UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

ANDREI FREDERICO LOPEZ FERNANDO HENRIQUE GOMES ZUCATELLI

JULIANA MARIN PEDRO THIAGO RODRIGUES BRITO

RELATÓRIO DE TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS

SANTO ANDRÉ

2009

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

ANDREI FREDERICO LOPEZ FERNANDO HENRIQUE GOMES ZUCATELLI

JULIANA MARIN PEDRO THIAGO RODRIGUES BRITO

PRÁTICA 2 – CINÉTICA QUÍMICA

Trabalho apresentado como avaliação parcial da disciplina de Transformações Químicas do BC&T da UFABC.

Orientador: Profª Maria Alice.

SANTO ANDRÉ

2009

Sumário

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................3 2. OBJETIVOS.......................................................................................................................4 3. PARTE EXPERIMENTAL................................................................................................4

3.1. Materiais .....................................................................................................................4 3.2. Métodos ......................................................................................................................5

3.2.1. Efeito da superfície de contato na velocidade da reação ....................................5 3.2.2. Velocidade da reação entre tiossulfato de sódio e ácido clorídrico....................5 3.2.3. Efeito da temperatura na velocidade da reação. .................................................6

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................................7 4.1. Influencia da superfície de contato na velocidade da reação......................................7 4.2. Velocidade da reação entre tiossulfato de sódio e ácido clorídrico............................7 4.3. Efeito da temperatura na velocidade da reação. .......................................................10

5. CONCLUSÃO..................................................................................................................10 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................11 7. ANEXOS..........................................................................................................................12

7.1. Anexo 1 – Questões de verificação ..........................................................................12

3

1. INTRODUÇÃO

As reações químicas estão por toda a parte. Elas são as responsáveis pelo

tempo de duração de materiais, pela durabilidade dos alimentos e também do

próprio homem, já que seu organismo é regido por reações químicas. Por isso,

cientistas vêm estudando há anos os compostos e fatores que afetam as

velocidades das reações e como elas podem ser controladas.

Para uma reação acontecer, é necessária a interação entre as substâncias

químicas que as compõem, além da probabilidade de ocorrência de colisões entre

as moléculas, que possibilite o rearranjo de átomos de forma a transformar os

regentes em novas substâncias (produtos).

A velocidade de uma reação depende da capacidade dos regentes de sofrerem

mudanças nas ligações químicas. Mas por mais que essa capacidade seja

específica de cada composto, existem fatores capazes de se aumentar ou diminuir a

velocidade das reações. O aumento da velocidade de uma reação é importante nas

indústrias, pois possibilita uma quantidade maior de produto em um período menor

de tempo. No entanto, a diminuição da mesma pode proporcionar maior durabilidade

de um alimento.

Os fatores que influenciam a velocidade são:

Concentração de reagentes: quanto maior a concentração dos reagentes,

mais rápida será a reação química. Essa propriedade está relacionada com o

número de colisões entre as partículas.

Temperatura: quanto maior a temperatura, mais rapidamente se processa a

reação. É possível acelerar uma reação lenta, submetendo os reagentes a uma

temperatura mais elevada.

Superfície de contato: quanto maior a superfície de contato dos reagentes,

maior será a velocidade da reação. Exemplo: os antiácidos efervescentes quando

triturados se dissolvem mais rápido em água do que em forma de comprimido inteiro,

isto porque a superfície de contato fica maior para reagir com a água.

Catalisadores: são substâncias que aumentam a velocidade das reações

químicas sem serem consumidos.

Pressão: Quanto maior a pressão, maior será a intensidade das colisões,

aumentando assim a velocidade da reação.

4

Existem, algumas fórmulas para calcular a velocidade de uma reação. Um

exemplo é a fórmula abaixo:

mnBAkV ][][= (1)

Onde, k é uma constante e n e m representam a ordem da equação para cada

regente.

Esses valores são encontrados empiricamente.

Partindo dos dados coletados nos experimentos, uma forma de se obter a

ordem de reação é o uso de gráficos do tipo log x log, no qual é tomado o logaritmo

da função e da variável e então confeccionado o gráfico com estes valores,

conforme indica (2):

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

1;

log log log log

log log log

n

n n

V c X Vt

V c X c X

V n X c

= =

= = +

∴ = +

(2)

Esta função descreve uma reta com coeficiente angular n e este mesmo

número é a ordem da reação testada no experimento. O termo independente log c

.representa o coeficiente linear da reta.

2. OBJETIVOS

O objetivo do experimento foi de estudar a velocidade com que ocorrem as

reações químicas. Observar como a temperatura, a concentração e a superfície de

contato dos reagentes influenciam no aumento ou não da velocidade de uma

reação.

