12.3: Fatores que afetam as taxas de reação

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva os efeitos da natureza química, do estado físico, da temperatura, da concentração e da catálise nas taxas de reação

As taxas nas quais os reagentes são consumidos e os produtos são formados durante as reações químicas variam muito. Cinco fatores que normalmente afetam as taxas de reações químicas serão explorados nesta seção: a natureza química das substâncias que reagem, o estado de subdivisão (um grande nódulo versus muitas partículas pequenas) dos reagentes, a temperatura dos reagentes, a concentração dos reagentes e a presença de um catalisador.

A natureza química das substâncias que reagem

A taxa de uma reação depende da natureza das substâncias participantes. As reações que parecem semelhantes podem ter taxas diferentes nas mesmas condições, dependendo da identidade dos reagentes. Por exemplo, quando pequenos pedaços dos metais ferro e sódio são expostos ao ar, o sódio reage completamente com o ar durante a noite, enquanto o ferro mal é afetado. Os metais ativos cálcio e sódio reagem com a água para formar gás hidrogênio e uma base. No entanto, o cálcio reage a uma taxa moderada, enquanto o sódio reage tão rapidamente que a reação é quase explosiva.

Os estados físicos dos reagentes

Uma reação química entre duas ou mais substâncias requer contato íntimo entre os reagentes. Quando os reagentes estão em diferentes estados físicos ou fases (sólido, líquido, gasoso, dissolvido), a reação ocorre somente na interface entre as fases. Considere a reação heterogênea entre uma fase sólida e uma fase líquida ou gasosa. Em comparação com a taxa de reação para partículas sólidas grandes, a taxa para partículas menores será maior porque a área da superfície em contato com a outra fase do reagente é maior. Por exemplo, grandes pedaços de ferro reagem mais lentamente com ácidos do que com pó de ferro finamente dividido (Figura 12.6). Pedaços grandes de madeira ardem, pedaços menores queimam rapidamente e a poeira da serra queima de forma explosiva.

Figura 12.6 (a) O pó de ferro reage rapidamente com o ácido clorídrico diluído e produz bolhas de gás hidrogênio: 2Fe (s) + 6HCl (aq)$⟶$2FeCl ₃ (aq) + 3H (₂ g). (b) Um prego de ferro reage mais lentamente porque a área de superfície exposta ao ácido é muito menor.

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Assista a este vídeo para ver a reação do césio com a água em câmera lenta e uma discussão sobre como o estado dos reagentes e o tamanho das partículas afetam as taxas de reação.

Temperatura dos reagentes

As reações químicas normalmente ocorrem mais rapidamente em temperaturas mais altas. A comida pode estragar rapidamente quando deixada no balcão da cozinha. No entanto, a temperatura mais baixa dentro de um refrigerador retarda esse processo para que o mesmo alimento permaneça fresco por dias. Queimadores a gás, placas quentes e fornos são frequentemente usados em laboratório para aumentar a velocidade das reações que ocorrem lentamente em temperaturas normais. Para muitos processos químicos, as taxas de reação são aproximadamente o dobro quando a temperatura é aumentada em 10 °C.

Concentrações dos reagentes

As taxas de muitas reações dependem das concentrações dos reagentes. As taxas geralmente aumentam quando a concentração de um ou mais dos reagentes aumenta. Por exemplo, o carbonato de cálcio (CaCO ₃) se deteriora como resultado de sua reação com o poluente dióxido de enxofre. A taxa dessa reação depende da quantidade de dióxido de enxofre no ar (Figura 12.7). Um óxido ácido, o dióxido de enxofre se combina com o vapor de água no ar para produzir ácido sulfuroso na seguinte reação:

$${\text{ENTÃO}}_{\text{2}}(g)+{\text{H}}_2\text{O (}g)⟶{\text{H}}_2{\text{ENTÃO}}_{\text{3}}(\mathrm{uma}q)$$

O carbonato de cálcio reage com o ácido sulfuroso da seguinte forma:

$${\text{CaCO}}_{\text{3}}(s)+{\text{H}}_2{\text{ENTÃO}}_{\text{3}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{CaSO}}_{\text{3}}(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_{\text{2}}(g)+{\text{H}}_2\text{O (}l)$$

Em uma atmosfera poluída, onde a concentração de dióxido de enxofre é alta, o carbonato de cálcio se deteriora mais rapidamente do que em um ar menos poluído. Da mesma forma, o fósforo queima muito mais rapidamente em uma atmosfera de oxigênio puro do que no ar, que é apenas cerca de 20% de oxigênio.

Figura 12.7 Estátuas feitas de compostos de carbonato, como calcário e mármore, normalmente resistem lentamente ao longo do tempo devido às ações da água e à expansão e contração térmicas. No entanto, poluentes como o dióxido de enxofre podem acelerar o desgaste. À medida que a concentração de poluentes atmosféricos aumenta, a deterioração do calcário ocorre mais rapidamente. (crédito: James P Fisher III)

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O fósforo queima rapidamente no ar, mas queimará ainda mais rapidamente se a concentração de oxigênio for maior. Assista a este vídeo para ver um exemplo.

A presença de um catalisador

Soluções aquosas relativamente diluídas de peróxido de hidrogênio, H ₂ O ₂, são comumente usadas como antissépticos tópicos. O peróxido de hidrogênio se decompõe para produzir água e gás oxigênio de acordo com a equação:

$$2{\text{H}}_2{\text{O}}_2(\text{aq})⟶2{\text{H}}_2\text{O}(l)+{\text{O}}_2(\text{g})$$

Em condições típicas, essa decomposição ocorre muito lentamente. Quando o H _{2 O 2} (aq) diluído é derramado em uma ferida aberta, no entanto, a reação ocorre rapidamente e a solução forma espuma devido à produção vigorosa de gás oxigênio. Essa diferença dramática é causada pela presença de substâncias nos tecidos expostos da ferida que aceleram o processo de decomposição. As substâncias que funcionam para aumentar a taxa de uma reação são chamadas de catalisadores, um tópico tratado com mais detalhes posteriormente neste capítulo.

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As reações químicas ocorrem quando as moléculas colidem umas com as outras e passam por uma transformação química. Antes de realizar fisicamente uma reação em um laboratório, os cientistas podem usar simulações de modelagem molecular para prever como os parâmetros discutidos anteriormente influenciarão a taxa de uma reação. Use o PhET Reactions & Rates interativo para explorar como a temperatura, a concentração e a natureza dos reagentes afetam as taxas de reação.