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Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Instituto de Química – IQ QF952A – 2s/2009

Cinética Química Rodrigo Steter Rocco RA017300 Flávia da Silva Nascimento RA032861 Flávio Araújo de Freitas RA032880

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1- Introdução

Em termos gerais a cinética química estuda as velocidades das reações químicas e todos

os fatores que a influenciam e procura explicar o comportamento macroscópico dos sistemas químicos em termos de modelos microscópicos, isto é, através da visualização teórica do comportamento das moléculas. Sob este ponto de vista a cinética química é o primeiro e um dos grandes caminhos para o estabelecimento do mecanismo das reações. O estudo das velocidades de reação é de grande interesse no campo da tecnologia química. Na indústria não há qualquer interesse numa reação lenta, mesmo que possua um elevado rendimento e formação de produtos. Contudo, conhecendo-se os fatores que alteram as velocidades de reação, pode-se escolher condições de trabalho que transformem uma reação lenta numa reação rápida e o simples aumento da velocidade de uma reação por um fator de 10 vezes, pode ser suficiente para mudar completamente o panorama da sua aplicação industrial.

A velocidade de reação pode ser definida como a derivada da concentração em relação ao tempo. Para uma reação genérica: R P, temos; v = - d [R] = d [P]. Para uma dt dt reação do tipo aA + bB cC = dD, podemos definir: v=- 1 d [A] = -1 d [B] = 1 d [C] = 1 d [D] . a dt a dt b dt c dt d dt

Além dessa forma, podemos estudar a velocidade de uma reação química através de uma lei de velocidade, que é determinada experimentalmente. Podemos escrever um modelo genérico dela como: v = k[A]m[B]n, onde: k = constante de velocidade (que não depende das concentrações mas depende da temperatura); m e n correspondem à ordem de reação referente a cada espécie envolvida, m+n = ordem global de reação. Portanto, formalmente, a lei de velocidade é uma equação que dá a velocidade de reação em função das concentrações de todas as espécies presentes na equação química global para a reação em um dado instante. Na prática, conhecida a lei de velocidade de uma reação e o valor de sua constante, podemos prever a velocidade da reação a partir da composição da mistura reacional, ou ainda, podemos prever a composição da mistura reacional em qualquer instante de tempo.(1) A cinética química é um dos critérios de avaliação da reatividade dos sistemas químicos complementar do critério termodinâmico que avalia a reatividade em termos de constantes de equilíbrio.

O conhecimento termodinâmico e cinético de qualquer reação é essencial para a análise de sua importância em química preparativa e industrial. (2)

Em nosso experimento causamos a redução do azul de metileno pelo ácido ascórbico, que leva ao gradual descoloramento da solução. Isto permitiu-nos acompanhar espectroscopicamente a cinética da reação de redução através da diminuição da absorbância da solução em 665 nm ao longo do tempo.

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2- Objetivo

O objetivo desse experimento foi acompanhar o andamento de uma reação química em solução, determinar a sua constante de velocidade e a sua ordem de reação.

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3- Materiais e Métodos

3.1- Materiais

Cronômetro

Micropipeta automática

Cubetas para espectrofotometro 10 mm

Espectrofotômetro

Balança Analítica

Béqueres de 50 mL

3.2- Reagentes

Solução estoque de Azul de metileno (AM)

Solução estoque de Ácido ascórbico (AAH2)

Água

3.3- Procedimento

Mistura dos reagentes e leitura no espectrofotômetro – Condição 01

Em um béquer de 10 mL, pesou-se cerca de 0,35g da solução de AM e 3 g de água destilada a

temperatura ambiente;

Em uma cubeta de poliestireno, adicionou-se cerca de 0,2 g da solução de (AAH2);

Inseriu-se uma cubeta contendo solução de AAH2 no suporte do espectrofotômetro;

Adicionou-se a solução de AM do béquer a cubeta contendo AAH2 e acionou-se o cronômetro

imediatamente a mistura das soluções;

Fechou-se a tampa do aparelho e anotou-se o valor de absorbância ao longo do tempo.

Condição 02

O procedimento da condição 01 foi repetido, porém utilizou-se cerca de 0,25 g de AM.

Condição 03

O procedimento da condição 01 foi repetido, porém

utilizou-se cerca de 0,08 g de AM.

Figura 1. esquema da aparelhagem utilizada

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4- Resultados e Discussão

Seguem abaixo os valores das concentrações iniciais do AM e Ac. Ascórbico na solução estoque e nas

cubetas; os valores de Mf (mol/L) representam as concentrações iniciais dos componentes nas cubetas.

