Reações químicas são processos em que uma ou mais substâncias, os reagentes , são convertidos em uma ou mais substâncias diferentes, os produtos. Substâncias são elementos químicos ou compostos. Uma reação química reorganiza o constituinte de átomos dos reagentes para criar diferentes substâncias como produtos.
As reações químicas são parte integrante da tecnologia, da cultura e, na verdade, da própria vida. Combustíveis em chamas, fundição de ferro, fabricação de vidro e cerâmica, produção de cerveja e produção de vinho e queijo estão entre muitos exemplos de atividades que incorporam reações químicas conhecidas e usadas há milhares de anos. Reações químicas abundam na geologia da Terra, na atmosfera e nos oceanos, e em uma vasta gama de processos complicados que ocorrem em todos os sistemas vivos.
As reações químicas devem ser diferenciadas das alterações físicas. Mudanças físicas incluem mudanças de estado, como o derretimento do gelo para a água e a evaporação da água para o vapor. Se ocorrer uma mudança física, as propriedades físicas de uma substância mudarão, mas sua identidade química permanecerá a mesma. Não importa qual seja seu estado físico, a água (H 2 O) é o mesmo composto , com cada molécula composta de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. No entanto, se a água, como gelo, líquido ou vapor, encontrar sódio metal (Na), os átomos serão redistribuídos para dar as novas substâncias hidrogênio molecular (H 2 ) e hidróxido de sódio (NaOH). Com isso, sabemos que ocorreu uma mudança ou reação química.
O conceito de reação química remonta há cerca de 250 anos. Ele teve suas origens nos primeiros experimentos que classificaram substâncias como elementos e compostos e em teorias que explicavam esses processos. O desenvolvimento do conceito de reação química teve um papel primordial na definição da ciência da química como é conhecida hoje.
Os primeiros estudos substantivos nessa área foram sobre gases. A identificação do oxigênio no século XVIII pelo químico sueco Carl Wilhelm Scheele e pelo clérigo inglês Joseph Priestley teve um significado particular. A influência do químico francês Antoine-Laurent Lavoisier foi especialmente notável, na medida em que seus insights confirmaram a importância de medidas quantitativas de processos químicos. Em seu livro Traité élémentaire de chimie (1789; Tratado Elementar de Química ), Lavoisier identificou 33 “elementos” – substâncias não divididas em entidades mais simples. Entre suas muitas descobertas, Lavoisier mediu com precisão o peso ganho quando os elementos foram oxidados e atribuiu o resultado à combinação do elemento com o oxigênio. O conceito de reações químicas envolvendo a combinação de elementos claramente emergiu de seus escritos, e sua abordagem levou outros a buscar a química experimental como uma ciência quantitativa.
A outra ocorrência de significado histórico em relação às reações químicas foi o desenvolvimento de teoria atômica. Para isso, muito crédito vai para o químico inglês John Dalton, que postulou sua teoria atômica no início do século XIX. Dalton sustentou que a matéria é composta de partículas pequenas e indivisíveis, que as partículas, ou átomos, de cada elemento eram únicas, e que reações químicas estavam envolvidas no rearranjo de átomos para formar novas substâncias.
Essa visão das reações químicas define com precisão o assunto atual. A teoria de Dalton forneceu uma base para a compreensão dos resultados de experimentalistas anteriores, incluindo a lei da conservação da matéria (a matéria não é criada nem destruída) e a lei da composição constante (todas as amostras de uma substância têm composições elementares idênticas).
Assim, experimento e teoria, os dois pilares da ciência química no mundo moderno, juntos definiram o conceito de reações químicas. Hoje, a química experimental fornece inúmeros exemplos, e a química teórica permite uma compreensão de seu significado.
Conceitos Básicos das Reações Químicas
Ao fazer uma nova substância a partir de outras substâncias, os químicos dizem que realizam uma síntese ou sintetizam o novo material. Os reagentes são convertidos em produtos e o processo é simbolizado por uma equação química. Por exemplo, ferro (Fe) e enxofre (S) se combinam para formar sulfeto de ferro (FeS).
Fe (s) + S (s) → FeS (s)
O sinal de mais indica que o ferro reage com o enxofre. A seta significa que a reação “forma” ou “produz” sulfeto de ferro, o produto. O estado da matéria dos reagentes e produtos é designado com o (s) símbolo (s) para sólidos, (l) para líquidos e (g) para gases.
