UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE DO ESPIRÍTO SANTO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS

ENGENHARIA QUÍMICA

CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS

FREDERICO KROHLING MAYER

JULIO PANSIERE ZAVARISE

LARISSA BASTOS DE PAULA BOMFIM

RELATÓRIO Nº 5

EXPERIMENTO 08 : INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA CONSTANTE DE

VELOCIDADE DA REAÇÃO

SÃO MATEUS-2015

RESUMO

O experimento realizado engloba os conceitos de cinética química e teve como

finalidade verificar a influência da temperatura na constante de velocidade da

decomposição do acetato de etila em meio ácido. A medição da constante foi

realizada retirando alíquotas de 5,0 mL de duas soluções de acetato de etila e

ácido clorídrico, a temperaturas de 25 e 40º C e titulando-as com solução de

NaOH padronizado em diferentes períodos de tempo, variando de 25 a 140

minutos de reação. Coletados os respectivos volumes gastos de NaOH,

calculou-se as constantes de velocidade nas determinadas temperaturas, a

energia de ativação e a constante A, denominada fator de frequência.

Conforme os resultados foram obtidos, pode-se obter uma análise positiva

acerca do verificação do efeito da temperatura na velocidade da reação,

garantindo a eficácia do experimento; uma vez que o mesmo apresenta-se

condizente com o que é dado pela literatura. Esse aumento age diretamente na

velocidade de desenvolvimento da reação pois aumentará a energia cinética

das moléculas permitindo que haja uma maior probabilidade de se colidirem,

acarretando que atinjam o complexo ativado mais rapidamente, isto é, a

formação de produtos acontecerá em uma velocidade maior com o aumento da

temperatura.

Palavras Chave : Acetato de Etila . Hidrólise Ácida . Constantes de Velocidade.

Energia de Ativação.

1-Introdução:

A cinética química, de um modo geral, procura caracterizar e analisar os

fatores que influenciam a velocidade de uma reação química. Alguns fatores

alteram a velocidade com que a reação ocorre. Estes podem ser temperatura,

pressão, concentração e natureza dos reagentes, superfície de contato,

catalisadores ou inibidores.

O acetato de etila sofre decomposição em meio ácido, sendo esta reação

descrita da seguinte maneira:

↔

A hidrólise do acetato de etila é extremamente lenta em água, porém, é

catalisada com a adição de íons H+ . Como visto no mecanismo da reação na

Figura 1, a reação catalisada em meio ácido é reversível e a velocidade da

reação de hidrólise é dada pela diferença entre a velocidade de decomposição

do éster e a velocidade da formação do acetato.

Figura 1. O mecanismo de hidrólise do acetato de etila. Imagem disponível em :

http://www.uni-ulm.de/~hhoster/pc_lecture/V8_instructions.pdf.

A constante de velocidade de uma determinada reação, hipotética : aA + bB

cC + dD, é definida como :

Porém, quando uma reação é de pseudoprimeira ordem, como a

decomposição do acetato de etila, a constante passa a ser calculada da

seguinte forma:

( )

( )

Em que a0 é a concentração no tempo 0 e (a0 – x) é a concentração no tempo t

qualquer. Mas há uma proporção envolvendo os valores de concentração com

o volume, após uma titulação, como a0 sendo proporcional a (V∞ – V0), em que

V∞ é o volume gasto, após uma titulação com NaOH, em um tempo muito

grande, considerado infinito, como no experimento realizado em 180 minutos, e

V0 o volume gasto, para a titulação com hidróxido de sódio, em um tempo

inicial 0, e outra proporcionalidade é (a0 – x) ser proporcional a (V∞ – Vt), com

Vt sendo o volume gasto na titulação com NaOH em um tempo qualquer.

Utilizando essas proporcionalidades, é possível reescrever a equação 1 como

sendo:

( ) ( )

( )

Arrhenius propôs uma equação que relaciona frequência de colisões, energia

de ativação e temperatura, para calcular a constante de velocidade de uma

determinada reação, que é mostrada a seguir pela equação 3:

⁄ ( )

Onde tem-se que A é uma constante de colisão, EAT é a energia de ativação e

T a temperatura.

