Cinética química
Cinética química , o ramo da físico-química que se preocupa em compreender as taxas de reações químicas . Deve ser contrastado com termodinâmica , que trata da direção em que um processo ocorre, mas por si só não diz nada sobre sua taxa. A termodinâmica é a seta do tempo, enquanto a cinética química é o relógio do tempo. A cinética química está relacionada a muitos aspectos da cosmologia, geologia, biologia, Engenharia , e até mesmo psicologia e, portanto, tem longo alcance implicações . Os princípios da cinética química se aplicam a processos puramente físicos, bem como a reações químicas.
Uma razão para a importância da cinética é que ela fornece evidências para os mecanismos dos processos químicos. Além de ser de intrínseco interesse científico, o conhecimento dos mecanismos de reação é de uso prático para decidir qual é a maneira mais eficaz de causar a ocorrência de uma reação. Muitos processos comerciais podem ocorrer por alternativo caminhos de reação e o conhecimento dos mecanismos torna possível escolher as condições de reação que favorecem um caminho em detrimento de outros.
PARA reação química é, por definição, aquele em que substâncias químicas são transformadas em outras substâncias, o que significa que as ligações químicas são quebradas e formadas para que haja mudanças nas posições relativas de átomos dentro moléculas . Ao mesmo tempo, há mudanças nas disposições do elétrons que formam as ligações químicas. A descrição de um mecanismo de reação deve, portanto, lidar com os movimentos e velocidades dos átomos e elétrons. O mecanismo detalhado pelo qual ocorre um processo químico é conhecido como via ou via de reação.
A vasta quantidade de trabalho realizado em cinética química levou à conclusão de que algumas reações químicas ocorrem em uma única etapa; essas são conhecidas como reações elementares. Outras reações ocorrem em mais de uma etapa e são chamadas de etapas, compostas ou complexas. As medições das taxas de reações químicas em uma variedade de condições podem mostrar se uma reação prossegue em uma ou mais etapas. Se uma reação é gradual, as medições cinéticas fornecem evidências para o mecanismo das etapas elementares individuais. Informações sobre os mecanismos de reação também são fornecidas por certos estudos não cinéticos, mas pouco pode ser conhecido sobre um mecanismo até que sua cinética seja investigada. Mesmo assim, algumas dúvidas sempre devem permanecer sobre um mecanismo de reação. Uma investigação, cinética ou não, pode refutar um mecanismo, mas nunca pode estabelecê-lo com certeza absoluta.
Taxa de reação
O taxa de reação é definido em termos das taxas com as quais os produtos são formados e os reagentes (as substâncias reagentes) são consumidos. Para sistemas químicos, é comum lidar com as concentrações de substâncias, que são definidas como a quantidade de substância por unidade de volume. A taxa pode então ser definida como a concentração de uma substância que é consumida ou produzida em unidade de tempo. Às vezes, é mais conveniente expressar as taxas como o número de moléculas formadas ou consumidas em unidades de tempo.
A meia-vida
Uma medida de taxa útil é a meia-vida de um reagente, que é definida como o tempo que leva para metade da quantidade inicial sofrer uma reação. Para um tipo especial de comportamento cinético (cinética de primeira ordem; Veja abaixo Alguns princípios cinéticos ), a meia-vida é independente da quantidade inicial. Um exemplo comum e direto de meia-vida independente da quantidade inicial são as substâncias radioativas. O urânio -238, por exemplo, decai com meia-vida de 4,5 bilhões de anos; de uma quantidade inicial de urânio, metade dessa quantidade terá se deteriorado nesse período de tempo. O mesmo comportamento é encontrado em muitas reações químicas.
Mesmo quando a meia-vida de uma reação varia com as condições iniciais, muitas vezes é conveniente citar uma meia-vida, tendo em mente que ela se aplica apenas às condições iniciais particulares. Considere, por exemplo, a reação em que hidrogênio e oxigênio os gases se combinam para formar água; a equação química é2hdois+ Odois→ 2HdoisOU.Se os gases forem misturados à pressão atmosférica e à temperatura ambiente, nada observável acontecerá durante longos períodos de tempo. No entanto, a reação ocorre, com uma meia-vida estimada em mais de 12 bilhões de anos, que é aproximadamente a idade do universo. Se uma faísca é passada pelo sistema, a reação ocorre com violência explosiva, com meia-vida de menos de um milionésimo de segundo. Este é um exemplo notável da grande variedade de taxas com as quais a cinética química está envolvida. Existem muitos processos possíveis que ocorrem muito lentamente para serem estudados experimentalmente, mas às vezes eles podem ser acelerados, muitas vezes pela adição de uma substância conhecida como catalisador . Algumas reações são ainda mais rápidas do que a explosão de hidrogênio-oxigênio - por exemplo, a combinação de átomos ou fragmentos moleculares (chamados radicais livres) em que tudo o que ocorre é a formação de uma ligação química. Algumas investigações cinéticas modernas estão preocupadas com processos ainda mais rápidos, como a quebra de alta energia e, portanto, transitório moléculas , onde tempos da ordem de femtossegundos (fs; 1 fs = 10-quinzesegundo) estão envolvidos.
Medindo reações lentas
A melhor maneira de estudar reações excessivamente lentas é mudar as condições para que as reações ocorram em um tempo razoável. O aumento da temperatura, que pode ter um forte efeito na taxa de reação, é uma possibilidade. Se a temperatura de uma mistura de hidrogênio-oxigênio for elevada para cerca de 500 ° C (900 ° F), a reação ocorre rapidamente e sua cinética foi estudada sob essas condições. Quando uma reação ocorre em uma extensão mensurável ao longo de um período de minutos, horas ou dias, as medições de taxa são diretas. Quantidades de reagentes ou produtos são medidas em vários momentos, e as taxas são prontamente calculadas a partir dos resultados. Muitos sistemas automatizados já foram desenvolvidos para medir taxas dessa maneira.
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