Catalisadores

Teoria Completa

Introdução à Catálise

Já vimos que a temperatura e a concentração dos reagentes tem um papel importante na velocidade da reação, mas existe mais uma coisinha que pode acelerar (e muiiito) as reações: os catalisadores!

Os catalisadores são substâncias químicas que tem como papel acelerar algumas reações sem serem consumidos no processo. Mas como eles fazem isso?

Vocês lembram da energia de ativação, né? É a energia necessária que os reagentes precisam ter para que a reação ocorra. Os catalisadores oferecem um caminho alternativo à reação normal, e esse caminho tem uma energia de ativação menor!

Por isso, os catalisadores aceleram a reação: eles "diminuem" a energia de ativação da reação!

Vamos ver isso graficamente?

Apesar de acelerar a reação, os catalisadores NÃO ALTERAM O EQUILÍBRO QUÍMICO! Como podemos ver no gráfico, ambas as direções da reação (direta e inversa) são aceleradas, então o equilíbro continua o mesmo!!

Vamos recapitular então o que você precisa saber sobre os catalisadores?

  • Eles não são consumidos na reação! Isso quer dizer que eles participam de alguma forma da reação, mas são regenerados no final.
  • Por serem regenerados, o mesmo catalisador pode catalisar diversas vezes a mesma reação! Por essa razão, não precisamos colocar muiiitos mols de catalisador para catalizar um processo.
  • Os catalisadores aceleram a reação diminuindo a energia de ativação da reação.
  • Eles não alteram o equilíbrio químico da reação!
  • Os catalisadores não afetam o ∆ H da reação! A entalpia dos produtos e dos reagentes continua a mesma, o catalisador só altera o caminho energético para chegar de um ao outro.

Catalisador heterogêneo x homogêneo

Um catalisador homogêneo é um catalisador que está na mesma fase dos reagentes!

Ou seja, se os reagentes forem líquidos, o catalisador homogêneo estará dissolvido em solução. Se os reagentes forem gasosos, o catalisador também vai ser!

A vantagem disso é que o catalisador homogêneo age normalmente mais rápido que o heterogêneo (já que seu contato com os reagentes é facilitado por estarem na mesma fase).

Vocês já imaginam então o que é um catalisador heterogêneo, né? É um catalisador que está em uma fase diferente dos reagentes!

Um exemplo são catalisadores metálicos que adsorvem moléculas gasosas... Com essas moléculas “presas” no catalisador (que é sólido) algumas ligações são enfraquecidas e a reação fica mais fácil (e mais rápida).

Catalisadores vivos: Enzimas

Os catalisadores mais importantes do rolê são aqueles que fazem seu corpo funcionar, no caso ahahha A maioria das reações químicas que acontecem no nosso corpo são aceleradas por enzimas, proteínas específicas que funcionam como catalisadores naturais.

As enzimas são catalisadores específicos, que reagem com o substrato (o reagente que se encaixa na sua especificidade), num modelo chamado chave-fechadura.

Esse capítulo é um pouco mais teórico, mas vamos ver como isso pode ser cobrado?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria.

Dentre as proposições abaixo sobre catálise, qual está certa?

  1. A trajetória da reação é a mesma com ou sem catalisador, mas as constantes de velocidade das reações inversa e direta diminuem.
  2. O catalisador não é consumido durante a reação.
  3. Em um processo de equilíbrio, o catalisador aumenta a velocidade da reação direta e não altera a velocidade da reação inversa.
  4. Um catalisador homogêneo funciona porque liga em sua superfícia uma ou mais de uma das moléculas que sofrem reação.
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Passo 1

1) O catalisador oferece um caminho diferente para a reação, com uma energia de ativação menor! Portanto, a trajetória da reação muda completamente, essa é falsa.

Passo 2

2) Essa está certa! O catalisador é utilizado diversas vezes para catalisar a mesma reação, pois ele é sempre regenerado no final.

Passo 3

3) O catalisador aumenta a velocidades das duas reações – direta e inversa, e, com isso, não altera o equilíbrio. Isso acontece porque diminuir o pico da energia de ativação funciona nos dois sentidos!

Tá confuso? Dá uma olhada nessa imagem que vai ficar mais fácil:

Passo 4

4) Essa proposição só tem um probleminha: o catalisador que faz isso tudo é o heterogêneo – e não o homogêneo!

O catalisador homogêneo é aquele que está na mesma fase dos reagentes, e participa muitas vezes se ligando a eles.

Resposta

A proposição número 2.

