Química Frente IV Físico-química Prof. Vitor Terra Lista 07 Cinética Química Velocidade de uma Reação RESUMO Velocidade média de uma reação v m,x = ΔQ X Δt = Q X,f Q X,i Δt Q X é a quantidade da substância X (em mol, g, L, mol/l...) i: inicial, f: final O mais comum é usar a concentração molar (ou molaridade): v m,x = Δ[X] Δt = [X] f [X] i Δt [X] é a concentração molar da substância X (em mol/l) Para uma reação aa + bb cc + dd: v G = v A a = v B b = v C c = v D d v X: velocidade de produção/consumo de X v G: velocidade global da reação (ou só velocidade da reação ) Uma colisão entre moléculas de reagente é chamado eficaz ou efetivo quando ocorre com: energia suficiente geometria favorável EAT é a energia de ativação: é a quantidade mínima de energia que deve ser fornecida às moléculas de reagente para que ocorra a formação de complexo ativado. Quanto maior for a frequência de colisões eficazes, maior será a velocidade da reação. Quanto maior for a energia de ativação, menor será a velocidade da reação. EXERCÍCIOS DE REVISÃO 1. Um recipiente fechado foi preenchido com N2O5 de modo que a sua concentração inicial fosse 5 mol/l. O N2O5 se decompõe conforme a equação a seguir: 2 N2O5 4 NO2 + O2 Para estudar a decomposição do N2O5, um químico mediu a concentração de N2O5 de 10 em 10 segundos e obteve os resultados da tabela a seguir: [N 2O 5] (mol/l) t (s) 5 0 3,5 10 2,5 20 1,8 30 1,3 40 a) Qual foi a velocidade média de decomposição do N2O5, entre 0 e 10 s? As duas condições precisam ser satisfeitas. Uma colisão eficaz leva à formação do complexo ativado, um intermediário que rapidamente se decompõe, formando os produtos da reação. b) Qual foi a velocidade média de produção do NO2, entre 10 e 20 s? CASD Vestibulares Química Cinética Química 1
c) Qual foi a velocidade média de produção do O2, entre 20 e 30 s? EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. (UFMG) Analise este gráfico, em que está representada a variação da concentração de um reagente em função do tempo em uma reação química: d) Qual foi a velocidade média da reação, entre 30 e 40 s? 2. Considere a reação química representada pela equação e pelo gráfico abaixo: NO2 + CO NO + CO2 Considerando-se as informações desse gráfico, é CORRETO afirmar que, no intervalo entre 1 e 5 minutos, a velocidade média de consumo desse reagente (em mol/l.min) é de a) 0,200. b) 0,167. c) 0,225. d) 0,180. a) Qual é a variação de entalpia da reação? Ela é exotérmica ou endotérmica? b) Como se chama a estrutura indicada por ONO-CO? c) Qual é a energia de ativação da reação direta? d) Qual é a energia de ativação da reação inversa? Lembre-se que a reação no sentido inverso é dada pela equação: NO + CO2 NO2 + CO 2. (PUC-Rio) A amônia é um produto básico para a produção de fertilizantes. Ela é produzida cataliticamente, em altas pressões (processo Haber), conforme a equação: N2 + 3H2 2NH3. Se a velocidade de produção de amônia foi medida como: velocidade = [NH 3 ] t = 2,0 10 4 mol.l 1.s 1 a velocidade da reação em termos de consumo de N2, em mol.l 1.s 1, será: a) 1,0 10 4 b) 2,0 10 4 c) 3,0 10 4 d) 4,0 10 4 e) 5,0 10 4 3. (UFSM - Adaptada) Para que ocorra uma reação química, é necessário que os reagentes entrem em contato, através de colisões, o que se chama Teoria das Colisões. Essa teoria baseia-se em que I - todas as colisões entre os reagentes são efetivas (ou eficazes). II maior será a velocidade da reação, quanto maior for a frequência de colisões efetivas (ou eficazes) III - existem colisões que não são favoráveis à formação do produto. IV - maior será a velocidade de reação, quanto maior for a energia de ativação. Estão corretas: CASD Vestibulares Química Cinética Química 2