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Materiais

• 1 comprimido de Sonrisal®

• 5 béqueres de 50mL

• 2 béqueres de 100mL

• Bastão de vidro

• 6 tubos de ensaio

5

• Suporte para tubos

• Soluções de NaS2O3 (0,3 mol/L e 1,0 mol/L)

• Soluções de HCl (0,3 mol/L e 2,0 mol/L)

• Pipeta volumétrica

• Faca

• Tira de papel preto

3.2. Métodos

3.2.1. Efeito da superfície de contato na velocidade da reação

O comprimido de Sonrisal® foi dividido em quatro partes iguais com uso de

uma faca. Em um béquer de 100 mL se adicionou um quarto do comprimido e com o

bastão de vidro ele foi triturado. Em um segundo béquer, adicionou-se um quarto do

comprimido não triturado. Em cada sistema (béquer + comprimido), adicionou-se

25mL de água e cronometrou-se o tempo de cada reação.

3.2.2. Velocidade da reação entre tiossulfato de sódio e ácido clorídrico.

A reação estudada é descrita pela equação química:

( )2

2 3 (aq) (s) 2(g) 2aqS O 2H S SO H O− ++ → + + (3)

A ordem de reação será determinada para cada reagente nesta reação.

3.2.2.a. Determinação da ordem de reação para o S2O3-2

(aq).

Foram preparadas cinco soluções aquosas de tiossulfato de sódio, nos

béqueres de 50mL, conforme a tabela abaixo:

Tabela 1 – Soluções de NaS2O3 (0,3 mol/L).

Volume (mL) Béquer

NaS2O3 (0,3 mol/L) H2O

1 5,0 20,0

2 7,5 17,5

3 15,0 10,0

4 20,0 5,0

5 25,0 0,0

6

Após preparar as devidas soluções, o primeiro béquer foi colocado sobre a tira

de papel preto; utilizou-se a pipeta volumétrica para a adição de 5,0mL de ácido

clorídrico (2,0 mol/L) e disparou-se o cronômetro. Quando a tira de papel não estava

mais visível, parou-se o cronômetro. O mesmo procedimento foi repetido para os

demais béqueres. Ao término, os cinco béqueres foram lavados para utilização no

próximo passo.

3.2.2.b. Determinação da ordem de reação para H+(aq).

Foram preparadas quatro soluções aquosas de ácido clorídrico, nos béqueres

de 50mL, conforme a tabela abaixo:

Tabela 2 – Soluções de HCl (0,3 mol/L).

Volume (mL) Béquer

HCl (0,3 mol/L) H2O

1 2,5 7,5

2 5,0 5,0

3 7,0 3,0

4 10,0 -----

Após preparar as devidas soluções, o primeiro béquer foi colocado sobre a tira

de papel preto. Utilizou-se a pipeta volumétrica para adição de 20,0mL de tiossulfato

de sódio (1,0 mol/L) e disparou-se o cronômetro. Quando a tira de papel não estava

mais visível, parou-se o cronômetro. O mesmo procedimento foi repetido para os

demais béqueres.

Nenhuma solução foi agitada após colocar o segundo reagente.

3.2.3. Efeito da temperatura na velocidade da reação.

No suporte para tubos, utilizou-se a pipeta para adição de 2,0mL da solução de

tiossulfato de sódio (1,0mol/L) em 3 tubos de ensaio e, em outros 3 tubos, adicionou-

se 2,0mL da solução de ácido clorídrico (0,3mol/L). Colocou-se o primeiro par de

tubos contendo a solução de ácido clorídrico e de tiossulfato de sódio em banho de

água com gelo (cerca de 0ºC), ao mesmo tempo colocou-se o segundo par de tubos

em banho de água a 40ºC, e o terceiro par permaneceu no suporte. Aguardou-se

cerca de 5 minutos.

Após o tempo estipulado de espera, posicionou-se cada sistema sobre a fita

preta e entornou-se a solução de tiossulfato de sódio no tubo que continha o ácido

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clorídrico. Imediatamente disparou-se o cronômetro e quando a tira de papel não

estava mais visível, parou-se a contagem.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Influência da superfície de contato na velocidade da reação

Na Tabela 3, encontram-se os tempos cronometrados da reação dos

comprimidos de Sonrisal triturado e não triturados. A coluna “Tempo” indica o

tempo em que não foi possível mais ver partes sólidas do comprimido.

Tabela 3 – Tempo Sonrisal.

Comprimido Tempo (s)

1/4 não triturado 40,76

1/4 triturado 7,76

Na Tabela 3, nota-se que o tempo em que o ¼ de comprimido triturado se

dissolveu foi aproximadamente 6 vezes menor que o tempo do ¼ de comprimido

inteiro. Isso se deve a maior área de contato por volume dos sólidos envolvidos na

reação.

Com base nesses dados é possível perceber que quanto maior a área para

contato – e consequentemente colisões – mais rápida se processará uma reação.

