CINÉTICA QUÍMICA. Karla Gomes Diamantina-MG

Transcrição

1 CINÉTICA QUÍMICA Karla Gomes Diamantina-MG

2 O que é cinética química? Etimologicamente, Do grego kinetiké = movimento (por extensão, velocidade) 2. Do francês chimique = química (por extensão, estudo dos fenômenos químicos)

3 Cinética química é, portanto,... Parte da físico-química que estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que a influenciam.

4 Reações químicas cotidianas e velocidade... As RQ s podem apresentar diferentes velocidades. Daí, a importância de estudá-las, visando ao seu melhor aproveitamento.

5 Reação muitíssimo lenta... A formação da ferrugem pode demorar anos. 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3

6 Reação muito lenta... A fermentação do suco de uva para produzir vinho demora meses. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 glicose etanol

7 Reação lenta... A conversão de vinho em vinagre ocorre em alguns dias, quando o etanol (álcool do vinho) é oxidado a ácido acético (ou etanóico). C 2 H 5 OH álcool [O] CH 3 COOH ácido etanóico

8 Reação moderada... Na combustão da vela esperamos horas para que a parafina* reaja completamente com oxigênio do ar. *principal componente é C 21 H 44 C 21 H 44 parafina 2CO 2 + H 2 O

9 Reação rápida... O escurecimento de uma fruta demora minutos e é devido à conversão da hidroquinona* em benzoquinona**. *claro **escuro

10 Reação muito rápida... Decomposição da água oxigenada é imediata. catalase* H 2 O 2 H 2 O + O 2 *enzima catalisadora.

11 Reação ultra-rápida... Os air bags são equipamentos de segurança que envolve reação química que dura frações de segundo. 6NaN 3(s) + Fe 2 O 3(s) 3Na 2 O (s) + 2Fe (s) + 9N 2(g)

12 Expressão da velocidade Costuma-se expressar a velocidade de reações em função das concentrações.

13 Expressão da velocidade Velocidade de uma RQ é a grandeza que mede as quantidades* de reagentes (e de produtos) por unidade de tempo. * Geralmente em mols/l

14 Conceito de velocidade de uma reação química

15 Velocidade das reações I - Velocidade média (v m ) Representa a variação na quantidade de um reagente ou produto num intervalo de tempo. v m m t ou n t ou V t ou C t m = massa, n = n o mols, V = volume, C = concentração molar

16 Exercício resolvido... Dada a reação química: 2N 2 O 5(g) 4NO 2(g) + O 2(g). Foram realizados experimentos com a reação e, à medida que o tempo passou, as concentrações de reagentes e de produtos foram medidas.

17 Exercício resolvido... Os dados constam na tabela.

18 Exercício resolvido Qual a velocidade média no intervalo 0min a 5min? 2. Qual a velocidade média no intervalo 20min a 30min?

19 Velocidade das reações II - Velocidade instantânea (v i ou v) Representa a variação na quantidade de um reagente ou produto num instante (menor intervalo de tempo que se possa imaginar).

20 A velocidade instantânea de uma reação é obtida através de uma expressão matemática conhecida como LEI DA AÇÃO DAS MASSAS ou LEI CINÉTICA, proposta por Gulberg e Waage, em Peter Waage Cato Gulberg

21 Para uma reação genérica homogênea aa (g) + bb (g) xx (g) + yy (g) a velocidade instantânea é calculada pela expressão v = k [A] [B] Onde: k = constante de velocidade [A] e [B] = concentrações molares e = ordens ou graus

22 Nas reações elementares as ordens são iguais aos próprios coeficientes ( = a e = b); Nas reações complexas as ordens são iguais aos coeficientes da etapa mais lenta da reação, conhecida através do mecanismo da mesma.

23 Exemplo I - Reação elementar H 2 + I 2 2 HI Lei de velocidade (instantânea) v = k [H 2 ] 1 [I 2 ] 1 Prof. Mateus Andrade

24 Exemplo II- Reação complexa 2 NO + O 2 2 NO 2 * Mecanismo 2 NO N 2 O 2 (etapa lenta) N 2 O 2 + O 2 2 NO 2 (etapa rápida) 2 NO + O 2 2 NO 2 (reação global) Lei de velocidade (instantânea) v = k [NO] 2

25 Reações com velocidades constantes Quanto maior a inclinação, maior a velocidade. Quando a reta apresenta inclinação igual a zero, ou seja, a reta está paralela ao eixo do tempo, significa que a reação se completou ou atingiu o estado de equilíbrio.

26 Reações com velocidades constantes

27 Reações irreversíveis: há consumo total de pelo menos um dos reagentes. Não há conversão de produto novamente em reagente. Reações reversíveis: não há consumo total dos reagentes, há conversão em parte do produto novamente em reagente.

