QUÍMICA

Editora Exato 12

CINÉTICA QUÍMICA 1. DEFINIÇÃO

Estuda a velocidade das reações químicas, bem como os fatores que a influenciam. 1.1. Cálculo da Velocidade Média (Vm)

Vm = ∆n ∆t

Onde: ∆n = Variação do número de Mol consumido

ou formado. ∆t = Variação do tempo.

Exemplo:

)g(2)g(2 H3N1 + (g)32NH

tempo dareação (min)

nº total de molsde n consumido2(g)

0369

0121821

Observe o cálculo da velocidade média de con-sumo de N2(g) nos três intervalos de tempo:

� Instante0 a 3 minutos: n 12 0

Vm 4 mols /minT 3 0

∆ −= = =

∆ −

� Instante3 a 6 minutos: n 18 12

Vm 2 mols /minT 6 3

∆ −= = =

∆ −

� Instante6 a 9 minutos: n 21 18

Vm 1 mols /minT 9 6

∆ −= = =

∆ −

Observando a estequiometria da reação (1+3→2), conclui-se que a velocidade média de con-sumo do H2(g) é o triplo da velocidade média de con-sumo do N2(g) e que a velocidade média de obtenção de NH3(g) é o dobro da velocidade de consumo do N2(g).

Observe também que, à medida que o tempo passa, a velocidade média da reação diminui, isto o-corre devido a uma diminuição da concentração dos reagentes [ ]( )R~Vm .

2. CONDIÇÕES PARA QUE OCORRA UMA

REAÇÃO

a) FUNDAMENTAIS: - Afinidade química. - Contato entre os reagentes. b) COMPLEMENTARES: - Colisões efetivas e eficazes.

Cuidado, pois nem toda colisão dará origem a uma reação. Para que a mesma ocorra, a co-lisão tem que ser efetiva ou eficaz.

- Choques bem orientados. - Energia de ativação.

3. ANÁLISE GRÁFICA

Gráfico 01

ECA

HR

R

HP

Caminho da Reação

P

H/E

H

complexoativado

energia deativação

Complexo Ativado (CA) - ponto de maior e-nergia, onde ocorrem as colisões efetivas ou eficazes.

Energia de Ativação (EAT) - é a energia mí-nima necessária para que a reação ocorra.

ECA ⇒ Energia do complexo ativado. EAT ⇒ ECA - HR. Note que, como a energia (Entalpia) do produ-

to é inferior à energia do reagente, a reação se deu com liberação de energia, sendo então denominada Reação Exotérmica. Uma reação exotérmica pode ser equacionada de duas maneiras:

→

→

Produto Energia - Reagente

Energia + Produto Reagente

∆H = HP - HR

∆H < 0 ⇒ Reação Exotérmica Gráfico 2:

HR

R

HP

Caminho da Reação

P

H/E

ECA

H > 0

Complexo ativado

Energia de ativação

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Note que, como a energia do produto é maior que a energia do reagente, a reação se deu com ab-sorção de energia, sendo então denominada reação endotérmica.

Como a entalpia do produto é maior que a en-talpia do reagente, podemos equacionar a reação das seguintes maneiras:

EN produto Reagente

produto EN Reagente

−→

→+

como: Hr-HpH =∆

∆H > 0 ⇒ Reação Endotérmica

4. RELAÇÃO ENTRE ENERGIA DE ATIVA-

ÇÃO X VELOCIDADE DA REAÇÃO

Como a energia de ativação é a energia míni-ma necessária que as moléculas reagentes devem ad-quirir para que a reação ocorra, quanto menor a energia de ativação, maior a facilidade que as molé-culas reagentes têm de atingir o estado de transição (complexo ativado) e, como conseqüência, maior é a velocidade de reação química.

Quanto menor a EAT, maior será a velocidade da reação

5. FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDA-

DE DAS REAÇÕES

São os que alteram o número de colisões efeti-vas ou eficazes por unidade de tempo. Dentre eles, podemos citar:

a) CONCENTRAÇÃO: Quanto maior a concentração, maior será a

probabilidade de haver colisão efetiva entre as partí-culas. Conseqüentemente, maior será a velocidade da reação.

