3. que papel tem um catalisador em um sistema noqual ocorrem reações reversíveis? como ele atua?

O professor de Química pode aplicar o experimento a seguir em sala de aula para explicar sobre os conteúdos de reações reversíveis, catalisadores, reações de oxidorredução e reações exotérmicas.

Além disso, os alunos irão gostar bastante porque esse é um experimento que desperta a curiosidade, ocorrendo mudanças de cores que parecem certa “magia”, mas que como eles verão, têm uma explicação química.

Materiais e reagentes:

  • Água destilada;
  • Soda cáustica;
  • Glicose;
  • Azul de metileno a 1%;
  • 1 garrafa plástica transparente com tampa;

Procedimento experimental:

  1. Coloque 180 mL de água destilada na garrafa plástica;
  2. Adicione 3,5 g da soda e dissolva-a completamente, agitando a garrafa;
  3. Espere que o sistema esfrie;
  4. Acrescente 6,0 g de glicose;
  5. Coloque, por último, cerca de 10 gotas de azul de metileno na garrafa;
  6. Deixe o sistema em repouso;
  7. Agite bem a garrafa e observe o que acontece. Depois, deixe-a em repouso e veja a alteração da cor.

Resultados e discussão:

Quando se dissolveu a soda cáustica na água, tivemos uma liberação de energia na forma de calor, por isso o recipiente ficou um pouco aquecido, ou seja, era uma reação exotérmica.

A soda cáustica é uma base (hidróxido de sódio – NaOH), portanto, o meio está alcalino. Em meios assim, a glicose atua como agente redutora que cede elétrons. Desse modo, ela provoca a redução do azul de metileno, formando o leuco-metileno, que é incolor.

Com a agitação, o oxigênio (O2) do ar dissolve-se na solução e oxida o leuco-metileno, que volta a ser o azul de metileno de coloração azul.

Isso significa que a reação é reversível. Além disso, visto que o azul de metileno regenera-se, não sendo consumido na reação global, ele é um catalisador, atuando somente como um agente de transferência de oxigênio, ou seja, quem participa da reação é a glicose e o oxigênio. A glicose é oxidada a ácido glicólico, e, na presença do hidróxido de sódio, o ácido glicólico é convertido em gliconato de sódio.

CH2OH─CHOH─CHOH─CHOH─CHOH─ CHO + ½ O2 → CH2OH─CHOH─CHOH─CHOH─CHOH─ COOH
                               Glicose                            Oxigênio               Ácido glicólico

Se o aluno continuar agitando o sistema e deixando em repouso, a mudança de azul para incolor continuará a ocorrer, mas visto que a garrafa está tampada, em um dado momento o oxigênio vai ser todo consumido e a reação acabará.

Por Jennifer Fogaça

Graduada em Química

Um catalisador é uma substância capaz de acelerar uma reação sem sofrer alteração, isto é, não é consumido durante a reação.

Um catalisador é uma substância capaz de acelerar a velocidade em que se processam determinadas reações químicas sem sofrer alterações, ou seja, não é consumido, mas regenera-se completamente no final.

A água oxigenada (solução aquosa de peróxido de hidrogênio — H2O2), por exemplo, sofre uma decomposição bem lenta em condições ambientes, formando o gás oxigênio e a água, conforme a equação química a seguir:

2 H2O2 → 2 H2O + 1 O2

Essa reação é acelerada quando a água oxigenada é colocada sobre algum machucado. Isso pode ser visto por meio das bolhas que se formam pela formação intensa do gás oxigênio. O que aumentou a velocidade dessa reação? Um catalisador biológico, também chamado de biocatalisador, que é uma enzima presente no sangue denominada catalase.

A reação que ocorre na presença de um catalisador é chamada de catálise. Nas equações químicas que representam essas reações, o catalisador é indicado através de uma seta, tendo em vista que ele não participa nem como reagente nem como produto.

O processo de fabricação da amônia, que é chamado de Haber-Bosch, usa o ferro como catalisador. Além dele, também são usados o óxido de potássio e o óxido de alumínio que ativam a ação catalítica do ferro. Assim, observe como essas substâncias aparecem na equação a seguir e como elas realmente não participam da reação, apenas aceleram o processo:

3. que papel tem um catalisador em um sistema noqual ocorrem reações reversíveis? como ele atua?

Processo de Haber-Bosch de fabricação da amônia

Isso nos mostra que o uso de catalisadores é muito importante principalmente para as indústrias, pois viabiliza processos que demorariam muito para serem realizados. É importante entender que as substâncias catalisadoras não aumentam a quantidade de produto da reação, apenas aceleram o processo.

Mas surge a pergunta: como os catalisadores aumentam a velocidade das reações?

Eles conseguem isso porque trocam o mecanismo pelo qual a reação se processa, ou seja, eles formam um “caminho” alternativo para que a reação ocorra com uma energia de ativação menor.

Digamos, por exemplo, que a seguinte reação genérica ocorra sem o uso de catalisadores:

A2 + B2 → 2 AB

Assim como ocorre com toda reação, essa também será realizada somente se os reagentes atingirem a energia de ativação, que é a energia mínima para que se forme o complexo ativado, uma estrutura intermediária e instável entre os reagentes e os produtos.

