ciências da natureza e suas tecnologias - química ensino médio, 2ª série cinÉtica quÍmica
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Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Química
Ensino Médio, 2ª Série
CINÉTICA QUÍMICA
O que as imagens abaixo têm em comum?
2
Formação de cavernas...
Corrosão de metais por ferrugem...
Explosão de dinamites...
Queima do cigarro...
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
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O segredo é a velocidade!• Para formar as estalactites e estalagmites de
uma caverna, demora milhares (ou milhões) de anos;
• A corrosão de um metal demora alguns meses (ou anos);
• Um cigarro é consumido em cerca de 1 minuto;
• Uma dinamite explode instantaneamente.
3
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Cinética Química é...• O estudo da velocidade das reações químicas!• A velocidade média vm (ou rapidez) de uma reação
química é...• A relação entre o que foi consumido (ou formado) e
o tempo transcorrido.• Para a reação: aA + bB cC + dD• Temos, matematicamente:
4
Em termos de quantidade de matéria
t
n
t
nv PRODREAGm
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Atenção!• Em aA + bB cC + dD: a, b, c e d são os coeficientes
estequiométricos da equação química balanceada;• Na equação da velocidade média, o sinal negativo no 1º
membro significa que o número de mols (quantidade de matéria) está diminuindo, ou seja, que o reagente está sendo consumido;
• Se não quisermos trabalhar com números negativos, podemos colocar o módulo matemático na equação:
5
t
n
t
nv PRODREAGm
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
E se...• A situação problema fornecer os dados de
concentração para reagentes e produtos, em vez da quantidade química (número de mols), utilizamos:
• Quisermos saber a relação entre as velocidades médias de reagentes e produtos, temos:
6
t
D
t
C
t
B
t
Avm
][][][][
d
v
c
v
b
v
a
vDCBA mmmm Relação entre velocidades
Em termos de quantidade de matéria
a, b, c, d = Coeficientes estequiométricos
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Podemos observar como variam as concentrações e a velocidade graficamente:
7
A concentração dos reagentes diminui
com o tempo
A concentração dos produtos aumenta
com o tempo
E a velocidade diminui
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
[R]
tempo tempo tempo
I II III
velocidade[P]
Teoria das Colisões• Condições para ocorrência das reações:1. afinidade entre os reagentes;2. contato apropriado entre os reagentes.
8
Ocorre reação:
Não ocorre reação:
Complexo Ativado
Antes da reação Após a reação
Antes da reação Após a reaçãoComplexo Ativado
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
A velocidade das reações depende...• da frequência dos choques;• da energia (violência) dos
choques colisões eficazes;• da orientação apropriada das
moléculas.
9
QUÍMICA, 2º AnoCinética Químicac
X Y Z W
+ +
+
Geometria adequada para a formação Z e W
Geometria inadequada para a formação Z e W
Complexo Ativado• Estado intermediário (de transição) entre reagentes
e produtos.Reagentes Complexo Ativado Produtos
Reação do tipo:A + B C + D
EAB = Energia do Complexo AtivadoEA+B = Energia dos ReagentesEC+D = Energia dos Produtos
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
A B AB C D
+ +
energia de ativação
reagentes complexo produtos
energia de formação
+
+
EAB
EA+B
EC+D
Energia de Ativação (Ea)• Energia mínima necessária que os reagentes
devem ter para a formação do complexo ativado.
Energia de Ativação = Barreira
Podemos entender a energia de ativação como uma barreira que os reagentes devem ultrapassar para chegar no complexo ativado!
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Energia (kcal/mol)
Complexo ativado
Caminho da reação
Reagentes
Energia (kcal/mol)
Complexo ativado
Caminho da reação
Reagentes Produtoc
E2
E3
E1
b
Energia (kcal/mol)
Complexo ativado
Caminho da reação
Reagentes
Produto
c
b
E2
E3
E1
Como varia a Energia de Ativação com a Velocidade?