A Conservação da Matéria
Em reações em condições normais de laboratório, a matéria não é criada nem destruída, e os elementos não são transformados em outros elementos. Portanto, equações representando reações devem ser equilibradas; ou seja, o mesmo número de átomos de cada tipo deve aparecer em lados opostos da equação. A equação balanceada para a reação ferro-enxofre mostra que um átomo de ferro pode reagir com um átomo de enxofre para dar uma unidade de fórmula de sulfeto de ferro.
Químicos normalmente trabalham com quantidades de elementos e compostos. Por exemplo, na equação ferro-enxofre, o símbolo Fe representa 55,845 gramas de ferro, S representa 32,066 gramas de enxofre e FeS representa 87,911 gramas de sulfeto de ferro. Como a matéria não é criada ou destruída em uma reação química, a massa total dos reagentes é a mesma que a massa total dos produtos. Se outra quantidade de ferro for usada, digamos, um décimo (5,585 gramas), apenas um décimo do enxofre pode ser consumido (3,207 gramas), e apenas um décimo de sulfeto de ferro é produzido (8,791 gramas). ). Se 32,066 gramas de enxofre estavam inicialmente presentes com 5,585 gramas de ferro, então 28,859 gramas de enxofre seriam deixados quando a reação estivesse completa.
A reação do metano (CH 4) , um dos principais componentes do gás natural, com o oxigênio molecular (O 2 ) para produzir dióxido de carbono (CO 2 ) e água pode ser representada pela equação química:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (l)
Aqui aparece outra característica das equações químicas. O número 2 precedendo O 2 e H 2 O é um fator estequiométrico. (O número 1 precedendo CH 4 e CO 2 está implícito.) Isso indica que uma molécula de metano reage com duas moléculas de oxigênio para produzir uma molécula de dióxido de carbono e duas moléculas de água. A equação é balanceada porque o mesmo número de átomos de cada elemento aparece em ambos os lados da equação (aqui um carbono, quatro hidrogênio e quatro átomos de oxigênio). Analogamente com o exemplo do ferro-enxofre, podemos dizer que 16 gramas de metano e 64 gramas de oxigênio produzirão 44 gramas de dióxido de carbono e 36 gramas de água. Ou seja, 80 gramas de reagentes levarão a 80 gramas de produtos.
A proporção de reagentes e produtos em uma reação química é chamada de estequiometria. A estequiometria depende do fato de que a matéria é conservada em processos químicos e os cálculos que estabelecem relações de massa baseiam-se no conceito da toupeira. Uma mole de qualquer elemento ou composto contém o mesmo número de átomos ou moléculas, respectivamente, do que uma mole de qualquer outro elemento ou composto. Por acordo internacional, uma mole do isótopo mais comum do carbono (carbono-12) tem uma massa de exatamente 12 gramas (isso é chamado de massa molar) e representa 6,022140857 × 10 23 átomos (Número de Avogadro). Uma mole de ferro contém 55,847 gramas; uma mole de metano contém 16.043 gramas; uma mole de oxigênio molecular equivale a 31,999 gramas; e uma mole de água é 18.015 gramas. Cada uma dessas massas representa 6,022140857 × 10 23 moléculas.
Considerações Energéticas
A energia desempenha um papel fundamental nos processos químicos. De acordo com a visão moderna das reações químicas, as ligações entre átomos nos reagentes devem ser quebradas, e os átomos ou pedaços de moléculas são reagrupados em produtos pela formação de novas ligações. A energia é absorvida para quebrar as ligações e a energia é desenvolvida à medida que as ligações são feitas. Em algumas reações, a energia necessária para romper as ligações é maior do que a energia que evolui ao fazer novas ligações, e o resultado líquido é a absorção de energia. Tal reação é dita endotérmica se a energia estiver na forma de calor. O oposto de endotérmica é exotérmica; em uma reação exotérmica, energia como calor é evoluído. Os termos mais gerais exoergic (energia evoluída) e endoergic (energia requerida) são usados quando outras formas de energia que não o calor estão envolvidas.
Muitas reações comuns são exotérmicas. A formação de compostos a partir dos elementos constituintes é quase sempre exotérmica. A formação de água a partir de hidrogênio molecular e oxigênio e a formação de um óxido de metal tal como o óxido de cálcio (CaO) a partir de cálcio-metal e oxigênio gasoso são exemplos. Entre as reações exotérmicas amplamente reconhecíveis está a combustão de combustíveis (como a reação do metano com o oxigênio mencionado anteriormente).