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Formação de complexo ativado em reação química genérica

A seguir há um gráfico que ilustra esse processo. Veja como a energia de ativação tem um valor elevado na formação do complexo ativado e como ela funciona como uma espécie de obstáculo para que a reação ocorra:

3. que papel tem um catalisador em um sistema noqual ocorrem reações reversíveis? como ele atua?

Gráfico com energia de ativação em reação sem catalisador

Agora se usarmos um catalisador “C” para a realização dessa reação genérica, ele combinar-se-á com um dos reagentes, formando o composto intermediário que, por sua vez, transformar-se-á no produto esperado, e o catalisador será regenerado. Isso acontece, por exemplo, da seguinte forma:

A2 + B2 → 2 AB

1ª etapa: A2 + C → A2C (composto intermediário)
2ª etapa: A2C + B2 → 2 AB + C
                            (produto)  (catalisador)

Quando a reação se processa por esse caminho, a energia de ativação é menor, como mostra o gráfico a seguir:

3. que papel tem um catalisador em um sistema noqual ocorrem reações reversíveis? como ele atua?

Gráfico de reação com catalisador

Quanto menor é a energia de ativação, maior é a velocidade da reação e vice-versa. É assim que os catalisadores atuam, eles conseguem aumentar a velocidade das reações porque permitem que elas ocorram com uma menor energia de ativação.

É importante lembrar também que o catalisador não altera o valor do ?H (variação de entalpia) e que, se a reação for reversível, ele diminuirá a energia de ativação tanto da reação direta quanto da inversa, provocando o aceleramento das reações em ambos os sentidos.

Aproveite para conferir a nossa videoaula relacionada ao assunto:

Por Jennifer Rocha Vargas Fogaça

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Ouça este artigo:

Um catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação química sem estar sendo consumido por ela. O catalisador não tem efeito sobre o equilíbrio de uma reação, ele pode acelerar ou retardar a velocidade na qual uma reação atinge o equilíbrio, mas ele não afeta a composição no equilíbrio. Seu papel é oferecer uma rota mais rápida para o mesmo destino. Representativamente, colocamos o catalisador em cima da seta que mostra a conversão de reagentes em produtos.

Um exemplo bastante usual de reação catalisada é a decomposição da água oxigenada, que sofre uma decomposição muito lenta em condições ambiente, formando gás oxigênio e água.

H2O2 → O2 + H2O

Ao colocarmos a água oxigenada em um machucado, pode-se observar a formação de bolhas em grande quantidade. Essas bolhas são o gás oxigênio sendo formado rapidamente, ou seja, essa reação foi acelerada ao colocar a água oxigenada em contato com o machucado.

Isso ocorre porque o sangue contém um catalisador biológico para essa reação, chamado de catalase. A catalase é uma enzima presente não só no sangue, mas em diversos outros materiais, como a batata por exemplo.

Em geral, o catalisador acelera a reação encontrando um caminho alternativo (um atalho), que em química traduz-se como um mecanismo de reação diferente, entre reagentes e produtos. Esse novo caminho tem uma energia de ativação menor que a do caminho original.

3. que papel tem um catalisador em um sistema noqual ocorrem reações reversíveis? como ele atua?

Energia de ativação. Ilustração: Bkell / Wikimedia Commons [adaptado]

O catalisador é uma substância que afeta a reação já em pequenas quantidades, pois como não é consumido, pode agir muitas e muitas vezes. Com relação ao equilíbrio, o catalisador é capaz de aumentar a velocidade de uma reação em ambos os sentidos dela, na mesma proporção, e por esta razão o equilíbrio não é afetado.

A catálise pode ser dividida em dois tipos:

  • Catálise Homogênea – quando o catalisador está na mesma fase que os reagentes, ou seja, mesmo estado físico. Por exemplo, para reagentes gasosos, o catalisador também será um gás.
  • Catálise Heterogênea – quando o catalisador está em fase diferente dos reagentes. Os catalisadores heterogêneos mais comuns são sólidos, como é o exemplo do catalisador dos automóveis.

Em algumas situações, é comum usar catalisadores com o objetivo de diminuir a velocidade de uma reação. Neste caso, chamamos o catalisador de veneno pois este irá retardar a velocidade de um processo.

Enzimas – Os catalisadores vivos

Os organismos vivos possuem milhares de proteínas que funcionam como catalisadores de reações metabólicas. Esses catalisadores são chamados de enzimas e são moléculas que possuem um sítio ativo parecido com uma cavidade, onde uma reação específica pode ocorrer. O substrato, molécula na qual a enzima age, se encaixa na cavidade como uma chave se encaixa em uma fechadura. Essa especificidade das enzimas diante dos substratos e produtos é muito maior que a da maioria dos catalisadores químicos. Isso quer dizer que uma dada enzima catalisa uma única reação das várias que um único substrato pode sofrer. Na maioria das vezes, as velocidades das reações catalisadas por enzimas têm um aumento da ordem de 106 a 1012 vezes em relação às velocidades das reações não catalisadas.

Bibliografia:

Atkins, P.W., Jones, L., Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente 5ª ed., Porto Alegre: Ed. Bookman, 2012.

Usberco J., Salvador E., Química Geral, 12ª.ed., São Paulo: Saraiva, 2006.

http://www.fcfar.unesp.br/alimentos/bioquimica/enzimas.htm