Aula 43 Página 1. Vejamos um exemplo que ilustra a formação do complexo ativado:

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1 CURSINHO ETWB 2012 Componente Curricular: Química Professor: Ricardo Honda Data: Terça-feira, 04/09/2012 Tema da aula: Cinética Química: Fatores que influenciam na rapidez de transformações químicas O conhecimento e o estudo da velocidade das reações, além de ser muito importante em termos industriais, também está relacionado ao nosso dia-a-dia, por exemplo, quando guardamos alimentos na geladeira para retardar sua decomposição ou usamos panela de pressão para aumentar a velocidade de cozimento dos alimentos. As reações químicas ocorrem com velocidades diferentes e estas podem ser alteradas. Teoria das colisões Vários fatores são responsáveis pela ocorrência de uma reação química. Entre os reagentes deve existir uma tendência à reação (afinidade química) e, além disso, eles devem estar em contato, o que permitirá a colisão entre suas moléculas, acarretando quebra de ligações e formação de novas ligações. Em todas as reações, os átomos que formam os reagentes se rearranjam, originando os produtos. No entanto, nem todos os choques entre as partículas que compõem os reagentes dão origem a produtos (choques não eficazes). Os choques que resultam em quebra e formação de novas ligações são denominados eficazes ou efetivos. No momento em que ocorre o choque em uma posição favorável, forma-se uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos denominada complexo ativado. Complexo ativado é o estado intermediário (estado de transição) formado entre reagentes e produtos, em cuja estrutura existem ligações enfraquecidas (presentes nos reagentes) e formação de novas ligações (presentes nos produtos). Vejamos um exemplo que ilustra a formação do complexo ativado: Para que ocorra a formação do complexo ativado, as moléculas dos reagentes devem apresentar energia suficiente, além da colisão em geometria favorável. Essa energia denominamos energia de ativação (Ea). Energia de ativação (Ea) é a menor quantidade de energia necessária que deve ser fornecida aos reagentes para a formação do complexo ativado e, consequentemente, para a ocorrência da reação. Esse fato ocorre tanto para as reações exotérmicas quanto para as endotérmicas, e seus diagramas, indicando o caminho da reação e a entalpia, podem ser representados por: Aula 43 Página 1

2 Experimentalmente, temos que reações diferentes apresentam energias de ativação diferentes, sendo que as reações que exigem uma menor energia de ativação ocorrem mais rapidamente, ou seja, ocorrem com maior velocidade. Fatores que influenciam na rapidez de transformações químicas Superfície de contato Quando um reagente está no estado sólido, a reação ocorrerá na sua superfície. Assim, quanto mais fragmentado (disperso) for esse reagente, maior será o número de choques, e maior será a velocidade da reação. Quanto maior a superfície de contato dos reagentes, maior a velocidade da reação. Para investigar o efeito da superfície de contato na velocidade, vamos considerar a reação a seguir: A efervescência no CaCO 3 (s) na forma de pó é mais acentuada (maior superfície de contato). O aumento da superfície intensificou a velocidade da reação, mas não a quantidade do produto formado. Portanto, o volume de CO 2 produzido será o mesmo ao final das duas reações. Graficamente, temos: Temperatura Um alimento cozinha mais rapidamente numa panela de pressão (a água ferve a uma temperatura maior), o que favorece o cozimento. Para melhor conservação dos alimentos, devemos guardá-los em freezers; diminuindo a temperatura estaremos diminuindo a velocidade das reações responsáveis pela decomposição. O primeiro cientista a relacionar a variação de temperatura e a velocidade das reações foi Jacobus Van t Hoff, no final do século XIX. Ele estabeleceu a seguinte regra: Regra de Van t Hoff: um aumento de 10 ºC faz com que a velocidade da reação dobre. Assim, temos, por exemplo: Catalisador Nosso sistema digestório converte os nutrientes em substâncias que podem ser absorvidas e utilizadas pelas células. Essa transformação é feita por enzimas, que constituem catalisadores biológicos, e são altamente específicas. Catalisadores: substâncias capazes de acelerar uma reação sem sofrerem alteração permanente, isto é, não são consumidas durante a reação. Os catalisadores criam um caminho alternativo, que exige menor energia de ativação, fazendo com que a reação se processe de maneira mais rápida. Aula 43 Página 2

3 Observações: 1. Um catalisador acelera a reação, mas não aumenta seu rendimento, isto é, ele produz a mesma quantidade de produto, mas num período de tempo menor. 2. O catalisador não altera o ΔH da reação. 3. Um catalisador acelera tanto a reação direta quanto a inversa, pois diminui a energia de ativação de ambas. Concentração dos reagentes A velocidade de uma reação depende também da concentração dos reagentes, pois ela está relacionada com o número de choques entre as moléculas. Vamos aplicar esse conceito a uma reação genérica: 1 A + 1 B 1 AB O número de choques e, consequentemente, a velocidade irão depender das concentrações de A e B. Vamos considerar quatro situações em que varia o número de moléculas de A e B, num mesmo volume e numa mesma temperatura: Essa relação demonstra que o número de colisões e, consequentemente, a velocidade da reação são proporcionais ao produto das concentrações. Observação: Em reações envolvendo reagentes gasosos, quando se aumenta a pressão, ocorre uma diminuição de volume e consequentemente há aumento nas concentrações dos reagentes. A expressão matemática que relaciona a velocidade de uma reação com a concentração dos reagentes é denominada lei da velocidade ou lei cinética e será vista na Aula 44. EXERCÍCIOS DE CLASSE 1. (FUVEST 2011) Ao abastecer um automóvel com gasolina, é possível sentir o odor do combustível a certa distância da bomba. Isso significa que, no ar, existem moléculas dos componentes da gasolina, que são percebidas pelo olfato. Mesmo havendo, no ar, moléculas de combustível e de oxigênio, não há combustão nesse caso. Três explicações diferentes foram propostas para isso: I. As moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio estão em equilíbrio químico e, por isso, não reagem. II. À temperatura ambiente, as moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio não têm energia suficiente para iniciar a combustão. III. As moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio encontram-se tão separadas que não há colisão entre elas. Dentre as explicações, está correto apenas o que se propõe em a) I. d) I e II. b) II. e) II e III. c) III. Aula 43 Página 3

