Reação Química

Reação Química

• Uma reação química ocorre quando certas substâncias sofrem transformações em relação ao seu estado inicial (reagentes). Para que isso possa acontecer, as ligações entre átomos e moléculas devem ser rompidas e devem ser restabelecidas de outra maneira. Como essas ligações podem ser muito fortes, geralmente é necessária energia na forma de calor para iniciar a reação.

A ocorrência de uma reação química é indicada pelo aparecimento de novas substâncias (produtos), diferentes das originais (reagentes). Quando as substâncias reagem, às vezes ocorrem fatos visíveis que confirmam a ocorrência da reação. Dentre eles, podemos destacar: desprendimento de gás e luz, mudança de coloração e cheiro, formação de precipitados, etc.

• Em certas situações, os reagentes se encontram com impurezas e as reações químicas não acontecem com aproveitamento total porque não ocorrem somente nos laboratórios, mas em toda a parte e a todo o momento. Oxidação e redução são exemplos desses tipos de reações que ocorrem em nosso dia a dia.

Quando dois reagentes são misturados e eles não se encontram em proporções iguais, um deles será consumido totalmente enquanto o outro poderá deixar certa quantidade sem reagir. O reagente que teve seu aproveitamento total é chamado de reagente limitante e o outro será o reagente em excesso.

• Um exemplo de reação química muito comum em nosso cotidiano é a reação de combustão, para que ela ocorra é necessária a presença de três fatores: um combustível, um comburente e energia de ativação. Essa reação consiste na queima de um combustível que pode ser a gasolina, o álcool, etc., através da energia de ativação (calor de uma chama, faísca elétrica), na presença de um comburente que, em geral, é o oxigênio do ar (O2).

Uma reação química é uma transformação da matéria na qual ocorrem mudanças qualitativas na composição química de uma ou mais substâncias reagentes, resultando em um ou mais produtos. Envolve mudanças relacionadas à mudança nas conectividades entre os átomos ou íons, na geometria das moléculas das espécies reagentes ou ainda na interconversão entre dois tipos de isômeros. Para iniciar a reação, geralmente é necessário energia na forma de calor.

• Resumidamente, pode-se afirmar que uma reação química é uma transformação da matéria em que pelo menos uma ligação química é criada ou desfeita.

Características:

• Um aspecto importante sobre uma reação química é a conservação da massa e o número de espécies químicas microscópicas(átomos e íons) presentes antes e depois da ocorrência da reação. 

Essas leis de conservação se manifestam microscopicamente sob a forma das leis de Lavoisier, do mestre Proust e de Dalton. De fato, essas leis, no modelo atômico de Dalton, se justificariam pelas leis de conservação acima explicitadas e pelo fato de os átomos apresentarem valências bem definidas. Ao conjunto das características e relações quantitativas dos números de espécies químicas presentes numa reação dá-se o nome de estequiometria.

• Deve-se salientar que uma ligação química ocorre devido a interações entre as nuvens eletrônicas dos átomos, e que então reação química apenas envolve mudanças nas eletrosferas. No caso de ocorrer mudanças nos núcleos atômicos teremos uma reação nuclear. 

Ao passo que nas reações químicas a quantidade e os tipos de átomos sejam os mesmos nos reagentes e produtos, na reação nuclear, as partículas subatômicas são liberadas, o que causa redução de sua massa, sendo este um fato relacionado à existência de elementos isóbaros, isótonos e isótopos entre si.

Um exemplo de uma reação química é:

(ambos os regentes em solução aquosa): 

NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl

Nesta reação química, ao passo que o NaNO3 permanece em solução, formou-se uma ligação entre a prata (Ag) e o cloro (Cl) o que resultou em um produto sólido de cloreto de prata (AgCl), pode-se então dizer que houve uma reação química.

Causas das reações químicas:

• O acontecimento de reações deve-se a fatores termodinâmicos e cinéticos.

Termodinâmico:

• Quanto à termodinâmica, o acontecimento de uma reação é favorecido com o aumento da entropia e a diminuição da energia. Essas duas grandezas se cooperam nesse caso de acordo com a seguinte equação: ΔG = ΔH - T.ΔS (para sistemas a pressão constante) ΔA = ΔU - T.ΔS (para sistemas a volume constante)

Onde T é a temperatura em kelvin, ΔH é a variação da entalpia (que é igual a energia absorvida ou liberada em pressão constante) entre os reagentes e os produtos, ΔU é variação da energia interna (que é igual a energia absorvida ou liberada a volume constante) entre eles, ΔS é a variação da entropia entre os mesmos, ΔG é uma grandeza chamada de energia livre de Gibbs e ΔA é uma grandeza chamada de energia de Helmholtz.

• Se ΔA e ΔG forem maiores que zero em dadas condições, a reação é dita como não espontânea nessas condições, e ela ocorre ou não ocorre em escala apreciável. Na situação de ΔA e ΔG iguais a zero teremos um equilíbrio químico.

Caso ΔA e ΔG sejam menores que zero em dadas condições, dizemos que a reação é termodinamicamente favorável nestas condições, ou seja, ela é espontânea. Contudo é importante notar que uma reação ser espontânea não necessariamente significa que ela ocorra rapidamente.

Cinética:

• Nesse ponto, entram os fatores cinéticos. Para que uma reação ocorra é necessário que antes, os reagentes superem uma certa barreira de energia, e quanto maior for essa barreira mais difícil será a reação ocorrer e mais lenta ela será. 

Dessa forma, uma reação termodinamicamente favorável pode ocorrer de forma extremamente lenta ou acabar nem sendo observada em um intervalo de tempo consideravelmente grande; então se diz que a reação é cineticamente desfavorável. 

