UNIVERSIDADE ZAMBEZE. Fundamentos de Combustão Al 3Páti Aula 3-Prática Prof. Jorge Nhambiu

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1 UNIVERSIDADE ZAMBEZE Fundamentos de Combustão Al 3Páti Aula 3-Prática

2 Aula 3. Tópicos Cinética química da combustão: Reacções elementares; Cadeia di de Reacções; Cinética da Pré-Ignição; Reacções globais. 2

3 Problema 3.1 a) Considere a combustão de H 2 (g):2 H 2 (g)+o 2 (g) 2 H 2 O (g). Se o hidrogénio é queimado à velocidade de 0,85 mol/s, qual é a velocidade de consumo de oxigénio? Qual é a velocidade de formação de vapor de água? R.: -Δ[O 2 ]/Δt = -Δ[H 2 ]/2Δt = 0,85 mol/s/2 = 0,43 mol/s. b) A reacção 2 NO (g) +Cl 2 (g) 2NOCl (g) é realizada em recipiente fechado. Se a pressão parcial de NO está diminuindo à velocidade de 23 torr/min, qual é a velocidade de variação da pressão total do recipiente? R.: A variação da pressão total é a soma das variações de cada pressão parcial. ΔP T /Δt = -12 torr/min 3

4 Problema 3.1 (Resolução) a) as velocidades de consumo de oxigénio e a de formação de vapor de água calculam-se de: [ 2 ] 2 [ 2] 2 [ 2] [ ] Δ HO Δ t= Δ H Δ t= Δ O Δt O hidrogénio é queimado, Δ H Δ t = 0,85 mol / s [ ] [ ] ,85 mol / s O oxigénio é consumido Δ[ O2] Δ t = Δ[ H 2] 2Δ t = = 0,43 mol / s 2 É produzida água Δ H O Δ t = Δ H Δ t = 0,85 mol / s b) a variação da pressão total é a soma das variações das pressões parciais NO e Cl2 desaparecem e NOCl aparece : Δ PNO Δ t = 23 torr min ΔP Δ t = ΔP 2Δ t = 12 torr min Cl 2 NO +ΔPNOCl Δ t = ΔPNO Δ t = + 23 torr min +Δ P Δ t = 23 torr min 12 torr min + 23 torr min = 12 torr min T 4

5 Problema 3.2 a) A decomposição na fase gasosa de SO 2 Cl 2, SO 2 Cl 2 (g) SO 2 (g) + Cl 2 (g), é um processo de primeira ordem. A 600 K a meia- vida para esse processo é de 2,3 x 10 5 s. Qual é a constante de velocidade a essa temperatura? R.: k = 3,0 x 10-6 s -1. b) A 320 C a constante de velocidade é 2,2 x 10-5 s -1. Qual é a meia-vida a essa temperatura? R.: t 1/2 = 3,15 x 10 4 s. 5

6 Problema 3.2 (Resolução) A meia vida da reacção de primeira ordem depende somente da constante t 1/2 =0,693k (Slide 9). Usa-se esta relação para calcular k para um t 1/2 dado e a diferentes temperaturas t 1/2 dá: a t s t k k t 5 ) 1/2 = 2,3 10 ; 1/2 = 0,693 k, k = 0,693 1/2 k = 0,693 2,3 10 s = 3,0 10 s b) k = 2,2 10 s ; t = 0,693 2,2 10 s = 3,15 10 s /2 6

7 Problema 3.33 A constante de velocidade de primeira ordem para a decomposição de N 2 O 5 (g), N 2 O 5 (g) 2NO 2 (g)+o 2 (g), a 70 C, é 6,82 x 10-3 s -1. Suponha que comecemos com 0,0250 mol de N 2O 5 (g) em um volume de 2,0 L. a) Qual a quantidade de matéria de N 2 O 5 restará depois de 2,5 min? R.: =9,0 x 10-3 mol. b) Quantos minutos serão necessários para que a quantidade de N 2 O 5 caia para 0,010 mol? R.:= 2,24 min. c) Qual é a meia-vida de N 2 O 5 a 70 C? R.: t 1/2 = 1,69 min. 7

