Cinética Química Velocidade das Reações A velocidade média de consumo de um reagente ou de formação de um produto é calculada em função da variação da quantidade de reagentes e produtos pela variação do tempo. v m = ΔQuantidade ΔTempo O mais comum é representar as quantidades em mol/l e indicá-las entre colchetes; mas elas também podem ser representadas pela massa, quantidade em mols, volume gasoso etc. O intervalo de tempo pode ser representado por: segundos, minutos, horas etc. Quando é calculada, a variação da quantidade consumida (reagentes), esta será negativa, porque a variação corresponde à quantidade final menos inicial. Para evitar o surgimento de velocidade negativa, usamos o sinal negativo na expressão ou a variação em módulo, sempre que nos referimos aos reagentes. Exemplo: N 2(g) + 3H 2(g) 2 NH 3(g) v m de consumo de N 2: = [N 2 ] v m de consumo de H 2 = [H 2 ] v m de formação de NH 3 = [NH 3] ou [N 2] ou [H 2] Os reagentes são consumidos durante a reação e a sua quantidade diminui com a variação do tempo, enquanto os produtos são formados e suas quantidades aumentam com o tempo. Graficamente, podemos representar. Para calcularmos a velocidade média de uma reação sem especificar formação ou consumo deste ou daquele produto ou reagente, basta dividirmos a velocidade média de consumo ou formação pelo coeficiente estequiométrico apropriado. Para a reação: N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) v m da reação = v N2 = v H2 = v NH3 1 3 2 Observação Neste caso, a quantidade que reage ou que é formada não pode ser representada por massa. Exercícios Resolvidos 01. Dada a reação química: 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (g) verificamos a seguinte variação da quantidade em mols dos reagentes e produtos em função do tempo: Tempo (min) 2H 2 + O 2 2 H 2 O 0 0,6 mol 0,5 mol 0 mol 4 0,4 mol 0,4 mol 0,2 mol 8 0,3 mol 0,35 mol 0,3 mol 12 0,25 mol 0,325 mol 0,35 mol Podemos determinar a velocidade média desta reação em função: a) do consumo de H 2 ; b) do consumo de O 2 ; c) da formação de H 2 O. Resolução a) Determinação da velocidade média da reação em função do H 2, no intervalo entre 0 e 8. Δt = 8 n = 0,3 0,6 = 0,3 mol Com relação à velocidade média de consumo ou formação, podemos dizer que diminuem com o passar do tempo, porque a quantidade que reage torna-se cada vez menor. v = n = 0,3 8 = 0,0372 mol H 2/min b) Determinação da velocidade média da reação em função do O 2, no mesmo intervalo de tempo (entre 0 e 8 ). Δt = 8 n = 0,35 0,5 = 0,15 mol - 1 - Profª Fátima Serrado
v = n = 0,15 8 = 0,01875 mol O 2/min (0,7 1,2) v A = = 0,25 mol/min 4 2 c) Determinação da velocidade média da reação em função da H 2 O, no intervalo entre 0 e 8. Δt = 8 n = 0,3 0 = 0,3 mol v = n = 0,3 8 = 0,0375 mol H 2O/min Com base nos resultados, podemos observar que a velocidade da reação, num mesmo intervalo de tempo, obedece à proporção dos coeficientes da reação. Velocidade média (mol/min) 2H 2 + O 2 2 H 2 O 0,0375 0,01875 0,0375 proporção 2 1 2 Logo, se determinarmos a velocidade média da reação em função de um dos componentes, automaticamente saberemos a velocidade em função de seus outros componentes. 