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 606-Exercício 14.67

A presença de um catalisador permite um caminho de reação no qual a energia de ativação de uma certa reação é reduzida de 125kJ/mol para 75 kJ/mol.

  1. Que fator de aumento tem a velocidade da reação em 298 K, sendo os demais fatores iguais?
  2. Que fator de aumento teria a velocidade da reação, se ela fosse conduzida em 350K, sendo os demais fatores iguais?
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Passo 1

a) Vamos lembrar da equação de Arrhenius!

k = A   e - E a R T

ln ⁡ k = ln ⁡ A -   E a R T

A reação sem catalisador, com a energia de ativação mais alta, tem como equação:

k 1 = A   e - 125000 J m o l 8,31 J m o l K , 298 K

k 1 = 1,2 x 10 - 22 A

Já a reação com catalisador tem energia:

k 2 = A e - 75000 J m o l 8,31 J m o l K , 298 K

k 2 = 7,03 x 10 - 14 A

Assim, o fator de aumento da velocidade vai ser:

k 2 k 1 = 7,03 x 10 - 14 A 1,2 x 10 - 22 A = 5,8 x 10 8

Atenção: podemos calcular o fator de aumento da velocidade pelo fator de aumento da constante porque é a mesma reação, então a lei da velocidade só vai ser alterada pelo k (já que a ordem da reação não vai mudar!). Toda vez que estivermos falando de catalisador vai ser a mesma reação (sendo comparada com ou sem catálise), mas é bom saber porque estamos fazendo assim 😊

Passo 2

b) Mesma conta, só muda a temperatura!

A reação sem catalisador terá como equação:

k 1 = A   e - 125000 J m o l 8,31 J m o l K , 350 K

k 1 = 2,16 x 10 - 19 A

Já a com catalisador:

k 2 = A e - 75000 J m o l 8,31 J m o l K , 350 K

k 2 = 6 , 3 2 x 10 - 12 A

E o fator de aumento da velocidade:

k 2 k 1 = 6,32 x 10 - 12 A 2,16 x 10 - 19 A = 2,9 x 10 7

Resposta

  1. 6 x 10 8
  2. 3 x 10 7

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria.

Identifique os intermediários de reação e os catalisadores das reações abaixo:

  1. E t a p a   1   O 3 + C l → C l O + O 2  
  2. E t a p a   2   C l O + O → C l + O 2

  3. E t a p a   1   O 3 + N O → N O 2 + O 2

E t a p a   2   N O 2 + O → N O + O 2

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Passo 1

  1. E t a p a   1   O 3 + C l → C l O + O 2  

E t a p a   2   C l O + O → C l + O 2 _

                    R e a ç ã o   G l o b a l   O 3 + O   → 2 O 2

Para analisarmos quem é o que precisamos escrever a reação global! O intermediário de reação nunca entra na reação global, ele é aquele que é produzido na etapa 1 e consumido na 2 – nesse caso, o ClO.

Já o catalisador, apesar de aparecer de lados diferentes de cada etapa, pode aparecer ou não na global (é preferencial que não apareça, ele normalmente fica em cima da seta, como: → C l ). Mas o importante é saber que ele começa como reagente na etapa 1 e é regenerado (como produto) na etapa 2. Nesse caso, o catalisador é o Cl.

Passo 2

b )   E t a p a   1   O 3 + N O → N O 2 + O 2

                        E t a p a   2   N O 2 + O → N O + O 2 _

                      R e a ç ã o   g l o b a l   O 3 + O → 2 O 2

A reação global é a mesma da letra a, a diferença é exatamente o catalisador! (e, como consequência, o intermediário)...

Nesse caso, o intermediário é o NO2 e o catalisador o NO 😊

Resposta

  1. ClO é o intermediário e Cl o catalisador
  2. NO é o catalisador e NO2 o intermediário

Exercício Resolvido #4

Lista de exercícios UFRGS

Explique se cada uma das alternativas abaixo é correta ou não, para reações químicas que ocorrem sem que haja variação de temperatura e pressão:

  1. uma reação química realizada com a adição de um catalisador é denominada heterogênea se os reagentes e o catalisador estiverem em fases diferentes.
  2. a ordem de qualquer reação química em relação à concentração do catalisador é igual a zero.
  3. a lei de velocidade de uma reação química realizada com a adição de um catalisador, mantidas constantes as concentrações dos demais reagentes, é igual àquela da mesma reação não catalisada.
  4. uma reação catalisada por uma enzima, onde há um grande excesso (milhões de vezes) de reagente em relação ao catalisador, pode ser considerada de ordem zero em relação ao reagente.
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Passo 1

a) A afirmativa é verdadeira! Essa é a definição de catálise heterogênea.

