2.4: Reações químicas
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Ao final desta seção, você poderá:
- Faça a distinção entre energia cinética e potencial e entre reações químicas exergônicas e endergônicas
- Identifique quatro formas de energia importantes no funcionamento humano
- Descreva os três tipos básicos de reações químicas
- Identifique vários fatores que influenciam a taxa de reações químicas
Uma característica de um organismo vivo é o metabolismo, que é a soma total de todas as reações químicas que ocorrem para manter a saúde e a vida desse organismo. Os processos de ligação que você aprendeu até agora são reações químicas anabólicas; ou seja, eles formam moléculas maiores a partir de moléculas ou átomos menores. Mas lembre-se de que o metabolismo pode prosseguir em outra direção: em reações químicas catabólicas, as ligações entre componentes de moléculas maiores se rompem, liberando moléculas ou átomos menores. Ambos os tipos de reação envolvem trocas não só de matéria, mas de energia.
O papel da energia nas reações químicas
As reações químicas requerem uma quantidade suficiente de energia para fazer com que a matéria colida com precisão e força suficientes para que ligações químicas antigas possam ser quebradas e novas se formem. Em geral, a energia cinética é a forma de energia que alimenta qualquer tipo de matéria em movimento. Imagine que você está construindo uma parede de tijolos. A energia necessária para levantar e colocar um tijolo sobre outro é energia cinética — a energia que a matéria possui por causa de seu movimento. Uma vez que a parede está no lugar, ela armazena energia potencial. Energia potencial é a energia da posição, ou a energia que a matéria possui devido ao posicionamento ou estrutura de seus componentes. Se a parede de tijolos entrar em colapso, a energia potencial armazenada é liberada como energia cinética à medida que os tijolos caem.
No corpo humano, a energia potencial é armazenada nas ligações entre átomos e moléculas. A energia química é a forma de energia potencial na qual a energia é armazenada em ligações químicas. Quando essas ligações são formadas, a energia química é investida e, quando elas se quebram, a energia química é liberada. Observe que a energia química, como toda energia, não é criada nem destruída; ao contrário, é convertida de uma forma para outra. Quando você come uma barra de energia antes de sair pela porta para uma caminhada, o mel, as nozes e outros alimentos que a barra contém são decompostos e reorganizados pelo corpo em moléculas que as células musculares convertem em energia cinética.
As reações químicas que liberam mais energia do que absorvem são caracterizadas como exergônicas. O catabolismo dos alimentos em sua barra de energia é um exemplo. Parte da energia química armazenada na barra é absorvida pelas moléculas que seu corpo usa como combustível, mas parte dela é liberada, por exemplo, como calor. Em contraste, as reações químicas que absorvem mais energia do que liberam são endergônicas. Essas reações requerem entrada de energia, e a molécula resultante armazena não apenas a energia química nos componentes originais, mas também a energia que alimentou a reação. Como a energia não é criada nem destruída, de onde vem a energia necessária para as reações endergônicas? Em muitos casos, vem de reações exergônicas.
Formas de energia importantes no funcionamento humano
Você já aprendeu que a energia química é absorvida, armazenada e liberada por ligações químicas. Além da energia química, a energia mecânica, radiante e elétrica é importante no funcionamento humano.
- A energia mecânica, que é armazenada em sistemas físicos, como máquinas, motores ou no corpo humano, impulsiona diretamente o movimento da matéria. Quando você levanta um tijolo na parede, seus músculos fornecem a energia mecânica que move o tijolo.
- A energia radiante é a energia emitida e transmitida como ondas em vez de matéria. Essas ondas variam em comprimento, desde ondas de rádio longas e microondas até ondas gama curtas emitidas por núcleos atômicos em decomposição. O espectro completo da energia radiante é chamado de espectro eletromagnético. O corpo usa a energia ultravioleta da luz solar para converter um composto das células da pele em vitamina D, que é essencial para o funcionamento humano. O olho humano evoluiu para ver os comprimentos de onda que compõem as cores do arco-íris, do vermelho ao violeta, de modo que essa faixa no espectro é chamada de “luz visível”.
