Cinética Química. Profa. Graça Porto

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1 Cinética Química. Ao realizar a reação de formação da água a partir dos gases hidrogênio (H 2 ) e oxigênio (O 2 ) verificou-se que a velocidade de consumo de oxigênio foi de 4 mol/min. Determine a velocidade de consumo de hidrogênio. (Química na Abordagem do Cotidiano, Tito & Canto, vol. 2, 2ª edição, pág. 254) R: 8 mol/min.. As questões de I a VI são sobre air bag, dispositivo de segurança utilizado em alguns veículos. Em caso de acidente, ele é inflado com gás N 2, produzido em uma rápida reação química. Para resolver uma questão você pode (e deve!) usar os dados fornecidos na(s) questão(ões) que a antecede(m). (Idem da anterior, pág. 255) I. O tempo necessário para que um air bag encha completamente, atingindo um volume final de 54 L, é de 1/20 s (um vigésimo de segundo). Determine a velocidade média de produção de gás N 2, em litros por segundo. R: L/s II. Sabendo que, nas condições de pressão e temperatura de um air bag inflado, 1 mol de gás ocupa 20 L, determine o número total de mols de N 2 produzido na reação. R: 2,7 mols III. A equação da reação que infla o air bag é: 2 NaN 3(s) 2 Na (s) + 3 N 2(g). Determine o número total de mols de NaN 3 gastos na reação. R: 1,8 mol IV. Determine a velocidade de formação do gás N 2, em mols por segundo. R: 54 mol/s V. Calcule a velocidade média de consumo de NaN 3, em mol por segundo. R: 36 mol/s VI. Sabendo que a massa de 1 mol (massa molar) de NaN 3 é 65 g, determine a massa de NaN 3 que o fabricante coloca dentro de um air bag. R: 117 g. Considere a reação química equacionada como: 2 N 2 O 5 4 NO 2 + O 2. Sabendo que, num certo intervalo de tempo, a velocidade de consumo de N 2 O 5 é 0,10 mol/l.s, determine, para o mesmo intervalo de tempo: (Idem da anterior) a) a velocidade média de formação de NO 2 ; R: 0,20 mol/l.s b) a velocidade média de formação de O 2. R: 0,05 mol/l.s. Os incêndios nas matas se propagam com maior rapidez quando está ventando. Proponha uma explicação para isso, utilizando seus conhecimentos sobre efeito da concentração sobre a velocidade de uma reação química. (Idem da anterior) R: Um incêndio envolve a reação química de combustão (queima), na qual o gás oxigênio (O 2 ) é um reagente. A ventania substitui o ar no local da queima (que tem menos oxigênio, porque ele é consumido) por ar novo, contendo maior concentração de oxigênio Isso aumenta a velocidade da combustão, e o incêndio se propaga mais depressa.. Por que um cigarro aceso é consumido mais rapidamente quando se dá uma tragada? (Idem da anterior) R: A tragada aumenta a concentração de O 2 no local da queima e aumenta a velocidade de consumo do cigarro.. Quando se abana carvão em brasa, que está na churrasqueira, ele se torna mais incandescente. Por quê?(idem da anterior) R: Ao abanar, removemos o ar de dentro da churrasqueira (que tem muito gás carbônico e pouco oxigênio) e em seu lugar colocamos ar novo. Assim, aumentamos a concentração de oxigênio no local da combustão tornando a reação mais rápida.. Experimentalmente foi determinado que, para a reação entre os gases hidrogênio e monóxido de nitrogênio, a lei de velocidade é: (Idem da anterior) v = k. [H 2 ]. [NO] 2 a) Qual a ordem da reação, com relação ao H 2? R: 1ª b) Qual a ordem da reação, com relação ao NO? R: 2ª c) Qual a ordem global da reação? R: 3ª d) O que vem a ser k na expressão matemática acima? k é uma constante de proporcionalidade denominada constante de velocidade.

