Energia de ativação

INTRODUÇÃO

O estudo das velocidades das reações químicas é chamado de cinética química. Experimentalmente, é possível observar que a velocidade de uma reação química é dependente da temperatura, pressão e das concentrações das espécies químicas envolvidas.

Qualitativamente se tem observado que muitas das reações químicas se processam mais rapidamente quando submetidas a aumentos de temperatura. Isso ocorre porque em temperaturas mais elevadas a fração de moléculas que pode reagir é bem maior. É por isso que cozinhamos os alimentos, pois o aquecimento acelera os processos que levam à ruptura das membranas celulares e à decomposição das proteínas. Resfriamos os alimentos para retardar as reações químicas naturais que levam à sua decomposição.

A relação entre a velocidade de uma reação química e a temperatura foi proposta por Svante Arrhenius através da seguinte expressão empírica:

onde k é a constante de velocidade da reação, A é o fator pré-exponencial (possui as mesmas unidades de k) e está relacionado à frequência das colisões, mas também inclui orientação geométrica das espécies químicas e outros fatores. Ea é a energia de ativação (menor quantidade de energia necessária que deve ser fornecida aos reagentes para que ocorra a formação de um estado intermediário que antecede a formação dos produtos, o complexo ativado). R é a constante universal dos gases. Apesar desta relação ser empírica, seus parâmetros podem ser interpretados à luz das teorias de velocidade de reação.

Arrhenius descobriu que aplicando a função logarítmica à sua expressão, obtinha um gráfico que apresentava uma relação linear entre e 1/T:

onde o coeficiente linear é designado por ln A e o coeficiente angular é o termo -Ea/R. As duas constantes, A e Ea, são conhecidas como parâmetros de Arrhenius da reação e são determinadas experimentalmente. A e Ea são praticamente independentes da temperatura, mas dependem da reação que está sendo estudada.

Pela determinação do valor de k a várias temperaturas, constrói-se a curva de ln k em função de 1/T e a partir dela pode-se determinar o valor da energia de ativação (coeficiente angular da curva) e o fator exponencial (coeficiente linear).

As leis de velocidade dizem como a velocidade de uma reação varia com as concentrações dos reagentes ao longo do tempo. A relação entre a concentração de um reagente e o tempo pode ser derivada de uma lei de velocidade usando o cálculo. Conhecer a ordem da reação ajuda, pois o nível de complexidade matemática usado é sempre o mesmo para a reação de uma dada ordem. Uma reação que é de primeira ordem tem uma lei de velocidade do tipo V = K x [A]. Pode ser mostrado que a equação seguinte é a relação entre a concentração da espécie A e o tempo:

ou

onde é a concentração inicial da espécie A (t=0) e é a concentração da espécie A em algum tempo t após o início da reação. Mantendo-se os valores de e constantes na expressão acima, tem-se que a constante de velocidade é inversamente proporcional ao tempo. Então, a equação de Arrhenius pode ser reformulada e expressa em função do tempo(t):

Pela