Reações químicas

Uma mudança física 物理变化 não produz uma nova substância. A substância apenas muda de estado ou forma, e a mudança geralmente pode ser revertida. O derretimento do gelo e a dissolução do açúcar são mudanças físicas.

Uma mudança química 化学变化 (uma reação química) produz uma ou mais novas substâncias e geralmente é difícil de reverter. Sinais de uma mudança química incluem mudança de cor, liberação de gás, mudança de energia ou formação de um precipitado 沉淀 (um sólido).

A taxa de reação 反应速率 indica quão rápido os reativos 反应物 se transformam em produtos 生成物.

Teoria das colisões

Teoria das colisões 碰撞理论 explica o que controla a taxa. Para que uma reação ocorra, as partículas 粒子 devem colidir 碰撞, e devem colidir com energia suficiente. A menor energia necessária é a energia de ativação 活化能 ($E_a$). Uma taxa mais rápida ocorre quando as partículas têm colisões bem-sucedidas com maior frequência.

O que altera a taxa

Catalisadores

Um catalisador acelera uma reação, mas não é consumido — permanece inalterado no final. Ele atua reduzindo a energia de ativação. Enzimas 酶 são catalisadores biológicos (catalisadores que funcionam em seres vivos).

Medindo a taxa

Você pode acompanhar uma reação ao longo do tempo destas formas:

• Variação de massa: coloque o frasco sobre uma balança. Se um gás escapar, a massa diminui. Registre a massa em intervalos regulares de tempo.
• Volume de gás: colete o gás em uma seringa de gás 注射器 e leia seu volume em intervalos regulares de tempo.
• Formação de precipitado: em uma reação que fica turva, meça quanto tempo leva para uma marca sob o frasco desaparecer.

Em um gráfico de produto contra tempo, a linha é mais íngreme no início (maior taxa), torna-se menos íngreme conforme os reativos são consumidos, e fica horizontal quando a reação termina.

Algumas reações são reversíveis 可逆反应: os produtos podem reagir para formar os reativos novamente. Mostramos isso com o símbolo $\rightleftharpoons$.

Alterando a direção

Um exemplo claro usa compostos hidratados 水合 e anidros 无水:

• O sulfato de cobre(II) hidratado azul, ao ser aquecido, perde sua água e torna-se sulfato de cobre(II) anidro branco. Adicionar água o torna azul novamente.
• O cloreto de cobalto(II) hidratado rosa perde água ao aquecer e torna-se cloreto de cobalto(II) anidro azul. Adicionar água o torna rosa novamente.

Adicionar água ao sólido anidro (e observar o retorno da cor) é usado como teste para água.

Equilíbrio

Em um sistema fechado 密闭系统 (onde nada entra ou sai), uma reação reversível atinge equilíbrio 平衡 quando:

• a taxa da reação direta 正反应 é igual à taxa da reação inversa 逆反应, e
• as concentrações dos reativos e produtos não estão mais mudando.

Alterando a posição do equilíbrio

A posição do equilíbrio 平衡位置 indica se há mais reativos ou mais produtos. Você pode movê-la:

• Temperatura: aquecer move o equilíbrio na direção que absorve calor (direção endotérmica 吸热反应); resfriar move-o na direção que libera calor (direção exotérmica 放热反应).
• Pressão (gases): maior pressão move o equilíbrio para o lado com menos moléculas gasosas.
• Concentração: adicionar mais de uma substância move o equilíbrio para o outro lado, para consumi-la.
• Um catalisador não mover a posição do equilíbrio. Ele apenas ajuda a reação a atingir o equilíbrio mais rapidamente.

Processo Haber

O Processo Haber 哈伯法 produz amônia:

• O hidrogênio 氢气 vem do metano 甲烷 (gás natural); o nitrogênio 氮气 vem do ar.
• Condições típicas: temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, pressão de aproximadamente $200$ atm ($20\,000$ kPa) e um catalisador de ferro 铁.

