Qui. Allan Rodrigues (Gabriel Pereira) (Renan Micha)

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1 Semana 18 Allan Rodrigues (Gabriel Pereira) (Renan Micha) Este conteúdo pertence ao Descomplica. Está vedada a cópia ou a reprodução não autorizada previamente e por escrito. Todos os direitos reservados.

2 Cinética química 12 jun Lei de velocidade 01. Resumo 02. Exercícios para aula 03. Exercícios para casa 04. Questão contexto 05. Gabarito

3 RESUMO A lei de velocidade ou equação de velocidade para uma reação química é uma equação que liga a velocidade de reação (taxa) com as concentrações ou pressões dos reagentes e parâmetros constantes (coeficientes de velocidade). A taxa é, usualmente, dada por uma lei como: velocidade = k. [A]x.[B]y Reações de segunda ordem em relação a um reagente: Neste caso, se a concentração do reagente dobra, a velocidade quadruplica (o efeito ao quadrado). Se a concentração triplica, a velocidade multiplica por 9. O raciocínio segue para as próximas ordens de reação em relação a um reagente. [A] e [B] representam a concentração das espécies A e B, respectivamente (em moles por litro em geral). Os expoentes x e y são as ordens parciais da reação e devem ser determinados experimentalmente, eles não são frequentemente iguais aos coeficientes estequiométricos. A constante k é a constante de velocidade da reação. O valor deste coeficiente depende de condições como temperatura, força iônico, área superficial de um adsorvente, ou irradiação. Para reações elementares, que consiste de um único passo, a ordem é igual a molecularidade como previsto pela teoria das colisões. Por exemplo, uma reação elementar bimolecular A + B produtos, será de segunda ordem geral e de primeira ordem para cada reagente, com equação de velocidade Reações de ordem zero v = k. [A]. [B]. A velocidade não depende da concentração dos reagentes. Ou seja, se alterarmos a concentração de qualquer reagente, não observaremos qualquer alteração na velocidade da reação. A equação de velocidade assume a seguinte forma: v = k Reações de primeira ordem em relação a um reagente Neste tipo de reação, uma alteração na concentração do reagente afeta a velocidade de acordo com o mesmo fator. Ou seja, se a concentração é dobrada, a velocidade dobra; se a concentração é reduzida à metade, a velocidade reduz à metade. Se a concentração é triplicada, a velocidade triplica. Cálculo com reações elementares H2 + I2 2HI (reação elementar) Se tivermos a informação de que a reação é elementar, ou seja, que ela acontece em apenas uma etapa, podemos deduzir a lei de velocidade diretamente da leitura da reação. No caso acima, podemos deduzir que a velocidade da reação será: v = k. [H2]1. [I2]1 Ordem da reação, ordem em relação a algum dos reagentes No caso acima, a ordem em relação ao gás hidrogênio (H2), é um, ou dizemos que a reação é de primeira ordem em relação ao H2. Repare que podemos dizer o mesmo para o I2. Se quisermos saber a ordem global desta reação, basta somarmos as ordens de cada reagente. No caso, a reação é de segunda ordem. Porém, há momentos em que não temos a informação da reação elementar. A partir daí, como é muito feito em laboratórios de química, devemos deduzir a equação de velocidade a partir de um experimento onde se mantém constantes as concentrações dos reagentes e se varia apenas uma das concentrações. A partir da comparação entre variação de velocidade e variação de concentração, deduz-se a ordem (também chamada de molecularidade) da reação. Vejamos um caso: Considere os dados experimentais obtidos para a seguinte reação: A + 2B C + 2D 92

4 Reações consecutivas (não elementares) Quando temos mais de uma reação e sabemos qual é a etapa lenta, consideramos a equação da etapa lenta como base para definir a lei de velocidade da equação. Repare que quando falamos em reações consecutivas, estamos trabalhando com reações elementares (usadas para definir a lei de velocidade). Indique a lei de velocidade para a reação descrita acima. Exemplo: A oxidação do brometo de hidrogênio pode ser descrita em 3 etapas: Preste atenção para resolver este exercício. Compare, inicialmente, o experimento 1 com o 3. Repare que a concentração de B triplica e a velocidade não se modifica. Isso indica que a velocidade da reação não depende de B. Agora compare os experimentos 1 e 4. A concentração de A dobra e a velocidade também. Entre 1 e 2, a concentração de A triplica e a velocidade também. Logo, a velocidade depende da concentração de A elevado a um. Assim, montamos para esta reação, a seguinte lei de velocidade: v = k. [A] I) HBr(g )+ O2(g) HOOBr(g) (etapa lenta) II) HBr(g) + HOOBr(g) 2HOBr(g) (etapa rápida) III) HOBr(g) + HBr(g) Br2(g) + H2O(g) (etapa rápida) Apresente a expressão da velocidade da reação de oxidação do brometo de hidrogênio. Usaremos a etapa lenta (ou elementar) para criar a lei de velocidade da reação. Multiplicaremos k, uma constante de velocidade, pelas concentrações dos reagentes (elevados aos seus respectivos coeficientes estequiométricos) v = k. [HBr]. [O2] Essa expressão indica a velocidade da reação (o quão rápido um reagente é consumido ou um produto é produzido) 93 EXERCÍCIOS PARA AULA 1. A decomposição do pentóxido de dinitrogênio é representada pela equação 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)