a) apenas I, II e III. b) apenas II e III. c) apenas I e IV. d) apenas I, II e IV. e) apenas III e IV. 4. (UERJ) Reações químicas ocorrem, geralmente, como resultado de colisões entre partículas reagentes. Toda reação requer um certo mínimo de energia, denominada energia de ativação. Os gráficos a seguir representam diferentes reações químicas, sendo R = reagente e P = produto. Dado: Massa molar (g/mol): O2 = 32,0 a) 6,0 b) 5,4 c) 3,4 d) 1,7 7. (UEL-PR) Em fase gasosa, NO2 e CO são misturados em quantidades equimolares. Após 50 segundos a concentração de CO2 é igual a 1,50 10-2 mol/l. A velocidade média da seguinte reação, em mol/(l.s), é NO2 + CO CO2 + NO a) 1,5 10 2 b) 7,5 10 3 c) 3,0 10 3 d) 3,0 10 4 e) 6,0 10 4 8. (PUC-RS) Amostras de magnésio foram colocadas em soluções aquosas de ácido clorídrico de diversas concentrações e temperaturas, havendo total consumo do metal e desprendimento do hidrogênio gasoso. Observaram-se os seguintes resultados: Aquele que representa um processo químico exotérmico de maior energia de ativação é o de número: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 5. (ITA) Considere a reação química representada pela seguinte equação: 4NO2 (g) + O2 (g) 2N2O5 (g) Num determinado instante de tempo t da reação, verifica-se que o oxigênio está sendo consumido a uma velocidade de 2,4 10-2 mol L -1 s -1. Nesse tempo t, a velocidade de consumo de NO2 será de a) 6,0 10-3 mol L -1 s -1. b) 1,2 10-2 mol L -1 s -1. c) 2,4 10-2 mol L -1 s -1. d) 4,8 10-2 mol L -1 s -1. e) 9,6 10-2 mol L -1 s -1. 6. (UERJ) A água oxigenada é empregada, frequentemente, como agente microbicida de ação, oxidante local. A liberação do oxigênio, que ocorre durante a sua decomposição, é acelerada por uma enzima presente no sangue. Na limpeza de um ferimento, esse microbicida liberou, ao se decompor, 1,6 g de oxigênio por segundo. Nessas condições, a velocidade de decomposição da água oxigenada, em mol/min, é igual a: Pela análise dos dados contidos na tabela anterior, é correto afirmar que: a) a velocidade média da reação na amostra I é maior que na amostra II. b) a quantidade de hidrogênio desprendida na amostra II é maior do que na amostra IV. c) a velocidade média da reação na amostra III é igual à da amostra IV. d) a velocidade média de reação na amostra IV é a metade da velocidade média de reação na amostra II. e) A quantidade de hidrogênio desprendido na amostra III é menor do que na amostra IV. 9. (Mackenzie) A combustão da gasolina pode ser equacionada por: C8H18 + O2 CO2 + H2O (equação não balanceada) Considere que após uma hora e meia de reação foram produzidos 36 mols de CO2. Dessa forma, a velocidade média de reação, expressa em número de mols de gasolina consumida por minuto, é de: a) 3,0 b) 4,5 c) 0,1 d) 0,4 e) 0,05 CASD Vestibulares Química Cinética Química 3
