Introdução à cinética

RKA2G Quando você está estudando Química, verá reações com bastante frequência. Na verdade, você sempre verá reações. Por exemplo, se você tiver gás de hidrogênio. É uma molécula diatômica, porque o hidrogênio faz ligações com ele mesmo. Gás de hidrogênio mais gás de iodo-12. Isso está no estado gasoso. É muito fácil dizer, você sabe, se você colocá-los juntos, as moléculas de hidrogênio vão reagir e formar outro produto. Se você tiver então 2 mols de hidrogênio e 2 mols de iodo, então formará 2 mols de ácido iodídrico. Isso é bem interessante e parece ser algo bastante simples, que acontece sem muita desordem. Mas nós sabemos que isso não é verdade. E também sabemos que isso não acontece instantaneamente. Você não pode simplesmente pegar hidrogênio e colocar iodo e essa mistura se transforma em iodeto de hidrogênio de uma forma mágica. Existe um processo nessas partículas em estado gasoso em movimento e de alguma forma elas colidem entre si, quebram as ligações que havia antes e formam novas ligações. E é isso que vamos estudar agora. Esse estudo é sobre como as reações progridem. E as taxas das reações são chamadas de "cinética", que é uma palavra elegante, mas você provavelmente está familiarizado com ela, porque já falamos muito sobre energia cinética. A cinética é apenas o estudo das taxas das reações, com que rapidez acontecem e de que maneira acontecem. Vamos ver como nossas mentes criam uma forma intuitiva de combinar o hidrogênio e o iodo. Vamos pensar sobre o hidrogênio. Se pegarmos a tabela periódica, o hidrogênio tem um elétron de valência. Então, se tivermos dois átomos de hidrogênio, eles podem compartilhar entre eles mesmos. E o iodo tem sete elétrons de valência. Então, se o iodo compartilhar um elétron, se completarão. Vamos revisar isso agora. Esse hidrogênio talvez tenha um. O hidrogênio terá um elétron aqui. E depois, você poderia pensar ter outro hidrogênio, que possui outro elétron aqui. E as moléculas de hidrogênio formam uma ligação, elas compartilham isso. Este hidrogênio pode "fingir" que tem este elétron e este hidrogênio pode "fingir" que tem este elétron. E os dois ficam felizes. Os dois se sentem como se tivessem completado a primeira camada. A mesma coisa acontece com o lado do iodo, onde você tem duas moléculas de iodo. Os dois possuem sete elétrons de valência, são halogênios. Isso você já sabe: os halogênios são um grupo de sete elementos, então, eles têm sete elétrons. E este cara tem um elétron aqui. Este cara tem um elétron aqui. Se este cara pode fingir que este tem este elétron, ele está feliz: possui oito elétrons de valência. Se este cara também pode fingir que tem este elétron, é a mesma coisa. Há uma ligação aqui. E é por isso que o hidrogênio é um gás com moléculas diatômicas. E é por isso que o iodo também é igual. Quando estão no estado gasoso, você tem várias dessas coisas que estão se movendo, colidindo umas contra as outras. Farei da seguinte forma: o hidrogênio pode se parecer com isto. O hidrogênio tem essas duas esferas atômicas que estão ligadas. As moléculas de hidrogênio têm esses elétrons no meio que as mantêm ligadas umas às outras. O iodo pode se parecer com isto. É uma molécula muito maior, onde está ligada desta forma. Também está compartilhando alguns elétrons em uma ligação covalente. E tudo é probabilístico. Então, para que estas duas moléculas se transformem nisto, de alguma forma, estas ligações precisam ser quebradas e novas ligações precisam ser formadas. E o que precisa acontecer é que estes caras... Há vários deles, eu poderia desenhar várias moléculas ou posso copiar e colar. Há várias moléculas de hidrogênio em volta. E algumas moléculas de gás de iodo em volta. O que precisa acontecer para que nós obtenhamos o iodeto de hidrogênio é que eles precisam colidir. E precisam colidir da forma certa. Digamos que este cara (na verdade eu posso mostrar)... Digamos que ele esteja se movendo. Isso é interessante. Estou apenas arrastando e colando, mas ele está se movendo e tem que atingir essa molécula de hidrogênio do jeito certo. E talvez, se atingir a molécula e colidir com energia suficiente, de repente, digamos que alcancemos esse ponto aqui. E estes elétrons vão dizer: "ei, você sabe, é legal ser compartilhado desta forma". Então, estamos em uma configuração estável. Estamos preenchendo esta camada 1s. Mas olhe para isto: há este iodo que está perto e realmente me querem. Eles são muito mais eletronegativos que eu para o hidrogênio, então, talvez eles estejam, de certa forma, atraídos aqui. Não sabem se querem ficar aqui, entre o hidrogênio e isso aqui, no meio, então, querem entrar nesse estado de energia mais alto. E, da mesma forma, esses caras dizem: "ei, não preciso ficar aqui". Eu poderia voltar para meu átomo se esse cara vier para cá, porque aí teríamos oito elétrons