5 A expressão da velocidade da reação é a) v = k [N2O5] 0. b) v = k [N2O5] 1/4. c) v = k [N2O5] 1/2. d) v = k [N2O5]1. e) v = k [N2O5]2. 2. As velocidades iniciais da decomposição do aldeído acético (CH3CHO) foram medidas para as concentrações iniciais de 0,10mol/L e 0,20mol/L e apresentaram os valores de 0,02mol/L.s e 0,08 mol/l.s, respectivamente. A ordem da reação em relação ao aldeído acético é: a) 1/2. b) 1. c) 2. d) 3/2. e) O composto C6H5N2Cl reage quantitativamente com água, a 40 C, ocorrendo a formação de fenol, ácido clorídrico e liberação de nitrogênio: C6H5N2Cl(aq) + H2O(l) C6H5OH(aq) + HCl(aq) + N2(g) 94 Em um experimento, uma certa quantidade de C6H5N2Cl foi colocada em presença de água a 40 C e acompanhou-se a variação da concentração de C6H5N- 2Cl com o tempo. A tabela a seguir mostra os resultados obtidos: a) Partindo-se de 500 ml da solução de C6H5N2Cl e coletando-se o nitrogênio (isento de umidade) à pressão de 1 atm e 40 C, qual o volume obtido desse gás decorridos 27 minutos? Mostre com cálculos. b) A partir dos dados da tabela pode-se mostrar que a velocidade da reação é dada pela expressão: v = k[c6h5n2cl] Demonstre esse fato utilizando os dados da tabela. Volume molar de gás a 1 atm e 40 C = 26 L/mol

6 4. Considere a seguinte reação: 2A + B C A partir dos dados fornecidos na tabela abaixo, calcule a constante de velocidade da reação e o valor da concentração X. Considere que as ordens de reação aos reagentes são iguais aos respectivos coeficientes estequiométricos. 5. A oxidação do brometo de hidrogênio pode ser descrita em 3 etapas: I) HBr(g )+ O2(g) HOOBr(g) (etapa lenta) II) HBr(g) + HOOBr(g) 2HOBr(g) (etapa rápida) III) HOBr(g) + HBr(g) Br2(g) + H2O(g) (etapa rápida) a) Apresente a expressão da velocidade da reação de oxidação do brometo de hidrogênio. b) Utilizando a equação global da oxidação do brometo de hidrogênio, determine o número de mols de bromo (Br2) produzido quando são consumidos 3,2g de O2. Dados: O = 16, Br = Considere a sequência de reações e o perfil energético associados ao processo de oxidação do dióxido de enxofre. Etapa 1 (elementar): SO2(g) + NO2(g) SO3(g) + NO(g) Etapa 2: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) A alternativa que apresenta corretamente os compostos no estágio II, o catalisa-

7 7. Considere a reação elementar representada pela equação 3 O2(g) 2O3(g) Ao triplicarmos a concentração do oxigênio, a velocidade da reação, em relação à velocidade inicial, torna-se a) duas vezes menor. b) três vezes maior. c) oito vezes menor. d) nove vezes maior. e) vinte e sete vezes maior. EXERCÍCIOS PARA CASA! Num laboratório, foram efetuadas diversas experiências para a reação: 2H2(g) + 2NO(g) N2(g) + 2H2O(g) Com os resultados das velocidades iniciais obtidos, montou-se a seguinte tabela: Baseando-se na tabela anterior, podemos afirmar que a lei de velocidade para a reação é: a) V = K. [H2] b) V = K. [NO] c) V = K. [H2] [NO] d) V = K. [H2]2[NO] e) V = K. [H2] [NO]2