10. (UFPR) No gráfico abaixo, estão representadas as concentrações, ao longo do tempo, de quatro substâncias - A, B, C e D - que participam de uma reação hipotética. d) a energia das ligações quebradas na combustão é maior que a energia das ligações formadas. e) se utiliza um fósforo para acender o fogo, pois sua chama fornece energia de ativação para a ocorrência da combustão. 13. (Unesp) Em um laboratório de química, dois estudantes realizam um experimento com o objetivo de determinar a velocidade da reação apresentada a seguir. MgCO3 s 2HC aq MgC 2 aq H2O CO2 g Sabendo que a reação ocorre em um sistema aberto, o parâmetro do meio reacional que deverá ser considerado para a determinação da velocidade dessa reação é A partir destas informações, é correto afirmar: (01) As substâncias A e B são reagentes da reação. (02) A velocidade de produção de C é menor que a velocidade de produção de A. (04) Transcorridos 50 s do início da reação, a concentração de C é maior que a concentração de B. (08) Nenhum produto se encontra presente no início da reação. (16) A mistura das substâncias A e D resulta na produção de B. (32) As substâncias A, B e D estão presentes no início da reação. Soma ( ) 11. (UFMG) Um palito de fósforo não se acende, espontaneamente, enquanto está guardado. Porém basta um ligeiro atrito com uma superfície áspera para que ele, imediatamente, entre em combustão, com emissão de luz e calor. Considerando-se essas observações, é CORRETO afirmar que a reação: a) é endotérmica e tem energia de ativação maior que a energia fornecida pelo atrito. b) é endotérmica e tem energia de ativação menor que a energia fornecida pelo atrito. c) é exotérmica e tem energia de ativação maior que a energia fornecida pelo atrito. d) é exotérmica e tem energia de ativação menor que a energia fornecida pelo atrito. a) a diminuição da concentração de íons Mg 2+. b) o teor de umidade no interior do sistema. c) a diminuição da massa total do sistema. d) a variação da concentração de íons C. e) a elevação da pressão do sistema. 14. (Unesp) Uma forma de obter hidrogênio no laboratório é mergulhar zinco metálico em uma solução de ácido clorídrico, conforme a reação descrita pela equação apresentada a seguir. Zn(s) 2HC (aq) ZnC (aq) H 2 (g) Considere que uma tira de zinco metálico foi colocada em um recipiente contendo HC em solução aquosa na concentração de 1 mol/l. Em 20 segundos a temperatura do recipiente elevou-se em 0,05 C e 25 ml de hidrogênio foram produzidos. Considerando que essa reação ocorreu a 27 C e 1 atm, determine a velocidade da reação em ml H2/s e em mol H2/s. 1 1 Use: R 0,082 L atm K mol 15. (UFRGS) As figuras a seguir representam as colisões entre as moléculas reagentes de uma mesma reação em três situações. 12. (Cesgranrio) Com relação a um fogão de cozinha, que utiliza mistura de hidrocarbonetos gasosos como combustível, é correto afirmar que: a) a chama se mantém acesa, pois o valor da energia de ativação para ocorrência da combustão é maior que o valor relativo ao calor liberado. b) a reação de combustão do gás é um processo endotérmico. c) a entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos reagentes na combustão dos gases. CASD Vestibulares Química Cinética Química 4
Pode-se afirmar que a) na situação I, as moléculas reagentes apresentam energia maior que a energia de ativação, mas a geometria da colisão não favorece a formação dos produtos. b) na situação II, ocorreu uma colisão com geometria favorável e energia suficiente para formar os produtos. c) na situação III, as moléculas reagentes foram completamente transformadas em produtos. d) nas situações I e III, ocorreram reações químicas, pois as colisões foram eficazes. e) nas situações I, II e III, ocorreu a formação do complexo ativado, produzindo novas substâncias. 