02. Em uma determinada experiência, a reação de formação do NH 3 está ocorrendo com o consumo de 6 mols de hidrogênio por minuto. Qual é a velocidade de consumo do nitrogênio, na mesma reação, em mols por minuto? Resolução 3 H 2 + N 2 2 NH 3 3 mol -- 1 mol 6 mol/min --- x x = 2 mol/min 03. Considere a reação genérica A + B C. Medindo-se a concentração em mol/l de A em diversos instantes, foram obtidos os seguintes resultados. [A] Tempo (min) 2,0 0 1,2 2 0,7 4 0,4 6 Calcule a velocidade média de consumo de A nos intervalos de tempo entre 0 e 2 minutos; 2 e 4 minutos e 4 e 6 minutos. Resolução v A = [A] 0 a 2 min (1,2 2,0) v A = = 0,4 mol/min 2 0 4 a 6 min (0,4 0,7) v A = = 0,15 mol/min 6 4 Observação note que a velocidade diminui com o tempo. 1. [EsPCEx-2012] A água oxigenada ou solução aquosa de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) é uma espécie bastante utilizando no dia a dia na desinfecção de lentes de contato e ferimentos. A sua decomposição produz oxigênio gasoso e pode ser acelerada por alguns fatores como o incremento da temperatura e a adição de catalisadores. Um estudo experimental da cinética da reação de decomposição da água oxigenada foi realizado alterando-se fatores como a temperatura e o emprego de catalisadores, seguindo as condições experimentais listadas na tabela a seguir: Analisando os dados fornecidos, assinale a alternativa correta que indica a ordem crescente dos tempos de duração dos experimentos. [A] t 1 < t 2 < t 3 < t 4. [B] t 3 < t 4 < t 2 < t 1. [C] t 3 < t 2 < t 1 < t 4. [D] t 4 < t 2 < t 3 < t 1. [E] t 1 < t 3 < t 4 < t 2. Resp.: opção [B] Para uma reação qualquer, quanto maior a temperatura, mais rápida é a reação e, para uma mesma temperatura, a reação catalisada é mais rápida, pois, o catalisador diminui a energia de ativação, logo, a ordem decrescente em relação à velocidade é v 1 < v 2 < v 4 < v 3, então, a ordem decrescente em relação ao tempo de reação, será: t 3 < t 4 < t 2 < t 1. 2 a 4 min - 2 - Profª Fátima Serrado
2. [EsPCEx-2011] Os dados da tabela abaixo, obtidos experimentalmente em idênticas condições, referem-se à reação: 3 A + 2 B C + 2 D II. Falsa. Como calculado acima, v = k[a] 2.[B] 0 ou v = k [A] 2. III. Correta. Conforme explicação acima. IV. Correta. Conforme explicações acima. V. Falsa. Pela equação da velocidade percebe-se que a ordem da reação em relação a B é zero, pois está elevado ao expoente zero. Baseando-se na tabela, são feitas as seguintes afirmações: I. A reação é elementar. II. A expressão da velocidade da reação é v=k [A] 3 [B] 2. III. A expressão da velocidade da reação é v=k [A] 2 [B] 0. IV. Dobrando-se a concentração de B, o valor da velocidade da reação não se altera. V. A ordem da reação em relação a B é 1 (1ª ordem). Das afirmações feitas, utilizando os dados acima, estão corretas apenas: [A] I e II. [B] I, II e III. [C] II e III. [D] III e IV. [E] III, IV e V. Resp.: opção [D] Considerando a equação da velocidade de reação: v = k[a] x.[b] y e analisando-se as experiências, temos: Experiências 1 e 2: mantendo-se a concentração de B constante e dobrando-se a concentração de A, a velocidade quadriplica, logo: 4 = 2 x x = 2 Experiências 2 e 4: mantendo-se a concentração de A constante e dobrando-se a concentração de B, a velocidade não se altera, logo: 1 = 2 x x = 0 Então, a equação da velocidade da reação é: v = k[a] 2.[B] 0 I. Falsa. A reação não é elementar, pois pela tabela chegamos a equação da reação como sendo v = k[a] 2.[B] 0. Se fosse elementar, a equação da velocidade seria v = k [A] 3.[B] 2, ou seja, os coeficientes da reação seriam os expoentes das concentrações dos reagentes. 