PISM III- MÓDULO 2

Cinética Química

A Cinética Química estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que a influenciam.

O conhecimento e o estudo da velocidade das reações são muito importantes em termos industriais, e também estão relacionados ao nosso dia-a-dia, como por exemplo, quando colocamos um alimento na panela de pressão para acelerar seu cozimento.

As reações químicas ocorrem com velocidades diferentes e estas podem ser alteradas, porque além da concentração de reagentes e produtos, as velocidades das reações dependem também de outros fatores como:

Temperatura: quando se aumenta a temperatura de um sistema, ocorre também um aumento na velocidade da reação. Aumentar a temperatura significa aumentar a energia cinética das moléculas.

Superfície de contato: um aumento da superfície de contato aumenta a velocidade da reação. Um exemplo é quando dissolvemos um comprimido efervescente triturado: ele se dissolve mais rapidamente do que se estivesse inteiro, isto acontece porque aumentamos a superfície de contato que reage com a água.

Pressão: quando os participantes de uma reação são gasosos e se aumenta

a pressão desse sistema gasoso, aumenta-se a velocidade da reação. Isso porque o aumento da pressão diminui o volume, intensificando as colisões das moléculas.

Concentração de reagentes: quanto maior a concentração dos reagentes maior será a velocidade da reação. Um exemplo é quando pegamos uma amostra de palha de aço e reagimos com ácido clorídrico concentrado e com ácido clorídrico diluído.

Luz: Algumas reações químicas se processam com maior velocidade em presença de luz, como por exemplo, a decomposição da água oxigenada. Por isso é que determinados produtos são comercializados em frascos escuros.

Catalisadores: os catalisadores são substâncias que aceleram o mecanismo sem serem consumidos durante a reação. Este fato ocorre porque permitem que a reação tome um caminho alternativo, que exige menor energia de ativação, fazendo com que a reação se processe mais rápido. Um catalisador possui a propriedade de acelerar a reação, mas não aumenta o rendimento, ou seja, ele produz a mesma quantidade de produto, porém, num período de menor tempo.

Velocidade média

Quando falamos sobre o que é cinético, é essencial entender bem a velocidade média de uma reação (Vm). Assim como na física, a velocidade da reação é calculada pela expressão:

Vm = Δconcentração

Δtempo

ou

Vm = Δmassa

Δtempo

ou

Vm = Δnúmero de mols

Δtempo

A velocidade pode ser calculada a partir da Δconcentração dos reagentes ou produtos pela Δtempo. A velocidade de uma reação depende:

Número de choques entre as moléculas dos reagentes;

Energia com que as moléculas colidem entre si (Eat).

Lei da velocidade reação elementar

Dada a Reação elementar abaixo:

aA + bB → cC + dD

A lei de velocidade será dada por:

V = K[A]a . [B]b , onde a e b são os expoentes de A e B, que correspondem aos coeficientes estequiométricos da reação.

EXERCÍCIOS

TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES.

1) "O anúncio da construção de uma usina termelétrica a carvão na ilha da Madeira, município de Itaguaí, Baixada Fluminense, acendeu a luz amarela para o que pode representar um novo problema ambiental para o Estado do Rio de Janeiro. A conseqüência mais grave seria a chuva ácida, além da emissão de gases que atacam a camada de ozônio". (JB, 2001)

A qualidade da água da chuva pode variar em função do tipo de carga poluidora e das condições meteorológicas. O dióxido de nitrogênio é um dos principais poluentes da atmosfera. A reação entre o dióxido de nitrogênio e o ozônio, encontrado na troposfera, foi estudada a 231K. A experiência mostrou que a reação é de primeira ordem em relação ao dióxido de nitrogênio e ao ozônio.

2 NO2(g) + O2(g) -> N2O5(g) + O2(g)

a. Escreva a equação de velocidade da reação.

b. Como se altera a velocidade da reação se a concentração de dióxido de nitrogênio for duplicada?