16. (Unifesp) Tetróxido de dinitrogênio se decompõe rapidamente em dióxido de nitrogênio, em condições ambientais. N2O4 (g) 2NO2 (g) A tabela mostra parte dos dados obtidos no estudo cinético da decomposição do tetróxido de dinitrogênio, em condições ambientais. a) A curva A refere-se ao Li e a curva B ao Ca. b) As velocidades das duas reações não são constantes. c) A velocidade média de produção de hidrogênio é maior na reação de Ca com água. d) a relação entre as quantidades de Li e de Ca, em mols, deverá ser de 2:1, para produzir a mesma massa de hidrogênio. e) a relação entre as massas de Ca e de Li deverá ser de 20:7, para que, em iguais condições de T e P, os volumes de hidrogênio liberados sejam iguais. 18. (UFMG) A água oxigenada, H2O2, decompõese para formar água e oxigênio, de acordo com a equação: H2O2(l) H2O(l) + 1/2 O2(g) A velocidade dessa reação pode ser determinada recolhendo-se o gás em um sistema fechado, de volume constante, e medindo-se a pressão do oxigênio formado em função do tempo de reação. Em uma determinada experiência, realizada a 25 C, foram encontrados os resultados mostrados no gráfico. Os valores de x e de y na tabela e a velocidade média de consumo de N2O4 nos 20 μs iniciais devem ser, respectivamente, a) 0,034; 0,025 e 1,7 10-3 mol.l 1.μs 1. b) 0,034; 0,025 e 8,5 10-4 mol.l 1.μs 1. c) 0,033; 0,012 e 1,7 10-3 mol.l 1.μs 1. d) 0,017; 0,033 e 1,7 10-3 mol.l 1.μs 1. e) 0,017; 0,025 e 8,5 10-4 mol.l 1.μs 1 17. (PUC-SP) Considere o experimento realizado para estudar a reação de Ca e de Li com água: - pesou-se 0,05g de cada metal e fez-se separadamente a reação com água em excesso. - mediu-se o volume de hidrogênio liberado a cada 15 segundos. Com os dados obtidos, construiu-se o gráfico a seguir: Considerando-se o gráfico, pode-se afirmar que a velocidade de decomposição da água oxigenada. a) é constante durante todo o processo de decomposição. b) aumenta durante o processo de decomposição. c) tende para zero no final do processo de decomposição. d) é igual a zero no início do processo de decomposição. 19. (PUC-MG) Foi realizado o estudo da cinética da decomposição da água oxigenada, representada pela reação: 2 H2O2(aq) 2 H2O + O2(g) A variação da concentração da água oxigenada com o tempo é representada pelo gráfico adiante. Assinale o gráfico que representa a variação da velocidade de decomposição de H2O2 com o tempo: Sabendo-se que o volume molar do H2 nas condições do experimento é de 24 litros, assinale a afirmativa INCORRETA. CASD Vestibulares Química Cinética Química 5
20. (UERJ) Air-bags são dispositivos de segurança de automóveis que protegem o motorista em caso de colisão. Consistem em uma espécie de balão contendo 130g de azida de sódio em seu interior. A azida, submetida a aquecimento, decompõe-se imediata e completamente, inflando o balão em apenas 30 milissegundos. A equação abaixo representa a decomposição da azida: 2 NaN3(s) 3 N2(g) + 2 Na(s) Considerando o volume molar igual a 24L.mol -1, calcule a velocidade da reação, em L.s -1, de nitrogênio gasoso produzido. 21. (UFMG-Adaptada) Considere a reação entre pedaços de mármore e solução de ácido clorídrico descrita pela equação CaCO3(s) + 2HCl(aq) CO2(g) + H2O(l) + CaCl2(aq) A velocidade da reação pode ser medida de diferentes maneiras representada graficamente. Dentre os gráficos, o que representa corretamente a velocidade dessa reação é: 22. (Fuvest) A oxidação de íons de ferro (II), por peróxido de hidrogênio, a) Use a área milimetrada acima para traçar um gráfico da concentração de íons de ferro (III), em função do tempo de reação. b) Complete a tabela com os valores da concentração de peróxido de hidrogênio, em função do tempo de reação. c) Use a mesma área quadriculada e a mesma origem para traçar a curva da concentração de peróxido de hidrogênio, em função do tempo de reação. 