Lei de velocidade e ordem de reação

Estudar cinética em química geral geralmente envolve entender como a taxa de uma reação química depende da concentração dos reagentes. Este campo é conhecido como cinética de reação, e opera sob princípios específicos chamados de regras de velocidade e ordem de reação.

Introdução à lei de velocidade

A lei de velocidade de uma reação química é uma equação que relaciona a taxa da reação às concentrações dos reagentes. Para expressar isso matematicamente para uma reação geral:

AA + BB → CC + DD

A lei de velocidade pode ser expressa como:

Velocidade = k[A] m [B] n

Onde:

• velocidade é a velocidade da reação.
• k é a constante de velocidade, um número que contém informações sobre a velocidade da reação.
• [A] e [B] são as concentrações molares dos reagentes A e B
• m e n são as ordens de reação em relação a cada reagente.

Compreendendo a ordem de reação

Ordem de reação é um conceito importante em cinética. Ela fornece informações sobre como a concentração dos reagentes afeta a taxa de uma reação. A ordem geral de uma reação é a soma dos expoentes dos termos de concentração na equação da lei de velocidade. Diferentes ordens podem ter efeitos marcadamente diferentes na taxa de reação:

Reações de ordem zero

Uma reação de ordem zero significa que a taxa da reação é independente da concentração dos reagentes. A lei de velocidade para uma reação de ordem zero é:

Velocidade = K

Graficamente, a concentração dos reagentes diminui linearmente com o tempo em um gráfico de concentração versus tempo. Por exemplo, considere a decomposição da amônia em uma superfície de platina:

2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)

A lei de velocidade para uma reação de ordem zero pode ser representada em um gráfico da seguinte forma:

Reações de primeira ordem

Para uma reação de primeira ordem, a taxa da reação é diretamente proporcional à concentração de um reagente:

Velocidade = k[A]

Um exemplo de reação de primeira ordem é o decaimento radioativo de um isótopo ou a decomposição de N ₂ O ₅ :

2N 2 O 5 → 4NO 2 + O 2

Reações de primeira ordem exibem um comportamento de decaimento exponencial que pode ser representado da seguinte forma:

Reações de segunda ordem

Reações de segunda ordem dependem do quadrado da concentração de um reagente ou da concentração de dois reagentes diferentes. A lei de velocidade para uma reação de segunda ordem é:

Velocidade = k[A] 2 ou Velocidade = k[A][B]

Uma reação de segunda ordem conhecida envolve a duplicação do dióxido de nitrogênio:

2NO 2 → N 2 O 4

O gráfico de uma reação de segunda ordem (com um reagente) se parece com isto:

Determinação da ordem de reação e lei de velocidade

Determinar a ordem de reação e lei de velocidade a partir de dados experimentais é fundamental para a cinética. Dois métodos comuns utilizados para esse fim são o método da taxa inicial e o método da lei de velocidade integrada.

Método das taxas iniciais

Este método usa as taxas iniciais da reação obtidas em diferentes concentrações iniciais dos reagentes para determinar a ordem em relação a cada reagente. Se você souber que a lei de velocidade é:

Velocidade = k[A] m [B] n

Você pode variar a concentração de A enquanto mantém B constante para concluir m, depois variar B enquanto mantém A constante para concluir n. Por exemplo, vamos supor estes três experimentos:

Experimento | [A] | [B] | Velocidade (mol/L*s)
1 | 0.1 | 0.1 | 0.005
2 | 0.2 | 0.1 | 0.01
3 | 0.1 | 0.2 | 0.01
    

Dos Experimentos 1 e 2, dobrar [A] também dobra a taxa, indicando uma reação de primeira ordem em relação a A. Dos Experimentos 1 e 3, dobrar [B] também dobra a taxa, indicando uma reação de primeira ordem em relação a B.

Assim, a lei de velocidade com base nesses dados será:

Velocidade = k[A][B]

Método da lei de velocidade integrada

Este método envolve analisar dados de concentração versus tempo para determinar a ordem de reação. As leis de velocidade integradas para reações de ordem zero, primeira e segunda são as seguintes:

• Ordem zero: [A] = [A] 0 - kt
• Primeira ordem: ln([A]/[A] 0 ) = -kt
• Segunda ordem: 1/[A] = 1/[A] 0 + kt

Nestas equações, [A] 0 é a concentração inicial do reagente. Ao plotar a transformação de dados apropriada e verificar a linearidade, a ordem da reação pode ser determinada.

Importância da constante de velocidade

A constante de velocidade k é importante na lei de velocidade porque, combinada com a concentração, fornece a taxa da reação. Cada reação tem uma constante de velocidade única que pode mudar com variações de temperatura. A lei de Arrhenius relaciona a constante de velocidade à temperatura, mostrando que:

k = a * e - ea/(rt)

Onde:

• A é o fator de frequência.
• _{E a} é a energia de ativação.
• R é a constante dos gases.
• T é a temperatura em Kelvin.

A equação de Arrhenius mostra que a constante de velocidade se torna maior com temperaturas mais altas, geralmente resultando em uma reação mais rápida.

Catalisadores e taxa de reação

Catalisadores são substâncias que aceleram a taxa de uma reação sem consumi-la. Vamos entender seu papel:

• Baixa energia de ativação: Catalisadores fornecem um caminho alternativo com barreiras de energia mais baixas.
• Maior constante de velocidade: Conforme E a diminui, k se torna maior de acordo com a lei de Arrhenius.

O importante é que os catalisadores não alteram a ordem da reação; eles apenas aumentam a taxa com que o equilíbrio é alcançado.

Conclusão

Dominar os conceitos de leis de velocidade e ordens de reação é essencial para prever como sistemas químicos reagem a diferentes condições. Compreender essas ideias permite que os químicos tornem as reações mais seguras, rápidas ou mais eficientes em termos de energia, impactando indústrias desde a farmacêutica até a ciência ambiental.

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