de valência. E a mesma coisa acontecerá aqui. Este exemplo complexo, quando a colisão acontece, isso é um estado. É um estado de energia alta ou estado de transição da reação. E isso se chama complexo ativado. Eu desenhei da forma visual, mas você pode desenhar dessa forma. O hidrogênio possui uma ligação covalente com outro hidrogênio. E aqui temos um iodo que tem uma ligação covalente com outro iodo. Mas, de repente, esses caras gostam de construir ligações, então, começam a formar. Há um pouco de atração neste lado também. Esta é outra forma de desenhar o complexo de ativação. Mas este é um estado de energia porque, para o elétron, o modo como você pode pensar nisso de ir desta ligação para esta ligação, ou desta para esta outra, ou voltar, precisam entrar em um estado de energia mais alta. Um estado de energia menos estável comparado com o que estávamos antes. Mas isso acontece se houver energia suficiente, porque você pode partir dessas duas coisas separadamente. Vou desenhá-los separadamente, então. Os dois elétrons estão separados. Você tem o hidrogênio separado, mais o iodo separado. Os dois atingem esse estado de energia mais alta. Mas, se os dois podem atingir o estado de energia mais alta, se houver energia suficiente para a colisão e se os dois tiverem energia cinética quando colidiram na direção certa, depois desse complexo ativado ou esse estado de energia mais alta. Depois, irá para o estado de energia mais baixo. E o estado de energia mais baixo é o iodeto de hidrogênio. Quero desenhar o iodeto e depois o hidrogênio. Na verdade, é um estado de energia mais baixo que isso mas, para chegar aqui, você precisa passar por um estado de energia mais alto. E eu poderia fazer isso com um diagrama de energia. Se dissermos que a reta X é a progressão da reação (e, na verdade nós não sabemos a rapidez, mas você poderia visualizar como o tempo em alguma dimensão), digamos que isto seja a energia potencial. Não quero desenhar linhas mais espessas. Esta é a energia potencial. Vou deixar esta linha mais espessa também. Esta é a energia potencial. Inicialmente, estamos nesta realidade e você pode visualizar como a energia potencial combinada. Essencialmente, começamos por aqui. Isto é o H₂ mais I₂. E uma energia potencial mais baixa é quando estamos no iodeto de hidrogênio, então, esta é a energia potencial mais baixa. Isto é 2HI, certo? Mas, para chegar até aqui, temos que entrar nessa energia de ativação mais alta, onde os elétrons precisam alcançar, precisam ter alguma energia para conseguirem descobrir o que querem fazer de suas vidas. Então, você precisa adicionar energia ao sistema. Você não precisa adicionar sempre, mas, se isso não ocorrer espontaneamente, você terá que adicionar energia ao sistema para atingir esse estado ativado. Isso é quando estamos neste ponto aqui. A energia precisa estar no sistema. Isto é a energia: a diferença entre a energia anterior, no momento em que tínhamos apenas as moléculas de hidrogênio e iodo e a energia que precisamos para atingir esse estado ativado. Essa distância, isso aqui, é a energia de ativação. Se pudermos colocar energia de alguma forma no sistema, isso vai acontecer. As moléculas colidirão com energia suficiente e as ligações serão quebradas e refeitas. Energia de ativação. Às vezes é escrito Eₐ, energia de ativação. No futuro, talvez criaremos as reações onde conseguimos medir a energia de ativação, mas o importante é entender conceitualmente que existem coisas que não se movem espontaneamente daqui até ali. Eu não me aprofundarei muito em catalisadores agora, mas você provavelmente já ouviu a palavra "catalisador". É algo sendo catalisado. E isso é outro agente, outro elemento na reação. Então, agora nós temos H₂ mais I₂, produzindo dois iodetos de hidrogênio. Você poderia ter um catalisador. Eu direi apenas mais um C. Na verdade, eu não sei o que seria um bom catalisador para essa reação. Um catalisador pode operar de formas muito diferentes. É por isso que eu não quero fazer isso neste vídeo. O catalisador é algo que não muda, não é consumido na reação. O catalisador estava ali antes da reação e o catalisador vai estar lá após a reação. Mas a função do catalisador é fazer a reação acontecer, seja de forma mais rápida ou diminuir a quantidade de energia para que a reação aconteça (o que é a mesma coisa). Se você tiver um catalisador, essa energia de ativação será menor. A função do catalisador é quando houver alguma molécula que permite um outro estado de transição, que possui menos energia potencial, de forma que exija menos calor ou menos concentração das moléculas para que elas colidam entre si na direção certa para atingir o outro estado. Então, você exige menos energia. Dado que compreendemos como essa cinética ocorre ou essas moléculas interagem entre elas, o que você acha que ativará os