Azul de Metileno Ácido Ascórbico SOLUÇÃO ESTOQUE SOLUÇÃO ESTOQUE MM 319,85 MM 176,1 massa (G) 0,012 massa (G) 3,5 n mols 3,7518E-05 n mols 0,0199 volume (L) 0,2 volume (L) 0,1 mol/L 0,0002 mol/L 0,1988 Condições iniciais de teste Condição inicial do teste Condição 01 Mi (mol/L) 0,000188 Mi (mol/L) 0,1988 Vol. Inicial 0,00035 Vol. Inicial 0,0002 Mf (mol/L) 1,849E-05 Mf (mol/L) 0,0112 Vol. Final 0,00355 Vol. Final 0,00355 Condição 02 Mi (mol/L) 0,000188 Vol. Inicial 0,00025 Mf (mol/L) 1,321E-05 Vol. Final 0,00355 Condição 03 Mi (mol/L) 0,000188 Vol. Inicial 0,00008 Mf (mol/L) 4,227E-06 Vol. Final 0,00355

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Gráfico Exponencial de Absorbância em função do tempo

y = 0,4919e-0,0066x

R2 = 0,9943

y = 0,1149e-0,0056x

R2 = 0,9702

y = 0,7121e-0,0054x

R2 = 0,9872

00,10,20,30,40,50,60,70,8

0 100 200 300 400 500 600 700

Tempo, s

Abs

orbã

ncia

Série1 Série2 Série3 Expon. (Série2) Expon. (Série3) Expon. (Série1)

Seguem abaixo em forma de gráfico os resultados obtidos em nosso experimento:

Gráfico 01. Curva exponencial de absorbância de AM x tempo para cálculo de K

Ln A x Tempo

y = -0,0054x - 2,094R2 = 0,9974

y = -0,0042x - 0,8462R2 = 0,9989

y = -0,0027x - 0,5362R2 = 0,9913

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

00 20 40 60 80

Tempo (s)

Ln A

0,35 g de solução de AM0,25 g de solução de AM0,08 g de solução de AMLinear (0,08 g de solução de AM)

Gráfico 02. Curva logarítmica de absorbância de AM x tempo

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Absorbância X Tempo - (Sistema Azul de Metileno + Ác. Ascórbico); pontos iniciais y = -0,0015x + 0,5839

R2 = 0,9902

y = -0,0016x + 0,4272R2 = 0,9989

y = -0,0006x + 0,1224R2 = 0,9957

00,10,20,30,40,50,60,7

0 20 40 60 80

Tempo, s

Abs

orbã

ncia

0,35 g de AM0,25 g de AM0,08 g de AMLinear (0,35 g de AM)Linear (0,25 g de AM)Linear (0,08 g de AM)

Gráfico 03. Pontos iniciais de absorbância x tempo para cálculo da velocidade inicial

Determinação da velocidade inicial:

A velocidade inicial da reação equivale ao valor do coeficiente angular da retas do gráfico 03. Em nosso

experimento as velocidades iniciais obtidas foram:

Condição Vel. Inicial (mol/s) 1 0,0015 2 0,0016 3 0,0006

Determinação da constante K pelo gráfico logaritmico:

Ln [A] = -Kt + lnA[A]0

Y = -aX + b

Desta forma K = a , sendo que “a” é o coeficiente angular da reta, assim encontramos os seguintes

valores:

Condição massa (g)

AM Klogaritmico 1 0,35 0,0027 2 0,25 0,0042 3 0,08 0,0054

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Log Vo versus Log [AM]o y = 0,6208x + 0,1145

3,25-3,2-

3,15-3,1-

3,05-3-

2,95-2,9-

2,85-2,8-

-5,5 -5,4 -5,3 -5,2 -5,1 -5 -4,9 -4,8 -4,7

Log [AM]o

Log

Vo

Determinação da constante K pelo gráfico exponencial: Para a determinação por este método se faz um ajuste não linear da curva e obedece-se a seguinte

equação:

[AM] = [AM] e-kt

Y = y0 + A e(-x/t)

Resultados

Condição Vel. Inicial (mol/s) Klogaritmico Klexponencial 1 0,0015 0,0027 0,0054 2 0,0016 0,0042 0,0066 3 0,0006 0,0054 0,0056

Os resultados de K obtidos pelo método de ajuste exponencial demonstrou-se mais uniforme entre as 3

condições de teste indicando este o melhor modelo que se encaixa em nosso experimento. É importante

citar que na condição 3 para o método de cálculo logarítmico para K, o valor de K se aproximou dos

valores de K exponencial demonstrando a possibilidade de validade do método logarítmico.

Determinação da ordem de reação:

Condição Vel. Inicial (mol/s) log Vel. Inicial (mol/s) [AM] log AM 1 0,0015 -2,823908741 1,849E-05 -4,73296 3 0,0006 -3,22184875 4,23E-06 -5,37393

Gráfico 04. Gráfico do logaritmo da velocidade inicial versus logaritmo da concentração inicial de Azul de

Metileno

Condição massa (g)

AM Klexponencial 1 0,35 0,0054 2 0,25 0,0066 3 0,08 0,0056

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5- Conclusão

Neste trabalho foram determinados experimentalmente a constante de redução do azul de metileno

através de método espectrométrico. A execução do experimento demonstrou-se bem simples e prática, tendo

como parte mais trabalhosa a execução dos cálculos e parte gráfica mas que também não exigiu

conhecimento específico.

Ao comparar o valor de K obtido pelos métodos exponenciais e logaritmicos encontramos proximidade na

condição 3 do experimento. Nas demais condições as diferenças foram mais significantes. No método

exponencial os valores de K encontrados foram mais constantes e por isso consideramos este procedimento

de cálculo o mais adequado para se determinar a constante de velocidade de redução do Azul de Metileno.

6- Bibliografia (1) – P.W. Atkins. “Físico-Química”, Vol. 3, 7ª ed. – LTC, 2003.

(2) – Formozinho, S.J. “Fundamentos de Cinética Química”, Fund. Calouste Gulbenkian, 1982, págs 16-18.