2) A água que forma os oceanos gotejou das nuvens, depois que a temperatura elevada no interior da jovem Terra retirou átomos de oxigênio e hidrogênio de rochas constituídas de compostos, como a mica. As moléculas então formadas foram levadas à superfície em rios de lava, depois foram liberadas como vapor d'água, formando grandes nuvens. Desse modo, nossos oceanos já foram um dia nossas rochas. Sendo dados a reação de formação da água e o gráfico representativo do caminho da reação, ou seja, assinale a alternativa correta.

a) A reação de formação da água é endotérmica.

b) A adição de um catalisador aumenta a velocidade de formação da água pois diminui a entalpia de reação.

c) Quanto maior a frequência de colisões efetivas entre as moléculas de H2 e O2 maior a

velocidade da reação.

d) A velocidade de decomposição de H2(g) é metade da velocidade de decomposição de O2(g).

e) A velocidade de decomposição de O2 (g) é o dobro da velocidade de formação de H2O(g).

3) No diagrama a seguir estão representados os caminho de uma reação na presença e na ausência de um catalisador.

Com base neste diagrama, é correto afirmar que:

01) A curva II refere-se à reação catalisada e a curva I refere-se à reação não catalisada.02) Se a reação se processar pelo caminho II, ela será, mais rápida.04) A adição de um catalisador à reação diminui seu valor de delta H08) O complexo ativado da curva I apresenta amesma energia do complexo ativado da curva II.16) A adição do catalisador transforma a reação endotérmica em exotérmica.

Soma = ( )

4) (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.

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.

5) Na reação de dissociação térmica do HI(g), a velocidade de reação é proporcional ao quadrado da concentração molar do HI. Se triplicarmos a concentração do HI, a velocidade da reação:

a) aumentará 6 vezes.b) aumentará 9 vezes.c) diminuirá 6 vezes.

d) diminuirá 9 vezes.e) diminuirá 3 vezes

Gabarito

1. a. v = k [NO2] [O2]; b. Uma vez que a reação é de primeira ordem em relação à concentração molar de NO2 a velocidade da reação duplicará.

2. C 3. 01 + 02 = 03 4. E 5. B

FIXAÇÃO SOBRE VELOCIDADE MÉDIA DAS REAÇÕES

A combustão da parafina em uma vela, o enferrujamento e a combustão da pólvora nos fogos de artifício são reações que possuem diferentes velocidades

PUBLICIDADE

Para calcular a velocidade com que ocorrem as reações, é possível tomar como base os reagentes que estão sendo consumidos ou os produtos que estão sendo formados, pelo tempo de cada processo. A escolha do processo de cálculo depende da reação que se está estudando.

Por exemplo, considere a reação genérica abaixo, em que dois reagentes diferentes se transformam em dois produtos diferentes:

A + B → C + D

Nesse caso, seriam quatro as possibilidades para se determinar a velocidade dessa reação. Confira abaixo:

1. Em relação aos reagentes:

1.1. Em relação ao reagente A:

V = ___quantidade consumida de reagente A___Tempo gasto para o consumo desse reagente

1.2. Em relação ao reagente B:

V = ___quantidade consumida de reagente B__Tempo gasto para o consumo desse reagente

2. Em relação aos produtos:

2.1. Em relação ao produto C:

V = ___quantidade formada de produto formado C___Tempo gasto para a formação desse produto

2.2.

Em relação ao produto D:

V = ___quantidade formada de produto formado D__ Tempo gasto para a formação desse produto Visto que a velocidade da reação pode variar em cada instante e de uma substância para outra, normalmente se trabalha com a velocidade média da reação, que é dada pela relação entre a variação da concentração pelo intervalo de tempo (∆t):

Conforme já foi dito, esse cálculo pode ser feito em relação aos reagentes ou aos produtos:

Observe que a fórmula da velocidade média em relação aos reagentes possui um sinal negativo. Isso ocorre porque, como os reagentes são consumidos, a sua variação daria negativa; assim, para acabar com esse problema, coloca-se o sinal negativo antes da fórmula ou considera-se o valor da sua variação em módulo: | |.