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Reação endotérmica
Ea = ECA - EReag
Ea = Energia de ativaçãoECA = E2 = Energia do complexo ativadoEReag = E1 = Energia dos reagentes
Quanto maior a Ea, menor será a velocidade
Reação exotérmica
Ea Sempre será POSITIVA! (Ea >0)
b = Ea
c = H
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Atividade Experimental – Decomposição da Água Oxigenada
• Recipiente A: água oxigenada apenas• Recipiente B: água oxigenada com batata
inglesa• Recipiente C: água oxigenada com iodeto de
potássio (KI)• Dica 1: Preencha os recipientes com o mesmo
volume de água oxigenada.• Dica 2: Tente adicionar a batata inglesa e o
iodeto de potássio no mesmo instante.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Questões para discussão01. Descreva o que fora observado nos recipientes A, B e C.02. Em algum recipiente há desprendimento de gás? Qual (quais)?03. Se mais de um recipiente desprende gás, em qual haverá maior
desprendimento num tempo de 20 segundos, por exemplo?04. Se houve desprendimento de algum gás, temos como descobrir que gás
foi formado? Descreva um teste simples.05. Tocando os recipientes A, B e C (por fora), o que podemos dizer sobre a
energia (entalpia) envolvida no processo?06. Para que servem a batata inglesa e o KI nos recipientes B e C,
respectivamente?07. Escreva a equação química balanceada para a decomposição da água
oxigenada.08. A decomposição da água oxigenada é uma reação endotérmica ou
exotérmica?
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Atividade Experimental – Análise com comprimido efervescente
• Recipiente A: Água morna com um pedaço de Sonrisal• Recipiente B: Água gelada com um pedaço de Sonrisal• Recipiente C: Água normal com um Sonrisal inteiro• Recipiente D: Água normal com um Sonrisal triturado
• Dica 1: Tente colocar volumes iguais nos recipientes.• Dica 2: Para diminuir o número de comprimidos
efervescentes, pode-se cortá-los ao meio e medir suas massas numa balança de precisão.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Atividade Experimental – Análise com comprimido efervescente
01. Considerando os recipientes A e B, onde o Sonrisal se desfez mais rapidamente? Por quê?
02. Entre os recipientes C e D, onde o Sonrisal se desfez mais rapidamente? Por quê?
03. Nos recipientes observados, houve desprendimento de gases? Se houve, é possível afirmar qual gás foi formado?
04. Descreva uma maneira de confirmar o desprendimento do gás eventualmente formado.
05. Investigando a composição química do Sonrisal, descreva a equação química do processo ocorrido nos recipientes.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Fatores que influenciam a velocidade de uma reação química
Aumento da Concentração
Por que abanamos o fogo?
Num churrasco (ou numa situação como a da figura ao lado), ao abanarmos o fogo, aumentamos a concentração de gás oxigênio (O2) disponível para ser queimado.
Consequentemente, a velocidade da reação aumentará, fazendo com que a labareda aumente!
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
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Fatores que influenciam a velocidade de uma reação química
Temperatura
Para que serve a geladeira?
Colocamos alimentos na geladeira para conservá-los. A baixa temperatura da geladeira diminui a velocidade das reações químicas responsáveis por apodrecer alimentos, como carnes e legumes
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
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Fatores que influenciam a velocidade de uma reação química
Superfície de contato
Quer cozinhar batatas mais rapidamente?
Se colocarmos as batatas em pequenos pedaços para cozinhar, economizaremos gás de cozinha.Ao fatiarmos a batata, aumentamos seu contato com a água quente, fazendo com que cozinhe mais rapidamente!
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Imagem:Tilmann at the German language Wikipedia / GNU Free Documentation License.
O que é catalisador químico?
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Tioglicolato de Amônio
Afinal, pra que serve mesmo o tal tioglicolato de amônio?
Informação retirada de um site de venda do produto
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Catalisador Tângara QuímicoDesenvolvido para acelerar as reações químicas a base de Tioglicolato de Amônio
Benefícios: Acelera as reações químicas a base de Tioglicolato de Amônio em cabelos naturas, coloridos ou descoloridos. Tioglicolato de Amõnio – Ativo destinado a aceleração da ação redutora nos processos com Tioglicolato de Amônio.
Imagem: Rune.welsh at the wikipedia project / Public Domain.
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O que é catalisador químico?• Catalisadores são substâncias que
aumentam a velocidade das reações químicas, sem serem efetivamente consumidos.
• Atenção: Os catalisadores podem ser regenerados após a reação ocorrer.
• Catalisadores fazem parte de nossa vida, como no caso das colas Epóxi, em que uma das massas é o catalisador – que acelera o endurecimento da cola.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Imagem: Dzhang2680 / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
Por que tais Fatores influenciam a velocidade?
• Explicações baseadas no princípio:
Quanto maior o número de colisões Maior a velocidade
1. Temperatura (T)• Quanto maior a temperatura Maior a agitação Maior
o número de choques Maior velocidade.
2. Superfície de contato (SC)• Quanto maior a SC Maior o número de choques
Maior velocidade.22
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Por que tais Fatores influenciam a velocidade?
3. Concentração dos reagentes• Quanto maior a concentração dos reagentes
maior número de choques Maior velocidade.