- A energia elétrica, fornecida pelos eletrólitos nas células e nos fluidos corporais, contribui para as mudanças de voltagem que ajudam a transmitir impulsos nas células nervosas e musculares.
Características das reações químicas
Todas as reações químicas começam com um reagente, o termo geral para uma ou mais substâncias que entram na reação. Os íons sódio e cloreto, por exemplo, são os reagentes na produção do sal de cozinha. Uma ou mais substâncias produzidas por uma reação química são chamadas de produto.
Nas reações químicas, os componentes dos reagentes — os elementos envolvidos e o número de átomos de cada um — estão todos presentes no (s) produto (s). Da mesma forma, não há nada presente nos produtos que não esteja presente nos reagentes. Isso ocorre porque as reações químicas são regidas pela lei de conservação da massa, que afirma que a matéria não pode ser criada ou destruída em uma reação química.
Assim como você pode expressar cálculos matemáticos em equações como 2 + 7 = 9, você pode usar equações químicas para mostrar como os reagentes se tornam produtos. Como na matemática, as equações químicas vão da esquerda para a direita, mas em vez de um sinal de igual, elas empregam uma seta ou setas indicando a direção na qual a reação química ocorre. Por exemplo, a reação química na qual um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio produzem amônia seria escrita como. Correspondentemente, a decomposição da amônia em seus componentes seria escrita como
Observe que, no primeiro exemplo, um átomo de nitrogênio (N) e três átomos de hidrogênio (H) se ligam para formar um composto. Essa reação anabólica requer energia, que é então armazenada dentro das ligações do composto. Essas reações são chamadas de reações de síntese. Uma reação de síntese é uma reação química que resulta na síntese (união) de componentes que antes estavam separados (Figura 2.12 a). Novamente, nitrogênio e hidrogênio são reagentes em uma reação de síntese que produz amônia como produto. A equação geral para uma reação de síntese é
No segundo exemplo, a amônia é catabolizada em seus componentes menores e a energia potencial armazenada em suas ligações é liberada. Essas reações são chamadas de reações de decomposição. Uma reação de decomposição é uma reação química que decompõe ou “decompõe” algo maior em suas partes constituintes (veja a Figura 2.12 b). A equação geral para uma reação de decomposição é:.
Uma reação de troca é uma reação química na qual tanto a síntese quanto a decomposição ocorrem, as ligações químicas são formadas e quebradas e a energia química é absorvida, armazenada e liberada (veja a Figura 2.12 c). A forma mais simples de uma reação de troca pode ser:. Observe que, para produzir esses produtos, B e C tiveram que se separar em uma reação de decomposição, enquanto A e B tiveram que se unir em uma reação de síntese. Uma reação de troca mais complexa pode ser:. Outro exemplo pode ser:.
Em teoria, qualquer reação química pode prosseguir em qualquer direção sob as condições certas. Os reagentes podem ser sintetizados em um produto que é posteriormente decomposto. A reversibilidade também é uma qualidade das reações de troca. Por exemplo,poderia então reverter para. Essa reversibilidade de uma reação química é indicada com uma seta dupla:. Ainda assim, no corpo humano, muitas reações químicas prosseguem em uma direção previsível, de uma forma ou de outra. Você pode pensar nesse caminho mais previsível como o caminho de menor resistência porque, normalmente, a direção alternativa requer mais energia.
Fatores que influenciam a taxa de reações químicas
Se você derramar vinagre no bicarbonato de sódio, a reação será instantânea; a mistura borbulhará e borbulhará. Mas muitas reações químicas levam tempo. Vários fatores influenciam a taxa de reações químicas. Esta seção, no entanto, considerará apenas os mais importantes no funcionamento humano.