3. [EsPCEx-2014] Uma amostra de açúcar exposta ao oxigênio do ar pode demorar muito tempo para reagir. Entretanto, em nosso organismo, o açúcar é consumido em poucos segundos quando entra em contato com o oxigênio. Tal fato se deve à presença de enzimas que agem sobre as moléculas do açúcar, criando estruturas que reagem mais facilmente com o oxigênio.... (Referência: adaptado de Usberco e Salvador,Química, vol 2, FTD, SP, pág 377, 2009.) Baseado no texto acima, a alternativa que justifica corretamente a ação química dessas enzimas é: [A] As enzimas atuam como inibidoras da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do processo e, consequentemente, acelerarem a reação entre o açúcar e o oxigênio. [B] As enzimas atuam como inibidoras da reação, por ocasionarem o aumento da energia de ativação do processo e, consequentemente, acelerarem a reação entre o açúcar e o oxigênio. [C] As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem o aumento da energia de ativação do processo, fornecendo mais energia para o realização da reação entre o açúcar e o oxigênio. [D] As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do processo, provendo rotas alternativas de reação menos energéticas, acelerando a reação entre o açúcar e o oxigênio. [E] As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do processo ao inibirem a ação oxidante do oxigênio, desacelerando a reação entre o açúcar e o oxigênio. Resp.: opção [D] - 3 - Profª Fátima Serrado
4. EsPCEx 1990: Num laboratório observou-se que a velocidade de formação dos produtos através da reação A (g) + 3B (g) produtos, é independente da concentração de A e fica 8 (oito) vezes maior quando dobramos a concentração de B. Determine a expressão da velocidade da reação, admitindo-se que K é a constante de velocidade específica. a) V = K[A].[B] 3. b) V = K[A] 3.[B]. c) V = K[A]. d) V = K[B] 3. Resp:[D] Solução: v = k.[a] a.[b] b v é independente da concentração de A, então a = 0, logo [A] o = 1 v = k.[b] b Ao dobrarmos a concentração de B, a velocidade 8 vezes maior, então, v 1 = k.[b 1 ] b (B 1 = 2B e v 1 = 8v) v 1 = k.[b 1 ] b 8v = k.[2b] b 8v = k.[b] b.2 b, então: 8 = 2 b b = 3 6. EsPCEx 2001: No processo industrial da produção de uma substância F, onde a energia total dos produtos é menor do que a da matéria prima A, são necessárias várias etapas, como descritas nas equações abaixo. I. B II. B + C D + E (lenta) III. E + A 2 F O gráfico energia versus caminho da reação que melhor representa o processo global da produção de F é: v = k.[b] 3 5. EsPCEx 1991: Em determinada experiência, a reação de combustão total do álcool etílico está se processando numa velocidade de 1,0 mol/min. Portanto, a velocidade de formação do CO 2, nestas condições, em mol/min, é: a) 0,5. b) 1,0. c) 2,0. d) 3,0. Resp: [C] Solução: Reação de combustão do álcool etílico: C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O v R = v(co 2 )/2 v(co 2 ) = 2.v R = 2x1,0 = 2,0 mol/min Resp: [A] Solução: Sendo a energia total dos produtos é menor do que a da matéria prima, a reação apresentada é um processo exotérmico (H p < H R ), pois ocorreu liberação de energia. A reação II é a etapa mais lenta do processo, então, precisa de maior energia de ativação. Analisando os gráficos, verifica-se que os itens A, C e E satisfaz, porém, o item A é o único em que a reação é exotérmica, sendo a única correta. 7. EsPCEx 2001: Com base nas equações da questão anterior, são feitas as seguintes afirmações: I. E é o complexo ativado da reação. II. A e B são apenas os reagentes do processo industrial. - 4 - Profª Fátima Serrado