As unidades utilizadas dependem de como as quantidades dos reagentes ou produtos e o tempo estão sendo expressos. Por exemplo, se a concentração dos reagentes for dada em mol/L, ou seja, em concentração molar, e se o tempo estiver sendo contado em minutos, a velocidade média será dada em mol. L-1. min-

1 ou mol/ L.min.

A quantidade de cada reagente ou produto pode ser expressa em massa, quantidade de matéria (mol), em volume, pressão, ou em qualquer outra grandeza conveniente. Já o tempo depende da rapidez com que a reação ocorre; se for rápida, normalmente se utiliza segundos ou microssegundos, se for moderada, ela é marcada em minutos e horas, porém, se for lenta, pode ser expressa em anos, séculos ou até milênios.EXERCÍCIOS

6)Numa experiência, a reação de formação de amônia (NH3), a partir do N2 e do H2, está ocorrendo com um consumo de 24 mols de nitrogênio (N2) a cada 120 segundos. Nesse caso, a velocidade de consumo de hidrogênio (H2) é:

a) 6 mols por minuto

b) 12 mols por minuto.

c) 18 mols por minuto.

d) 24 mols por minuto.

e) 36 mols por minuto.

7) Numa experiência, a reação de formação de amônia (NH3), a partir do N2 e do H2, está ocorrendo com um consumo de 12 mols de nitrogênio (N2) a cada 120 segundos. Nesse caso, a velocidade de consumo de hidrogênio (H2) é:

a) 6 mols por minuto

b) 12 mols por minuto.

c) 18 mols por minuto.

d) 24 mols por minuto.

e) 36 mols por minuto.

8) 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:

Pela análise dos dados contidos na tabela acima, 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) Dada a equação abaixo:

X Y + Z→

A variação na concentração de X em função do tempo é proposta na tabela:

Qual será a velocidade média da reação no intervalo de 2 a 5 minutos?

a) 0,3 mol/L.min.

b) 0,1 mol/L.min.

c) 0,5 mol/L.min.

d) 1,0 mol/L.min.

e) 1,5 mol/L.min.

.

Gabarito

6: d

7: c

8: d

8: b

Processos endotérmicos e exotérmicos

A Termoquímica estuda as reações químicas e as mudanças de estado físico

que envolvem trocas de energia na forma de calor. Entre esses MESMOS processos, temos basicamente dois:• Processos exotérmicos:

Genericamente, temos:

Reagentes Produtos +→ calorVisto que os reagentes perderam parte de seu conteúdo energético, o valor da entalpia (H) ou valor da energia global dos produtos (HP) é menor do que a entalpia dos reagentes (HR) nos processos exotérmicos e, consequentemente, a variação da entalpia ( H) serΔ á negativa.ΔH = HP - HR (HP < HR)ΔH < 0 Reagentes Produtos→ ΔH < 0Graficamente, podemos representar esse tipo de reação da seguinte forma:

Todos os processos de combustão são reações exotérmicas. Um exemplo é a combustão do hidrogênio, que atinge cerca de 2500 ºC, fornecendo a energia mecânica necessária para o foguete se movimentar e escapar da gravidade da Terra.

A seguir temos outros exemplos de reações e processos exotérmicos comuns no cotidiano. Observe que em todos os casos há uma sensação de aquecimento, pois o calor é liberado para o meio.

• Processos endotérmicos:

Reagentes + calor Produtos→

Aqui ocorre o contrário do que vimos anteriormente, a entalpia dos produtos (HP) é maior do que a entalpia dos reagentes (HR) porque os reagentes absorveram o calor fornecido pelo meio e, dessa forma, a variação da entalpia ( H) serΔ á positiva:ΔH = HP - HR (HP > HR)ΔH > 0 Reagentes Produtos→ ΔH > 0Os gráficos dos processos endotérmicos ficam com o seguinte aspecto:

Por exemplo, nas siderúrgicas 1 mol de hematita absorve 491,5kJ para se transformar no ferro metálico:

Fe2O3(s) + 3 C(s) 2 Fe→ (s) + 3 CO(g) ΔH = 491,5 kJ

Nos outros exemplos abaixo, você perceberá que nas reações e processos endotérmicos há uma sensação de resfriamento, pois o calor do meio é absorvido:

.