Cinética de reação

A taxa de reação 反应速率 é a velocidade com que reagentes se transformam em produtos. Medimos isso como a mudança na concentração (ou quantidade) por unidade de tempo.

Para reagir, as partículas devem colidir 碰撞. A frequência de colisão 碰撞频率 é com que frequência as partículas se chocam. Mas nem toda colisão leva a uma reação:

• uma colisão eficaz 有效碰撞 tem energia suficiente e a direção correta, resultando em uma reação.
• uma colisão ineficaz 无效碰撞 não tem energia suficiente, ou as partículas colidem em um ângulo errado, não havendo reação.

Assim, a taxa depende da frequência de colisões eficazes — quantas colisões úteis ocorrem por segundo.

Concentração e pressão

Se aumentar a concentração de uma solução (ou a pressão de um gás), as partículas ficam mais próximas umas das outras. Colidem com mais frequência, havendo mais colisões eficazes por segundo, e a taxa aumenta.

Você pode calcular uma taxa a partir de dados experimentais — por exemplo, o volume de gás produzido dividido pelo tempo gasto.

Exemplo resolvido. Uma reação libera dióxido de carbono. Nos primeiros $30\ \text{s}$, $48\ \text{cm}^3$ de gás são coletados. Encontre a taxa média de reação nesse intervalo.

A taxa é mais rápida no início (o gráfico é mais íngreme ali) porque os reagentes estão mais concentrados, depois diminui à medida que são consumidos.

A energia de ativação 活化能 ($E_A$) é a energia mínima necessária para que uma colisão seja eficaz.

A distribuição de Boltzmann 玻尔兹曼分布 é um gráfico mostrando como as energias das moléculas se distribuem em uma temperatura específica. A curva começa na origem, sobe até um pico e depois decresce em uma longa cauda. A área total sob a curva é o número total de moléculas. Apenas as moléculas à direita de $E_A$ têm energia suficiente para reagir.

Quando você aumenta a temperatura:

• a curva achatada e se espalha para a direita, então uma fração muito maior de moléculas agora tem energia superior a $E_A$.
• as moléculas também se movem mais rápido e colidem com mais frequência.

O primeiro efeito é o mais significativo. É por isso que um pequeno aumento de temperatura causa um grande aumento na taxa.

Um catalisador 催化剂 acelera uma reação sem ser consumido. Catálise 催化作用 é o nome dado a essa ação.

Um catalisador atua fornecendo à reação um mecanismo de reação 反应机理 diferente — uma nova rota com energia de ativação mais baixa. Na distribuição de Boltzmann, reduzir $E_A$ move a linha para a esquerda, permitindo que mais moléculas tenham energia suficiente. Isso significa mais colisões eficazes por segundo e uma taxa mais rápida.

Em um diagrama de via de reação 反应路径图, a rota catalisada possui uma 'colina' energética mais baixa. A variação de entalpia da reação, $\Delta H$, não é alterada pelo catalisador.

Existem dois tipos:

• um catalisador homogêneo 均相催化剂 está no mesmo estado físico que os reagentes — por exemplo, um catalisador ácido dissolvido em uma solução líquida.
• um catalisador heterogêneo 多相催化剂 está em um estado diferente dos reagentes — por exemplo, ferro sólido acelerando a reação de gases no processo de Haber.

• Explique mudanças na taxa usando a teoria das colisões — colisões eficazes mais frequentes e/ou mais energéticas.
• Em uma distribuição de Boltzmann, marque $E_A$, sombreie à sua direita e mostre a curva achatando e deslocando para a direita em temperatura mais alta; ela começa na origem e nunca toca o eixo.
• Um catalisador fornece uma rota alternativa com menor $E_A$ e não altera $\Delta H$.
• Diga por que um pequeno aumento de temperatura causa um grande aumento na taxa: uma proporção muito maior de moléculas agora excede $E_A$ (efeito principal).