• Um bom exemplo disso é o carvão e o diamante, que são duas formas diferentes de carbono (alótropos); em condições normais a transformação de diamante a carvão é termodinamicamente favorável porém cineticamente desfavorável, o que faz com que fossem necessários centenas ou milhares de anos para se observar alguma mudança em um diamante. 

É preciso entender que uma reação para ser cineticamente viável, necessita primeiramente ser termodinamicamente possível.

Tipos de reações Químicas:

Tradicionalmente, as reações químicas podem ser classificadas de acordo com o número de reagentes e produtos em cada membro da equação química que representa a reação: 

• Reações de síntese, composição ou adição ; 
• Reações de análise ou decomposição ; 
• Reações de simples troca ou deslocamento (; 
• Reações de dupla troca . 

Outra classificação categoriza as reações em dois tipos: 

• Reações de oxirredução ou 
• Reações redox 
• as demais reações 

Algumas reações de síntese, algumas de análise, todas de simples troca e nenhuma de dupla troca são reações de oxirredução

• Um tipo de reação que não encontra paralelo nas classificações acima é a chamada reação de isomerização.

Ainda existem uma série de reações que são estudadas em Química Orgânica, ou seja, sub-classes de reações, tais como : Reações de Halogenação, Reações de Hidrogenação, Reações de Substituição Nucleofílica etc.

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Mecanismo de reação:

• O mecanismo de reação é o conjunto das fases ou estados que constituem uma reação química, em outros termos é a sequência, etapa por etapa de reações elementares pela qual toda a reação química ocorre.

Os mecanismos de reação estão ligados à cinética química.

Conceitos básicos:

• Desde um ponto de vista termodinâmico, uma equação química, os reagentes são o estado inicial e os produtos o estado final, há uma variação de energia livre. A energia livre deve ser negativa já que será uma reação espontânea, ou seja, que a reação poderá levar-se a cabo sem nenhum impedimento termodinâmico.

Para tornar mais fácil a explicação será melhor fazê-lo com um exemplo:

∆G'= -

• Para fazer a ligação A-B, os reativos têm de encurtar as distâncias, mas isto aumenta a força de repulsão dos elétrons. Para evitar esta repulsão, os reativos terão que aproximar-se com suficiente energia cinética. 

Acima desta energia, as moléculas A e B formam ligações e em correspondência, as moléculas B e C estão rompendo as suas. Neste momento há um complexo formado por A, B e C, chamado complexo ativado. Ao final todas as ligações de B e C serão rompidos e as ligações A e B serão formadas, ou seja, os produtos.

• Também há de se fazer menção à energia de ativação, que é a diferença entre a energia dos reativos e a do complexo ativado. Se pode considerar como uma barreira energética que deve passar os reativos para passar a ser produtos.

Tipos:

• Há dois tipos de mecanismo, dependendo do número de etapas que contém:

Reações elementares:

• Transcorre em somente uma etapa. Esta reação se produz com a formação de um só complexo ativado e só tem que superar uma barreira energética. Se representa em uma só equação química.

Reações complexas:

• Transcorre em duas ou mais etapas, com formação de intermediários. Também podemos dizer que é um conjunto de reações elementares, onde há mais de uma formação de complexos ativados diferentes e supera diferentes barreiras energéticas. 

Se expressa em várias equações químicas ou uma global. Na equação química global, representa o estado inicial e o estado final do global das reações, mas não apresenta como tenha-se transcorrido a reação.

• Os intermediários são moléculas que aparecem no mecanismo da reação, mas não na equação inicial.

Molecularidade:

A molecularidade é o número de moléculas que tomam parte como reativos em uma reação elementar. Dependendo do número de moléculas que participam, se classificam: 

• Unimoleculares: Só participa uma molécula. 
• Bimoleculares: Participam 2 moléculas. 
• Trimoleculares: Participam 3 moléculas (esta é muito rara). 

Exemplo de Mecanismo:

Como exemplo consideramos a reação global entre o óxido nítrico e o oxigênio:

• Se sabe que os produtos não se formam diretamente como resultado da colisão de duas moléculas NO com uma molécula de O2 porque se tenha encontrado a espécie N2O2 durante o curso da reação. Um mecanismo possível é supor que a reação se dá em duas etapas ou reações elementares como as seguintes:

primeira etapa

segunda etapa

• Na primeira etapa duas moléculas de NO chocam-se para formar uma molécula de N2O2; é uma reação bimolecular. Depois, segue uma reação, entre o N2O2 e o O2 para formar duas moléculas de NO2; é uma reação bimolecular. A equação química global, que representa o câmbio total, se pode interpretar como a soma destas duas etapas.

As espécies como o N2O2 é o intermediário da reação.

Modelagem:

• Um correto mecanismo de reação é uma parte importante de precisão modelagem preditiva. Para muitos casos de combustão e sistemas de plasma, mecanismos detalhados não estão disponíveis ou ainda exigem desenvolvimento.

Mesmo quando a informação está disponível, identificando e organizando-se os dados relevantes de uma variedade de fontes, a conciliação entre valores discrepantes e a extrapolação à diferentes condições pode ser um processo difícil sem ajuda especializada. 

Constantes de velocidade ou dados termoquímicos muitas vezes não estão disponíveis na literatura, técnicas de química computacional e/ou métodos de aditividade de grupos devem ser usado para obter os parâmetros necessários. Nas diferentes fases de elaboração de um mecanismo de reação, métodos apropriados devem ser utilizados.

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