A formação de cal apagada ( hidróxido de cálcio, Ca (OH) 2 ) quando a água é adicionada à cal (CaO) é exotérmica.CaO (s) + H2O (l) → Ca (OH) 2 (s)Esta reação ocorre quando a água é adicionada ao cimento portland seco para fazer concreto , e a evolução da energia como o calor é evidente porque a mistura fica quente.
Nem todas as reações são exotérmicas (ou exoérgicas). Alguns compostos , como o óxido nítrico (NO) e a hidrazina (N 2 H 4 ), necessitam de energia quando são formados a partir dos elementos. A decomposição de calcário (CaCO 3 ) para fazer cal (CaO) também é um processo endotérmico; é necessário aquecer calcário a uma temperatura alta para que esta reação ocorra.
CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
Geralmente, a evolução do calor em uma reação favorece a conversão de reagentes em produtos. Contudo ,a entropia é importante para determinar a favorabilidade de uma reação. A entropia é uma medida do número de maneiras pelas quais a energia pode ser distribuída em qualquer sistema. A entropia explica o fato de que nem toda energia disponível em um processo pode ser manipulada para fazer o trabalho.
Uma reação química favorecerá a formação de produtos se a soma das mudanças na entropia para o sistema de reação e seus arredores for positiva. Um exemplo é a queima de madeira. A madeira tem uma baixa entropia. Quando a madeira queima, produz cinzas, bem como as substâncias de alta entropia, gás de dióxido de carbono e vapor de água. A entropia do sistema reagente aumenta durante a combustão. Tão importante quanto isso, a energia térmica transferida pela combustão para o seu entorno aumenta a entropia no ambiente. O total de alterações de entropia para as substâncias na reação e o ambiente é positivo, e a reação é favorecida pelo produto.
Quando o hidrogênio e o oxigênio reagem para formar água, a entropia dos produtos é menor que a dos reagentes. No entanto, contrabalançar essa diminuição na entropia é o aumento da entropia dos arredores devido ao calor transferido pela reação exotérmica. Novamente, devido ao aumento geral da entropia, a combustão de hidrogênio é favorecida pelo produto.
Considerações Cinéticas
Reações químicas geralmente precisam de uma entrada inicial de energia para iniciar o processo. Embora a combustão de madeira, papel ou metano seja um processo exotérmico, é necessário um fósforo aceso ou uma faísca para iniciar essa reação. A energia fornecida por um fósforo surge de uma reação química exotérmica que é ela mesma iniciada pelo calor de fricção gerado pela fricção do fósforo em uma superfície adequada.
Em algumas reações, a energia para iniciar uma reação pode ser fornecida pela luz. Numerosas reações em terra da atmosfera são fotoquímica, ou luz orientada, reações iniciadas por radiação solar. Um exemplo é a transformação do ozônio (O 3 ) em oxigênio (O 2 ) na troposfera. A absorção de luz ultravioleta ( h ν) a partir do Sol para iniciar esta reação previne a radiação de alta energia potencialmente prejudiciais do que atinge a superfície da Terra.
Para que ocorra uma reação, não é suficiente que seja energicamente favorecido pelo produto. A reação também deve ocorrer a uma taxa observável. Vários fatores influenciam as taxas de reação, incluindo as concentrações de reagentes, a temperatura ea presença de catalisadores. A concentração afeta a taxa em que as moléculas reagentes colidem, um pré-requisito para qualquer reação. A temperatura é influente porque as reações ocorrem apenas se as colisões entre as moléculas reagentes forem suficientemente energéticas. A proporção de moléculas com energia suficiente para reagir está relacionada com a temperatura. Os catalisadores afetam as taxas fornecendo um caminho de energia mais baixo pelo qual uma reação pode ocorrer. Entre os catalisadores comuns estão os compostos de metais preciosos usados em sistemas de exaustão automotivos que aceleram a decomposição de poluentes, como o dióxido de nitrogênio, em nitrogênio e oxigênio inofensivos. Uma ampla gama de catalisadores bioquímicos também é conhecida, incluindo a clorofila em plantas (o que facilita a reação pela qual dióxido de carbono atmosférico é convertido em moléculas orgânicas complexas, como a glicose) e muitos catalisadores bioquímicos chamados enzimas. A enzima pepsina, por exemplo, ajuda na quebra de grandes moléculas de proteína durante a digestão.
