Energia de Ativação Química: O que é, Cálculo

A energia de activação química (a partir do ponto de vista de estudos cinéticos) refere-se a menor quantidade de energia necessária para iniciar uma reacção química. De acordo com a teoria das colisões na cinética química, diz-se que todas as moléculas que estão em movimento possuem uma certa quantidade de energia cinética.

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

Energia de Ativação Química: O que é, Cálculo 1

Quando isso acontece – quando há uma colisão entre as moléculas – uma fração de sua energia cinética é transformada em energia do tipo vibracional. Além disso, 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 .

Essa ruptura de ligações constitui o primeiro passo na transformação de reagentes em produtos; isto é, na formação destes. Pelo contrário, se no início deste processo a energia cinética for de pequena magnitude, haverá um fenômeno de “rebote” das moléculas, através das quais elas serão separadas praticamente intactas.

Em que consiste?

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

Portanto, se o valor energético for menor que esse mínimo necessário, simplesmente não haverá alteração entre as moléculas após a colisão, o que significa que, quando essa energia estiver ausente, as espécies envolvidas permanecerão praticamente intactas e não acontecerão. qualquer alteração devido a esse choque.

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

Em outras palavras, as moléculas envolvidas em um choque devem ter uma quantidade total de energia cinética com magnitude igual ou superior à energia de ativação para que uma reação química ocorra.

Da mesma forma, em muitos casos, as moléculas colidem e originam uma nova espécie chamada complexo ativado, uma estrutura que também é chamada de “estado de transição”, porque existe apenas temporariamente.

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

Complexo ativado

O complexo ativado mencionado acima forma uma espécie que tem estabilidade muito baixa, mas, 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.

Energia de Ativação Química: O que é, Cálculo 2

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

Pelo contrário, se os reagentes resultam em uma estabilidade maior que os produtos, isso significa que a mistura de reação manifesta uma absorção de energia na forma de calor do ambiente, resultando em uma reação endotérmica.

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

Assim, a energia potencial muda quando a reação prossegue e os reagentes são transformados em produtos.

Como é calculado?

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

k = Ae- EA / RT

Nesta expressão, k representa a constante da taxa de reação (que depende da temperatura) e o parâmetro A é chamado fator de frequência e é uma medida da frequência de colisões entre moléculas.

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

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

Essa expressão matemática foi inicialmente assumida pelo químico de origem holandesa Jacobus Henricus van’t Hoff em 1884, mas quem lhe concedeu 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 aponta a proporcionalidade direta que existe entre a constante de velocidade de uma reação e a frequência de colisões entre moléculas.

Além disso, essa equação pode ser representada de uma maneira mais conveniente, aplicando a propriedade dos logaritmos naturais a cada lado da equação, obtendo:

ln k = ln A – Ea / RT

Reordenando os termos em termos de obtenção da equação de uma reta (y = mx + b), a seguinte expressão é obtida:

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

Portanto, ao construir um gráfico de ln k contra 1 / T, é obtida uma linha reta, onde ln k representa a coordenada e (-Ea / R) representa a inclinação da linha (m), (1 / T) representa a coordenada x e ln A representa a interseção com o eixo das ordenadas (b).

Como pode ser visto, a inclinação resultante desse cálculo é igual ao valor de –Ea / R. Isso implica que, se desejar obter o valor da energia de ativação por meio dessa expressão, uma simples limpeza deve ser realizada, resultando em:

Ea = –mR

Aqui, o valor de m e R é conhecido como 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 uma barreira que não permite que ocorra uma reação entre as moléculas de energia mais baixa.

Como em uma reação comum, acontece que a quantidade 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 de todas as moléculas que experimentam uma colisão – aquelas que têm maior rapidez de movimento – possui energia cinética suficiente para exceder a magnitude da energia de ativação. Portanto, essas moléculas são adequadas 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 mostre uma diminuição devido a um aumento na energia de ativação, bem como um crescimento quando a temperatura subir.

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, é necessário que as constantes de taxa para a reação de decomposição do acetaldeído tenham sido medidas em cinco temperaturas diferentes e se deseja determinar a energia de ativação para a reação, que é expressa como:

CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + 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 esse mistério e determinar a energia de ativação, um gráfico de ln k vs 1 / T (y vs x) deve ser construído, para obter uma linha reta e, portanto, tomar a inclinação e encontrar o valor de Ea, Como explicado.

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

ln 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

Desses valores e pelo cálculo matemático da inclinação – em um computador ou em uma calculadora, pela expressão m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2- X 1 ) ou usando o método de regressão linear— obtém-se que m = -Ea / R = -2,09 * 10 4 K. Assim:

Ea = (8,314 J / K · mol) (2,09 * de Outubro de 4 K)

= 1,74 * 10 5 = 1,74 * 10 2 kJ / mol

Para determinar outras energias de ativação através da maneira gráfica, um procedimento semelhante é realizado.

Referências

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

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