23. (Fuvest) Pilocarpina (aqui simbolizada por P) é um alcaloide extraído das folhas do jaborandi, usado no tratamento do glaucoma. Em meio alcalino, sofre duas reações simultâneas: isomerização, formando isopilocarpina (i-p) e hidrólise, com formação de pilocarpato (PA ). Em cada uma dessas reações, a proporção estequiométrica entre o reagente e o produto é de 1 para 1. Num experimento realizado a 25ºC, com certa concentração inicial de pilocarpina e excesso de hidróxido de sódio, foram obtidas as curvas de concentração de i-p e PA em função do tempo, registradas no gráfico: H2O2 + 2Fe 2+ + 2HCl 2H2O + 2Fe 3+ + 2Cl - foi estudada, a 25 C, com as seguintes concentrações iniciais: peróxido de hidrogênio - 1,00 10-5 mol/l íons de ferro (II) - 1,00 10-5 mol/l ácido clorídrico - 1,00 mol/l A tabela seguinte traz as concentrações de íons de ferro (III), em função do tempo de reação. t (min) [Fe 3+ ] (10-5 mol L -1 ) [H2O2] (10-5 mol L -1 ) 0 10 20 30 40 50 0 0,46 0,67 0,79 0.86 0,91 CASD Vestibulares Química Cinética Química 6
Considere que, decorridos 200s, a reação se completou, com consumo total do reagente pilocarpina. a) Complete a seguinte tabela com as concentrações de iso-pilocarpina, pilocarpato e pilocarpina nos tempos indicados (0, 100 e 200s). 10. As concentrações dos reagentes diminuem com o tempo, enquanto as concentrações dos produtos aumentam. Uma forma de comparar velocidades (nos itens que pedirem isso) é calculando a velocidade média no intervalo de 0 a 50s. 13. O que acontece com a concentração de Mg 2+ e Cl - ao longo da reação? Note que o sistema é aberto, o que significa que o CO2 produzido pode escapar. b) Analisando as curvas do gráfico, qual das duas reações, a de isomerização ou a de hidrólise, ocorre com maior velocidade? Explique. DICAS Tente fazer o exercício primeiro antes de olhar as dicas. 4. Apenas dois dos gráficos apresentados correspondem a uma reação exotérmica, e um deles apresenta um pico maior do que o outro. 6. A reação de decomposição é: 2H2O2 2H2O + O2 Uma maneira de resolver é encontrar a velocidade de formação do O2, em mol/min, e então usar a proporção estequiométrica para encontrar a velocidade de decomposição da H2O2. 7. Inicialmente, a mistura continha somente NO2 e CO, ou seja, a concentração inicial do CO2 é zero. A questão fornece a concentração final e o intervalo de tempo transcorrido. 8. Nesse caso, é apropriado encontrar a velocidade da reação em g/min para comparar as amostras. Lembre-se de que a quantidade total de hidrogênio produzido não depende da velocidade da reação, e sim da massa de magnésio consumida. 9. Nesse caso, era suficiente saber a proporção entre CO2 e C8H18, que são as substâncias envolvidas na questão. De qualquer forma, aqui está a equação balanceada: C8H18 + 25/2 O2 8 CO2 + 9 H2O Uma maneira de resolver é encontrar a velocidade de formação de CO2 em mol/min, e então usar a proporção estequiométrica para encontrar a velocidade de consumo da gasolina (C8H18) 14. Dá pra calcular diretamente a velocidade de produção do hidrogênio em ml/s (já que ele deu o volume em ml e o tempo que demorou para ser produzido). Para converter esse resultado para mol/s, uma maneira é usar PV = nrt, com P, R e T dados na questão. 15. Note que a reação em questão é: NO2 + CO CO2 + NO Procure ver em quais das situações as moléculas de reagente batem e voltam sem ocorrer reação, e em quais das situações há a formação de produtos. 