(UFU-MG) As reações de combustão do carvão, da madeira, do fósforo, do álcool, da gasolina, enfim das substâncias combustíveis de modo geral, são espontâneas. No entanto, apesar de estarem em contato com o oxigênio do ar e de se queimarem com alta velocidade, nenhuma delas se extinguiu da natureza por combustão. Qual a melhor explicação para esse fato?
a) Ocorrer influência de catalisadores negativos de reação.
b) Serem as referidas reações endotérmicas.
c) Serem as referidas reações exotérmicas.
d) Haver necessidade de fornecer energia de ativação para que as reações ocorram.
e) Ocorrer a influência da baixa concentração de anidrido carbônico, dificultando as reações.
a) Ocorrer influência de catalisadores negativos de reação.
b) Serem as referidas reações endotérmicas.
c) Serem as referidas reações exotérmicas.
d) Haver necessidade de fornecer energia de ativação para que as reações ocorram.
e) Ocorrer a influência da baixa concentração de anidrido carbônico, dificultando as reações.
Passo 1
O enunciado diz que as reações de combustão (carvão, madeira, fósforo, álcool, gasolina etc.) são espontâneas, ocorrem em contato com o oxigênio do ar e têm alta velocidade quando queimam, mas apesar disso não se extinguiram da natureza por combustão. Pede-se a melhor explicação entre as alternativas abaixo:
a) Ocorrer influência de catalisadores negativos de reação.
b) Serem as referidas reações endotérmicas.
c) Serem as referidas reações exotérmicas.
d) Haver necessidade de fornecer energia de ativação para que as reações ocorram.
e) Ocorrer a influência da baixa concentração de anidrido carbônico, dificultando as reações.
b) Serem as referidas reações endotérmicas.
c) Serem as referidas reações exotérmicas.
d) Haver necessidade de fornecer energia de ativação para que as reações ocorram.
e) Ocorrer a influência da baixa concentração de anidrido carbônico, dificultando as reações.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: as reações de combustão são espontâneas, existem em presença de oxigênio e queimam rapidamente quando iniciadas, mas não ocorrem de modo contínuo em toda a natureza por simples contato com o ar.
Passo 2
Primeiro conceito importante: o que significa uma reação ser “espontânea”?
Uma reação é dita espontânea quando, do ponto de vista termodinâmico, a mudança total de energia livre favorece a reação. Formalmente, usamos a energia livre de Gibbs:
Uma reação é dita espontânea quando, do ponto de vista termodinâmico, a mudança total de energia livre favorece a reação. Formalmente, usamos a energia livre de Gibbs:
onde
é a variação da energia livre de Gibbs,
é a variação de entalpia (calor liberado ou absorvido),
é a temperatura absoluta e
é a variação de entropia. A condição de espontaneidade é
Explico as variáveis:
mede se a reação libera (
) ou absorve (
) calor;
mede a mudança de desordem;
é a temperatura em kelvin.
Passo 3
Aplicando ao contexto: as combustões são reações que liberam calor, isto é, são reações com
portanto exotérmicas. Isso geralmente contribui para
, fazendo-as termodinamicamente favoráveis (espontâneas). Então faz sentido o enunciado afirmar que são espontâneas e exotérmicas.
Passo 4
Agora outro conceito essencial: a diferença entre termodinâmica (se algo é favorável) e cinética (a velocidade com que isso ocorre). Mesmo que
(favorável), a reação pode não ocorrer rapidamente porque existe uma barreira energética a ser vencida para que as moléculas reajam. Essa barreira é chamada de energia de ativação,
. A taxa de reação depende fortemente de
e da temperatura, de modo qualitativo descrito pela equação de Arrhenius:
onde
é a constante de velocidade,
é um fator pré-exponencial relacionado à frequência de colisões efetivas,
é a constante dos gases e
a temperatura absoluta. Quanto maior
, menor
para uma dada
, ou seja, mais lenta a reação.
Passo 5
Interpretação prática (didática e com exemplo): madeira e gasolina têm combustões com
, logo termodinamicamente querem reagir com O
. Porém, em temperatura ambiente as moléculas não têm energia suficiente para ultrapassar
. Assim nada acontece até que se forneça energia (faísca, calor, chama). Ao fornecer energia de ativação, inicia-se a combustão; como a reação é exotérmica, o calor liberado pode manter e propagar a reação (auto-sustentação) — por isso uma vez acesa, algo que queima rapidamente. Sem essa energia inicial, a reação não começa por si só, mesmo havendo oxigênio disponível.
Passo 6
Agora vou relacionar isso com as alternativas e explicar por que as outras não são as melhores explicações:
a) Catalisadores negativos? Conceito de “catalisador negativo” (inibidor) existe em algumas reações, mas não há um inibidor universal na natureza que impeça todas as combustões naturais. Além disso o enunciado pede a melhor explicação geral — a existência de inibidores universais não é uma explicação plausível. Logo a) é fraca.
b) Endotérmicas? Isso contraria o fato: combustões são exotérmicas (liberam calor). Se fossem endotérmicas não seriam auto-sustentáveis e não explicariam que queimam com muita velocidade quando iniciadas. Portanto b) está errada.
c) Serem exotérmicas? É verdade que são exotérmicas, mas isso não responde ao problema levantado: se são exotérmicas e espontâneas, por que não se extinguem (isto é, por que não queimam sozinhas até acabar tudo)? A exotermicidade explica a continuidade após ignição, não explica por que não se auto-iniciam sem fonte de ignição. Então c) não responde à pergunta central.
e) Baixa concentração de anidrido carbônico (CO
)? A concentração de CO
não é fator limitante para iniciar combustão — o comburente é o oxigênio (O
), que está abundantemente presente no ar. Assim e) é irrelevante.
Passo 7
Conclusão: a melhor explicação é que, embora as combustões sejam termodinamicamente favorecidas (espontâneas) e exotérmicas, há uma barreira energética inicial (energia de ativação) que impede que a reação ocorra sem um estímulo (faísca, chama, calor). Portanto precisamos fornecer energia de ativação para iniciar a combustão. Isso corresponde à alternativa d).
Resposta
d)