BIOENGENHARIA I PROF. MARCELO HENRIQUE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

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Márcio de Miranda
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1 BIOENGENHARIA I PROF. MARCELO HENRIQUE ENGENHARIA DE ALIMENTOS Introdução à Cinética das reações químicas O termo cinética está relacionado a movimento quando se pensa nele a partir de seu conceito físico. Entretanto, nas reações químicas, não há movimento, mas sim mudanças de composição do meio reacional, ao longo da reação. A Termodinâmica Química estuda os sistemas químicos de uma forma geral, tendo ou não ocorrido uma reação química. Por outro lado, a Cinética Química estuda a forma como ocorrem as reações químicas e a sua velocidade, através de um estudo quantitativo das variações de concentração com o tempo. As principais diferenças entre a TDQ e CQ (Cinética Química) são: 2 1

2 Introdução à Cinética das reações químicas Termodinâmica Química Estuda o sistema do ponto de vista macroscópico (do ponto de vista de um Observador externo ) Estuda as condições em que uma reação é realizável ( G energia livre de Gibbs). Estuda se uma reação atinge o grau máximo de avanço e permite calcular qual é esse valor. Cinética Química Estuda o sistema do ponto de vista microscópico (do ponto de vista de um Observador Interno ) Estuda a duração de uma reação química. Estuda o comportamento do meio reacional ao longo do tempo. Estuda os fatores que podem vencer a Inércia Química. 3 Introdução à Cinética das reações químicas O objetivo principal da cinética é o estudo da velocidade das reações químicas, tendo como objetivos secundários: a) O desenvolvimento de métodos experimentais que permitam medir as velocidades das reações, desde as mais lentas até as mais explosivas; b) O estudo dos fatores que influenciam nas velocidades das reações; c) O estudo do caminho percorrido pelas reações. 4 2

3 A velocidade de uma reação é definida como sendo a diminuição da concentração de um dos reagentes na unidade de tempo. As concentrações são normalmente expressas em mol por litro (mol/l) e o tempo em minutos (min) ou segundos (s). A maneira mais usual de se medir a velocidade de uma reação química é a relação entre a concentração de um dos reagentes do meio reacional e o tempo. A velocidade instantânea de uma reação é usualmente calculada a partir da evolução da Concentração ao longo do tempo. 5 Representando a concentração do reagente A como C A e por t como tempo, a velocidade de uma reação química qualquer é definida como sendo: Velocidade = dc A O sinal negativo quer dizer que a concentração do reagente diminui em função do tempo. Normalmente, a velocidade de uma reação química é representada pela letra r (que vem do inglês rate). Portanto, a forma mais comum é: r A = dc A 6 3

4 A taxa de reação também pode ser apresentada de outras formas, dependendo das informações disponíveis: r i = 1 V dn i = mols formados de i (volume de fluido)(tempo) r i = 1 W dn i = mols formados de i (massa de sólido)(tempo) r i = 1 S dn i = mols formados de i (área)(tempo) r i = 1 dn i V r = mols formados de i (volume do reator)(tempo) 7 mols consumidos de A Taxa de reações r A = m 3 s , Reatores celulares, plantas de tratamento de água industrial Homem em repouso Trabalho árduo Gases em partículas porosas de catalisador es Fornalhas de carvão Motores a jato Motores de foguete Reatores bi moleculares, em que cada colisão é considerada a cerca de 1atm e a 400ºC 8 4

5 Exemplo: O ser humano Um ser humano (75kg) consome cerca de 6.000kJ de alimento por dia. Considere que o alimento contenha somente glicose e que a reação global seja: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O, H r = 2.816kJ Encontre a taxa metabólica do homem ( a taxa de viver) em termos de mols consumidos de oxigênio por m 3 da pessoa por segundo. 9 Solução: O que queremos encontrar: r O2 = 1 dn O2 = mol de O 2 consumido V m 3 da pessoa s Pela experiência de vida e por aproximação, podemos dizer que a densidade do homem é próxima a: ρ = kg m 3 Logo, para a pessoa em questão: 75kg V pessoa = kg m 3 = 0,075m3 (i) 10 5

6 Solução: Observe que cada mol de glicose consumida usa 6 mols de oxigênio, liberando 2.816kJ de energia. Deste modo, podemos calcular quantos mols de oxigênio necessitamos. dn O2 = 6.000kJ dia 2.816kJ mol de glicose 6 mols de O 2 1 mol de glicose = 12,8 mols de O 2 dia Substituindo na Eq. (i): 1 r O2 = 0,075m 3 12,8 mols de O 2 consumido 1 dia dia s = 0,002 mol de O 2 consumido m 3 s 11 Equação da taxa de reação O formato mais usual para a equação da velocidade é: r A = dc A = kc A n Logo, a velocidade de uma reação é expressa em função de k e C i, onde: k = constante de velocidade; C i = concentração dos reagentes A, B, C no tempo t Obs.: a constante da velocidade da reação é uma função da temperatura, logo, se considerarmos uma reação a temperatura constante, o valor de k é constante. 12 6

7 Equação da taxa de reação Para a seguinte reação, temos: A + B R + S Onde: r A = dc A = kc A a C B b a = ordem parcial em relação ao reagente A b = ordem parcial em relação ao reagente B a + b = ordem global da reação k = constante de velocidade 13 Equação da taxa de reação A ordem de uma reação é definida como sendo a soma das potências dos termos de concentração que aparecem na equação de velocidade da reação química. É normalmente, um número inteiro pequeno, podendo em casos especiais, ser zero ou fracionário. É importante ressaltar, que a ordem de reação é uma grandeza que normalmente é obtida a partir de dados experimentais, em grande parte das vezes sem o conhecimento real do mecanismo da reação. 14 7

8 Equação da taxa de reação As unidades da constante de velocidade de uma reação química podem ser determinadas de uma forma simples a partir do conhecimento da ordem da reação, conforme mostrado a seguir: r A = kc A mol litro tempo = k mol litro n k = mol litro 1 n tempo 1 15 Tipos de reação química Reações Homogêneas e Heterogêneas Uma reação é homogênea quando todas as espécies químicas participantes estão em uma única fase. Uma reação é heterogênea quando pelo menos uma das espécies químicas participantes se encontra em uma fase diference das demais. Um caso específico de reações, são as catalíticas, onde a velocidade é alterada pela presença, na mistura reagente, de espécies químicas que não são reagentes e nem produtos. Estas espécies químicas são chamadas de catalisadores e são encontrados no meio reacional, normalmente, em quantidades muito pequenas. 16 8

9 Tipos de reação química Reações elementares e não elementares: A + B R r A = kc A C B H 2 + Br 2 2HBr r HBr = k 1 H 2 Br 2 1/2 k 2 + HBr Br 2 17 Tipos de reação química Logo, para a reação química A + B S É possível que a lei da velocidade seja: ou r A = dc A = kc A C B r A = dc A = kc A 0,5 18 9

10 Tipos de reação química Sendo assim, diante da pergunta Qual a equação de velocidade de uma reação química quando se conhece apenas a sua estequiometria?, a resposta correta é: NÃO SEI!!! E uma complementação desta resposta é: Para conhecer a equação de velocidade de uma reação química é necessário ter dados experimentais (ou seja, algum tipo de informação) da reação. Sem informações ou dados experimentais, apenas é POSSIVEL supor a provável equação de velocidade

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