CINÉTICA QUÍMICA. Profa. Loraine Jacobs DAQBI.

Transcrição

1 CINÉTICA QUÍMICA Profa. Loraine Jacobs DAQBI

2 Estudo da velocidade das reações químicas. REAGENTES PRODUTOS Termodinâmica Estado de Equilíbrio Cinética Tempo necessário para a transformação

3 Termodinâmica vs Cinética Transformação do Diamante em Grafite Termodinâmica Reação Espontânea, ou seja, G 0 Cinética Tempo necessário para a transformação muito elevado.

4 Velocidade Média Calculada através da variação de distância percorrida e o tempo necessário para o percurso. v = d distância t tempo

5 Velocidade Média Em reações químicas a distância percorrida é a variação da concentração de reagentes ou produtos Representada por [ ] Sempre definidas para serem valores positivos v = [Produtos] t v =- [Reagentes] t Atenção!!! Quando uma reação ocorre a [R] f será sempre menor que a [R] i.

6 Velocidade Média Ex: Decomposição da água oxigenada H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O(g) + O 2 (g)

7 Velocidade Média e Estequiometria Na reação: 2O 3 3O 2 Para que as velocidades tenham parâmetros iguais, devemos levar em consideração o coeficiente estequiométrico. Assim podemos dizer que: [Produtos] =- [Reagentes] p t r t = coeficiente estequiométrico

8 Velocidade Média e Estequiometria Na reação: 2O 3 3O 2 Para o exemplo citado, teremos que: [O 2 ] =- [O 3 ] 3 t 2 t Desta forma, podemos obter velocidade de produção do composto ou a velocidade de consumo dos reagentes.

9 Exercício 01: A reação: 2O 3 3O 2 foi estudada em um experimento e, a velocidade de consumo do ozônio foi de 2, mol.l -1.s -1. Qual a velocidade de produção de O 2 neste experimento? [Produtos] =- [Reagentes] p t r t

10 Velocidade Instantânea Limite da velocidade média para um intervalo de tempo tendendo a zero. r = [R]/dt = lim t 0 [R]/ t

11 Velocidade Instantânea

12 Velocidade Instantânea

13 Velocidade Instantânea Cálculo Gráfico

14 Velocidade Instantânea Cálculo Gráfico Assinalar o ponto P, que corresponde ao instante de tempo t1 considerado. Traçar um segmento de reta tangente ao gráfico passando pelo ponto P. Construir um triângulo retângulo, como o triângulo ABC, tendo esse segmento de reta tangente como hipotenusa. Os catetos são tomados paralelamente aos eixos. Estabelecer o valor de x, segmento BC, e o valor de t, segmento AC. Calcular o cociente de x por t e o resultado é v(t1), o módulo da velocidade instantânea no instante de tempo considerado.

15 Leis de Velocidade Equações matemáticas que resumem o comportamento de uma reação química. Divididas em: Lei de Velocidade Diferencial Lei de Velocidade Integrada Estes métodos permitem a obtenção da ordem de reação e da constante de velocidade (k)

16 Lei de Velocidade Diferencial Dada a reação: X + Y Z A velocidade será representada por v = k[x] m [Y] n Onde: k = constante de velocidade m e n = ordem de reação [X] e [Y] = concentração dos reagentes X e Y

17 Lei de Velocidade Diferencial Quando a lei de velocidade depende de mais de um reagente, teremos a ordem de reação total e a ordem em relação a cada reagente. Utilizando o exemplo anterior v = k[x] 2 [Y] 1 Neste caso, dizemos que a reação tem ordem 3, sendo de 2ª ordem para o reagente X e de 1ª ordem para o reagente Y

18 Lei de Velocidade Diferencial Quando a lei de velocidade depender também do produto, temos de incluí-lo na equação de velocidade e também determinar a ordem de reação em relação a ele. Utilizando a reação X + Y Z, teríamos que: v = k[x] 2 [Y] 1 neste caso escrevemos: [Z] 1 v = k[x] 2 [Y] 1 [Z] -1 A reação tem ordem 2 sendo de 2ª ordem para o reagente X, de 1ª ordem para o reagente Y e de 1ª ordem para o produto

19 Exercício 02: Lei de Velocidade Diferencial Determine as ordens em relação a cada reagente e a ordem total da reação cuja lei de velocidade é representada por: v = k[a][b] ½

20 Exercício 03: Lei de Velocidade Diferencial Determine as ordens em relação a cada reagente e a ordem total da reação cuja lei de velocidade é representada por: v = k[a] 2 [B] ½ [C] 2

21 A constante de velocidade k Indica o desenvolvimento da reação (lenta ou rápida). Não se altera para uma mesma reação exceto se houver alteração de T Unidades de k Para reações de 1ª ordem: s -1 Para reações de 2ª ordem: L.mol -1.s -1 Quanto maior o valor da constante de velocidade (k), mais rapidamente se processa a reação.