4 2. (FUVEST 2010) Um estudante desejava estudar, experimentalmente, o efeito da temperatura sobre a velocidade de uma transformação química. Essa transformação pode ser representada por: Após uma série de quatro experimentos, o estudante representou os dados obtidos em uma tabela: Número do experimento temperatura (ºC) massa de catalisador (mg) concentração inicial de A (mol/l) 0,1 0,1 0,1 0,1 concentração inicial de B (mol/l) 0,2 0,2 0,2 0,2 tempo decorrido até que a transformação se completasse (em segundos) Que modificação deveria ser feita no procedimento para obter resultados experimentais mais adequados ao objetivo proposto? a) Manter as amostras à mesma temperatura em todos os experimentos. b) Manter iguais os tempos necessários para completar as transformações. c) Usar a mesma massa de catalisador em todos os experimentos. d) Aumentar a concentração dos reagentes A e B. e) Diminuir a concentração do reagente B. 3. (FUVEST) Foram realizados quatro experimentos. Cada um deles consistiu na adição de solução aquosa de ácido sulfúrico de concentração 1 mol/l a certa massa de ferro. A 25 ºC e 1 atm, mediram-se os volumes de hidrogênio desprendido em função do tempo. No final de cada experimento, sempre sobrou ferro que não reagiu. A tabela mostra o tipo de ferro usado em cada experimento, a temperatura e o volume da solução de ácido sulfúrico usado. O gráfico mostra os resultados. Experimento Material Temperatura (ºC) Volume da solução de H 2 SO 4 (ml) A pregos B limalha C limalha D limalha As curvas de 1 a 4 correspondem, respectivamente, aos experimentos a) D C A B b) D C B A c) B A C D d) C D A B e) C D B A EXERCÍCIOS COMPLEMENTARES 1. (FUVEST) Em solução aquosa ocorre a transformação: H 2 O I H + 2 H 2 O + I 2 (Reagentes) (Produtos) Em quatro experimentos, mediu-se o tempo decorrido para a formação de mesma concentração de I 2, tendo-se na mistura de reação as seguintes concentrações iniciais de reagentes: Experimento Concentrações iniciais (mol/l) H 2 O 2 I - H + Tempo (s) 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: a) H 2 O 2 e I -. b) H 2 O 2 e H +. c) H 2 O 2. d) H +. e) I -. Aula 43 Página 4

5 2. (UFV-MG 2012) A reação entre o carbonato de cálcio, um dos componentes do mármore, e o ácido clorídrico está representada a seguir. CaCO 3 (s) + 2 HCl (aq) CaCl 2 (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Três experimentos foram realizados num laboratório empregando-se diferentes amostras de carbonato de cálcio e soluções aquosas de ácido clorídrico, conforme apresentado no quadro a seguir. Experimento Amostra de CaCO 3 Solução aquosa de HCl Velocidade de formação de CO 2 I 1 grama em pedaços 5 ml; 1 mol L 1 V 1 II 1 grama em pó 5 ml; 1 mol L 1 V 2 III 1 grama em pó 5 ml; 2 mol L 1 V 3 Todos os experimentos foram realizados sob as mesmas condições de temperatura e pressão, sendo determinada a velocidade de formação de CO 2 em cada um deles. Assinale a alternativa que contém a relação CORRETA entre as velocidades de formação de CO 2, observadas nos experimentos: a) V 1 > V 2 > V 3 b) V 1 < V 2 < V 3 c) V 1 = V 2 = V 3 d) V 1 = V 2 > V 3 3. (UNESP 2009/2) A China, sede das Olimpíadas de 2008, foi o berço de muitas invenções e descobertas de grande impacto para a humanidade, como o papel, a bússola e a pólvora, entre outras. O uso bélico da pólvora implica a adequação da velocidade de sua queima ao tipo de arma a que se destina. Considerando-se a reação química da queima da pólvora, representada pela equação: 4 KNO 3 (s) + 7 C (s) + S (s) 3 CO 2 (g) + 3 CO (g) + 2 N 2 (g) + K 2 CO 3 (s) + K 2 S (s) identifique a alternativa que corresponde à melhor opção para aumentar a velocidade da explosão da pólvora. a) Promover a reação sob atmosfera de N 2. b) Utilizar pólvora previamente refrigerada. c) Utilizar pólvora finamente pulverizada. d) Utilizar excesso de carvão. e) Usar uma solução supersaturada de pólvora. Aula 43 Página 5