Cinética Química. Cinética Química...? É o estudo da velocidade das reações químicas e dos fatores que as influenciam.

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1 Cinética Química...? Universidade Federal de Campina Grande Centro de Ciência e Tecnologia groalimentar Profª Roberlucia Candeia Disciplina: Química geral É o estudo da velocidade das reações químicas e dos fatores que as influenciam. Cinética Química NaN 3(s) Na (s) + 3 N (g) Gás que infla o airbag Precipitação de uma reação química. Fe (s) + 3/ O (g) Fe O 3 (s) Ferrugem 3 4

2 Velocidade média das reações Consiste no quociente da variação da concentração de um reagente (ou produto) sob um intervalo de tempo em que essa variação ocorre. Matematicamente, [C] mol.l - V m (r) = = = mol.l -.min - t min B 5 7 8

3 C 4 H 9 Cl(aq) + H O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) 9 Velocidade de reação e a estequiometria Para a reação hipotética: a + bb cc + dd Exemplo, N O 5(g) 4NO (g) + O (g) Fatores qualitativos que afetam a velocidade de uma reação química:. natureza química dos reagentes;. concentração dos reagentes; 3. temperatura; 4. disponibilidade dos agentes aceleradores da velocidade de reação, chamados de catalisadores. [ NO5 ] [ NO ] [ O ] Velocidade t 4 t t

4 Condições para a ocorrência de reações. Concentração dos Reagentes. Natureza química dos reagentes: Superfície de contato e finidade química entre os reagentes umento da Concentração dos Reagentes Maior numero de colisão Maior velocidade da reação 3. Temperatura umento da Temperatura Maior numero colisão de Maior velocidade da reação regra de Van t Hoff- em alguns casos, um aumento de ºC duplica a velocidade da reação Catalisadores/Inibidores: São substâncias capazes de acelerar (catalisador) ou retardar (inibidores) uma reação sem sofrerem alteração permanente, isto é, não são consumidas durante a reação. Ex: Enzimas catalisadores biológicos, catalisadores automotivos, e outros. Inibidores para reduzir significativamente a velocidade de corrosão em algum material metálico, utiliza-se inibidores do tipo anódicos, catódicos ou mistos. Tipos de Catálise: Homogênea: estão na mesma fase que os reagentes. Ex: Decomposição da água oxigenada H O (aq) pelo I - (aq). Heterogênea: estão em fases separadas. Ex: Catalisadores utomotivos Catalisadores Biológicos 5 6

5 utocatálise Consiste na reação onde os produtos da reação agem como catalisador da própria reação. proporção em que a reação ocorre a velocidade da reação é cada vez mais rápida. 3 Cu (s) + 8 HNO 3(aq) 3 Cu(NO 3 ) (aq) + NO (g) + 4 H O (l) Teoria das colisões s colisões entre as moléculas podem ser: Não efetivas e Efetivas. Essa teoria prevê que a velocidade da reação depende: a) Frequência dos choques entre as moléculas quanto maior for o número de choques entre as moléculas, maior será a velocidade da reação; b) Energia decorrente dos choques quanto maior for a energia mais eficaz será a ocorrência da reação. Entretanto, quanto menor a energia, menor será a possibilidade de formação da reação. 7 8 c) Orientação apropriada das moléculas no instante do choque posição favorável para ocorrer a formação de uma nova substância. O (g) + N (g) NO (g) Colisão eficaz: H I I H H I I H Colisão não eficaz: H H I I H H I I Complexo ativado: Consiste no estado intermediário (estado de transição) formado entre reagentes e produtos, em cuja estrutura existem ligações enfraquecidas, presentes nos reagentes e nos produtos. 9

6 Energia de tivação (Ea): É a energia mínima que as molécula devem ter para que a colisão seja favorável e, assim, ocorra a reação. Menor energia de ativação Maior velocidade da reação Dependência da Velocidade com a Temperatura velocidade de uma reação aumenta com a temperatura. Sua dependência é expressa pela equação de rrhenius. E a /RT k e Onde: = fator pré-exponencial E a E a E a = energia de ativação Graficamente E a lnk ln R T Velocidade é muito sensívelcoma T Velocidade é poucosensívelcoma T Catalisador: O catalisador não afeta o H; Diminui a energia de ativação da reação; E acelera a reação, sem ser consumido no processo. 3 4

7 Lei da Velocidade NH + 4 (aq) + NO - (aq) N (g) + H O (l) Lei da Velocidade para uma Reação Geral Exemplo, Considerando uma equação: lei de velocidade será, n + mb xc+ yd velocidade= k[] n [B] m Em geral, as velocidades aumentam à medida que as concentrações aumentam!! velocidade [NH 4+ ][NO - ] Em que, n e m são respectivamente, a ordem de reação da concentração e B. E o somatório de n+m = ordem global da reação. 5 6 Lei da velocidade H O (aq) H O (l) + O (g) Experimentos [H O ] (mol.l - ) Velocidade (mol.l -.min - ) I,,. -3 II,,. -3 III,4 4,4. -3 IV,6 6,6. -3 Experimento: I e II dobro da concentração e a velocidade; I e III quadruplica a concentração e a velocidade; Conclui-se que, a concentração é proporcional a velocidade. Matematicamente, V = K [H O ] OBSERVÇÕES:. ordem de uma reação governa a forma matemática da lei de velocidade;. ordem de reação não pode ser prevista a partir da equação estequiométrica, ela deve ser investigada experimentalmente; 3. Quando a ordem de reação coincide com a estequiometria da reação, é confiável supor que a reação ocorre segundo a equação. Caso contrário, temos que propor um mecanismo que concorde com a ordem de reação observada experimentalmente; 4. ordem de reação não necessita ser um número inteiro. Geralmente, reações de ordem fracionária significam complexidade no mecanismo. 7 8

8 Vários métodos são úteis na determinação das equações de velocidade: Método do isolamento: admitindo-se a pseudoordem - um reagente está em excesso em relação ao outro. Método das velocidades iniciais Leis de velocidades integradas 9 3 Reação de ª Ordem - d k; Supondo : integrando ambos os lados t d k ln ln P kt ln (primeira ordem) d d velocidade, como é consumo : - k por separação de variáveis kt t t t Graficamente, ln t kt ln Y = mx + b 3 3

9 Reação de ª Ordem Supondo uma reação d k t d - k kt Produtos ou + B Produtos kt Graficamente, kt t Reação de Ordem Zero Supondo a reação ser de ordem zero : d k t d - k kt kt Resumo 35 36

10 Tempo de meia-vida: Tempo necessário para que a concentração de uma espécie reduza à metade do seu valor inicial. [] = [] / ln Primeira ordem :T k Segunda ordem : T k Ordem zero :T k Mecanismo da Reação Consiste de uma série de etapas individuais denominada de processos elementares; Ex, NO H H O N NO N O N O H N O H N O H N H O O (rápido) (lento) (rápido) s etapas elementares são classificadas em função do numero de moléculas (ou íons, átomos ou radicais livres) que se juntam, podem ser unimolecular, bimolecular e termolecular; molecularidade de cada etapa elementar é um numero inteiro e positivo; Quando um mecanismo consiste de duas etapas elementares, é provável que ambas ocorrem em velocidade distintas. Etapa Elementar Molecularidade Equação de Velocidade Produto Unimolecular V=K[] +B Produto Bimolecular V=K[][B] + Produto Bimolecular V=K[] + B Produto Termolecular V=K[] [B] 39

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