\underline{1}^{\mathrm{a}} questão: Durante a queima incompleta da gasolina nos motores dos carros, formase monóxido de carbono, \mathrm{CO}(\mathrm{g}), um gás tóxico. Quando liberado para a atmosfera, o \mathrm{CO}(\mathrm{g}) contribui para a poluição do ar e representa risco à saúde humana.
Sabe-se que esse gás pode ser transformado em dióxido de carbono gasoso, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g}), uma substância menos tóxica por meio da seguinte reação:
2 \mathrm{CO}(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})
Esse processo acontece em temperaturas elevadas, mas, ainda assim, nos escapamentos dos automóveis, a reação não ocorreria em um intervalo de tempo viável, sem intervenção adicional.
Para tornar essa transformação possível nas condições reais de um veículo em funcionamento, utiliza-se um catalisador automotivo, geralmente composto por metais como platina, \mathrm{Pt}(\mathrm{s}). O catalisador promove essa reação ao acelerar a conversão de \mathrm{CO}(\mathrm{g}) em \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g}), permitindo que ela ocorra com rapidez suficiente antes da liberação dos gases.
Com base no texto e nos conceitos de cinética química, responda:
a) Considere a afirmação “a reação não ocorreria em um intervalo de tempo viável dentro do escapamento”. Do ponto de vista da química, em nível submicroscópico, o que é uma reação química?
b) Considerando que a reação entre \mathrm{CO}(\mathrm{g}) e \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) não ocorre em um intervalo de tempo viável dentro do escapamento, explique, com base nos conceitos da cinética química, o que isso indica sobre a transformação dos reagentes ao longo do tempo. Em seguida, represente graficamente como a concentração dos reagentes varia ao longo do tempo em uma reação.
c) Por que, segundo a teoria das colisões, nem toda colisão entre \mathrm{CO} \mathrm{O}_{2} leva à formação de \mathrm{CO}_{2} ? Na sua resposta, leve em consideração os aspectos energéticos e de orientação.
d) Explique o papel do catalisador mencionado no texto na reação apresentada, justificando por que ele tem esse efeito. Em seguida, represente em um gráfico qualitativo o perfil da energia potencial ao longo do caminho da reação com e sem catalisador. Indique no gráfico os reagentes, os produtos, o estado de transição e as energias de ativação.

Passo 1

O enunciado trata da reação
2\,\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g})\longrightarrow 2\,\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})
que, sem catalisador, é muito lenta no escapamento dos carros. Vamos usar conhecimentos de cinética química, teoria das colisões e diagramas de energia para:
a) definir o que é reação química em nível microscópico;
b) interpretar o fato de ser lenta em termos de variação de concentração e desenhar graficamente essa variação;
c) explicar, segundo a teoria das colisões, por que nem toda colisão leva a produto;
d) expor o papel do catalisador e fazer um perfil energético com e sem catalisador.

Passo 2

a) Em nível submicroscópico, uma reação química é o processo em que moléculas colidem com energia e orientação adequadas, quebram ligações antigas e formam ligações novas, transformando espécies iniciais (reagentes) em outras (produtos). É, em suma, a reorganização de átomos e elétrons entre moléculas quando elas interagem de modo favorável.

Passo 3

b) Dizer que a reação “não ocorreria em tempo viável” significa que, sem catalisador, a taxa de consumo de \mathrm{CO} e de \mathrm{O}_2 é muito pequena: a concentração dos reagentes varia pouquíssimo ao longo do tempo do escapamento. Num gráfico qualitativo de concentração versus tempo, teríamos curvas decrescentes suaves para [\mathrm{CO}] e [\mathrm{O}_2], como mostrado abaixo:
Tempo →
Concentração ↑
[ \mathrm{CO}] ————↘
[ \mathrm{O}_2] ————↘
Em palavras, ambas começam em seus valores iniciais e vão caindo lentamente, quase planas, porque a velocidade é muito baixa.

Passo 4

c) Segundo a teoria das colisões, para que uma colisão \mathrm{CO}+\mathrm{O}_2 produza \mathrm{CO}_2 ela deve satisfazer dois requisitos:
  • ter energia cinética igual ou superior à energia de ativação \(E_a), para ultrapassar a barreira energética;
  • ocorrer com orientação molecular adequada, de modo que orbitais e regiões de densidade eletrônica entrem em contato formador de nova ligação.
    Se faltar energia ou se a orientação for ruim, a colisão é ineficaz e não gera reagentes ativados nem produtos.

Passo 5

d) O catalisador (platina sólida, Pt(s)) adsorve momentaneamente \mathrm{CO} e \mathrm{O}_2, reduzindo a energia de ativação ao oferecer um mecanismo alternativo de reação em duas ou mais etapas, com estados intermediários ligados à superfície do metal. Isso aumenta muito a frequência de colisões efetivas e acelera a reação, sem ser consumido no processo.
Gráfico qualitativo do perfil de energia potencial ao longo da reação:
E_p

│ ____ (sem catalisador)
│ / \
│ ____ / __ (com catalisador)
│ / __/
│ /
│ /
│───┴────────────────────────→ coordenada de reação
R T S_{1} T S_{2} P
(reagentes) (produtos)
Legenda:
• R = reagentes;
• T S_{1} = estado de transição sem catalisador (pico maior, energia E_{a,\text{sem}});
• T S_{2} = estado de transição com catalisador (pico menor, energia E_{a,\text{cat}});
• P = produtos.
No esquema, a curva sem catalisador tem um único pico alto, enquanto a catalisada mostra dois picos menores (ou um pico bem menor), indicando E_{a,\text{cat}}<E_{a,\text{sem}}.

Resposta

a) Em nível microscópico, reação química é o processo de colisão de moléculas com energia e orientação suficientes para quebrar ligações e formar novas, transformando reagentes em produtos.
b) A lentidão indica taxa muito baixa: [\mathrm{CO}] e [\mathrm{O}_2] caem muito pouco ao longo do tempo. No gráfico, as curvas de concentração decrescem suavemente.
c) Nem toda colisão é reativa porque pode faltar energia ≥ E_a ou a orientação entre moléculas pode ser inadequada, impedindo a formação do complexo ativado.
d) O catalisador fornece via alternativa de menor energia de ativação, adsorvendo reagentes na sua superfície e liberando produtos, acelerando a reação sem consumo próprio. O perfil energético mostra um pico mais baixo com catalisador E_{a,\text{cat}} em comparação ao sem catalisador E_{a,\text{sem}}.

Exercícios relacionados