“A cada temperatura, a velocidade de uma rea-ção é diretamente proporcional ao produto das con-centrações molares dos reagentes, elevadas a expoentes determinados experimentalmente.”

b) TEMPERATURA: Aumentando-se a temperatura, ocorre um au-

mento da energia cinética das moléculas reagentes, aumentando, assim, a velocidade das colisões efeti-vas acarretando o aumento da velocidade da reação.

c) SUPERFÍCIE DE CONTATO: Quanto maior a área de contato entre os rea-

gentes, maior a quantidade de colisões efetivas ou e-ficazes e, como conseqüência, maior é a velocidade da reação.

d) PRESSÃO: Reduzindo o volume, diminui-se a distância

entre as moléculas, aumentando, assim, o número de colisões. Conseqüentemente, aumentaremos a pres-são e a velocidade da reação. Logo:

↓ volume, ↑ número de colisões, ↑pressão, ↑ velocidade da reação

e) CATÁLISE: Os catalisadores orientam as colisões para que

elas dêem origem à reação. Assim sendo, ocorre uma diminuição da energia de ativação, aumentando a ve-locidade da reação.

� Nos seres vivos, as enzimas atuam como catalisadores altamente específicos.

� Catalisadores são substâncias capazes de acelerar uma reação sem sofrerem altera-ção, isto é, podem participar do mecanismo da reação, porém, do jeito que entra como reagente, sai como produto da mesma for-ma e na mesma quantidade.

� Um catalisador acelera a reação, mas não aumenta o seu rendimento, isto é, produz a mesma quantidade de produto, mas num período de tempo menor (aumenta a veloci-dade da reação).

� O catalisador não altera o ∆H da reação. � Um catalisador acelera tanto a reação direta

quanto a inversa, pois diminui a energia de ativação de ambas.

ESTUDO DIRIGIDO

1 Amostras de magnésio foram colocadas em solu-ções de ácido clorídrico a diversas concentrações e temperaturas, havendo total dissolução do metal e desprendimento do hidrogênio gasoso. Obser-varam-se os seguintes resultados:

No da

amostra Massa de magnésio

Tempo para dis-solver

I 2,00 g 10,0 min II 0,40 g 2,0 min III 0,40 g 1,0 min IV 0,50 g 1,0 min

a) Em qual caso a velocidade média da reação foi

maior? b) Em qual caso desprendeu-se maior quantidade

de hidrogênio? Mostre como você chegou a es-sa conclusão.

2 A combustão da amônia é representada pela se-guinte equação química:

4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g) Mediu-se a velocidade da reação em determi-

nado momento e observou-se que a amônia estava sendo queimada numa velocidade de 0,24 mol.L-1.s-1.

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A esse respeito, responda: qual a velocidade de consumo do gás oxigênio?

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

1 Num determinado meio onde ocorre a reação: N2O5 → N2O4 + ½ O2 observou-se a seguinte va-riação na concentração do N2O5 em função do tempo:

[N2O5]/ mol.L-1

0,233 0,200 0,180 0,165 0,155

Tempo/s 0 180 300 540 840 Calcule a velocidade média da reação no inter-

valo de 3 a 5 minutos. Resolução:

Usando a fórmula de velocidade média, Vm = [ ]

T

ON

∆

∆ 52 , podemos calcular a velocidade média.

Como o tempo varia de 3 a 5 minutos e na tabela a-presentada o tempo está em segundos, precisamos transformar.

Utilizando a fórmula: Vm = 35

200180,0

−

−,

Vm=0,01 mol.L-1.s-1.

2 A combustão do butano corresponde à equação: C4H10 + 6,5 O2 → 4 CO2 + 5 H2O.

Se a velocidade da reação for 0,05 mol de bu-tano por minuto, determine a velocidade de formação do CO2.

Resolução: Avaliando a equação química, percebe-se que a

proporção de butano e CO2 é de 1:4, isto é, quando 1 mol de butano reage, quatro mols de CO2 são forma-dos. Desta forma, se a velocidade do butano é igual a 0,05 mol/min, a velocidade do CO2 será 0,2 mol/min.

