Cinética Química 17/04/17. V m h. Prof. Xuxu. Velocidade das reações químicas. Velocidade das reações químicas. Velocidade Média. Hora da saída: 11:45

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1 Seja Bem-indo a Goiânia elocidade Média Cinética Química Hora da saída: 11:45 Δd 40km m 40 km Δt 1h h Distância Hidrolândia: 40 km Seja Bem-indo a Hidrolândia Prof. Xuxu Hora da chegada: 12:45 elocidade das reações químicas. elocidade das reações químicas. 2 NaN 3(s) 2 Na (s) + 3 N 2(g) G s que infla o airbag 2 Fe (s) + 3/2 (g) Fe 2 O 3 (s) Ferrugem A cabeça de palito de fósforo contém uma substância chamada trissulfeto de tetrafósforo. Esse composto inflama na presença de oxigênio, ocorrendo, à pressão ambiente, a liberação de uma grande quantidade de calor. P 4 S 3(s) + 8 (g) P 4 O 10(s) + 3 S(g) 1

2 elocidade de consumo/formação de uma substância A velocidade de consumo/formação de uma substância que participa de uma reação, é calculada através da variação da quantidade(nº de mol, massa ou concentração molar) pelo tempo com que a variação ocorreu. ΔQ Δt Concentração 2 N 2 O 5(g) à 4 (g) + 1 (g) Representação Gráfica 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, N2O5 NO2 O2 N 2 O 5 Note que a inclinação da curva é maior que a curva, fato relacionado com os coeficientes estequiométricos 2 N 2 O 5(g) à 4 (g) + 1 (g) 2 N 2 O 5(g) à 4 (g) + 1 (g) N 2O 5 N 2O 5 N 2O 5 N 2O 5 a) elocidade média de consumo do N 2 O 5 entre t 0 e t 5 min: b) elocidade média de consumo do N 2 O 5 entre t 5 e t 10 min: 0,08 mol L 0,112mol L 0,056mol L 0,08 mol L m ( 0 5) 0,0064 mol L.min m ( 5 10) 0,0048 mol L.min 5min 0min 10 min 5min a) elocidade média de produção do entre t 0 e t 5 min: b) elocidade média de produção do entre t 5 e t 10 min: 0,064mol L 0mol L 0,112mol L 0,064mol L m ( 0 5) 0,0128mol L.min m ( 5 10) 0,0096 mol L.min 5min 0min 10 min 5min ω ( mol/ ω ( mol/ [ ] N 2 O 5(g) [ ] t t 2

3 elocidade média da reação (m) Considere uma reação genérica: aa + bb à cc + dd Em que as letras minúsculas são os coeficientes (nº de mol) e as maiúsculas são as substâncias participantes da reação. a b A B C m c D d elocidade média de uma reação 2 A à 4B + C 2 à ,02 mol/l.min 0,04 mol/l.min 0,01 mol/l.min média da reação 0,02 mol/l.min 0,04 mol/l.min 0,01 mol/l.min média da reação 0,01 mol/l.min Exercício resolvido Considere a equação abaixo: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Sabendo que:[h 2 ] inicial 6 mol/l; [H 2 ] final 2 mol/ L; Δt 20 min. Responda: a) Qual a velocidade média da reação? Resposta: Como os dados referem-se ao H 2 devemos calcular primeiramente sua velocidade: [H 2] H Δ H2 H2 Δ t H2-0,2 mol/l min Agora vamos calcular a velocidade média da reação. B H2 m m m b 3 m 0,07 mol/l min b) qual a velocidade de formação do NH 3? NH3 m 2 0,07 NH3 0,14 NH3 NH3 0,14 mol/l min 2 0,2 3 3

4 Lei de Guldberg-Waage ou Lei da velocidade A influência da concentração dos reagentes sobre a velocidade das reações foi enunciada em 1864 pelos cientistas Cato Maximilian Guldberg e Peter Waage, por meio da lei da ação das massas. A velocidade de uma reação é diretamente proporcional ao produto das concentrações molares dos reagentes, elevadas a expoentes determinados experimentalmente. Lei de Guldberg-Waage ou Lei da velocidade Considere a reação genérica: a A + b B c C + d D k [A] a [B] b velocidade da reação; k constante da reação; [A]; [B] concentrações de A e B em mols/l; a coeficiente de A;ordem da reação em relação a A; b coeficiente de B; ordem da reação em relação a B; a + b ordem global da reação. Fique Ligado: A lei da velocidade deve ser aplicada para reações elementares (reações que ocorrem em uma única etapa) No mecanismo de reações (reações que ocorrem em várias etapas) devemos considerar a etapa lenta como a propulsora da expressão da lei da velocidade. Quando uma reação ocorrer em duas ou mais etapas, a velocidade da reação global será determinada pela etapa lenta, chamada de etapa determinante da reação. Dado a Reação elementar: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Lei da velocidade: k [N 2 ] [H 2 ] 3 Ordem da reação: então 4ª ordem 4