Propriedades dos reagentes
Para que as reações químicas ocorram rapidamente, os átomos dos reagentes precisam ter fácil acesso uns aos outros. Assim, quanto maior a área de superfície dos reagentes, mais facilmente eles interagirão. Quando você coloca um cubo de queijo na boca, você o mastiga antes de engolir. Entre outras coisas, a mastigação aumenta a área da superfície do alimento para que os produtos químicos digestivos possam chegar até ele com mais facilidade. Como regra geral, os gases tendem a reagir mais rápido do que líquidos ou sólidos, novamente porque são necessários energia para separar as partículas de uma substância, e os gases, por definição, já têm espaço entre suas partículas. Da mesma forma, quanto maior a molécula, maior o número de ligações totais; portanto, espera-se que as reações envolvendo moléculas menores, com menos ligações totais, ocorram mais rapidamente.
Além disso, lembre-se de que alguns elementos são mais reativos do que outros. As reações que envolvem elementos altamente reativos, como o hidrogênio, ocorrem mais rapidamente do que as reações que envolvem elementos menos reativos. Não é provável que ocorram reações envolvendo elementos estáveis como o hélio.
Temperatura
Quase todas as reações químicas ocorrem em um ritmo mais rápido em temperaturas mais altas. Lembre-se de que a energia cinética é a energia da matéria em movimento. A energia cinética das partículas subatômicas aumenta em resposta ao aumento da energia térmica. Quanto mais alta a temperatura, mais rápido as partículas se movem e maior a probabilidade de elas entrarem em contato e reagirem.
Concentração e pressão
Se apenas algumas pessoas estão dançando em um clube, é improvável que elas pisem nos pés uma da outra. Mas à medida que mais e mais pessoas se levantam para dançar, especialmente se a música for rápida, é provável que ocorram colisões. O mesmo acontece com as reações químicas: quanto mais partículas presentes em um determinado espaço, maior a probabilidade de essas partículas se chocarem umas com as outras. Isso significa que os químicos podem acelerar as reações químicas não apenas aumentando a concentração de partículas — o número de partículas no espaço — mas também diminuindo o volume do espaço, o que aumentaria a pressão de forma correspondente. Se houvesse 100 dançarinos naquele clube e o gerente mudasse abruptamente a festa para uma sala com metade do tamanho, a concentração dos dançarinos dobraria no novo espaço e a probabilidade de colisões aumentaria de acordo.
Enzimas e outros catalisadores
Para que duas substâncias químicas na natureza reajam uma com a outra, elas primeiro precisam entrar em contato, e isso ocorre por meio de colisões aleatórias. Como o calor ajuda a aumentar a energia cinética dos átomos, íons e moléculas, ele promove sua colisão. Mas no corpo, um calor extremamente alto, como uma febre muito alta, pode danificar as células do corpo e ser fatal. Por outro lado, a temperatura corporal normal não é alta o suficiente para promover as reações químicas que sustentam a vida. É aí que entram os catalisadores.
Em química, um catalisador é uma substância que aumenta a taxa de uma reação química sem sofrer nenhuma alteração. Você pode pensar em um catalisador como um agente de mudança química. Eles ajudam a aumentar a taxa e a força com que átomos, íons e moléculas colidem, aumentando assim a probabilidade de que seus elétrons da camada de valência interajam.
Os catalisadores mais importantes no corpo humano são as enzimas. Uma enzima é um catalisador composto por proteína ou ácido ribonucléico (RNA), os quais serão discutidos posteriormente neste capítulo. Como todos os catalisadores, as enzimas funcionam diminuindo o nível de energia que precisa ser investido em uma reação química. A energia de ativação de uma reação química é o nível “limite” de energia necessário para romper as ligações nos reagentes. Uma vez que esses laços sejam quebrados, novos arranjos podem se formar. Sem uma enzima para atuar como catalisador, é necessário um investimento muito maior de energia para iniciar uma reação química (Figura 2.13).
As enzimas são essenciais para o funcionamento saudável do corpo. Eles ajudam, por exemplo, na decomposição dos alimentos e na sua conversão em energia. De fato, a maioria das reações químicas no corpo é facilitada por enzimas.