O início de qualquer esforço complexo ou desafiante é sempre a parte mais difícil. Nem todos nós acordamos e saltamos da cama prontos para o dia. Alguns de nós, como eu, precisamos de um pouco de energia extra para passar do sono e para o dia. Depois de tomar uma chávena de café, o meu nível de energia salta e estou pronto para o resto do dia. As reacções químicas funcionam muito da mesma maneira. Eles também precisam do seu café. Chamamos a esta energia de activação.
Entendendo como isto funciona pode ser uma perspectiva útil como parte da nossa rede de modelos mentais.
Se usa a química no seu trabalho diário ou se tentou o seu melhor para não pensar nisso desde a escola, as ideias por detrás da energia de activação são simples e úteis fora da química. Compreender o princípio pode, por exemplo, ajudá-lo a conseguir que as crianças comam os seus vegetais, motivar-se a si próprio e aos outros, e superar a inércia.
Como funciona a energia de activação em Química
Reacções químicas precisam de uma certa quantidade de energia para começar a trabalhar. A energia de activação é a energia mínima necessária para provocar uma reacção.
Para compreender a energia de activação, devemos primeiro pensar em como ocorre uma reacção química.
Aquela pessoa que alguma vez acendeu um fogo terá uma compreensão intuitiva do processo, mesmo que não o tenha ligado à química.
A maioria de nós tem uma sensação geral do calor necessário para iniciar as chamas. Sabemos que colocar um único fósforo num tronco grande não será suficiente e um lançador de chamas seria excessivo. Sabemos também que materiais húmidos ou densos exigirão mais calor do que materiais secos. A quantidade imprecisa de energia que sabemos que precisamos para iniciar um incêndio é representativa da energia de activação.
Para que ocorra uma reacção, as ligações existentes têm de se romper e formam-se novas ligações. Uma reacção só prosseguirá se os produtos forem mais estáveis do que os reagentes. Num incêndio, convertemos carbono sob a forma de madeira em CO2 e é uma forma mais estável de carbono do que a madeira, pelo que a reacção prossegue e no processo produz calor. Neste exemplo, a energia de activação é o calor inicial necessário para iniciar o fogo. O nosso esforço e os fósforos gastos são representativos disto.
Podemos pensar na energia de activação como a barreira entre os mínimos (valores mínimos necessários) dos reagentes e produtos numa reacção química.
A Equação de Arrhenius
Svante Arrhenius, um cientista sueco, estabeleceu a existência de energia de activação em 1889.
Arrhenius desenvolveu a sua equação epónima para descrever a correlação entre temperatura e taxa de reacção.
A equação de Arrhenius é crucial para o cálculo das taxas de reacções químicas e, o que é importante, a quantidade de energia necessária para as iniciar.
Na equação de Arrhenius, K é o coeficiente da taxa de reacção (a taxa de reacção). A é o factor de frequência (quantas vezes as moléculas colidem), R é a constante universal do gás (unidades de energia por incremento de temperatura por molécula), T representa a temperatura absoluta (geralmente medida em kelvins), e E é a energia de activação.
Não é necessário conhecer o valor de A para calcular Ea, pois este pode ser calculado a partir da variação dos coeficientes da taxa de reacção em relação à temperatura. Como muitas equações, pode ser reajustado para calcular valores diferentes. A equação de Arrhenius é utilizada em muitos ramos da química.
Por que razão a energia de activação é importante
Compreender a energia necessária para que uma reacção ocorra dá-nos controlo sobre o nosso ambiente.
Voltando ao exemplo do fogo, o nosso conhecimento intuitivo da energia de activação mantém-nos seguros. Muitas reacções químicas têm elevados requisitos de energia de activação, pelo que não prosseguem sem um input adicional. Todos sabemos que um livro sobre uma secretária é inflamável, mas não entrará em combustão sem aplicação de calor. À temperatura ambiente, não precisamos de ver o livro como um perigo de incêndio. Se acendermos uma vela na secretária, sabemos que devemos afastar o livro.
Se as reacções químicas não tivessem requisitos energéticos de activação fiáveis, viveríamos num mundo perigoso.
Catalisadores
Reacções químicas que requerem quantidades substanciais de energia podem ser difíceis de controlar.
A temperatura crescente nem sempre é uma fonte de energia viável devido a custos, questões de segurança, ou simples impraticabilidade. As reacções químicas que ocorrem no nosso organismo, por exemplo, não podem utilizar altas temperaturas como uma fonte de energia de activação. Consequentemente, é por vezes necessário reduzir a energia de activação necessária.