Aplicando o logaritmo em ambos os lados e tendo os valores das duas

temperaturas e os da constante em cada uma delas, é possível determinar a

energia de ativação:

[

]

[

] ( )

2-MATERIAIS E REAGENTES:

2.1-EQUIPAMENTOS:

Balança analítica;

Suporte universal;

Garra;

Pêra de sucção;

Pipeta Pasteur;

Frasco lavador;

Termômetro;

Espátula;

Mufa ;

Banho-maria .

2.2-VIDRARIAS :

Bureta de 50,00 mL ±0,5 mL .

Balão volumétrico de 1 L ;

Pipeta volumétrica de 5,0 mL ;

Béqueres de 50 e 100 mL ;

Proveta de 100 mL;

Funil;

Bastão de vidro;

Frasco de Erlenmeyer 250 e 150 mL;

2.3-REAGENTES:

Solução de NaOH 0,2391 mol/L;

Solução de Fenolftaleína;

Acetato de etila concentrado (C4H8O2) P.A-ACS , PM= 88,11g/mol;

Solução de HCl 0,9669 mol/L ;

3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL :

1ª parte: Determinação da constante de velocidade a 25ºC:

Foi colocado num frasco de erlenmeyer de 250 mL 100 mL de solução de HCl

e 5 mL de acetato de etila concentrado e homogeneizada a solução. A

temperatura anotada e mantida constante foi de 24,9ºC. A mistura foi deixada

em repouso e passados 25, 40, 55, 70, 85, 100 e 140 minutos, 5 mL da solução

reacional foi colocada em outro erlenmeyer e introduzida em banho de gelo

para diminuir a velocidade da reação. Em seguida titulou-se utilizando como

titulante NaOH , adicionando três gotas de fenolftaleína como indicador.

2ª parte: Determinação da constante de velocidade a 40ªC:

O procedimento realizado nesta parte do experimento foi análogo ao

procedimento realizado na parte 1, o que difere é que a temperatura desejada

e mantida constante foi de 40ºC. Para isso a solução foi deixada em repouso

em banho-maria com temperatura de 40ºC.

4-RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Parte I: Determinação da constante de velocidade à 25°C.

A reação de decomposição do acetato de etila, catalisada por ácido, é descrita

pela seguinte equação:

CH3CO2C2H5 + H2O

CH3CO2H +C2H5OH

Assim para determinação da constante de velocidade, titulou-se as amostras

com NaOH, obtendo assim o volume de base que reagiu com acido acético

formado na decomposição e que foi necessário para viragem do indicador

(fenolftaleína). Os volumes de base obtidos em cada tempo estão

representados na tabela 1.

Tabela 1. Volumes de NaOH 0,2391 mol.L-1 gastos na titulações realizadas das

alíquotas à 25°C e valores de log (V∞-Vt) calculados para tempos de reação de 25-100

minutos.

Tempo

(Minutos)

Titulação à 25°C

Volume de NaOH 0,2931 mol/L

consumido (mL)

log(V∞-Vt)

25 19,30 0,602

40 20,10 0,505

55 20,90 0,380

70 21,30 0,301

85 22,00 0,114

100 22,50 -0,0969

140 23,30 -

Pela tabela 1 tem-se que com o passar do tempo a quantidade de NaOH

necessária na titulação se torna cada vez maior, isso ocorre devido a a maior

quantidade de íons H+,ou seja, mais éster (acetato de etila) formado. Calculou-

se o log (V∞-Vt) considerando como volume gasto no final de reação (V∞) o

volume de NaOH para o tempo de 140 minutos através da equação 2:

log(V∞-Vt)=log(V∞-V0) -Kvt/2,303 (Equação 2)

Pode-se determinar a constante de velocidade KV da reação de de

decomposição do acetato de etila pelo gráfico de log (V∞-Vt) x tempo, a uma

temperatura de 25°C. O gráfico plotado encontra-se na figura 2:

Figura 2. Gráfico log (V∞-Vt) x tempo a temperatura de 25ºC .

Pela equação da reta tendência do gráfico da figura 2 , y = -0,009x + 0,8659,

obtém-se o KV pelo coeficiente angular:

-Kv/2,303= -0,009 ∴ K25°=0,0207.min-1

PARTE II:Determinação da constante de velocidade à 40°C

Conforme descrito anteriormente , realizou-se um procedimento análogo à

parte I , porém a mistura reacional foi mantida durante todo o experimento em

um banho termostizado a temperatura de 40°C. Após decorrido os tempos

listados na Tabela 1 , foram recolhidas alíquotas de 5,0 mL e levadas ao banho

-0,200

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

log

(V

∞-V

t)

Tempo de reação (minutos)

Gráfico log (V∞-Vt) x tempo de reação (25°C )

de gelo para realizar posteriormente a titulação utilizando NaOH padronizado .