22 Determinando k e a Lei de Velocidade Dada a seguinte equação de velocidade v = k.[a] n Observamos que quando n for igual a: 0 ao dobrarmos a [A] não teremos alteração de v. 1 ao dobrarmos a [A] a velocidade de reação duplicará. 2 ao dobrarmos [A] a velocidade quadruplicará.

23 Determinando k e a Lei de Velocidade Considere a reação abaixo e observe a tabela: 2N 2 O 5(g) 4NO 2(g) + O 2(g) Experimento [N 2 O 5 ] inicial (mol.l -1 ) V inicial (mol.l -1.s -1 ) , Qual a ordem da reação e o valor da constante de velocidade (k)?

24 Determinando k e a Lei de Velocidade Para 2 reagentes o procedimento é similar NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 Experimento [NO 2 ] inicial (mol.l -1 ) [O 3 ] inicial (mol.l -1 ) V inicial (mol.l -1.s -1 ) 1 2, , , , , Qual a ordem da reação e o valor da constante de velocidade (k)?

25 Lei de Velocidade Integrada Mostra a variação das concentrações com o tempo. Deduzida através da integração da lei de velocidade. Lembrando que v = [ ] t

26 Lei de Velocidade Integrada Para reação de ordem zero: v = k.[a] 0 Portanto v = k (Velocidade independe da[ ]) - [R] = k... Convertendo infinitesimalmente t -d [R] = k ou d [R]= -k. dt dt

27 Lei de Velocidade Integrada Integrando no intervalo entre 0 e t, teremos: [A] t - [A] 0 = -k.t Para compararmos à uma equação de reta, rearranjamos os termos: [A] t = [A] 0 -k.t y = a b.x

28 Reações de Ordem Zero Com esta informação é possível expressar o comportamento da velocidade graficamente e se obter o valor de (k) Coeficiente Angular será o valor de k.

29 Lei de Velocidade Integrada Para reação de primeira ordem: v = k.[a] 1 Portanto v = k[a] - [R] = k.[a] t Convertendo infinitesimalmente -d [R] = k [A] ou d [R]= -k. [A] dt dt

30 Lei de Velocidade Integrada Integrando no intervalo entre 0 e t, teremos: ln[a] t = -k.t ou [A] t = [A] 0.e -k.t [A] 0 Comparando à uma equação de reta para observar o comportamento da velocidade, temos: [A] t = [A] 0.e -k.t y = b.x

31 Reações de Primeira Ordem Representação Gráfica Comportamento exponencial - [A] t = [A] 0.e -k.t Não fornece o valor de k

32 Reações de Primeira Ordem Representação Gráfica Para se obter o valor de k usa-se Coeficiente Angular será o valor de k. ln[a] t = -k.t [A] 0 ln[a] t [A] 0

33 Reações de Primeira Ordem Exercício 04: A fotodissociação do O 3 pela luz UV é uma reação de primeira ordem com k = s -1. Considere um experimento onde a [O 3 ] = 5mol.L -1. Qual será a concentração de O 3 após 1 dia? Dado: ln[a] ou [A] t = [A] 0.e -k.t t = -k.t [A] 0

34 Lei de Velocidade Integrada Para reação de segunda ordem: v = k.[a] 2 Portanto v = k[a] 2 - [R] = k.[a] 2 t Convertendo infinitesimalmente -d [R] = k [A] 2 ou d [R]= -k. [A] 2 dt dt

35 Lei de Velocidade Integrada Integrando no intervalo entre 0 e t, teremos: 1-1 = k.t ou 1 = 1 +k.t [A] t [A] 0 [A] t [A] 0 Comparando à uma equação de reta para observar o comportamento da velocidade, temos: 1 = 1 +k.t [A] t [A] 0 y = b.x

36 Reações de Segunda Ordem Representação Gráfica Coeficiente Angular será o valor de k. 1 = 1 + k.t [A] t [A] 0

37 Reações de Segunda Ordem Exercício 05: Entre os possíveis destinos do NO 2 na química atmosférica, está a decomposição para formar NO e O 2. Essa reação foi estudada a 370ºC e os resultados obtidos foram os seguintes: Tempo (s) [NO 2 ] (mol.l -1 ) 0 0, , , , , , ,0035 Com base nesses dados, determine a constante de velocidade (k)