Catálise e Dependência da Temperatura

As taxas de reação aumentam acentuadamente com a temperatura de uma forma capturada pela equação de Arrhenius, e os catalisadores aceleram as reações fornecendo vias alternativas com barreiras de ativação mais baixas.

Definition

Catálise é a aceleração de uma reação por uma substância que fornece um caminho de menor energia e é regenerada inalterada, e dependência da temperatura refere-se à relação de Arrhenius entre a constante de velocidade, a energia de ativação e a temperatura.

Scope

Este tópico aborda a dependência da temperatura das constantes de velocidade através da equação de Arrhenius, a energia de ativação e o fator pré-exponencial, e sua interpretação molecular pelas teorias de colisão e do estado de transição. Abrange a cinética da catálise: como os catalisadores diminuem a barreira de ativação sem serem consumidos, catálise homogênea e heterogênea, os mecanismos de superfície de Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal, e a catálise enzimática através do esquema de Michaelis-Menten. A teoria detalhada do complexo ativado e as leis de velocidade subjacentes são tratadas em tópicos relacionados.

Core questions

• Como a equação de Arrhenius relaciona a constante de velocidade com a temperatura e a energia de ativação?
• Como um catalisador aumenta a velocidade sem ser consumido ou deslocar o equilíbrio?
• Como os mecanismos de Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal descrevem a catálise de superfície?
• Como o esquema de Michaelis-Menten explica a cinética enzimática e a saturação?

Key concepts

• Equação de Arrhenius e fator pré-exponencial
• Energia de ativação
• Catálise homogênea e heterogênea
• Mecanismos de Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal
• Cinética enzimática de Michaelis-Menten

Key theories

Equação de Arrhenius

A constante de velocidade depende exponencialmente da razão negativa da energia de ativação para a energia térmica, de modo que um gráfico do logaritmo da constante de velocidade em função do inverso da temperatura fornece a energia de ativação a partir de sua inclinação.

Cinética enzimática de Michaelis-Menten

Uma enzima liga-se ao substrato em um pré-equilíbrio rápido para formar um complexo que se converte em produto, resultando em uma velocidade que aumenta com a concentração do substrato e satura em uma velocidade máxima, caracterizada pela constante de Michaelis.

Clinical relevance

Essas ideias sustentam a catálise heterogênea industrial, como a síntese de amônia e os conversores catalíticos, o controle de temperatura e a estabilidade de processos químicos e materiais armazenados, e a análise quantitativa de enzimas que torna a catálise central para a bioquímica e a ação de medicamentos.

History

Berzelius nomeou a catálise em 1835; Arrhenius formulou a lei de temperatura das velocidades em 1889, e o início do século XX viu a cinética de superfície de Langmuir e o tratamento de enzimas de Michaelis-Menten em 1913, estabelecendo a catálise como um ramo quantitativo da cinética.

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Um catalisador é consumido em uma reação?

Não. Um catalisador participa do mecanismo, mas é regenerado ao final do ciclo catalítico, de modo que, em princípio, uma pequena quantidade pode converter uma grande quantidade de reagente, embora catalisadores reais possam degradar ou ser envenenados ao longo do tempo.

Por que o aumento da temperatura geralmente acelera as reações de forma tão dramática?

A fração de moléculas com energia suficiente para cruzar a barreira de ativação cresce exponencialmente com a temperatura, de modo que mesmo um aumento modesto de temperatura pode multiplicar a velocidade, razão pela qual muitas reações aproximadamente dobram de velocidade a cada aumento de dez graus.