Os volumes de NaOH gastos em cada titulação são apresentados na Tabela 2 :

Tabela 2. Volumes de NaOH 0,2391 mol.L-1 gastos na titulações realizadas das

alíquotas à 40°C e valores de log (V∞-Vt) calculados para tempos de reação de 25-100

minutos

Tempo de reação (minutos)

Titulação a 40º C

Volume gasto de NaOH 0,2391 mol.L-1 (mL)

log (V∞-Vt)

25 23,20 0,7634

40 24,80 0,6232

55 25,50 0,5441

70 26,20 0,4472

85 26,50 0,3979

100 26,50 0,3979

140 29,00 -

Para determinar a constante de velocidade da reação de decomposição do

acetato de etila em meio ácido a 40° C , utiliza-se a equação 2, substituindo os

valores da Tabela 2.

Observando-se a tabela 2, verifica-se que o volume de NaOH consumido é

cada vez maior, pois com o andamento da reação mais ácido acético é

formado, a partir da reação de decomposição do acetato de etila. De maneira

análoga , o aumento do volume de NaOH é esperado uma vez que houve um

aumento da quantidade de íons H3O+ presentes em solução provinientes da

ionização do acido acético formado . Os valores de NaOH gastos na titulação

das alíquotas retiradas após decorridos 85 e 100 minutos de reação são

idênticos , pois no tempo final de reação ( considerado como 140 minutos ) ,

admite-se que a velocidade da reação diminui até consumir-se todo o acetato

de etila ; de modo , que não é mais formado ácido acético .

Para determinar a constante de velocidade K40° C da reação de decomposição

do acetato de etila à 40° C , plotou-se um gráfico de log( v∞ –vt) versus o tempo

t de reação ( em minutos) , onde a constante de velocidade K40° C será obtida

como sendo a inclinação do reta que liga os pontos experimentais obtidos .

Para adequar os dados traçou-se uma linha de tendência , que intercepta a

maioria dos pontos experimentais determinados . Nota-se que os valores de

NaOH gastos na titulação das alíquotas retiradas aos 25 e aos 100 minutos de

reação estão discrepantes dos demais pontos obtidos, porém optou-se por

mânte-los , pois a mudança na inclinação da linha de tendência é pouco

significativa . O gráfico plotado encontra-se abaixo na figura 4 :

Figura 4 . Gráfico log (V∞-Vt) x tempo a temperatura de 40ºC

Nota-se que os pontos experimentais obtidos para o tempo de reação de 70 e

100 minutos se apresentam em regiões discrepantes da tendência natural da

reta de regressão . Sendo asim desconsidera-se esses pontos experimentais e

toma-se como V∞ o volume de NaOH gasto na titulação da alíquota retirada ao

se decorrer 100 minutos de reação . Ao se analisar os volumes de NaOH ,

nota-se que os volumes de NaOH gastos nas titulações de 85 e 100 minutos

são idênticos , de modo que tomou-se como tempo final da reação 100

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 20 40 60 80 100 120

log

(V

∞-V

t)

Tempo de reação (minutos)

Gráfico log (V∞-Vt) x tempo de reação (40°C )

minutos e não 140 , visto que a 140 minutos de reação o volume de NaOH é

discordante em relação os valores encontrados nas titulações anteriores :

Tabela 3 . Volumes de NaOH 0,2391 mol.L-1 gastos na titulações realizadas das

amostras à 40°C e valores de log (V∞-Vt) calculados para tempos de reação de 25-55

minutos

Tempo de reação (minutos)

Titulação a 40º C

Volume gasto de NaOH 0,2391 mol.L-1 (mL)

log (V∞-Vt)

25 23,20 0,5185

40 24,80 0,2304

55 25,50 0,0000

O gráfico plotado a partir dos dados da tabela 3 encontra-se na figura 5 :

Figura 5 . Gráfico log (V∞-Vt) x tempo a temperatura de 40ºC .