Passo 2

b) A afirmativa é falsa. O catalisador pode participar sim da lei de velocidade de uma reação química! Então não necessariamente a ordem da reação em relação ao catalisador vai ser 0.

c) Como dito na letra b, o catalisador pode participar sim da lei da velocidade da reação. Então não necessariamente a lei de velocidade será a mesma, já que a reação catalisada pode ter uma lei de velocidade diferente da reação sem catalisador.

Passo 3

d) Essa afirmativa é falsa, mas tem que prestar atenção ahahaha Como há um excesso de milhões de vezes de reagente em relação ao catalisador, a reação pode ser considerada de ordem zero em relação ao catalisador, e não ao reagente!

Resposta

Somente a afirmação A é correta.

Exercício Resolvido #5

Prova da petrobras, Cargo engenheiro Jr. maio de 2010, Questão 45

No que se refere a catalisadores, analise as seguintes afirmações:

I – catalisadores diminuem a entalpia e a entropia de reações;

II – catalisadores diminuem a energia de ativação de reações;

III – catalisadores viabilizam reações termodinamicamente desfavoráveis;

IV – catalisadores aumentam as velocidades específicas das reações direta e reversa em reações reversíveis.

Está correto APENAS o que se afirma em

(A) I e II.

(B) I e III.

(C) I e IV.

(D) II e IV.

(E) I, II e III.

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Passo 1

I – catalisadores diminuem a entalpia e a entropia de reações;

Essa afirmativa está falsa!

catalisadores não alteram a entalpia, a energia de uma reação químíca, e nem a alteram a entropia do processo. Os catalisadores atuam sob o caminho de reação, e essas funções apresentadas são funções de estado, não são influenciadas pelos estados intermediários.

Passo 2

II – catalisadores diminuem a energia de ativação de reações;

Essa afirmativa está Verdadeira!

Os catalisadores formam intermediários reacionais mais estáveis e por isso necessitam de menor energia de ativação para a sua formação.

Passo 3

III – catalisadores viabilizam reações termodinamicamente desfavoráveis

Afirmativa falsa!

Os catalisadores não afetam os estados iniical e ou final de uma reação sendo assim, eles não são capazes de tornar processos até então desfavoraveis em avoráveis termodinamicamente. A ação dos catalisadores é exclusiva a fatores cinéticos.

Passo 4

IV – catalisadores aumentam as velocidades específicas das reações direta e reversa em reações reversíveis

Afirmativa Verdadeira

Ao criar um novo mecanismo reacioanal, os catalisadores tonam as reações em ambos os sentidos mais velozes, pois para ambos os processos, direto ou inversos passa a haver um intermediário reativo de menor energia de ativação.

Passo 5

Letra D

Resposta

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Suponha uma reação química reversivel

A   ⇄   B

Sabe-se que é uma reação exotérmica.

Esboce um gráfico de caminho de reação por energia comparando duas curvas, uma indicando a reação química sem a presenca de catalisador e a outra com o catalisador. Aponte no gráfico o estado de transição, a energia de ativação e a energia de reação.

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Passo 1

Faaala aí para resolver essa questão vamos ter que lembrar de como ficam os gráficos da reação com e sem catalisador. É importante lembrar que o catalisador gera um novo estado de transição com menor nível de energia do que o da reação sem o catalisador.

Resposta

Exercício Resolvido #7

James E. Brady e Gerard E. Humiston Volume 2, 2ª edição: Livros Técnico Científicos Editora. página 485 exercício 12.39

Que efeito tem um catalisador sobre:

  1. O calor da Reação
  2. A energia potencial dos reagentes
  3. O estado de etransição
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Passo 1

O calor da Reação

Os catalisadores são agentes químicos que propiciam mecanismos reacionais alternativos de menor energia de ativação para uma reação química. Isso se dá de forma que o catalisador age exclusivamente no intermédio da reação química, sem auterar os estados inicial e final da reação. Como não altera os esados finais o catalisador não age de forma alguma sobre o calor de reação.

Passo 2

A energia potencial dos reagentes

O catalisador apenas modifica os estado de transição, logo o estado de energia dos reagentes e dos produtos é preservado ao longo de processos catalíticos.

Passo 3

O estado de etransição

O estado de transição sofre influencia direta do catalisador. A presença de cataqlisador gera um estado de transição mais estável energéticamente, de forma que a reação passa a ter uma menor energia de ativação.

Resposta

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