5 Observações Dado o mecanismo abaixo: H 2 (g) + 2NO(g) N 2 O(g) + H 2 O(l) (lenta) H 2 (g) + N 2 O(g) N 2 (g) + H 2 O(l) (rápida) 2H 2 (g)+2no(g) N 2 (g)+2h 2 O(l) (equação global) k é a constante de velocidade e depende fundamentalmente da temperatura. Substâncias no estado sólido não participam da expressão de velocidade. Então: k [H 2 ] [NO] 2 Na 2 O(s) + C (g) Na 2 CO 3 (s) k [C ] Para a reação não-elementar: H 2 + 2I - + 2H + 2H 2 O + I 2 Foram obtidos os seguintes resultados: No estudo cinético de uma reação foram obtidos os seguintes dados: A velocidade da reação depende apenas das concentrações de H 2 e I -. A expressão da velocidade pode ser representada por : k [HgCl 2 ]. [C 2 O 4 2- ] 2 5

6 EQUAÇÃO DE ARRHENIUS k Ae Ea RT Em que: k- constante de velocidade A fator de freqüência (medida da probabilidade de uma colisão eficaz) Ea energia de ativação (kj/ mol) R constante dos gases ideais ( em unidades S.I. 8,314 J/K. mol) T temperatura absoluta Quanto menor Ea e maior T, maior k. Equação da velocidade 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. Logo: dc v dt A velocidade de reação normalmente é representada pela letra r (do inglês rate), e assim a forma realmente usual será então a seguinte: r a a dc dt a Utilidade das equações cinéticas 1- Calcular a velocidade de uma reação a partir do conhecimento da constante de velocidade e das concentrações de reagentes; 2- Calcular a concentração de reagentes em qualquer instante durante o decorrer de uma reação. Ordem da reação O termo ordem vem da matemática onde é utilizado na classificação das equações diferenciais. As leis de velocidade são equações diferenciais. Em cinética química, tais equações são classificadas de acordo com a ordem da 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. 6

7 de meia-vida (t 1/2 ): é o tempo necessário para que a concentração de uma reagente diminua para metade do seu valor inicial. Meia ida Ordem 1 Resumo da cinética de reações de ordem zero, 1ª ordem e 2ª ordem 0 Equação cinética elocidade k elocidade k [A] Equação concentração-tempo [A] [A] 0 - kt ln[a] ln[a] 0 - kt de meia-vida t ½ t ½ [A] 0 2k ln2 k 2 elocidade k [A] 2 1 [A] 1 [A] + kt 0 t ½ 1 k[a] 0 de meia vida reação de primeira ordem. Fatores que influenciam na velocidade de uma reação química Basicamente a ocorrência de uma reação depende de: Contato entre as partículas: (átomos, moléculas ou íons) dos reagentes. Afinidade química: uma certa tendência natural para reagir. Choques eficazes (colisões efetivas): a colisão entre as partículas dos reagentes deve ocorrer em uma orientação favorável, para que as ligações existentes nos reagentes sejam rompidas. Energia de ativação: para que uma reação aconteça, é necessário um mínimo de energia, além daquela que os reagentes já apresentam. Superfície de contato Quanto maior a superfície de contato entre os reagentes, ou seja, quanto mais pulverizado/ fragmentado maior o número de colisões entre as partículas reagentes. Isso faz com que aumente o número de colisões eficazes, aumentando a velocidade da reação. 40kg em forma de gravetos de madeira (queima mais rápido) 40kg em forma de tora de madeira (queima mais lento) 7

8 Temperatura Aumentado a temperatura, aumenta a energia cinética das moléculas reagentes (grau de agitação das moléculas), o que proporciona um aumento no número de colisões e aumento do número de moléculas com energia igual ou superior à energia de ativação, aumentado a velocidade da reação. Lavar roupas em água fria (demora mais para retirar manchas) Lavar roupas em água quente (retira as manchas mais rapidamente) Concentração Aumentando a concentração (quantidade ou até mesmo a pressão de um gás) estamos aumentando o número de choques entre as partículas reagentes, o que conseqüentemente aumenta a velocidade da reação. Se você tomar 10 gotas de um analgésico e a dor de cabeça não passar, o que você normalmente faz é tomar mais 10 gotas. ocê aumentou a concentração de analgésico no seu organismo assim ele fará efeito mais rápido. 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. Ex.: N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 ; 1 Fe N (g) + 3H 2 (g) (s) 2NH 3 ; 2 Com certeza o 2 é maior que o 1, pois o ferro age como catalisador na segunda reação. 8

9 Catálise homogênea Catalisador e reagentes estão no mesmo estado físico (possui apenas uma fase). 2H 2 (aq) ) OH ( aq 2H 2 O (l) + (g) Catálise heterogênea Catalisador e reagentes se encontram em estados físicos diferentes (possui duas ou mais fases). 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. C 2 H 4 (g) + H 2 (g) Ni ( s ) C 2 H 6 (g) 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. 9