28 Etapas de uma reação Ocorre em 3 etapas: 1. Quebra de ligações a partir de choques efetivos; 2.Rearranjo atômico (mudança dos átomos de lugar); 3.Formação de novas ligações.

29 A Teoria das Colisões Dada a reação química... H 2(g) + I 2(g) 2 HI (g) Para facilitar a visualização da mesma optamos pelo modelo de Dalton... H H + I I H H I I

30 A Teoria das Colisões Colisão muito suave... H H + I I H H + I I Reação não ocorre.

31 A Teoria das Colisões Colisão com má orientação... H H + I I H H + I I Reação não ocorre.

32 A Teoria das Colisões Colisão efetiva... H H + I I H H I I Reação ocorre.

33 A Teoria das Colisões 1. Se a energia não for suficiente, a colisão pode acontecer, mas não há rompimento das ligações dos reagentes para que ocorra reação. 2. Essa quantidade mínima de energia necessária para que ocorra rompimento das ligações é a energia de ativação.

34 A Teoria das Colisões 1. Quanto maior o número de choques, maior será o número de quebra de ligações e, consequentemente, maior será a velocidade da reação. 2. Toda reação ocorre a partir de choques, mas nem todo choque leva à realização da reação. 3. Um choque altamente energético sem orientação favorável pode dar origem a uma nova reação.

35 Complexo ativado Estado intermediário ou de transição de uma reação. Estado de maior energia em uma reação. Corresponde a um espécie química em que as ligações dos reagentes começam a ser quebradas e,simultaneamente, as ligações dos produtos começam a ser formadas, ocorrendo rearranjo atômico.

36 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Concentração Quanto maior a quantidade de reagentes, maior será o número de espécies químicas que podem realizar os choques efetivos.

37 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Superfície de contato Quanto maior a superfície de contato, maior será a velocidade da reação.

38 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Superfície de contato Quanto maior é a superfície de contato, maior é o número de choques efetivos entre as partículas dos reagentes e, portanto, maior é a velocidade da reação.

39 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Temperatura Da mesma forma, quanto maior a temperatura, maior é o número de choques efetivos entre as partículas dos reagentes e, portanto, a velocidade da reação será maior.

40 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Estado físico dos reagentes... O estado gasoso é vantajoso para as reações, pois as partículas possuem maior energia e maior liberdade de movimentos, o que favorece maior número de choques efetivos.

41 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Estado físico dos reagentes Na explosão da gasolina, no interior do motor, é desejável que a mesma se encontre no estado gasoso. Gasolina no estado gasoso.

42 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Pressão Quanto maior for a pressão num sistema gasoso, menor é o volume ocupado pelos reagentes e maior é a velocidade da reação.

43 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Luz Algumas reações são favorecidas pela luz, como a decomposição da água oxigenada, por isso os frascos que você encontra nas farmácias são escuros.

44 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Luz A reação de decomposição da água oxigenada pela luz é fotólise.

45 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Eletricidade É uma maneira de fornecer energia de ativação, por exemplo, para a decomposição da água. Eletrólise da água.

46 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Catalisadores Catalisadores são substâncias que aceleram a velocidade das reações. Os catalisadores não alteram a variação de entalpia de uma reação, mas diminuem a energia de ativação dela.

47 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Catalisadores O catalisadores diminuem a barreira de energia a ser vencida. Os catalisadores são substâncias que entram e saem da reação, ou seja, as substâncias catalisadoras são recuperadas no final da reação.

48 Representações gráficas

49 Reações não elementares

50 Ação de um catalisador

51 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Regra de Van t Hoff A cada aumento de 10 C na temperatura de uma reação química, a velocidade tende* a se duplicar. *Não necessáriamente.

52 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Catalisadores... Ea = energia de ativação. Enzimas ou catalisadores biológicos aceleram as reações bioquímicas.

53 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Catalisadores no cotidiano... Catalisadores de automóveis diminuem a poluição, convertendo gases tóxicos em outros menos tóxicos.

54 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Catalisadores no cotidiano... Composição: Resina (branca): resina epóxi e cargas minerais; Catalisador (cinza): poliamida e cargas minerais.

55 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Atenção!!! Há também os chamados inibidores de reação Às vezes, são necessárias substâncias que tornam as reações mais lentas. São chamados inibidores de reação.

56 Fatores que alteram a velocidade de uma RQ Inibidores... A vitamina C (ácido ascórbico) funciona como inibidor de reação, impedindo o escurecimento da maçã.

57 Catalisador Catalisador é uma espécie química que promove o aumento da velocidade de uma reação através da diminuição da energia de ativação. O catalisador participa temporariamente do processo, formando com os reagentes um complexo ativado menos energético. Porém ao final da reação é completamente recuperado, sem sofrer alteração na sua composição ou massa.