8 2. A expressão da velocidade de uma reação deve ser determinada experimentalmente, não podendo, em geral, ser predita diretamente a partir dos coeficientes estequiométricos da reação. O gráfico a seguir apresenta dados experimentais que possibilitam a obtenção da expressão da velocidade da seguinte reação: 2 ICl(g) + H2(g) I2(g) + 2HCl(g). a) Escreva a expressão da velocidade desta reação. b) Calcule o número de mols de cada produto ao final da reação apresentada se, no início, há 3 mols de cada reagente Considere a reação: M(g) + N(g) O(g) Observa-se, experimentalmente, que, dobrando-se a concentração de N, a velocidade de formação de O quadruplica e, dobrando-se a concentração de M, a velocidade da reação não é afetada. A equação da velocidade v desta reação é: a) v = K [M]2 b) v = K [N]2 c) v = K [M] d) v = K [M] [N] e) v = K [M] [N]2 4. Há décadas são conhecidos os efeitos dos CFCs, ou freons, na destruição da camada de ozônio da atmosfera terrestre. Acredita-se que a diminuição da quantidade de O3 na atmosfera seja responsável pelo aumento na incidência de câncer de pele, pois a radiação ultravioleta não mais é bloqueada com a mesma eficiência. A ação destes gases, como o CF2Cl2, inicia-se com a produção de átomos de cloro livres (Cl*), pela interação das moléculas do gás com a radiação solar, seguindo-se as reações:

9 1 a etapa: O3 + Cl* O2 + ClO* 2 a etapa: ClO* + O3 2O2 + Cl* Escreva a equação global para esta reação e identifique o produto formado. 5. Para a transformação representada por 2NO(g) + 2H2(g) N2(g) + 2H2O(g), a velocidade da reação, em função da pressão de hidrogênio PH2, para duas diferentes pressões de óxido nítrico PNO, à temperatura de 826 C, está indicada no gráfico a seguir: 98 Examinando o gráfico, pode-se concluir que as ordens da reação, em relação ao óxido nítrico e em relação ao hidrogênio, são, respectivamente, a) 1 e 1 b) 1 e 2 c) 2 e 1 d) 2 e 2 e) 3 e 1 Para a reação hipotética A + B Produtos, tem-se os seguintes dados: Considerando a mesma reação, verificou-se também a seguinte correlação: Onde α e β são, respectivamente, as ordens de reação em relação A a e B.

10 Sabendo que α e β = 10,0, determine: a) A constante de velocidade k; b) o valor numérico das ordens parciais e a global da reação QUESTÃO CONTEXTO! Donald Trump pediu para que Victor e Gabriel fossem a um laboratório e calculassem a velocidade de uma reação de elevada importância comercial para os americanos. Os dados a seguir foram os obtidos por nossos nobres químicos A + B produtos 99 a) Ajude seu monitor favorito a encontrar a lei de velocidade que descreve a variação de velocidade de acordo com a concentração dos reagentes. b) Encontre o valor da constante da reação

11 GABARITO 01. Exercícios para aula! 1. d 2. c 3. a) V = 9,1 L b) v0-9 = 0,044 mol/(l.min) (0,60 mol/l) v9-18 = 0,022 mol/(l.min) (0,30 mol/l) Note que, quando a concentração do C6H5N2Cl cai pela metade (0,60 para 0,30), o mesmo acontece com a velocidade (0,044 para 0,022). Logo, a ordem do C6H5N2Cl é um e a expressão para a velocidade é dada por v = k[c6h5n2cl] 4. k = 2L2.mol -2.s a) v = k[hbr][o2] 6. c 7. e b) 0,2 mol 02. Exercícios para casa! 1. e 2. a) v = k[h2][icl] b) Número de mols de HCl: 3 mol Número de mols de I2: 1,5 mol 3. b 4. a) O3 + Cl* O2 + ClO* (primeira etapa) ClO* + O3 O2 + Cl* (segunda etapa) Somando as duas equações, temos a global: 2O3 3O2. O produto formado é o gás oxigênio. b) O Cl* é o catalisador, pois é consumido na 1ª etapa e regenerado na 2ª etapa do processo 5. c 6. a) v = k. [A].[B] k = 0,2L/mol.min v = 5, mol/L.min 03. Questão contexto a) velocidade = k [A] [B]2 b) k = L 2 mmol -2 min

12 Na2S2O5(s) Na2SO3(s) + SO Ä 2(g) I2(aq) + SO2(aq) + 2H2 O( ) 2HI(aq) + H2SO4(aq) CV 1 1 = C2V2 3 C1 5 = (1,0 10 ) (13,5) 3 C1 = 2,7 10 mol / L 1 mol de SO2 64g 3 2,7 10 mol x x = 0,173g de SO 2 ou 173mg / L = 173ppm 101

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