Energia de Ativação Química O Que Consiste, Cálculo

Oenergia de ativação química (do ponto de vista dos estudos cinéticos) refere-se à menor quantidade possível de energia necessária para iniciar uma reação química. De acordo com a teoria das colisões na cinética química, diz-se que todas as moléculas que estão em movimento têm uma certa quantidade de energia cinética.

Isso significa que quanto maior a velocidade do seu movimento, maior a magnitude da sua energia cinética. Nesse sentido, uma molécula que carrega um movimento rápido não pode ser dividida em fragmentos por si só, de modo que uma colisão deve ocorrer entre esta e outra molécula, de modo que uma reação química possa ocorrer.

Quando isso acontece - quando ocorre uma colisão entre as moléculas - uma fração de sua energia cinética é transformada em energia vibracional. Da mesma forma, se no início do processo a energia cinética for alta, as moléculas que participam da colisão apresentarão uma vibração tão grande que algumas das ligações químicas presentes serão quebradas.

Esse rompimento de vínculos é o primeiro passo na transformação de reagentes em produtos; isto é, na formação destes. Pelo contrário, se no início deste processo a energia cinética é de pequena magnitude, haverá um fenômeno de "rebote" das moléculas, através do qual elas se separarão praticamente intactas.

Índice

• 1 o que é isso?
  • 1.1 Complexo ativado
• 2 Como é calculado?
  • 2.1 Cálculo da energia de ativação de uma reação química
• 3 Como a energia de ativação afeta a velocidade de uma reação?
• 4 Exemplos de cálculo de energia de ativação
• 5 referências

Em que consiste?

Partindo do conceito de colisões entre moléculas para iniciar as reações químicas descritas anteriormente, pode-se dizer que existe uma quantidade mínima de energia necessária para que ocorra uma colisão.

Então, se o valor da energia for menor do que esse mínimo necessário, simplesmente não haverá alteração entre as moléculas após a colisão, o que significa que quando esta energia estiver ausente, as espécies envolvidas permanecerão praticamente intactas e não acontecerão. Nenhuma mudança devido a este choque.

Nesta ordem de idéias, a energia mínima necessária para que uma mudança ocorra após uma colisão entre as moléculas é chamada de energia de ativação.

Em outras palavras, as moléculas envolvidas em um choque devem ter uma quantidade de energia cinética total com uma magnitude igual ou maior que a energia de ativação, de modo que uma reação química possa ocorrer.

Além disso, em muitos casos, as moléculas colidem e originam uma nova espécie chamada complexo ativado, estrutura que também é chamada de "estado de transição" porque existe apenas temporariamente.

É causada pelas espécies reagentes devido à colisão e antes da formação dos produtos da reação.

Complexo ativado

O complexo ativado mencionado acima forma uma espécie que possui uma estabilidade muito baixa, mas que, por sua vez, possui uma grande magnitude de energia potencial.

O diagrama a seguir mostra a transformação de reagentes em produtos, expressa em termos de energia e observando que a magnitude da energia do complexo ativado formado é consideravelmente maior que a dos reagentes e produtos.

Se no final da reação os produtos tiverem uma maior estabilidade que os reagentes, a liberação de energia ocorre na forma de calor, dando uma reação exotérmica.

Pelo contrário, se os reagentes resultarem em uma estabilidade de maior magnitude que os produtos, isso significa que a mistura de reação manifesta uma absorção de energia na forma de calor de seus arredores, resultando em uma reação endotérmica.

Da mesma forma, se um caso ou outro acontece, um diagrama deve ser construído como o mostrado anteriormente, onde a energia potencial do sistema que reage contra o progresso ou progresso da reação é plotada.

Desta forma, as potenciais mudanças de energia que acontecem à medida que a reação continua são obtidas e os reagentes são transformados em produtos.

Como isso é calculado?

A energia de ativação de uma reação química está intimamente relacionada com a constante de velocidade dessa reação, e a dependência dessa constante na temperatura é representada pela equação de Arrhenius:

k = Ae^{-Ea / RT}

Nesta expressão k representa a constante de velocidade da reação (que depende da temperatura) e o parâmetro Um É chamado de fator de frequência e é uma medida da frequência das colisões entre moléculas.

Por sua parte,e expressa a base da série de logaritmos naturais. Ele é elevado a uma potência igual ao quociente negativo da energia de ativação (Ea) entre o produto resultante da constante do gás (R) e a temperatura absoluta (T) do sistema a ser considerado.