4. Catalisador• Aumenta a velocidade das reações,
diminuindo a energia de ativação.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Como atua o catalisador?
Enzimas são catalisadores naturais
Fique Atento!Inibidores são
substâncias que diminuem a
velocidade das reações!
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Energia de ativação
sem enzima
Energia total liberada na reação (H)
Coordenada de reação
Maior Energia de Ativação!
Menor Energia de Ativação!
Energia
Sem enzima
Energia de ativação com enzima
Coordenada de reação
com enzima
Reagentese.g. C5 H12 O6 + O2
Produtos CO2 + H2O
Mecanismo de Reação• Sequência em que ocorre uma reação química
Conjunto de etapas;• Mecanismo é o conjunto das reações
elementares (etapas);• Reação elementar Reação que ocorre
numa só etapa.
• Somatório das reações elementares = Reação global
• Etapa lenta Determina a lei de velocidade25
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Lei de Velocidade• A velocidade das reações é proporcional às
concentrações dos reagentes:aA + bB cC + dD
• x, y = Ordens da reação. Expoentes Experimentais;
• x + y = Ordem global da reação.
26
yx BAkv ][][
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Fique Atento!• Nas reações elementares, os expoentes x e y são
iguais aos coeficientes estequiométricos (a e b):
• Molecularidade é o número de moléculas que se chocam em cada reação elementar.
• Em reações com mais de uma etapa (com mecanismo), sempre haverá uma etapa lenta e ela determinará a Lei de Velocidade:
• Os expoentes x e y serão iguais aos coeficientes estequiométricos dos reagentes na etapa lenta.
ba BAkv ][][
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Só pra ilustrar a complexidade de Mecanismo
28
Em Química Orgânica, usamos mecanismos complexos para explicar a
ocorrência de uma reação química.
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
O O OH PBr3
CH3CH2 C OH CH3CH2 C Br CH3CH C Br
Br Br
O O OH H2O -HCH3CH2 C OH CH3CH2 C Br CH3CH C Br + Br H Br Br Br
++
+
Chuva Ácida
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Peixes morrem pela alteração do pH dos rios...
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Imagens: (a) Gentle / GNU Free Documentation License, (b) Thegreenj / GNU Free Documentation License.
Esculturas se degradam mais rapidamente...
Chuva Ácida
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QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Imagem: (c) Gavin Schaefer (Uxud) / GNU Free Documentation License.
N2 + 2O2 + H2O HNO3 + HNO2 (Nitrogênio)2SO2 + O2 + 2H2O 2H2SO4 (Enxofre)
A poluição de fábricas e veículos reage com o vapor de água das nuvens para formar os ácidos.
SO2 Dióxido de
enxofreNO e NO2 Óxidos de nitrogênio
A química da chuva
Formação de Chuva ÁcidaCom Nitrogênio:N2(g)+ O2(g) 2NO(g)
2NO(g) + O2 2NO2(g) (Etapa Lenta) 2NO2(g) + H2O(l) HNO3(aq) + HNO2(aq)
• Reação global:N2(g) + 2O2(g) + H2O(l) HNO3(g) + HNO2(g)
• Lei de Velocidade:
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12
2 ][][ ONOkv
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Formação de Chuva ÁcidaCom Enxofre:
2SO2(g) + O2 2SO3(g) (Etapa Lenta) SO3(g) + H2O(l) H2SO4(aq)
• Reação global:2SO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) 2H2SO4(aq)
• Lei de Velocidade:1
22
2 ][][ OSOkv
QUÍMICA, 2º AnoCinética Química
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso
2a (a) Snoopy1974 / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Corrosion_r44.JPG29/03/2012
2b (b) U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Aaron Burden / Public Domain.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:US_Navy_090422-N-7130B-318_A_fireball_erupts_as_dynamite_and_TNT_are_used_to_clear_boulders.jpg
29/03/2012
2c (c) Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic Creative Commons Attribution 2.0 Generic.
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29/03/2012
2d (d) Andrew Magill / Creative Commons Attribution 2.0 Generic.
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29/03/2012
17 Hedwig Storch / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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30/03/2012
18 W.J.Pilsak at de.wikipedia / GNU Free Documentation License.
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30/03/2012
19 Tilmann at the German language Wikipedia / GNU Free Documentation License.
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30/03/2012
20a Hmwith / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hair_straightening_before_and_after.jpg
30/03/2012
20b Rune.welsh at the wikipedia project / Public Domain.
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30/03/2012
21 Dzhang2680 / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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30 (c) Gavin Schaefer (Uxud) / GNU Free Documentation License.
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