4.2. Velocidade da reação entre tiossulfato de sódio e ácido clorídrico.

Nas próximas tabelas será analisado o tempo que a reação (7) levou para

produzir produtos suficientes para que não fosse possível mais ver a fita preta

colocada embaixo do béquer.

Na Tabela 4, a concentração de ácido clorídrico foi mantida constante em 2,0

mol/L e sempre foi adicionado a cada béquer 5,0 mL dessa solução de HCl. Dessa

forma, pode-se isolar a influência desse reagente e analisar a ordem dessa reação

quanto à concentração do tiossulfato de sódio.

8

Tabela 4 – Tempo em função da concentração de tiossulfato de sódio.

Volume (mL) Concentração Béquer

Na2S2O3 (0,3 mol/L) H2O (mol / L) Tempo fita preta (s)

1 5,0 20,0 0,06 66,00

2 7,5 17,5 0,09 45,50

3 15,0 10,0 0,18 22,72

4 20,0 5,0 0,24 18,04

5 25,0 0,0 0,30 14,41

Para descobrir a ordem de reação quanto aos íons 22 3S O −

, foram extraídos, a

partir da Tabela 4, o logaritmo natural da concentração e do tempo – conforme

equação (2) – em que a fica preta deixou de ser visível e montado o gráfico da

Figura 1.

Velocidade da reação em função da concentração de tiossulfato de sódio - ln x ln

y = 0,948x - 1,5244

R2 = 0,9994

-4,50

-4,00

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-3,00 -2,80 -2,60 -2,40 -2,20 -2,00 -1,80 -1,60 -1,40 -1,20 -1,00

ln (Concentração (mol / L))

ln (

1/t)

ln (1/t)

Linear (ln (1/t))

Figura 1 – Gráfico da velocidade da reação em função da concentração de tiossulfato de sódio.

Na Figura 1, com uso de ferramenta computacional, foi ajustada uma reta aos

pontos correspondentes aos logaritmos dos dados e exibida a função desta reta. O

coeficiente angular desta reta corresponde à ordem da reação, no caso igual a

0,948. O coeficiente R2 indica o nível de ajuste da função aos pontos, no caso este

índice é de 99,94%, ou seja, a reta está bem ajustada aos pontos. (R2 = 100% indica

que a função ajustada é exatamente a função descrita pelos pontos).

Ainda com base na equação (2), pode-se calcular o valor da constante k que

multiplica a concentração. De acordo com esta equação o termo independente

obtido na função da reta logarítmica corresponde ao ln da constante k. Logo:

lnln 1,5244 4,60kk k e= ⇒ = = (4)

9

Como os dados estão divididos entre os 2 reagentes, este valor será

comparado com o valor encontrado para o ácido clorídrico.

Para identificar a ordem de reação para o ácido clorídrico, foi mantida

constante a concentração de tiossulfato de sódio em 1,0 mol/L e adicionados

20,0mL. Os tempos obtidos variando apenas as concentrações de HCl estão na

Tabela 5.

Tabela 5 – Tempo em função da concentração de ácido clorídrico.

Volume (mL) Concentração Béquer

HCl (0,3 mol/L) H2O [HCl] mol/L Tempo fita preta (s)

1 2,5 7,5 0,08 20,91

2 5,0 5,0 0,15 12,75

3 7,0 3,0 0,21 10,79

4 10,0 0,0 0,30 9,94

Da mesma forma como feito na Tabela 4, foram extraídos os logaritmos

naturais e confeccionado o gráfico com os valores.

Velocidade da reação em função da concentração ácido clorídrico - ln x ln

y = 0,5529x - 1,5628

R2 = 0,9601

-3,20

-3,00

-2,80

-2,60

-2,40

-2,20

-2,00

-2,80 -2,60 -2,40 -2,20 -2,00 -1,80 -1,60 -1,40 -1,20 -1,00

ln (Concentração (mol / L))

ln (

1/t)

ln (1/t)

Linear (ln (1/t))

Figura 2 – Gráfico da velocidade da reação em função da concentração de tiossulfato de sódio.

De acordo com a Figura 2, o coeficiente de inclinação da reta foi ajustado aos

pontos e, por consequência, a ordem de reação para o ácido clorídrico é 0,5529. O

índice R2 de ajuste deste gráfico é igual a 96,01%, portanto esta reta descreve

satisfatoriamente uma função para os pontos inseridos no gráfico.

O valor da constante k que multiplica a concentração obtida com base nos

dados deste reagente é:

10

lnln 1,5628 4,77kk k e= ⇒ = = (5)

Sendo o valor de k da tabela anterior igual a 4,60, e desta tabela igual a 4,77,

opta-se por usar a média entre eles, sendo esta igual a 4,685.