A linha de tendência traçada para ligar os pontos experimentais do gráfico da

figura 5 , tem como equação : y = -0,0173x + 0,941. O coeficiente angular da

equação linear é a constante da reação a 40º C K40º e seu valor é :

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 20 40 60

log

(V

∞-V

t)

Tempo de reação (minutos)

Gráfico log (V∞-Vt) x tempo de reação (40°C )

-Kv/2,303= -0,0173 ∴ K40°=0,0398 /min

Os resultados obtidos na determinação da constantes de velocidade a 25ºC e a

40º C apresentam-se na Tabela 4:

Tabela 4. Constantes de velocidade da reação em diferentes temperaturas.

Temperatura (°C) Temperatura (K) Kv (min-1)

25 298 0,0207

40 313 0,0398

Fazendo uso da equação 4, podemos calcular a energia de ativação da reação

de hidrólise ácida do acetato de etila :

[

]

[

] ( )

Substituindo os valores da tabela 4 e utilizando como valor da constante

universal dos gases R=8,3145 J/K.mol , encontra-se o valor da energia de

ativação EAT para a reação estudada :

[

]

[

]

[

]

( )

/mol

Para calcular o fator de frequência A ,faz-se uso da equação 3:

⁄ ( )

Rearranjando os termos da equação 3 encontra-se uma relação útil para este

fim :

⁄ ( )

Calculando os valores de A para a temperatura de 25 e 40 º C , substituindo os

valores da tabela 3 e utilizando como constante R= 8,3145 J/K.mol

( )⁄

( )⁄

Na tabela 5 , apresenta-se os resultados obtidos através dos dados

experimentais analisados :

Tabela 5. Parâmetros da reação obtidos para a reação de decomposição do acetato

de etila em diferentes temperaturas.

Temperatura (°C) Kv (min-1) EAT(J/mol) A

25 0,0207 8,236*10-4 0,0208

40 0,0398 0,0398

Observando os valores encontrados para as constantes de velocidade da

reação de decomposição do acetato de etila , nota-se que à 40º C a constante

de velocidade da reação é aproximadente 2 vezes maior que a constante de

velocidade calculada para a temperatura de 25º C . Isso indica que a

velocidade da reação é favorecida com o aumento da temperatura , implicando

uma maior velocidade de consumo dos reagentes , e por conseguinte maior

velocidade de formação dos produtos.

A velocidade da grande maioria das reações químicas é fortemente

influenciada pela temperatura pois a temperatura está ligada ao grau de

agitação térmica das moléculas. Quanto mais energia térmica for fornecida ao

meio reacional, maior será o grau de agitação das moléculas. Se a temperatura

for aumentada, consequentemente aumenta-se a energia cinética das

moléculas (movimento). Se as moléculas se movimentam mais, elas se

chocam com mais frequência e com mais energia, diminuindo a energia de

ativação e em consequência o número de colisões efetivas aumenta e portanto

a velocidade da reação também aumenta.

Sabe-se que a energia de a tivação EAT, é a energia cinética mínima exigida

para que uma colisão entre duas moléculas resulte em uma reação. Se para

uma reação genérica tem-se uma elevada energia de ativação , isso

corresponde ao fato de que a velocidade de reação é muito sensível à variação

de temperatura , o que implica que uma pequena energia de ativação se

relaciona a uma reação cuja a velocidade varia apenas ligeiramente com a

temperatura . Pode-se ainda definir , que a energia de ativação EAT é o

coeficiente angular da curva de lnK em função de 1/T . Na figura 6 , temos

uma representação do gráfico de lnK x 1/T , para os valores obtidos

experimentalmente das constantes de velocidade nas temperaturas de 25 e 40º

C :

Figura 6. Gráfico de ln K x 1/T para as constantes de velocidade da reação a 25 e a

40 º C.

Pela análise da linha de tendência traçada para as temperaturas de 25 e 40ºC ,

pode-se afirmar que a reação analisada é fortemente influenciada pela

temperatura do meio reacional , visto pela inclinação acentuada do gráfico

mostrado na figura 3 , permitindo afirmar que as temperaturas mais elevadas

são mais favoráveis para o desenvolvimento da reação de decomposição do

acetato de etila em meio ácido .