Processo Contact

O Processo Contact 接触法 converte dióxido de enxofre em trióxido de enxofre:

• O dióxido de enxofre vem da queima de enxofre 硫 (ou calcinação de minerais sulfetados); o oxigênio 氧气 vem do ar.
• Condições típicas: temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, pressão de aproximadamente $2$ atm ($200$ kPa) e um catalisador de óxido de vanádio(V) 五氧化二钒.

Por que essas condições são escolhidas

As condições são um compromisso 折中:

• Maior pressão daria mais produto, mas pressões muito altas são perigosas e caras, então usa-se uma pressão média.
• Temperatura mais baixa daria mais produto (ambas as reações diretas são exotérmicas), mas a reação seria muito lenta, então usa-se uma temperatura relativamente alta para manter uma boa taxa.
• O catalisador acelera a reação sem alterar a posição do equilíbrio, o que reduz custos.

Oxidação 氧化 e redução 还原 sempre ocorrem ao mesmo tempo, em uma reação chamada reação redox 氧化还原反应. ('Redox' é abreviação de reduction–oxidation.)

Existem três maneiras de descrever oxidação e redução:

• Oxigênio: oxidação é o ganho de oxigênio; redução é a perda de oxigênio.
• Elétrons 电子: oxidação é a perda de elétrons; redução é o ganho de elétrons.
• Número de oxidação 氧化数: na oxidação o número de oxidação aumenta; na redução ele diminui.

Um auxílio mnemônico útil é OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — de elétrons.

Regras do número de oxidação

O número de oxidação é indicado por numeral romano, como em ferro(II) e ferro(III). As regras são:

• Um elemento que não está combinado tem número de oxidação de $0$.
• Um íon monoatômico tem número de oxidação igual à sua carga (portanto $\text{Na}^{+}$ é $+1$).
• Os números de oxidação em um composto somam $0$.
• Os números de oxidação em um íon somam a carga do íon.

Exemplo resolvido. Encontre o número de oxidação do manganês no íon manganato(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Cada oxigênio é $-2$, e há quatro deles, totalizando $4 \times (-2) = -8$. Os números de oxidação em um íon devem somar a carga do íon, que aqui é $-1$. Então, se o manganês for $x$, temos $x + (-8) = -1$, resultando em $x = +7$ - exatamente o que o (VII) no nome indica. Defina o total como a carga do íon, não como zero: zero é apenas para um composto neutro.

Agentes oxidantes e redutores

• Um agente oxidante 氧化剂 oxida outra substância e é reduzido por si mesmo.
• Um agente redutor 还原剂 reduz outra substância e é oxidado por si mesmo.

Algumas reações redox mostram mudanças de cor claras:

• O permanganato de potássio acidificado 高锰酸钾 é roxo. Ao atuar como agente oxidante, é reduzido, e a cor roxa desaparece tornando-se incolor.
• O iodeto de potássio 碘化钾 é incolor. Ao ser oxidado, forma-se iodo 碘 vermelho-marrom.

• Explique uma taxa mais rápida usando a teoria das colisões: colisões bem-sucedidas ocorrem com mais frequência. Concentração, pressão e área de superfície aumentam a frequência com que as partículas colidem; uma temperatura mais alta faz isso e também fornece mais partículas com energia suficiente.
• Um catalisador reduz a energia de ativação e acelera a reação, mas não é consumido e não altera $\Delta H$ nem a posição do equilíbrio.
• No equilíbrio, as taxas das reações direta e inversa são iguais e as concentrações param de mudar — isso não significa que as quantidades de reagente e produto sejam iguais.
• Use o princípio de Le Chatelier: aumentar a temperatura favorece a direção endotérmica; aumentar a pressão favorece o lado com menos moléculas gasosas; adicionar uma substância desloca o equilíbrio para longe dela.
• Redox — OIL RIG: Oxidação é Perda, Redução é Ganho de elétrons. Elas sempre ocorrem juntas, e um agente oxidante é ele próprio reduzido.