundo).
Imagine a combustão de um combustível: quanto mais rápido ele queima, maior a velocidade da reação. Já a formação de ferrugem, por exemplo, é uma reação lenta, com baixa velocidade.
Como identificar a expressão da velocidade em reações elementares
A expressão da velocidade é uma ferramenta fundamental na cinética química, especialmente no estudo das reações elementares. Essas reações ocorrem em uma única etapa e, por isso, a relação entre os reagentes e a velocidade da reação pode ser diretamente identificada a partir da equação química balanceada. Nessas situações, os coeficientes estequiométricos dos reagentes tornam-se os expoentes na expressão da velocidade.
Diferente das reações que ocorrem em múltiplas etapas, as reações elementares oferecem simplicidade na análise porque a etapa única de transformação permite associar diretamente os dados estequiométricos à taxa de reação. Assim, pode-se aplicar os conceitos de forma mais objetiva, o que facilita a resolução tanto de questões conceituais quanto de problemas calculados.
Identificação dos expoentes e construção da expressão
Para montar a expressão da velocidade, é essencial verificar quais são os reagentes da equação química e os respectivos coeficientes que os acompanham. Quando a reação é elementar, os coeficientes que aparecem na equação balanceada tornam-se os expoentes dos reagentes na expressão da velocidade. Esses expoentes são chamados de ordem parcial da reação em relação a um dado reagente.
Por exemplo, na equação química:
1 N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃
Podemos identificar que o N₂ possui coeficiente igual a 1 e o H₂, coeficiente igual a 3. Com isso, a expressão da velocidade será:
v = K · [N₂]¹ · [H₂]³
A constante K está presente em todas as expressões e representa um parâmetro proporcional que depende da temperatura e da natureza da reação.
Importância dos coeficientes estequiométricos
A confiabilidade da identificação correta dos coeficientes na reação elementar garante precisão nos cálculos da cinética química. É comum encontrar situações em provas onde o candidato precisa estabelecer a relação correta entre reagentes e a velocidade com base apenas na equação química fornecida.
Nesse contexto, ter domínio da aplicação dos coeficientes nas expressões evita erros conceituais e otimiza o tempo de resolução nas provas. Além disso, conhecer a distinção entre coeficiente estequiométrico e ordem da reação torna-se fundamental para não cometer equívocos em reações que não são elementares, nas quais essa correspondência direta não se aplica.
Exemplos práticos de aplicação
Vamos considerar agora outro exemplo prático, envolvendo a reação entre gás hidrogênio e gás oxigênio:
2 H₂ + 1 O₂ → 2 H₂O
Nesse caso, os dois reagentes são o H₂ e o O₂. Eles possuem os seguintes coeficientes na equação:
- H₂: coeficiente 2
- O₂: coeficiente 1
Assim, a expressão da velocidade para esta reação elementar será representada por:
v = K · [H₂]² · [O₂]¹
Esse exemplo demonstra claramente como os coeficientes da equação balanceada se traduzem nos expoentes da expressão quando a reação ocorre em etapa única.
Utilização estratégica em provas
Saber identificar rapidamente a expressão da velocidade numa reação elementar é uma habilidade estratégica em exames importantes. Muitas questões buscam avaliar essa capacidade de percepção, oferecendo equações completas e pedindo diretamente a expressão da velocidade ou o valor da constante K, com base em dados experimentais. Por isso, treinamentos com exercícios diversos ajudam o estudante a reconhecer padrões e aplicar o conceito com segurança.
Em análises experimentais, o conhecimento sobre reações elementares também simplifica a leitura de gráficos e interpretação de tabelas envolvendo variação de concentração e tempo. Dominar essas técnicas permite ao candidato resolver questões com agilidade, aumentando significativamente as chances de obter boas classificações nos processos seletivos mais concorridos.
Erros comuns que devem ser evitados
- Usar os coeficientes da equação em reações que não são elementares: Em reações não elementares, essa correspondência não vale.
- Desconsiderar a constante K: A constante aparece em todas as expressões da velocidade e depende da temperatura; deve ser sempre incluída.
- Não balancear corretamente a equação: Uma equação mal balanceada compromete toda a construção da expressão da velocidade.
Dessa maneira, saber identificar corretamente e com rapidez a expressão da velocidade em uma reação elementar se torna uma ferramenta valiosa para quem deseja maximizar seus pontos nas disciplinas de Química.
Determinando a lei de velocidade para reações não elementares
Ao contrário das reações elementares, que ocorrem em uma única etapa e cujas ordens de reação podem ser obtidas diretamente dos coeficientes estequiométricos, a maioria das reações químicas não são elementares. Isso significa que elas acontecem em múltiplas etapas, e a lei de velocidade (ou equação de velocidade) deve ser determinada experimentalmente.