EXERCÍCIOS

1 Em um supermercado, um consumidor leu o se-guinte texto no rótulo da embalagem lacrada de um produto alimentício:

Contém antioxidante EDTA – cálcio dissódico.

Conservar em geladeira depois de aberto.

Embalado a vácuo.

Considerando que o prazo de validade do pro-duto ainda não está vencido, julgue os itens que se seguem.

1111 O ar puro é um bom conservante deste ali-mento.

2222 Algumas substâncias componentes desse pro-duto são impedidas de sofrer reações em que perderiam elétrons.

3333 Se a instrução contida no rótulo for devida-mente seguida, haverá o retardamento das rea-ções endotérmicas de decomposição do alimento.

4444 Se a embalagem estiver estufada, há indícios de que houve reação com formação de gases e que, nessas condições, o alimento é considera-do impróprio para o consumo.

2 O biodigestor – uma das soluções tecnológicas para o tratamento do lixo – consiste em um reser-vatório no qual são favorecidas as condições para a decomposição de matéria orgânica em seu inte-rior por meio da ação de bactérias aeróbias. O conhecimento a respeito de cinética química permite entender aspectos relativos aos processos que ocorrem nesse sistema. Com relação a esse assunto, julgue os itens que se seguem. 1111 De acordo com a teoria das colisões, um au-

mento de temperatura no interior de um biodi-gestor tende a aumentar a velocidade das reações químicas.

2222 A moagem do material a ser colocado no bio-digestor provocará a redução da velocidade das reações químicas de decomposição, devido à diminuição do tamanho dos fragmentos a se-rem decompostos.

3333 O trabalho de decomposição das bactérias po-derá ser acelerado por meio do aumento da concentração do oxigênio no interior do biodi-gestor.

4444 Segundo a teoria cinética, nem todas as coli-sões entre as moléculas dos gases no interior do biodigestor resultarão na formação de pro-dutos.

3 “Determinar o tempo em que duas moléculas le-vam para reagir entre si é um desafio para os quí-micos. Como é difícil rastrear uma molécula individual em solução, os cientistas têm se con-tentado com cálculo de tempos médios, obtidos a partir de um grande número delas. Num volume muito pequeno de solução, portanto com menor número de moléculas presentes, eles detectam uma luz fraca emitida quando duas moléculas co-lidem.”

Ciência hoje 09/95. Com relação ao texto, julgue os itens. 1111 Pela impossibilidade de determinar a veloci-

dade de uma molécula, calcula–se a média das velocidades.

2222 Para que duas moléculas possam reagir é pre-ciso que haja colisão entre elas.

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3333 o fato de os cientistas detectarem uma luz fra-ca emitida conclui–se tratar de uma reação en-dotérmica (absorve calor).

4 Um estudante mediu o tempo gasto para o térmi-no da dissolução de comprimidos efervescentes em quatro testes realizados, nas condições especí-ficas na tabela abaixo. Analise os resultados obti-dos e mostrados na tabela.

Teste Condições do

comprimido Condições de temperatura

Tempo de dissolução

I Inteiro Temperatura ambiente

36 s

II Inteiro Gelada 45 s III Inteiro Quente 27 s IV Triturado Temperatura

ambiente 13 s

Julgue os itens abaixo. 1111 O número de colisões efetivas por segundo

entre as partículas dos reagentes foi maior no teste II.

2222 No teste III, a velocidade da reação foi maior do que nos testes anteriores, devido à diminui-ção da energia cinética das partículas dos rea-gentes.

3333 Segundo os dados da tabela, uma indústria química poderia aumentar a sua produção diá-ria, usando sistemas de refrigeração nos seus reatores (tanques em que se processam as rea-ções).

4444 Segundo os dados da tabela, provavelmente os bombeiros teriam mais dificuldade em apa-gar um incêndio em um depósito de papel pi-cado do que em um depósito de papel armazenado em fardos, em idênticas condições de pronto atendimento.