58 Ex.: N 2 (g) + 3H 2 (g) Fe (s) 2NH 3 ; V1 N (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 ; V2 Com certeza o V2 é maior que o V1, pois o ferro age como catalisador na segunda reação.

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60 Características dos catalisadores Somente aumentam a velocidade; Não são consumidos; Não iniciam reações, mas interferem nas que já ocorrem sem a sua presença; Podem ser utilizados em pequenas quantias, visto que não são consumidos; Seus efeitos podem ser diminuídos pela presença de venenos de catálise.

61 Catálise homogênea Catalisador e reagentes estão no mesmo estado físico (possui apenas uma fase). 2H 2 O 2 (aq) OH ) (aq 2H 2 O (l) + O 2 (g)

62 Catálise heterogênea Catalisador e reagentes se encontram em estados físicos diferentes (possui duas ou mais fases). C 2 H 4 (g) + H 2 (g) Ni ( s ) C 2 H 6 (g)

63 Catálise enzimática Algumas reações que ocorrem rapidamente dentro do corpo humano, demorariam muito tempo para ocorrer fora, isto porque no corpo humano temos enzimas que são catalisadores. A ação de uma enzima é altamente específica, ou seja, geralmente cada enzima catalisa uma única reação. A enzima maltase, por exemplo, catalisa apenas o processo de transformação da maltose em glicose: C 12 H 22 O 11 (aq) + H 2 O maltase 2 C 6 H 12 O 6 (aq) Outra reação que se não fosse a enzima ptialina (encontrada na saliva) levaria dias para ocorrer é a decomposição do amido.

64 O mecanismo chave-fechadura Na catálise de uma reação química, as enzimas interagem com os substratos, formando com eles, temporariamente, o chamado complexo enzimasubstrato. Na formação das estruturas secundária e terciária de uma enzima (não esqueça que as enzimas são proteínas), acabam surgindo certos locais na molécula que servirão de encaixe para o alojamento de um ou mais substratos, do mesmo modo que uma chave se aloja na fechadura.

65 O mecanismo chave-fechadura

66 O mecanismo chave-fechadura Esses locais de encaixe são chamados de sítio ativos e ficam na superfície da enzima. Ao se encaixarem nos sítios ativos, os substratos ficam próximos um do outro e podem reagir mais facilmente.

67 O mecanismo chave-fechadura Assim que ocorre a reação química com os substratos, desfaz-se o complexo enzimasubstrato. Liberam-se os produtos e a enzima volta a atrair novos substratos para a formação de outros complexos. Uma enzima não é consumida durante a reação química que ela catalisa.

68 Ativadores ou promotores Os ativadores são substâncias que atuam aumentando a eficácia do catalisador. Sozinhos, os ativadores não são capazes de catalisar uma reação. Exemplo: Fe = catalisador da reação Al 2 O 3 = ativador do catalisador

69 Venenos Atuam sobre o catalisador e fazem com que a reação atinja uma velocidade menor do que se estivesse somente na presença do catalisador. Os venenos diminuem a eficiência do catalisador e, sem a presença dele, os venenos não possuem atividade catalítica.

70 Fatores que influenciam a velocidade de reações enzimáticas Temperatura; Concentração dos substratos; ph do meio reacional.

71 Temperatura Nas reações enzimáticas, a velocidade das reações tende a diminuir quando a temperatura ultrapassa 40ºC. Estruturas secundária e terciária das enzimas sofrem alterações, interferindo na interação da enzima com o substrato.

72 Temperatura Para cada tipo de enzima existe uma temperatura ótima, na qual a velocidade da reação é máxima, permitindo o maior número possível de colisões moleculares sem desnaturar a enzima. A maioria das enzimas humanas, têm sua temperatura ótima entre 35 e 40ºC.

73 ph A escala de ph vai de 0 a 14 e mede a concentração relativa de íons hidrogênio(h + ) em um determinado meio. O valor 7 apresenta um meio neutro, nem ácido nem básico. Valores próximos de 0 são os mais ácidos e os próximos de 14 são os mais básicos (alcalinos).

74 ph Em meios reacionais com valores de ph abaixo ou acima do ph ótimo, a atividade da enzima e a velocidade da reação por ela catalisada diminuem porque a sua forma tridimensional se altera. Enzima ph ótimo Pepsina 2,5 Tripsina 8,5 Ptialina 6,8 Arginase 9,8

75 Concentração do substrato Quando a concentração das enzimas é constante, o aumento da concentração do substrato aumenta a velocidade da reação até que atinja a velocidade máxima.

76 Concentração do substrato Atinge-se um ponto no qual novos aumentos não provocarão elevação na velocidade. Ao ser alcançada a velocidade máxima, a enzima encontra-se saturada e não pode atuar mais rapidamente. Todas as moléculas da enzima encontram-se em atividade. A [ ] do substrato na qual a atividade e a velocidade da reação são máximas é denominada concentração ótima.