No conjunto inumerável de reacções que estão a ocorrer neste preciso momento, e este conjunto seria já grande se pensássemos apenas nas reacções em curso em cada ser vivo, a velocidade é sempre diferente. Do ponto de vista macroscópico pode parecer que algumas reacções têm a mesma velocidade. No entanto, se a velocidade das reacções for medida à escala molecular, os valores serão diferentes. O estudo da velocidade das reacções químicas é designado por cinética das reacções, da palavra grega kinesis, que significa movimento. Mas o que se entende por velocidade de reacção? A velocidade de uma reacção quantifica a rapidez com que a reacção ocorre. Algumas reacções demoram largos períodos de tempo, séculos ou mesmo milénios. A formação de combustíveis fósseis é um exemplo destas reacções lentas. Outras reacções são muito rápidas, como as combustões explosivas. A velocidade de reacção está relacionada com a frequência a que as moléculas de reagentes se combinam formando novos compostos químicos.
A teoria da colisão também contribui para interpretar o fenómeno da reacção química. De acordo com a teoria da colisão, para que uma reacção ocorra é necessário que as moléculas de reagentes colidam entre si. Mas desta colisão só resultam novos compostos se as moléculas de reagentes estiverem orientadas de forma correcta e se a energia das moléculas que colidem for igual ou superior à energia de activação. O aumento do número de colisões entre as moléculas, que pode ser obtido por elevação da temperatura, incrementa a probabilidade de ocorrência de reacção e também a velocidade de uma reacção, que será mais rápida.
Para quantificar a velocidade de uma reacção química utilizam-se diferentes unidades: mol s-1, g s-1, kg h-1, … . Quando a velocidade de reacção é referida à unidade de volume da mistura reagente as unidades são: mol m-3 s-1, g L-1 s-1, … mas não se esgota aqui o conjunto de unidades utilizadas. A título de exemplo, nas reacções catalíticas heterogéneas (com catalisador na fase sólida) a velocidade é muitas vezes expressa por unidade de volume de catalisador ou ainda por unidade de superfície catalítica (mol mcat-3 s-1 e mol msup.cat-2 s-1, respectivamente).
As condições em que ocorre uma reacção química condicionam a sua velocidade. São vários os factores que a afectam, entre os quais se destacam.
A concentração dos compostos químicos
A temperatura
A pressão
A área de superfície de contacto entre as diferentes fases, no caso de reacções heterogéneas
A utilização de catalisadores
Este texto pretende ser apenas uma introdução ao estudo da cinética química, pelo que se cingirá a abordar a influência da concentração e da temperatura. Assim, utilizar-se-á equação cinética:
(1)
onde r representa a velocidade de reacção, k a constante cinética que, como se verá, traduz a dependência da temperatura, e Ci traduz a concentração de compostos químicos elevada à ordem parcial da reacção, ni.
Para conhecer os parâmetros que afectam a velocidade de uma reacção, e quantificar esta relação, é necessário realizar um conjunto de experiências, à escala laboratorial. O tratamento dos resultados obtidos conduz a expressões matemáticas que vão permitir calcular a velocidade da reacção química .
Influência da temperatura sobre a velocidade de reacção
De um modo geral pode afirmar-se que a velocidade de reacção aumenta (exponencialmente) com a temperatura.
A dependência da velocidade de reacção da temperatura é traduzida pela constante cinética k e esta é quase sempre bem descrita pela equação de Arrhenius:
(2)
onde A é a constante pré-exponencial para essa reacção química, Ea a energia de activação da reacção, R a constante dos gases e T a temperatura (absoluta). Foi Svante Arrhenius, químico Sueco, autor da teoria da dissolução electrolítica e galardoado com o Prémio Nobel da Química em 1903, quem estabeleceu esta equação. A equação de Arrhenius relaciona a velocidade de reacção com a temperatura através da energia de activação, Ea, que corresponde à quantidade mínima de energia necessária para iniciar uma reacção química, como a Figura 3 ilustra.
Figura 3: Ilustração do significado da energia de activação numa reacção exotérmica (ΔHr < 0)
Aplicando logaritmos à Equação (2) obtém-se a equação
Se a energia de activação for elevada, a velocidade de reacção é muito sensível à variação de temperatura. As reacções em fase gasosa que só acontecem a temperaturas elevadas encontram-se neste grupo. Por outro lado, as reacções que ocorrem nos seres vivos e as reacções enzimáticas, com Ea na gama 20-80 kJ mol-1, são exemplos de reacções com energia de activação baixa, possíveis à temperatura ambiente.
Influência da concentração sobre a velocidade de reacção
As reacções químicas podem envolver vários compostos e ter equações muito diversas, mas a equação geral é do tipo:
onde A, B e C são reagentes e P e Q são produtos. Os coeficientes estequiométricos de cada composto estão representados por αi.
De acordo com a Equação (1) a expressão cinética para esta reacção será:
sendo nA, nB e nC as ordens parciais relativamente a cada composto. De salientar que não há relação entre as ordens parciais e os coeficientes estequiométricos, como se verifica na reacção entre o bromo e o hidrogénio:
onde a velocidade inicial, r0, é descrita pela equação:
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Por vezes as expressões cinéticas utilizam equações mais complicadas. Este é o caso da reacção reversível entre o azoto e o hidrogénio:
que tem como equação cinética:
(3)
No 2º membro desta equação a primeira parcela representa a velocidade da reacção no sentido directo (N2(g)+3 H2(g)→2NH3(g)) e a segunda parcela representa a velocidade da reacção no sentido inverso (2NH3(g)→N2(g) + 3H2(g)).
No caso das reacções em fase gasosa as concentrações dos reagentes são, em geral, substituídas pelas pressões parciais respectivas. A Equação (3) viria
De relembrar que para determinar a equação cinética é necessário realizar experiências a diferentes temperaturas, com diferentes concentrações de reagentes, analisar e fazer o tratamento matemático dos resultados.
No caso das reacções catalíticas a concentração do catalisador pode também influenciar a velocidade da reacção, entrando na expressão cinética. No entanto o catalisador não é um reagente.
Como já sabem, as reacções podem ser muito diversas e esta diversidade estende-se à forma das equações cinéticas. Neste mesmo portal podem recolher mais informação sobre outras cinéticas em (Fermentação ) e (Estudos Cinéticos).
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