13.4 Qual é a reação química mais rápida que você pode imaginar? Qual é a mais lenta? Como você desenvolveria experiências para medir a velocidade de cada uma delas?
Passo 1
O enunciado pede que a gente escolha a reação química mais rápida e a mais lenta que conseguirmos imaginar, e depois proponha experimentos para determinar a velocidade (constante de taxa) de cada uma. O conteúdo principal aqui é cinética química, em que usamos conceitos como constante de velocidade (
), ordem de reação e técnicas de medida de tempos muito curtos (micro- e nanosegundos) ou muito longos (dias, meses, anos).
Passo 2
A reação mais rápida costuma ser uma transferência de próton em meio aquoso, por exemplo
que está limitada pela difusão das espécies em água. A constante de segundo ordem fica perto de
ou seja, no limite de “reação impossível de ficar mais rápida” em fase líquida.
Passo 3
Para medir essa reação ultrarrápida usamos métodos de relaxação e “stop-flow” ou “laser flash photolysis”:
- Preparamos duas soluções-mãe, uma com
marcada por um corante de vida curta e outra com . - No aparelho stopped-flow eles se misturam em
ms ou menos, e monitoramos a mudança de absorbância ou fluorescência em sub-microsegundos. - Alternativamente, faz-se um “T-jump” (pulso de aquecimento rápido) e se observa a restauração do equilíbrio de prótons via espectroscopia ultrarrápida.
- Da curva de decaimento ou relaxação obtemos o tempo característico
e calculamos
confirmando valores da ordem de
.
Passo 4
A reação mais lenta imaginável é a conversão de diamante em grafite a
, que é termodinamicamente favorável mas cineticamente inibida. Estima-se uma constante de reação efetiva em torno de
dando meia-vida muito maior que a idade do universo.
Passo 5
Medir essa cinética direta a
é impraticável, então usa-se o método de variação de temperatura (Arrhenius):
- Sujeitamos um pequeno cristal de diamante puro a várias temperaturas elevadas (
– ) em um micro-forno com balanço de massa de alta sensibilidade. - Medimos a perda de massa ou a mudança de estrutura (por exemplo, espectroscopia Raman) ao longo de horas ou dias para obter
. - Ajustamos a expressão de Arrhenius
para extrair o fator de frequência
e a energia de ativação
.
4. Extrapolamos para e obtemos um
ultrapequeno, confirmando a lentidão extrema.
4. Extrapolamos para
Resposta
Reação mais rápida: transferência de próton em água
com
, medida por stopped-flow ou T-jump/laser-photolysis.
Reação mais lenta: conversão de diamante em grafite a
, com
, estudada indiretamente via medida de taxa em altas temperaturas e extrapolação pelo Arrhenius.