elementos, independente de uma reação acontecer ou não? Já sabemos que, se tivermos um catalisador positivo (há algo chamado de catalisador negativo, que reduzirá a velocidade da reação), mas, se tivermos um catalisador positivo, obviamente reduzir a energia de ativação. Isso acelerará a reação. Mais moléculas colidirão umas com as outras do jeito certo para conseguir ultrapassar esse obstáculo, porque esse será menor quando você tiver um catalisador. Também se você aumentar a concentração, certo? Se você aumentar a concentração de moléculas, você terá mais coisas que colidirão umas com as outras. Há apenas a probabilidade, tudo é probabilístico. Quando as pessoas escrevem essas equações, tudo isso parece muito bacana, simples e muito claro. E isso acontece. Mas, no mundo real, você não tem coisas colidindo umas com as outras. E, quando produzirmos vídeos de Biologia, será fascinante conversar sobre isso, porque todos os processos biológicos são realmente apenas processos químicos. É realmente apenas um subproduto de todas essas coisas que colidem umas com as outras. E você pode imaginar: quanto maior é a concentração de coisas que precisam colidir umas com as outras, maior é a probabilidade de conseguir a colisão perfeita e a quantidade de energia cinética para que a reação aconteça. Na verdade, farei outra pequena nota aqui. Esta reação, talvez você diga: "Ok, eu tenho... Vamos ver... Estou neste ponto de energia. Como restabeleço isso? Como isso reage?" Lembre-se: em um gás, as energias cinéticas de todas as moléculas não são uniformes. Algumas moléculas têm uma maior energia cinética. Em algumas, será menor. A temperatura lhe fornece a média. Então, há sempre alguma probabilidade de que duas moléculas de energia cinética colidirão uma contra a outra de forma perfeita, ultrapassem a cinética. Então, terão energia cinética suficiente para atingir o estado de ativação. E, depois, as moléculas podem atingir o estado mais baixo, que é o iodeto de hidrogênio. Isso acontecerá em todas as temperaturas, mas, obviamente, se você aumentar a temperatura, essa reação é mais provável. Então, esta é a outra: a temperatura. A temperatura é, provavelmente, a única coisa boa que fará a reação acontecer mais rápido. Tudo isso, você quer uma temperatura mais alta, uma reação maior. E, se você quiser pensar sobre as moléculas em si, se tiver moléculas em que suas ligações originais são fracas? Há maior probabilidade de interação. E há outras coisas que você poderia falar: a fórmula molecular, a disponibilidade de certos átomos de interagir com outros átomos... Isso realmente se torna significativo quando começamos a entrar em biologia. E a última, você provavelmente verá isso: é apenas a área de superfície. Se você aumentar a área de superfície (estamos apenas fazendo interações entre gases, o que, quase por definição, tem ótimas interações nas áreas de superfície), se a área de superfície aumentar, a reação também aumenta (a taxa de reação). E o que você pensa sobre isso? Bem, pense na reação de... Você sabe, já fizemos isso diversas vezes. Cloreto de sódio sólido (sal em estado sólido), mais água em estado líquido resulta em sódio... Bem, nós poderíamos pensar de diversas formas, mas nós poderíamos pensar nisso como um íon de sódio aquoso mais ânions de cloreto. Isso é um cátion (ou um ânion) aquoso, então, se dissolve. E como isso acontece? Se você tiver um grande bloco de gelo... De gelo não, de sal... Se você tiver um grande bloco de sal aqui, há vários átomos de sódio e cloreto dentro. E você tem água em volta. A água apenas poderá interagir com as moléculas da superfície e lentamente dissolverá o sal, lentamente formará ligações polares. Na verdade, são ligações polares de polos, com o sódio ou com os íons de cloreto. Mas, se você tivesse que romper isso em cubos menores, se você fosse quebrar isso ou esmagar isso em pedaços bem pequenos, de repente, a área da superfície com a qual as moléculas de água podem interagir, na verdade vão poder interagir com uma quantidade maior do cloreto de sódio. A reação, neste caso, será mais rápida. Então, se você aumentar a área da superfície da interação, você também vai aumentar a taxa de reação. Se você está tentando fazer isso com dois fluidos, o que poderia fazer é tentar pulverizar um fluido no outro. Então, terá pequenas gotas e também irá aumentar a área de superfície. De qualquer forma, essa é uma introdução à ideia da cinética. Mas, com sorte, isso lhe fornece uma noção de que essas reações (e eu quero que vocês realmente pensem em química dessa forma, não pensem como apenas uma fórmula que precisam lembrar), mas que realmente representa colisões entre os átomos. É probabilístico e desordenado. E realmente precisamos pensar sobre o que aumentará a probabilidade dessas coisas colidirem da forma perfeita para que as reações ocorram.