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 ( k), 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
\mathrm{H_3O^+ + OH^- \;\longrightarrow\; 2\,H_2O},
que está limitada pela difusão das espécies em água. A constante de segundo ordem fica perto de
k \approx 10^{10}\,\mathrm{M^{-1}s^{-1}},
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”:
  1. Preparamos duas soluções-mãe, uma com \mathrm{H_3O^+} marcada por um corante de vida curta e outra com \mathrm{OH^-}.
  2. No aparelho stopped-flow eles se misturam em \sim\!1 ms ou menos, e monitoramos a mudança de absorbância ou fluorescência em sub-microsegundos.
  3. Alternativamente, faz-se um “T-jump” (pulso de aquecimento rápido) e se observa a restauração do equilíbrio de prótons via espectroscopia ultrarrápida.
  4. Da curva de decaimento ou relaxação obtemos o tempo característico \tau e calculamos
k = \frac{1}{\tau\,[\mathrm{H_3O^+}]_0},
confirmando valores da ordem de 10^{10}\,\mathrm{M^{-1}s^{-1}}.

Passo 4

A reação mais lenta imaginável é a conversão de diamante em grafite a 25^\circ\mathrm{C}, que é termodinamicamente favorável mas cineticamente inibida. Estima-se uma constante de reação efetiva em torno de
k \approx 10^{-50}\,\mathrm{s^{-1}},
dando meia-vida muito maior que a idade do universo.

Passo 5

Medir essa cinética direta a 25^\circ\mathrm{C} é impraticável, então usa-se o método de variação de temperatura (Arrhenius):
  1. Sujeitamos um pequeno cristal de diamante puro a várias temperaturas elevadas ( 800 1200^\circ\mathrm{C}) em um micro-forno com balanço de massa de alta sensibilidade.
  2. Medimos a perda de massa ou a mudança de estrutura (por exemplo, espectroscopia Raman) ao longo de horas ou dias para obter k(T).
  3. Ajustamos a expressão de Arrhenius
k(T) = A\,e^{-E_a/(RT)}
para extrair o fator de frequência A e a energia de ativação E_a.
4. Extrapolamos para 25^\circ\mathrm{C} e obtemos um k ultrapequeno, confirmando a lentidão extrema.

Resposta

Reação mais rápida: transferência de próton em água
\mathrm{H_3O^+ + OH^- \to 2\,H_2O},
com k\approx10^{10}\,\mathrm{M^{-1}s^{-1}}, medida por stopped-flow ou T-jump/laser-photolysis.
Reação mais lenta: conversão de diamante em grafite a 25^\circ\mathrm{C}, com k\sim10^{-50}\,\mathrm{s^{-1}}, estudada indiretamente via medida de taxa em altas temperaturas e extrapolação pelo Arrhenius.