Catalisadores

RKA4MP - Um catalisador é uma substância que aumenta a velocidade da reação sem ser consumida na reação. Vamos olhar a decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio. Essa reação ocorre em temperatura ambiente, porém, ela é uma reação lenta. Para aumentar a velocidade da reação, você precisa adicionar um catalisador. E se você está fazendo uma demonstração, como a famosa "pasta de dente de elefante", você precisa adicionar uma fonte de íons de iodo. Esse é um dos catalisadores que você poderia usar. Nós usamos o iodeto de potássio, ou o iodeto de sódio. Então, você adiciona uma fonte de íons iodo. Nós temos, aqui, uma fonte de íons iodo. Isso fará com que a sua reação ocorra mais rapidamente. Um íon iodo é um catalisador que aumenta a velocidade da reação. Vamos analisar o mecanismo da reação quando nós adicionamos um íon iodo como catalisador. No primeiro passo, você pode ver que nós temos o peróxido de hidrogênio e nós temos um íon iodo, que é catalisador. E isso forma água e um íon hipoiodito. Esse íon é chamado de intermediário. Então, vamos marcar que ele é chamado de intermediário, e nós temos a informação de que o primeiro passo da reação é lento. No segundo passo do mecanismo, nós temos de novo o peróxido de hidrogênio e nós temos o íon hipoiodito. Então, aqui, nós vamos formar água, nós formamos oxigênio e, aqui, nós temos o nosso íon catalisador. Nós também temos a informação que esse é um passo rápido. Lembre-se que um possível mecanismo deve ter passos que, quando a gente soma, eles devem formar uma reação global. Então, vamos somar os nossos passos. Vamos marcar aqui. Vamos somar os passos que a gente tem. Então, nós vamos ter tudo isso aqui do lado esquerdo da nossa reação como reagentes. Então, vamos escrever aqui. Nós vamos ter H₂O₂ mais o íon catalisador mais H₂O₂ mais o nosso intermediário, então, nosso íon intermediário. E aqui, do lado direito, nós vamos ter tudo isso aqui. Então, vamos marcar que nós vamos ter H₂O, nós temos mais um intermediário, nós temos mais uma molécula de água, então, mais H₂O, mais O₂, mais o nosso íon catalisador. Vamos ver o que nós podemos cancelar. Primeiro, nós podemos cancelar o nosso íon intermediário, que nós temos nos dois lados da reação. E nós também podemos cancelar o íon iodo. Então, a gente também pode cancelar o nosso iodo aqui. Perceba que ele não é consumido pela reação: nós o usamos no primeiro passo, mas ele é regenerado no segundo. Vamos ver o que sobrou aqui. Então, eu vou ter 2 peróxido de hidrogênio; eu vou ter 2 moléculas de água, então, eu tenho 2H₂O; e eu tenho mais oxigênio, então mais O₂. Nós voltamos para a nossa reação original e lembre-se que um possível mecanismo, ele deve ser consistente com a lei de velocidade experimental para uma reação global. Nós vimos como fazer isso nos vídeos anteriores. Para escrever a sua lei de velocidade, você precisa reconhecer o passo mais lento do seu mecanismo. No nosso exemplo, nós temos o passo, ou a etapa 1, como sendo o nosso passo mais lento. E nós podemos escrever a lei de velocidade para a reação a partir da etapa mais lenta, que nós sabemos que é uma reação elementar porque ela é bimolecular. Vamos escrever, então. Eu tenho que a minha velocidade vai ser igual a uma constante "k", que vai multiplicar a concentração de peróxido de hidrogênio. E eu tenho que elevar essa concentração a 1. Como nós temos coeficiente 1, aqui, e essa é uma reação elementar, a gente pode usar esse coeficiente como um expoente. Nós também vamos ter a concentração de íons de iodo. Então, a gente tem também a concentração de íons de iodo, que também vai estar elevado a 1. Essa é a nossa lei de velocidade que nós podemos predizer usando o passo mais lento do meu mecanismo. E isso está de acordo com a lei de velocidade experimental para uma reação global. Então, esse é um possível mecanismo para a nossa reação global da decomposição do peróxido de hidrogênio. Como um catalisador realmente aumenta a velocidade da reação, vamos dar uma olhadinha no perfil energético para a nossa reação sem ação de um catalisador. Então, a gente tem aqui a decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio. Nós começamos com uma certa energia para os nossos reagente, certo? E nós sabemos que aqui, no topo, nós temos a energia do nosso estado de transição. A diferença entre essas duas energias, então, vamos fazer um pontilhado, aqui. A diferença entre essas duas energias vai ser a minha energia de ativação. Vou marcar que essa vai ser a minha energia de ativação. Quando nós adicionamos uma fonte de íons de iodo na reação, isso providencia um mecanismo diferente, um mecanismo com menos energia. E nós sabemos que o mecanismo acontece no passo 2. Eu vou desenhar isso. Vou fazer, em rosa, a energia dos nossos reagentes vai continuar a mesma, certo? Vamos fazer aqui. Mas a energia de ativação vai ser menor. Então, vamos só continuar aqui. Pronto. Nós já temos a nossa linha aqui, feita à mão. Vamos dizer que o perfil de energia seja assim, com a adição de um catalisador. Então, esse daqui seria o nosso estado de transição. Eu vou marcar que a nossa energia de ativação mudou. A gente tem, aqui, a nossa energia de ativação. E esse seria o primeiro passo do nosso mecanismo. Perceba que a energia de ativação, ela diminuiu aqui. Lembre-se do último vídeo: se você diminui a energia de ativação, você aumenta a velocidade. E você pode ver isso com a equação de Arrhenius. É isso que um catalisador faz. Agora, esse ponto representa a energia do intermediário, do meu íon hipoiodito. E depois, nós temos a nossa segunda energia de ativação. Então, vamos marcar que a gente tem a nossa segunda energia de ativação: vou marcar, aqui, como Ea₂ e essa vai ser Ea₁. Então, a energia de ativação do primeiro passo é maior porque esse passo é mais lento. Mais uma vez, o catalisador não afeta a energia dos seus produtos ou dos seus reagentes: o que o catalisador faz é diminuir a energia de ativação necessária, o que aumenta a velocidade da sua reação.