2 . Levando-se em conta a lei de velocidade mencionada na questão anterior, responda: O que acontece com a velocidade da reação quando: (Idem da anterior) a) duplicamos a concentração molar de hidrogênio? b) duplicamos a concentração molar de monóxido de nitrogênio? c) duplicamos ambas as concentrações molares? Resolução: A expressão v = k. [H 2 ]. [NO] 2 mostra que a velocidade da reação é proporcional a [H 2 ] e proporcional ao quadrado de [NO]. Assim, podemos afirmar que: multiplicando-se [H 2 ] por um número, a velocidade ficará multiplicada pelo mesmo número. multiplicando-se [NO] por um número, a velocidade ficará multiplicada por esse número elevado ao quadrado. Portanto: a) Ao multiplicarmos [H 2 ] por 2, a velocidade ficará multiplicada por 2, ou seja, a velocidade duplica. b) Ao multiplicarmos [NO] por 2, a velocidade ficará multiplicada por (2) 2, ou seja, a velocidade quadruplica. c) Ao multiplicarmos [H 2 ] e [NO] por 2, a velocidade ficará multiplicada por 2 e por (2) 2, ou seja, ficará multiplicada por 8.. Para a reação de decomposição do N 2 O 5, verificou-se que v = k. [N 2 O 5 ] O que acontece com a velocidade dessa reação quando: (idem da anterior) a) duplicamos a concentração molar de N 2 O 5? R: duplica. b) triplicamos a concentração molar de N 2 O 5? R: triplica.. Estudos revelaram que a decomposição do C 2 H 4 O é uma reação para a qual v = k. [C 2 H 4 O] 2 O que acontece com sua velocidade se: (idem da anterior) a) duplicamos a concentração molar de C 2 H 4 O? R: Fica multiplicada por 4 (isto é, 2 2 ) b) triplicamos a concentração molar de C 2 H 4 O? R: Fica multiplicada por 9 (isto é, 3 2 ). Sabendo que as reações equacionadas a seguir são elementares, escreva a equação de velocidade (lei cinética) para cada uma delas: (Idem da anterior) a) NO 2 + SO 2 NO + SO 3 R: v = k. [NO 2 ]. [SO 2 ] b) 2NO 2 2 NO + O 2 R: v = k. [NO 2 ] 2 c) 2NO + Cl 2 2NOCl R: v = k. [Br 2 ]. [NO] 2. Considere a seguinte reação elementar: Br 2 + 2NO 2NOBr (Idem da anterior) a) Escreva a equação de velocidade (lei cinética) para ela. R: v = k. [Br 2 ]. [NO] 2 b) O que acontecerá com a velocidade da reação se duplicarmos a concentração molar debr 2? R: Ficará multiplicada por 2. c) O que acontecerá com a velocidade da reação se duplicarmos a concentração de NO? R: Ficará multiplicada por 4 (isto é, 2 2 ) d) O que acontecerá com a velocidade da reação se duplicarmos as concentrações molares de Br 2 e NO? R: Ficará multiplicada por 8 (isto é, ). Dado o mecanismo: (idem da anterior, pg. 268) 1ª etapa: O 3 + NO 2 O 2 + NO 3 (etapa lenta) 2ª etapa: NO 3 + NO 2 N 2 O 5 (etapa rápida) a) Some as etapas e obtenha a equação global. R: O NO 2 O 2 + N 2 O 5 b) Qual das duas etapas é a etapa determinante da velocidade do processo global? R: A etapa determinante é a etapa lenta que, no caso, é a primeira. c) Quantas e quais são as moléculas que colidem na etapa determinante da velocidade? R: São duas moléculas: uma de O 3 e uma de NO 2. d) Escreva a equação de velocidade (lei cinética) da reação global. R: v global = v etapa lenta = k. [O 3 ]. [NO 2 ]