5 Muito provavelmente, os primórdios da química relacionam-se à necessidade da conservação de alimentos, que é realizada por meio do controle das reações químicas que neles ocorrem. Esse controle pode ser feito de diversas maneiras, in-clusive pelo uso de substâncias conservantes, como o dióxido de enxofre, que controla o escu-recimento de alimentos, agindo como antioxidan-te. Com o auxílio do texto, julgue os itens abaixo, relacionados ao controle das reações o-corridas nos alimentos. 1111 Para a indústria alimentícia, não é vantajoso

aumentar a concentração de dióxido de enxofre nos alimentos, pois isso acarretaria um aumen-to na velocidade de decomposição dos mes-mos.

2222 A presença de dióxido de enxofre diminui a energia da reação que leva ao escurecimento dos alimentos.

3333 Os alimentos conservam-se por meio de refri-geração devido ao aumento das colisões entre as moléculas das substâncias que os compõem.

4444 Infere-se do texto que o dióxido de enxofre oxida-se mais facilmente que as substâncias do alimento ao qual ele é adicionado.

6 Suponha duas reações diferentes.

A + B �C + D e X + Y �T + Z. cujos caminhos energéticos estão represen-

tados abaixo:

Energia

Caminho da reação

A + B X + Y

E1

E2

E3

E4

T + Z

C + D

Com base nesses gráficos, julgue as afirmações abaixo.

1111 A reação A + B �C + D, por ser uma reação exotérmica, ocorre mais rapidamente do que X

+ Y �T + Z. 2222 E3 corresponde à energia de ativação da reação

X + Y �T + Z.

3333 A reação X + Y �T + Z é endotérmica. 4444 E2 corresponde à variação de entalpia da rea-

ção A + B �C + D.

5555 O estado de transição da reação A+B�C+D é mais energético do que o da reação

X+Y�T+Z.

6666 Como E1 > E3, a reação A + B �C + D é mais

exotérmica do que X + Y �T + Z. 7777 Para que haja formação de C e D, o choque en-

tre as moléculas de A e B deverá ter energia igual ou maior do que E1.

7 (UnB) Quanto à velocidade das reações quími-cas, é certo que: 1111 os catalisadores aumentam essa velocidade; 2222 as reações ocorrem, em geral, de modo mais

lento, quando se aumenta a concentração de um dos reagentes;

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3333 a teoria das colisões é muito útil para explicar essa velocidade.

4444 aumentando a temperatura, sempre aumenta essa velocidade.

8 Assinale a sentença falsa: a) Quanto maior for a energia de ativação de uma

reação, maior será a sua velocidade. b) Quando uma reação ocorre em várias etapas, a

etapa mais lenta é a etapa determinante da ve-locidade da reação.

c) A velocidade de uma reação química depende das concentrações molares dos reagentes.

d) A velocidade de uma reação química aumenta com a temperatura.

9 O conhecimento da velocidade das reações quí-micas é de extrema importância para a produção industrial. Julgue as proposições a seguir: 1111 A velocidade, geralmente, cresce com o au-

mento da temperatura. 2222 A velocidade aumenta com a presença de um

catalisador. 3333 A velocidade será tanto maior quanto maior for

a energia de ativação da reação. 4444 A temperatura não afeta a velocidade das rea-

ções endotérmicas, pois já existe um excesso de energia no sistema.

5555 A velocidade sempre independe da concentra-ção dos reagentes.

6666 A velocidade sempre dobra quando se dobram as concentrações dos reagentes.

GABARITO

Estudo Dirigido

1 a) A velocidade média foi maior no caso IV, pois

usando a fórmula de velocidade, que é Vm = [ ]

T

massa

∆

∆, temos que a velocidade é igual a

0,5 g/min. b) Desprendeu maior quantidade de hidrogênio

no caso I, pois possui maior massa de magné-sio.

2 Vm = 0,3 mol.L-1.s-1. Exercícios

1 E, C, C, C

2 C, E, C, C

3 C, C, E

4 E, E, E, E

5 E, E, E, C

6 E, C, C, C, C, E, C

7 C, E, C, C

8 A

9 E, C, E, E, E, E