O método mais comum para determinar experimentalmente a lei de velocidade é o método das velocidades iniciais. Ele envolve a realização de uma série de experimentos, nos quais a concentração inicial de um dos reagentes é variada enquanto as concentrações dos demais são mantidas constantes. Ao observar como essa variação afeta a velocidade inicial da reação, é possível deduzir a ordem de reação em relação a cada reagente.
Passo a passo da dedução da ordem de reação e da constante k
Considere uma reação genérica:
A + B → Produtos
A lei de velocidade geral será expressa como:
v = k[A]ˣ[B]ʸ
Onde x e y são as ordens de reação que precisamos determinar experimentalmente.
Vamos analisar um exemplo prático com dados experimentais simulados:
1. Determinando a ordem em relação ao reagente A (x):
Imagine que, no Experimento 1, as concentrações iniciais de [A] e [B] são 0,10 mol/L cada, e a velocidade inicial observada é de 1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s.
No Experimento 2, mantemos a concentração de [B] em 0,10 mol/L, mas dobramos a concentração de [A] para 0,20 mol/L. Se a velocidade inicial quadruplicar, passando para 4,0 × 10⁻⁴ mol/L·s, podemos deduzir a ordem de reação em relação a A.
Matematicamente, se a concentração de A dobrou (fator 2) e a velocidade quadruplicou (fator 4), isso implica que a velocidade é proporcional ao quadrado da concentração de A.
Ou seja:
2ˣ = 4, logo x = 2
Portanto, a reação é de segunda ordem em relação ao reagente A.
2. Determinando a ordem em relação ao reagente B (y):
Agora, para encontrar a ordem em relação a B, vamos comparar o Experimento 1 com um Experimento 3.
No Experimento 3, mantemos a concentração de [A] em 0,10 mol/L, mas dobramos a concentração de [B] para 0,20 mol/L. Se a velocidade inicial dobrar, passando para 2,0 × 10⁻⁴ mol/L·s (em relação ao Experimento 1), podemos deduzir a ordem de reação em relação a B.
Neste caso, a concentração de B dobrou (fator 2) e a velocidade também dobrou (fator 2). Isso implica que a velocidade é diretamente proporcional à concentração de B.
Ou seja:
2ʸ = 2, logo y = 1
Portanto, a reação é de primeira ordem em relação ao reagente B.
3. Escrevendo a lei de velocidade e a ordem global:
Com x = 2 e y = 1, a lei de velocidade para esta reação é:
v = k[A]²[B]¹, ou simplesmente:
v = k[A]²[B]
A ordem global da reação é a soma das ordens parciais:
x + y = 2 + 1 = 3
Portanto, trata-se de uma reação de terceira ordem global.
4. Calculando a constante de velocidade (k):
Agora que conhecemos a lei de velocidade e as ordens, podemos usar os dados de qualquer um dos experimentos para calcular o valor da constante de velocidade (k). Vamos usar os dados do Experimento 1:
v = k[A]²[B]
Substituindo os valores do Experimento 1 (v = 1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s, [A] = 0,10 mol/L e [B] = 0,10 mol/L):
1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s = k × (0,10 mol/L)² × (0,10 mol/L)
1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s = k × (0,01 mol²/L²) × (0,10 mol/L)
1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s = k × 0,001 mol³/L³
Isolando k:
k = (1,0 × 10⁻⁴ mol/L·s) ÷ (0,001 mol³/L³)
k = 0,1 L²/(mol²·s)
A unidade de k dependerá da ordem global da reação. Para uma reação de terceira ordem global, a unidade é L²/(mol²·s).
Fatores que afetam a velocidade de reação
Entender os fatores que influenciam a velocidade é tão importante quanto saber calculá-la:
- Concentração dos reagentes: Maior concentração geralmente significa mais colisões entre as moléculas, o que leva a uma maior velocidade de reação.
- Temperatura: O aumento da temperatura fornece mais energia cinética às moléculas, aumentando a frequência e a energia das colisões, consequentemente acelerando a reação.
- Natureza dos reagentes: Diferentes substâncias reagem em velocidades diferentes devido às suas estruturas e tipos de ligações.
- Superfície de contato: Para reações que envolvem sólidos, quanto maior a superfície de contato (p. ex., um pó em vez de um bloco), mais rapidamente a reação ocorre.
- Catalisadores: Catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade da reação sem serem consumidos no processo. Eles fazem isso fornecendo um caminho alternativo para a reação, com menor energia de ativação. Enzimas em nosso corpo são catalisadores biológicos essenciais.
Portanto, a cinética química é mais do que fórmulas e cálculos; é a chave para prever e controlar o comportamento das substâncias ao longo do tempo.
Exercícios para praticar
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Confira essa questão da ESPCEX 2019:
ALTERNATIVA: A
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Confira também essa questão da IME 2015:
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