3 . Investigações experimentais mostraram que, para a reação em fase gasosa: (idem da anterior) NO 2 + CO CO 2 + NO a lei cinética é v = k. [NO 2 ] 2. Qual dos mecanismos a seguir pode ser o verdadeiro mecanismo dessa reação? Justifique. Mecanismo I: NO 2 + CO CO 2 + NO (etapa única) Mecanismo II: 2 NO 2 NO 3 + NO (etapa lenta) NO 3 + CO NO 2 + CO 2 (etapa rápida) Mecanismo III: NO 2 NO + O (etapa lenta) CO + O CO 2 (etapa rápida) R: Escrevendo a lei cinética para os três mecanismos apresentados, concluímos que o único que apresenta v = k.[no 2 ] 2 é o mecanismo II. Esse pode, portanto, ser o mecanismo verdadeiro da reação. Considere as afirmações: (Idem da anterior, pg. 272) I) Numa panela comum a água ferve a cerca de 100 o C e numa panela de pressão, a cerca de 110 o C. II) O cozimento dos alimentos envolve uma série de reações químicas. Com base nelas, explique por que os alimentos cozinham mais rápido nas panelas de pressão. R: Nas panelas de pressão, o alimento estará submetido a uma temperatura maior e, portanto, será maior a velocidade das reações envolvidas no cozimento.. A regra de van t Hoff diz que um aumento de 10 o C na temperatura duplica a velocidade de uma reação química. Admita que essa regra seja válida para as reações que fazem os alimentos estragarem. Dentro de uma geladeira (5 o C) os alimentos estragam com uma certa velocidade. Quantas vezes mais rápido o alimento estragaria se estivesse fora da geladeira: (Idem da anterior) a) em um dia a 15 o C? R: duas vezes b) em um dia a 25 o C? R: Quatro vezes c) em um dia a 35 o C? Oito vezes (Este exercício permite perceber por que a geladeira é particularmente importante em regiões quentes). (FUVEST-SP) Para remover uma mancha de um prato de porcelana fez-se o seguinte: cobriu-se a mancha com meio copo de água fria, adicionaram-se algumas gotas de vinagre e deixou-se por uma noite. No dia seguinte a mancha havia clareado levemente. Usando apenas água e vinagre, sugira duas alterações no procedimento, de tal modo que a remoção da mancha possa ocorrer em menor tempo. Justifique cada uma das alterações propostas. (Idem da anterior) R: Para aumentar a velocidade da reação entre o material da mancha e o vinagre pode-se usar água quente (aumento de temperatura) ou colocar mais vinagre na mesma quantidade de água (aumento da concentração de reagente). Ambos os procedimentos aumentam a freqüência de colisões efetivas.. Toda dona-de-casa sabe que, se um pedaço de bombril for deixado úmido, sobre a pia, de um dia para o outro, ele amanhecerá enferrujado. Para evitar que isso aconteça, costuma-se revestir o bombril com uma camada de sabão, esfregando-o sobre uma barra desse produto. Como a eficácia desse procedimento pode ser justificada? (idem da anterior) R: A camada de sabão diminui a superfície do bombril exposta aos fatores que causam a ferrugem (água e oxigênio), isto é, o sabão reduz a superfície de contato entre os reagentes, reduzindo a velocidade da reação.. A fim de adoçar mais rapidamente uma xícara de chá devemos utilizar açúcar comum (refinado) ou açúcar cristal? Justifique a resposta. (Idem da anterior, pág. 273) R: Açúcar comum, pois, devido a seus pequenos cristais, terá maior superfície de contato com a água do que o açúcar cristal, que tem cristais maiores.. A pólvora negra é uma mistura de três sólidos: carvão, salitre e enxofre. Por que, na pólvora, esses sólidos se apresentam triturados e não apenas colocados em pedaços? (idem da anterior) R: A explosão da pólvora consiste numa reação que deve ser extremamente rápida. Os reagentes triturados apresentam alta superfície de contato, garantindo que isso ocorra.

4 . Ao ser colocada sobre um ferimento recente, a água oxigenada toma contato com uma substância X presente no interior das células. Essa substância X acelera a seguinte reação química: 2H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 Nesse momento, a água oxigenada parece ferver. (idem da anterior, pág. 278) a) Explique o que vem a ser essa aparente fervura. R: A aparente fervura é na realidade, liberação de oxigênio gasoso. b) Qual é o papel desempenhado pela substância X? R: X atua como catalisador no processo.. Numa das etapas de produção do ácido sulfúrico ocorre a reação equacionada a seguir: 2SO 2(g) + O 2(g) 2SO 3(g) I. Ela é realizada atualmente (o método é chamado processo de contato) utilizando-se platina metálica sólida como catalisador. Responda: (Idem da anterior, pág. 279) a) Por que é importante usar o catalisador? Explique como ele atua. R: O catalisador aumenta a velocidade da reação. Ele atua criando um novo mecanismo para a reação, com menor energia de ativação. b) Trata-se de uma catálise homogênea ou heterogênea? R: Catálise heterogênea, pois o catalisador está em uma fase e os reagentes em outra. II. Antigamente essa reação era realizada (o método é chamado processo das câmaras de chumbo) empregando-se NO (g) como catalisador. Responda: a) Trata-se de uma catálise homogênea ou heterogênea? R: Catálise homogênea, pois catalisador e reagentes estão na mesma fase (lembre-se de que a mistura de gases possui uma única fase). b) Sabendo que o mecanismo da reação é o que aparece a seguir, mostre que o NO (como todo catalisador) não aparece na equação global do processo. 2NO + O 2 2NO 2 2SO 2 + 2NO 2 2NO + 2SO 3 R: Somando as etapas, obtemos: 2SO 2 + O 2 2SO 3. Portanto, o NO não aparece na equação global.. (PUC-RS) Numa experiência, a reação de formação de amônia (NH 3 ), a partir do N 2 e do H 2, está ocorrendo com um consumo de 12 mols de nitrogênio (N 2 ) a cada 20 segundos. Nesse caso, a velocidade de consumo de hidrogênio (H 2 ) é: (Idem da anterior, pág. 280) a) 6 mols por minuto. b) 12 mols por minuto. c) 18 mols por minuto. X d) 24 mols por minuto. e) 36 mols por minuto.. (UEBA) A amônia é produzida industrialmente a partir do gás nitrogênio (N 2 ) e do gás hidrogênio (H 2 ), segundo a equação N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) Dado: Massa molar do H 2 = 2,0 g. mol -1 Numa determinada experiência, a velocidade média de consumo de gás hidrogênio foi de 120 gramas por minuto. A velocidade de formação do gás amônia, nessa experiência, em número de mols por minuto será de: (Idem da anterior) a) 10 b) 20 c) 40 X d) 50 e) 60. (PUC-MG) Considere a equação: 2NO 2(g) + 4CO (g) N 2(g) + 4CO 2(g). Admita que a formação do N 2(g) tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol/min. A massa de CO 2(g), em gramas, formada em 1 hora é: (Idem da anterior) a) 8,8 b) 44,0 c) 84,0 d) 132,0 e) 528,0 X. (ITA-SP) Uma certa reação química é representada pela reação: 2A (g) + 2B (g) C (g)