III. A expressão da velocidade é dada por v = K[C].[A] 2. IV. A equação global é 2A + C 2F + D. Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s): x = 60 mol/s Cálculo do nº mol existente em 42 g d N 2 formado: 1 mol N 2 ----- 28 g (massa molar do N 2 ) x ----- 42 g x = 1,5 mol a) II e III. b) I e IV. c) IV. d) III. e) II e IV. Resp: [A] Solução: I. Errado, pois a Energia de Ativação é a energia necessária para a iniciar a reação, ou seja, o quanto aumenta em relação à energia dos reagentes. II. Correto. Eles são utilizados como reagentes, mas não são formados em nenhuma reação. III. Errado. A reação mais lenta determina a velocidade do processo. A reação mais lenta é B + C D + E v =k[b].[c] IV. Errado. A equação global é: A + 2B + C D + 2F 8. EsPCEx 2001: O airbag, dispositivo de segurança usado em automóveis, é inflado pelo gás nitrogênio produzido segundo a reação: 6NaN 3(l) + 2Fe 2 O 3(s) 3Na 2 O 2(s) + 4Fe (s) + 9N 2(g) No caso da expansão desse equipamento se completar em 42,0 g de gás nitrogênio, e da velocidade de consumo do nitreto ser de 20 mol/s, o tempo em segundos necessário para a referida expansão será: a) 0,025. b) 0,075. c) 0,09. d) 0,05. e) 0,06. Resp: [A] Solução: Cálculo da velocidade de formação do N 2 6 NaN 3... 9N 2 6mol ------- 9 mol 20mol/s ----- x Cálculo do tempo: 60 mol ----- 1 s 1,5 mol ----- x x = 0,025 s 9. EsPCEx 2003: As quantidades de energia envolvidas nos processos de transformação de um alceno em alcano, com e sem catalisador, encontram-se representadas no gráfico abaixo. Sobre esses processos de transformação, são feitas as seguintes afirmações: I. a reação catalisada possui uma única etapa; II. a variação da entalpia é igual a 32; III. as reações são exotérmicas; IV. a reação não catalisada possui um complexo ativado. É correto o que se afirma apenas em: a) I e II. b) I e IV. c) II, III. d) II e IV. e) III e IV. Resp: [E] Solução: I. Errado. A reação catalisada tem menores energia de ativação e, essa reação corre em várias etapas, devido ter várias energias de ativação (picos); II. Errado. ΔH = H P H R = (-84) (+52) = - 136 III. Correto. H P < H R IV. Correto. A reação não catalisada tem apenas um pico. - 5 - Profª Fátima Serrado
10. EsPCEx 2008: Em um conversor catalítico, usado nos automóveis para reduzir a emissão de poluentes, os gases resultantes da combustão do motor e o ar passam por substâncias catalisadoras, que aceleram a transformação de CO em CO 2 e a decomposição de óxidos de nitrogênio em N 2 e O 2. Em relação às substâncias citadas no texto é correto afirmar que: 11. EsPCEx 2008: A tabela abaixo indica valores das velocidades da reação (v)em três experimentos e as correspondentes concentrações em mol/l dos reagentes X e Y em idênticas condições. a) catalisadores são substâncias que iniciam as reações que, sem eles, não seriam possíveis e o gás carbônico é um dos causadores do efeito estufa. b) catalisadores propiciam à reação um mecanismo alternativo com menor energia de ativação e o monóxido de carbono é um óxido ácido responsável pela chuva ácida. c) catalisadores são substâncias que participam das etapas intermediárias das reações, sendo recuperados integralmente no final do processo e o gás oxigênio é o composto mais abundante no ar atmosférico. d) catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade das reações, sem, no entanto, delas participarem, provocando apenas a diminuição da energia de ativação e o gás nitrogênio é um substância tóxica, em qualquer concentração. e) catalisadores são substâncias que participam das etapas intermediárias das reações, provocando um aumento da velocidade, em conseqüência da diminuição