A aceleração de uma reacção através da redução da energia de activação necessária chama-se catálise. Isto é feito com uma substância adicional conhecida como um catalisador, que geralmente não é consumida na reacção. Em princípio, só é necessária uma pequena quantidade de catalisador para provocar a catálise.
Catalisadores funcionam fornecendo uma via alternativa com menores necessidades de energia de activação. Consequentemente, mais partículas têm energia suficiente para reagir. Os catalisadores são utilizados em reacções à escala industrial a custos mais baixos.
Volta ao exemplo do fogo, sabemos que tentar acender um grande tronco com um fósforo raramente é eficaz. A adição de algum papel fornecerá uma via alternativa e servirá como catalisador – os iniciadores de fogo fazem o mesmo.
Com os nossos corpos, as enzimas servem como catalisadores em reacções vitais (como a construção de ADN.)
“A energia pode ter duas dimensões. Uma é motivação, ir a algum lugar, um objectivo em algum lugar, este momento é apenas um meio e o objectivo vai ser a dimensão da actividade, orientação do objectivo – então tudo é um meio, de alguma forma tem de ser feito e tem de se atingir o objectivo, depois relaxa-se. Mas para este tipo de energia, o objectivo nunca vem porque este tipo de energia continua a mudar cada momento presente para um meio para outra coisa, para o futuro. O objectivo permanece sempre no horizonte. Continua-se a correr, mas a distância permanece a mesma. Não, há outra dimensão da energia: essa dimensão é uma celebração desmotivada. O objectivo está aqui, agora; o objectivo não está noutro lugar. Na verdade, o objectivo é você. De facto, não há outro cumprimento que não seja o deste momento – considerem os lírios. Quando se é o objectivo e quando o objectivo não está no futuro, quando não há nada a ser alcançado, em vez de se estar apenas a celebrá-lo, então já o alcançou, ele está lá. Isto é relaxamento, energia desmotivada”.
– Osho, Tantra
Aplicar o conceito de energia de activação às nossas vidas diárias
Embora a energia de activação seja um conceito científico, podemos utilizá-la como um modelo mental prático.
Voltando ao exemplo do café da manhã, muitas das coisas que fazemos todos os dias dependem de um empurrão inicial.
P>Toma o exemplo de uma turma de alunos que estabelecem um ensaio para os seus trabalhos de curso. Cada aluno requer um tipo diferente de energia de activação para que possa começar. Para um estudante, poderá ser ouvir a sua amiga dizer que já terminou o seu. Para outro, pode estar a bloquear as redes sociais e a desligar-lhes o telefone. Um aluno diferente pode precisar de algumas latas de Red Bull e de um prazo iminente. Ou, para outro, ler um artigo interessante sobre o tema, que forneça uma centelha de inspiração. O acto de escrever um ensaio requer um certo tipo de energia.
Por que as crianças comam os seus vegetais pode ser um processo difícil. Neste caso, os incentivos podem actuar como um catalisador. “Não se pode comer a sobremesa até se comerem os legumes” não é apenas uma brincadeira psicológica sobre incentivos; também requer frequentemente menos energia do que lutar constantemente com as crianças para comerem os seus legumes. Assim que as crianças comem uma cenoura, geralmente comem outra e outra. Enquanto eles ainda querem sobremesa, não terá de os lembrar de cada vez, pelo que poupará muita energia.
O conceito de energia de activação também se pode aplicar a fazer mudanças drásticas na vida. Qualquer pessoa que já tenha feito algo dramático e difícil (tal como deixar um vício, deixar uma relação abusiva, deixar um emprego a longo prazo, ou fazer mudanças cruciais no estilo de vida) sabe que é necessário chegar primeiro a um ponto de ruptura. Quanto maior e mais desafiante for uma acção, mais energia de activação necessitamos para o fazer.
O nosso consumidor de café pode desejar pouca energia de activação (uma ou duas chávenas) para começar o seu dia, se estiver bem descansado. Entretanto, será necessário muito mais café para eles começarem se dormirem mal e tiverem um dia aborrecido para passar.
Conclusão
Para compreender e utilizar o conceito de energia de activação nas nossas vidas não é necessário um diploma em química. Embora o conceito utilizado pelos cientistas seja complexo, podemos utilizar a ideia básica.
Não é coincidência que muitos dos modelos mentais mais úteis na nossa malha tenham origem na ciência. Há algo de bastante poético na forma como o comportamento humano espelha o que ocorre a um nível microscópico.
Para outros exemplos, olhar para a Navalha de Occam, falsificação, loops de feedback, e equilíbrio.
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