8 Problema (Correcção) [ 2 5 ] ( ) o 3 1 ln[ NO 2 5] = ( 6,82 10 s )( 150s) + ln ( 0,0125) 150 [ NO 2 5 ] = + ( ) = = [ NO] = [ ] = + [ ] a ) Usando a equação da reacção de primeira ordem: ln A kt ln A t 2,5min = 150 s; NO = 0, mol 2,0 L = 0, = 0, M ln 1,0230 4,3820 5,4050 5, , = 4,5 10 M ; moln O = 4, M 2, 0L = 9, 0 10 mol [ ] [ ] t 3 1 ( ) = ( s )() t + ( ) ( ) ( ) b ) N O = 0, mol 2,0 L = 0, M; N O = 0, M ln 0,0050 6,82 10 ln 0,0125 ln 0,0050 ln 0,0125 1min t = 3 1 6,82 10 s = = 60s = = ( ) 2 134,3535 1,3 10 s 2, 24 2, 2min o c t = 0,693 k 0,693 6,82 10 ) = s = 101,6 = 10 s ou 1,69min 12 8

9 Problema 3.4 Duas reacções de primeira ordem têm a mesma constante de velocidade a 30 C. A reacção A tem uma energia de activação de 45,5 kj/mol; a reacção B tem uma energia de activação de 25,2 kj/mol. Calcule a razão das constantes de velocidade, k A /k B, a 60 C. R.: k A /k B = 0,4061/0,1965 = 2,07. 9

10 Problema 3.4 (Correcção) o T = 30 C+ 273 = 303 K; T = 60 C+ 272 = 333K o 1 2 Para a reacção A, 45,55 4, Ea = kj mol = J mol 4 k A30 E a 1 1 4,55 10 J mol 1 1 ln = = = 1,6272 = 1,63 ka60 R T2 T1 8,314 J mol k A30 1,6272 = e = ka30 = ka60 0,1965; 0,1965k A60 Para a reacção B, 25, 2 2, Ea = kj mol = J mol 4 k B30 E a 1 1 2,52 10 J mol 1 1 ln = = = 0,9012 = 0,901 kb60 R T2 T1 8,314 J mol k B ,9012 = e = 0, 4061; kb30 = 0, 4061 kb60 kb60 k k ;0,1965k k A30 = B30 A60 B60 A60 B60 = 0,4061k 60 k 60 = 0, ,1965 = 2,067 = 2,07 10

11 Problema 3.5 A energia de activação de uma reacção não- catalisada é 95 kj/mol. A adição de um catalisador diminui a energia de activação para 55 kj/mol. Supondo que o factor de colisão permaneça o mesmo, em que factor o catalisador aumenta a velocidade de reacção a a) 25 C; R.: k c /k = 1,0 x b) (b) 125 C. R.: k c /k = 1,8 x

12 Problema 3.5 (Correcção) Sejam k e k c as constantes para aa reacções catalisada e não catalizada respectivamente Usando a equação da reacção de primeira ordem: ln k = Ea RT + ln A Subtraindo ln kdeln kc 55kJ kmol 95kJ kmol ln k c ln k = + ln A + ln A RT RT a) RT = 8,314 J K mol 298K 1kJ 1000 J =2,478 kj kmol ln A é o mesmo para ambas a reacções 95kJ kmol 55kJ kmol 7 ln ( kc k ) = ; kc k = 1,0 10 2,478kJ kmol A reacção catalisada é aproximadamente (dez milhões) de vezes mais rápida a 25ºC b ) RT = 8,314 J K mol 298 K 1 kj 1000 J =3, kj kmol ln A é o mesmo para ambas a reacções 95kJ kmol 55kJ kmol ln c ; c 1,8 10 3,309 kj kmol 5 ( k k) = k k = A reacção catalisada é aproximadamente vezes mais rápida a 125ºC 12