Deve-se notar que o fator de freqüência pode ser considerado como uma constante em certos sistemas de reação em uma ampla faixa de temperatura.

Esta expressão matemática foi originalmente assumida pelo químico de origem holandesa Jacobus Henricus van't Hoff em 1884, mas quem lhe deu validade científica e interpretou sua premissa foi o químico de origem sueca Svante Arrhenius, no ano de 1889.

Cálculo da energia de ativação de uma reação química

A equação de Arrhenius indica a proporcionalidade direta que existe entre a constante de velocidade de uma reação e a freqüência das colisões entre moléculas.

Da mesma forma, essa equação pode ser representada de maneira mais conveniente, aplicando a propriedade dos logaritmos naturais a cada lado da equação, obtendo:

Em k = ln A - Ea / RT

Ao reordenar os termos para obter a equação de uma linha (y = mx + b), obtém-se a seguinte expressão:

Em k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A

Assim, ao construir um gráfico de ln k versus 1 / T, obtemos uma linha reta, onde lnk representa a coordenada y, (- A / R) representa a inclinação da linha (m), (1 / T) representa a coordenada xe ln representa a intersecção com o eixo das ordenadas (b).

Como pode ser visto, a inclinação resultante deste cálculo é igual ao valor de -Ea / R. Isto implica que, se for desejado obter o valor da energia de ativação por meio dessa expressão, uma folga simples deve ser executada, resultando em:

Ea = -mR

Aqui o valor de m é conhecido e R é uma constante igual a 8,314 J / K · mol.

Como a energia de ativação afeta a velocidade de uma reação?

Ao tentar fazer uma imagem da energia de ativação, ela pode ser considerada como uma barreira que não permite que ocorra uma reação entre as moléculas de energia inferior.

Como em uma reação comum acontece que o número de moléculas que podem reagir é bastante grande, a velocidade - e equivalentemente, a energia cinética dessas moléculas - pode ser muito variável.

Geralmente acontece que apenas uma pequena quantidade da totalidade das moléculas que sofrem uma colisão - aquelas que têm uma maior velocidade de movimento - apresentam energia cinética suficiente para superar a magnitude da energia de ativação. Então, essas moléculas são aptas e capazes de fazer parte da reação.

De acordo com a equação de Arrhenius, o sinal negativo - que precede o quociente entre a energia de ativação e o produto da constante de gás pela temperatura absoluta - implica que a constante de velocidade diminui à medida que aumenta a energia de ativação, bem como um crescimento quando a temperatura aumenta.

Exemplos de cálculo de energia de ativação

Para calcular a energia de ativação através da construção de um gráfico, de acordo com a equação de Arrhenius, temos que as constantes de velocidade para a reação de decomposição do acetaldeído foram medidas a cinco temperaturas diferentes e queremos determinar a energia de ativação para a reação, que é expressa como:

CH₃CHO (g) → CH₄g) + CO (g)

Os dados das cinco medições são os seguintes:

k (1 / m^1/2· S): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,343 - 0,789

T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

Primeiro, para resolver esta questão e determinar a energia de ativação, devemos construir um gráfico de ln k vs 1 / T (y x vs), para obter uma linha reta e daqui pegar a inclinação e encontrar o valor de Ea, como explicado.

Transformando os dados das medições, de acordo com a equação de Arrhenius [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A], os seguintes valores são encontrados para y e x, respectivamente:

Em k: (-4,51) - (-3,35) - (-2,254) - (-1,070) - (-0,237)

1 / T (K^-1): 1,43*10^-3 - 1,37*10^-3 - 1,32*10^-3 - 1,27*10^-3 - 1,23*10^-3

Destes valores e por meio do cálculo matemático da inclinação - em um computador ou em uma calculadora, por meio da expressão m = (Y₂e₁) / (X₂-X₁) ou usando o método de regressão linear - obtemos que m = -Ea / R = -2,09 * 10⁴ K. Então:

Ea = (8,314 J / K · mol) (2,09 * 10⁴ K)

= 1,74*10⁵ = 1,74*10² kj / mol

Para determinar outras energias de ativação através da forma gráfica, um procedimento similar é realizado.

Referências

1. Wikipédia. (s.f.) Energia de Ativação. Obtido em en.wikipedia.org
2. Chang, R. (2007). Química, nona edição. México: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (s.f.). Energia de ativação. Obtido de britannica.com
4. Moore, J. W. e Pearson, R. G. (1961). Cinética e Mecanismo. Recuperado de books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Corrosão de metais: princípios físico-químicos e problemas atuais. Retirado de books.google.co.ve