5 onde A, B e C significam as espécies químicas que são colocadas para reagir. Verificou-se experimentalmente, numa certa temperatura, que a velocidade dessa reação quadruplica com a duplicação da concentração da espécie A, mas não depende das concentrações das espécies B e C. Assinale a opção que contém, respectivamente, a expressão correta da velocidade e o valor correto da ordem da reação: (idem da anterior, pág. 282) a) v = k[a] 2 [B] 2 e 4 b) v = k[a] 2 [B] 2 e 3 c) v = k[a] 2 [B] 2 e 2 d) v = k[a] 2 e 4 e) v = k[a] 2 e 2. X. (Fuvest-SP) O estudo cinético, em fase gasosa, da reação representada por NO 2 + CO CO 2 + NO mostrou que a velocidade da reação não depende da concentração de CO, mas depende da concentração de NO 2 elevada ao quadrado. Esse resultado permite afirmar que: (idem da anterior) a) o CO atua como catalisador. b) o CO é desnecessário para a conversão de NO 2 em NO. c) o NO 2 atua como catalisador. d) a reação deve ocorrer em mais de uma etapa. X e) a velocidade da reação dobra se a concentração inicial de NO 2 for duplicada.. (U. Cuiabá-MT) Dada a equação: A + B C e o quadro cinético abaixo Experiência [A] [B] Velocidade (mol/l) (mol/l) (mol/l. min) 1 1,0 1,0 0,20 2 1,0 2,0 0,40 3 1,0 3,0 0,60 4 2,0 1,0 0,20 5 3,0 1,0 0,20 a expressão da velocidade que representa a reação é: (idem da anterior, pág. 283) a) v = k[a] [B] b) v = k[a] c) v = k [B] X d) v = k [A] [B] 2 e) v = k [B] 2. (Fuvest-SP) Em solução aquosa ocorre a transformação H 2 O 2 + 2I - + 2H + 2H 2 O + I 2 (Reagentes) (Produtos) Experimento Concentrações iniciais (mol/l) Tempo (s) H 2 O 2 I - H + I 0,25 0,25 0,25 56 II 0,17 0,25 0,25 87 III 0,25 0,25 0,17 56 IV 0,25 0,17 0,25 85 Esses dados indicam que a velocidade da reação considerada depende apenas da concentração de: (idem, pág. 284) a) H 2 O 2 e I - X b) H 2 O 2 e H + c) H 2 O 2 d) H + e) I -. (Mackenzie-SP) Uma mistura de vapor de gasolina e ar, à temperatura ambiente, não reage. Entretanto, no motor de carros, em presença de faísca elétrica, ocorre a combustão da gasolina. Dessa constatação, são feitas as seguintes afirmações: (idem) I a faísca fornece à mistura a energia necessária para iniciar a reação. II a faísca é a única responsável pela combustão da gasolina, uma vez que ela ocorre mesmo em total ausência de ar. III a reação que ocorre é exotérmica. IV a faísca faz com que as moléculas de oxigênio se separem do ar e reajam com a gasolina.

6 Das afirmações feitas, somente são corretas: a) I, III e IV b) I e III X c) I e IV d) II e III e) III e IV

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