29/11/2015

Energia e reações químicas

Entrada e saída de calor

A energia pode assumir muitas formas diferentes, que podem ser convertidas umas nas outras com vários graus de dificuldade. Uma conversão que efectuamos diariamente é a que transforma energia química em calor - a queima de combustível que produz dióxido de carbono e água.
A energia química é armazenada nas ligações que mantêm as moléculas unidas. Quando se queima um combustível, as ligações das moléculas do reagente - oxigénio e o próprio combustível - armazenam mais energia do que as ligações dos produtos - dióxido de carbono e água. A medida que a reação prossegue, o «excedente» de energia é libertado para o ambiente sob a forma de calor e luz. Qualquer reação - e não apenas a combustão - que liberta calor é designada por exotérmica. A situação oposta é a de uma reação endotérmica, em que os produtos se encontram a um nível energético mais elevado do que os reagentes e tem de se obter energia do ambiente exterior para a reação poder prosseguir.



Controlo da velocidade da reação

A velocidade a que uma reação tem lugar depende principalmente do tipo de reagentes em causa; o zinco, por exemplo, reage mais rapidamente com o ácido hidroclorídrico do que com o ácido acético. Mas existem vários outros fatores - o calor, a concentração e o uso de catalisadores - que podem afetar significativamente o ritmo da reação e que são utilizados pelos químicos para controlar as sínteses químicas.
As moléculas de uma reação de mistura estão em constante movimento, chocando regularmente umas nas outras. A reação tem lugar apenas quando as moléculas do reagente colidem umas com as outras a uma velocidade suficiente (e, portanto, com suficiente energia). Se se aquecer a reação pode-se aumentar a velocidade a que as moléculas se deslocam e, portanto, aumentar a probabilidade de uma colisão «bem sucedida». Assim, o ritmo de uma reação aumenta. Consegue-se o mesmo efeito aumentando a concentração dos reagentes, que colidem com mais frequência porque estão mais concentrados.


Catalisadores e energia de ativação

As moléculas só reagem quando colidem umas com as outras. Mas a simples colisão entre dois reagentes não é, por si só, suficiente para fazer com que sofram uma alteração química. Os reagentes têm de possuir mais do que a quantidade de energia crítica - a energia de ativação - para que a reação tenha lugar; de outro modo, limitar-se-ão a «fazer ricochete» uns nos outros, mantendo-se inalterados. O fornecimento de energia ao sistema faz aumentar o número de moléculas de reagente que possuem mais do que esta quantidade de energia, fazendo, portanto, com que a reação se desenrole mais rapidamente.


Todas as reações químicas têm a sua própria energia de ativação característica. As que têm uma energia de ativação baixa desenrolam-se a velocidades observáveis à temperatura ambiente; as que têm energia de ativação elevada (como a combustão de um fósforo) desenrolam-se muito lentamente e de modo algum à temperatura ambiente. É por isso que um fósforo não se acende espontaneamente, necessitando de ser riscado; esta ação fornece a energia de ativação necessária ao início da combustão. Uma vez iniciada, a reação produz uma energia abundante (é exotérmica) e fornece a sua própria energia de ativação, tornando-se auto-sustentada.
A velocidade de uma reação química pode ser aumentada pela utilização de um catalisador - substância que faz baixar a energia de ativação da reação. Quase todos os catalisadores funcionam ligando-se temporariamente às moléculas do reagente e mantendo-as na posição «correta» para a reação ter lugar. Os produtos são então libertados e o catalisador fica ele próprio pronto a aceitar outra carga do reagente. Os catalisadores estão presentes na maioria das sínteses industriais, incluindo o fabrico de combustíveis, de plástico e de amoníaco. Toda a vida depende de catalisadores biológicos especializados, chamados enzimas. Estas moléculas aceleram muito as reações celulares vitais; para além disso, são notáveis pela sua especificidade: cada uma delas catalisa apenas uma estreita faixa de reações. O corpo humano contém cerca de 30.000 enzimas diferentes.
A temperaturas baixas, poucas são as colisões entre moléculas de reagente com energia suficiente para provocarem uma transformação química. A elevação da temperatura faz com que as moléculas se desloquem mais depressa e com que tenha lugar a um maior número de colisões com uma energia mais elevada, formando mais rapidamente o produto. O aumento da pressão (para os reagentes gasosos) ou da concentração (para os líquidos) de um valor baixo para um valor elevado dá origem a mais colisões num determinado período de tempo, aumentando assim o ritmo. Um processo análogo para os reagentes sólidos é a pulverização do sólido, o que aumenta a superfície disponível para a reação.


Reações reversíveis

Nalgumas reações químicas os reagentes são inteiramente convertidos em produtos. Noutras, contudo, os produtos reagem aparentemente uns com os outros, voltando a formar os reagentes originais. Nestas reações reversíveis chega-se a um ponto em que o ritmo a que os produtos se formam é igual ao ritmo a que os reagentes se voltam a formar. Neste ponto, conhecido por equilíbrio, a reação parece ter chegado ao fim porque a proporção entre reagentes e produto permanece constante. Na realidade, o equilíbrio é dinâmico - mantido por constantes reações bidirecionais. Este facto é explorado pelos químicos, que por norma desejam optimizar o rendimento da produção. O aumento da velocidade da reação num sentido em relação à da reação inversa provoca uma alteração do equilíbrio e forma-se mais produto.


Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...