da energia de ativação e o gás carbônico é um dos responsáveis pela chuva ácida. Resp: [E] Solução: a) Errado, porque não é necessário utilizar catalisadores para iniciarem as reações. b) Errado, porque o CO não é responsável pela chuva ácida, pois não reage com água (é um óxido neutro), ou seja, não forma ácido. c) Errado, porque o gás oxigênio não é o mais abundante na atmosférica e sim o gás nitrogênio. d) Errado, porque o gás nitrogênio não é uma substância tóxica. e) Correto. O processo químico é representado pela equação abaixo, na qual a,b e c representam seus coeficientes. ax + by cz A equação da velocidade desse processo é: a) v = k.[x] 2.[Y]. b) v = k.[x].[y] 2. c) v = k.[x]. d) v = k.[x].[y]. e) v = k.[y]. Resp: [B] Solução: Equação geral da velocidade: v = k[x] a.[y] b No experimento 1, temos: 0,3 = k(0,1) a.(0,1) b No experimento 2, temos: 0,6 = k(0,2) a.(0,1) b No experimento 3, temos: 2,4 = k(0,2) a.(0,2) b Dividindo-se (1) por (2), temos: Dividindo-se (1) por (2), temos: Então a equação geral da velocidade é: v = k[x].[y] 2 0,6 0,3 12. EsPCEx 2009: Considere a sequência de reações associadas ao processo de oxidação do dióxido de enxofre. ETAPA 1: SO 2(g) + NO 2(g) SO 3(g) + NO (g) LENTA ETAPA 2: 2 NO (g) + O 2(g) 2NO 2(g) RÁPIDA A alternativa que apresenta corretamente o catalisador e a expressão da lei da velocidade - 6 - Profª Fátima Serrado
para a reação global é: a) catalisador NO e v = k.[so] 2.[O 2 ]. b) catalisador NO 2 e v = k.[so 2 ] 2.[O 2 ]. c) catalisador NO 2 e v = k.[so 2 ].[NO 2 ]. d) catalisador NO e v = k.[so 2 ].[NO 2 ]. e) catalisador O 2 e v = k.[so 2 ].[NO 2 ]. Resp: [D] Solução: O catalisador é o NO, pois, ele é obtido na 1ª etapa e utilizado na ª etapa, não participando da reação. A velocidade da reação é determinada pela reação da etapa mais lenta, ou seja, da etapa 1: v = k[so 2 ].[NO 2 ] 13. EsPCEx 2010: Considere a equação balanceada: 14. Dada a reação: 3A + 2B C, em que a ordem de cada reagente coincide com o seu coeficiente. a) de quantas vezes a velocidade será aumentada se duplicarmos apenas a concentração de A? b) de quantas vezes a velocidade será aumentada se duplicarmos somente a concentração de B? c) de quantas vezes a velocidade será aumentada se duplicarmos simultaneamente as concentrações de A e B? Resolução: a) [A] = x [B] = y v 1 = K.[A]. [B] 2 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O Admita a variação de concentração em mol por litro (mol L -1 ) do monóxido de nitrogênio (NO) em função do tempo em segundos (s), conforme os dados, da tabela abaixo: [NO] (mol.l -1 ) 0 0,15 0,25 0,31 0,34 Tempo (s) 0 180 360 540 720 A velocidade média, em função do monóxido de nitrogênio (NO), e a velocidade média da reação acima representada, no intervalo de tempo de 6 a 9 minutos (min), são, respectivamente, em mol L -1 min -1 : a) 2 10-2 e 5 10-3. b) 5 10-2 e 2 10-2. c) 3 10-2 e 2 10-2. d) 2 10-2 e 2 10-3. e) 2 10-3 e 8 10-2. v 1 = K.x 3.y 2 = K.(2x) 3.y 2 = K.2 3.x 3.y 2 v 2 = 8.K.x 3.y 2 v 2 = 8.v 1 A velocidade da reação aumentará 8 vezes. b) [A] = x [B] = y v 1 = K x 3 y 2 v 2 = K x 3 (2y) 2 = 4.K.x 3.y 2 v 2 = 4.v 1 A velocidade aumentará 4 vezes. c) v 1 = K x 3 y 2 v 1 = K (2x) 3 (2y) 2 = 32.K.x 3.y 2 v 2 = 32.v 1 A velocidade aumentará 32 vezes. Resp:[A] Solução: 6 min = 360 s [NO] = 0,25 9 min = 540 s [NO] = 0,31 Cálculo da velocidade de NO: v = Δ[NO]/ Δt = (0,31 0,25)/(540 360) = 0,02 = 2.10-2 Cálculo da velocidade da reação: v R = v NO /4 = 0,02/4 = 0,005 = 5.10-3 - 7 - Profª Fátima Serrado