De acordo com os dados obtidos nos gráficos, pode-se escrever a equação

para a velocidade da reação entre o tiossulfato de sódio e o ácido clorídrico com as

ordens da reação:

2 2 0,948 0,55292 3 2 3.[S O ] .[H ] 4,685.[S O ] .[H ]n m

V k− + − +

= = (6)

4.3. Efeito da temperatura na velocidade da reação.

Os dados sobre a influência da temperatura na velocidade da reação se

encontram na Tabela 6.

Tabela 6 – Tempo em função da temperatura dos reagentes.

Reagente Concentração (mol / L) Volume (mL)

tiossulfato de sódio 1,0 2,0

ácido clorídrico 0,3 2,0

Temperatura Tempo fita preta (s)

0°C Banho de gelo 26,38

Ambiente 10,30

40°C 5,62

O tempo que a reação precisou para se realizar a ponto de tornar a fita preta

invisível após ter ficado 5 minutos no banho de gelo foi de 26,38s. Este tempo é

aproximadamente 2,6 vezes maior que o tempo para a mesma reação ocorrer na

temperatura ambiente – 10,30 s. E este tempo é por sua vez cerca de 1,8 vezes

maior que o tempo da mesma reação a 40°C. De acordo com estes dados se induz

que quanto maior a temperatura maior a velocidade de reação.

5. CONCLUSÃO

Conclui-se que a superfície de contato, a concentração e a temperatura

influenciam diretamente na velocidade das reações. A partir de estudos empíricos de

como estes fatores atuam, pode-se estimar a equação da velocidade da reação,

determinando, assim, a constante da velocidade (k) e a ordem de cada reagente.

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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BRADY, JAMES E.; RUSSELL, JOEL W.; HOLUM, JOHN R. Química a matéria e suas transformações, 3. ed., editora LTC, 2003, v.2. p. 1-10.

MAHAN, BRUCE M.; MYERS, ROLLIE J. Química: um curso universitário. 4.ed. São Paulo: Edgar Blücher, 2007. p. 233-236.

12

7. ANEXOS

7.1. Anexo 1 – Questões de verificação

Q1.

No experimento do Sonrisal, observou-se que quanto maior a superfície de

contato do comprimido, mais rápido seria sua reação/dissolução com a água.

Portanto, é validada empiricamente a teoria de que materiais com grandes áreas

superficiais – em pó, porosos, etc. – reagem facilmente e com maior velocidade do

que materiais que se encontram em arranjos rígidos e em menores áreas

superficiais de contato.

Q2.1:

Ocorreu a reação do tipo chamada simples troca, deslocamento ou

substituição: dois reagentes formam dois produtos:

( )2

2 3 (aq) (s) 2(g) 2aqS O 2H S SO H O− ++ → + + (7)

Sendo que S(s) + SO2(g) se formaram a partir da decomposição de S2O2.

Q2.2:

No primeiro experimento, notou-se que quanto mais concentrado se encontrava

o primeiro reagente na água, mais rápida e eficaz era a reação com a adição do

segundo reagente. Já no segundo experimento, a temperatura se comportou como o

fator limitante das reações e, assim, deduziu-se que quanto maior a temperatura dos

reagentes, maior é a velocidade e menor é o tempo da reação – pois maior é o

número de colisões entre as moléculas dos reagentes.

Q2.3

De acordo com o gráfico da Figura 1, a ordem de reação para o tiossulfato de

sódio é 0,948. Esse número representa o coeficiente angular da reta ajustada aos

logaritmos naturais dos pontos obtidos experimentalmente. O uso da equação (2)

permite relacionar este coeficiente diretamente com a ordem da reação.

No caso da ordem de reação do ácido clorídrico, sendo esta obtida pelo gráfico

da Figura 2, seu valor é 0,5529

13

Q2.4:

Estes coeficientes definem o comportamento de seu respectivo reagente

durante a reação: coeficientes com valores próximos de 0 significam que o reagente

não é necessariamente consumido; os próximos de 1 apresentam um consumo em

escala linear; os próximos de 2 e 3 apresentam consumo em escala exponencial,

sendo os de 3 exponencialmente mais acentuados.

Q2.5:

No decorrer do tempo de uma reação, a concentração dos reagentes diminui

gradativamente, ou seja, o número de moléculas dos reagentes é cada vez mais

reduzido, influenciando, portanto, negativamente na quantidade de colisões

(velocidade de reação).

Q3:

Os fatores observados nesta prática que alteraram a velocidade de uma reação

química foram: superfície de contato, concentração e temperatura.

Q4:

Na verdade, existem mais dois fatores: presença de catalisador e pressão –

esta só atua se houver pelo menos um reagente na fase gasosa. O catalisador

acelera ou desacelera uma reação sem alterar sua composição ao fim do processo e

a pressão apresenta o mesmo papel da temperatura – aumentar o número de

colisões entre as moléculas dos reagentes.