16. Os valores x e y são encontrados usando estequiometria. Por exemplo: quantos mol/l de N2O4 são consumidos entre 0 e 20 μs? Pela proporção estequiométrica (1 N2O4: 2 NO2), quantos mol/l de NO2 devem ser produzidos nesse mesmo intervalo? Assim dá pra encontrar o x e, usando um raciocínio parecido, encontrar o y. 17. Reação do Li com a água: Li + H2O LiOH + ½ H2 Reação do Ca com a água: Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2 Ou seja, para 1 mol de Li, são produzidos ½ mol de H2 e, para 1 mol de Ca, é produzido 1 mol de H2. Note também que a mesma massa de metal é utilizada nos dois casos (0,05g), só que a massa molar do Li é 7 g/mol e a massa molar do Ca é 40 g/mol. Assim, o número de mols de qual dos metais vai ser maior? 18. O que acontece com a inclinação do gráfico ao longo do tempo? Lembre-se de que, quanto mais inclinado o gráfico estiver, maior vai ser a velocidade da reação naquele instante. 19. Veja pelo gráfico de [H2O2] versus tempo que a velocidade da reação não é constante, senão esse gráfico seria uma reta. Note também que a velocidade da reação diminui com o passar do tempo. 20. Essa questão é mais de estequiometria do que de cinética. Sabendo que: - 2 mol de NaN3 produzem 3 mol de N2-1 mol de NaN3 = 65g de NaN3-1 mol de N2 = 24 L CASD Vestibulares Química Cinética Química 7
Dá para encontrar então o volume de N2 produzido a partir de 130g de NaN3 e então dividir esse valor pelo tempo transcorrido. 21. Você deve encontrar um gráfico que satisfaça essas duas condições: - se a substância for reagente, sua concentração/massa/volume diminui. Caso seja produto, sua concentração/massa/volume aumenta. - a velocidade da reação diminui ao longo do tempo, não importa se é reagente ou produto. Isso quer dizer que a inclinação do gráfico tem que ir ficando menor (mais horizontal) ao longo do tempo. 22. Os valores de [H2O2] faltando são encontrados por estequiometria, lembrando que a concentração inicial de H2O2 é 1,00 10-5 mol/l (ou seja, vale 1, nas unidades da tabela). Dica para fazer o gráfico: o tempo vai de 0 a 50s. Então, no eixo do tempo (abcissas), cada quadradinho vai corresponder a um intervalo de 5s, assim: 5. E 6. A 7. D 8. D 9. E 10. 02 + 04 + 32 = 38 11. D 12. E 13. C 14. 1,25 ml/s e 5 10-5 mol/s 15. B 16. B 17. C 18. C 19. D 20. 2400 L.s -1 21. A 22. a) e c) Da mesma forma, a concentração fica sempre entre 0 e 1 ( 10-5 mol/l). Então, no eixo das concentrações (ordenadas), cada quadradinho vai corresponder a 0,1 ( 10-5 mol/l). 23. Um detalhe que pode passar batido: a questão fala que ocorre consumo total do reagente pilocarpina (P) aos 200s. Assim, qual vai ser a [P] no tempo de 200s? Os valores da [i-p] e da [PA - ] são obtidos diretamente do gráfico. Os valores restantes de [P] são obtidos por estequiometria, lembrando que o P é consumido em duas reações simultâneas, nas duas na proporção de 1:1. GABARITO Exercícios de revisão 1. a) 0,15 mol/(l s) b) 0,2 mol/(l s) c) 0,035 mol/(l s) d) 0,025 mol/(l s) 2. a) ΔH = -226 kj/mol, reação exotérmica b) Complexo ativado c) 110 kj/mol d) 336 kj/mol Exercícios propostos t (min) b) [Fe 3+ ] (10-5 mol L -1 ) [H2O2] (10-5 mol L -1 ) 23. a) 0 10 20 30 40 50 0 0,46 0,67 0,79 0.86 0,91 1 0,77 0,67 0,61 0,57 0,55 1. A 2. A 3. B 4. C b) A reação mais rápida é a de hidrólise, já que, em um mesmo intervalo de tempo, produz-se mais pilocarpato (PA ) do que iso-pilocarpina (i-p) CASD Vestibulares Química Cinética Química 8