O fator A ou fator pré-exponencial, corresponde à constante de

proporcionalidade entre as concentrações dos reagentes e a velocidade com

que as moléculas reagentes colidem. De acordo com a teoria das colisões de

Arrenhius , de forma simplificada , uma reação ocorre se as moléculas colidem

umas com as outras com energia cinética suficiente para ocasionar a quebra

das ligaçãoes dos reagentes e as colisões devem ocorrer em uma orientação

favorável , uma vez que nem todas as colisões resultam na formação de

-4

-4

-3

-3

-2

-2

-1

-1

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5

ln K

1/T

ln Kv x 1/T

produtos e dessa forma, só uma pequena parte delas vai resultar na

ocorrência de reação.

Analisando-se os valores do fator A encontrados para as temperaturas de 25 e

40ºC , nota-se que o valor de A para a temperatura de 40ºC é

aproximadamente 2 vezes maior que o fator A calculado para a temperatura de

25 º C . Isso indica que em temperaturas mais elevadas o aumento da agitação

das moléculas leva as moléculas a colidirem com uma frequência maior , o que

leva a se predizer que haverá um aumento da probabilidade de ocorrência de

colisões com orientação favorável à quebra das ligações dos reagentes e a

posterior formação dos produtos , corroborando a hipótese de que o aumento

de temperatura do meio reacional para a reação estudada resulta em uma

maior velocidade de reação.

Observa-se que houve discrepância em alguns pontos experimentais que pode

ser a atribuída a duas fontes de erros principais : a variação de temperatura

após a retirada da alíquota e ao erro de titulação. A variação de temperatura

pode ter afetado a reação estudada, pois ao transferir a alíquota retirada do

meio recional para o banho de gelo a fim de diminuir a velocidade da reação,

provavelmente a velocidade da reação manteve-se inalterada durante um certo

período de tempo , diminuindo gradualmente até que se estabelecesse

equílibrio térmico entre o a alíquota e o meio (banho de gelo) , ocasionando um

provável erro positivo nas titulações feitas com o NaOH , dado que nesse curto

período de tempo uma quantidade excedente de máteria de HOAc foi formada .

Além disso , notou-se que o ponto final da titulação foi excedido em algumas

das titulações realizadas , visto que a mudança de coloração do indicador no

ponto de viragem é difícil de ser detectada pelo olho humano, principalmente

por se apresentar como uma cor intermediária no ponto de equivalência da

reação.

CONCLUSÃO

Fazendo uma análise para esse experimento que tem como objetivo predizer o

comportamento da constante de velocidade em relação à temperatura em que

a reação ocorre, pode-se observar que com o aumento da temperatura há um

aumento na velocidade da reação. Esse aumento era esperado , pois, segundo

a literatura, com o aumento da temperatura aumenta-se a energia cinética das

moléculas e isso permite uma maior probabilidade de ocorrer colisões entre as

mesmas garantindo assim a formação de produtos mais rapidamente. Sendo

assim, o experimento pode ser considerado bastante eficaz no que se diz

respeito à análise da velocidade da reação, uma vez que a constante K sofreu

um aumento conforme a temperatura variou de 25 para 40º C. Através dos

cálculos apropriados e da análise dos gráficos plotados, os valores

encontrados para as constantes de velocidade nas temperaturas de 25ºC e 40º

C foram, 0,0207 e 0,0398, respectivamente e ainda, a energia de ativação da

reação determinada foi de 8,236*10-4 J/mol.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ATKINS, P.W.; PAULA, J., Físico-Química - Fundamentos, 3ª Edição,

Editora LTC, Rio de Janeiro, 2003.

CASTELLAN, GILBERT; Fundamentos de Físico – Química, 1ª Edição,

Editora LTC, Rio de Janeiro, 1986.

FICHA DE CORREÇÃO E NOTAS

Prática Influência da temperatura na constante de velocidade da reação

Alunos

CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS

FREDERICO KROHLING MAYER

JULIO PANSIERE ZAVARISE

LARISSA BOMFIM

Critério Peso Nota atribuída Nota do item

Resumo 1,5 7 10,5

Introdução 1,2 9 10,8

Materiais e Métodos 1,0 10 10

Resultados e Discussão 4,5 9 40,5

Conclusão 1,3 10 13

Referência 0,5 10 5

Nota do relatório (média ponderada da "nota do item") 9,0