PAGQuímica 2011/1 Exercícios de Cinética Química

1

2.

3.

4.

5. Explique se cada uma das alternativas abaixo é correta ou não, para reações químicas que ocorrem sem que haja variação de temperatura e pressão: a) uma reação química realizada com a adição de um catalisador é denominada heterogênea se existir uma superfície de contato visível entre os reagentes e o catalisador. b) a ordem de qualquer reação química em relação à concentração do catalisador é igual a zero. c) a lei de velocidade de uma reação química realizada com a adição de um catalisador, mantidas constantes as concentrações dos demais reagentes, é igual àquela da mesma reação não catalisada.

d) uma reação catalisada por uma enzima, onde há um grande excesso (milhões de vezes) de reagente em relação ao catalisador, pode ser considerada de ordem zero em relação ao reagente. 6. Os dados a seguir foram obtidos para a reação A + B + C ⎯→ Produtos:

Experimento Concentração inicial (mol.L-1) velocidade inicial (mol.L-1.s-1)

[A]o [B]

o [C]

o

1 1,25 1,25 1,25 8,7

2 2,50 1,25 1,25 17,4

3 1,25 3,02 1,25 50,8

4 1,25 3,02 3,75 457

5 3,01 1,00 1,15 ?

a) escreva a lei de velocidade para esta reação. b) qual a ordem global da reação? c) determine o valor da constante de velocidade. d) prediga o valor da velocidade inicial para o experimento número 5. 7. Quatro experimentos foram conduzidos para a reação BrO3

- (aq) + 5 Br – (aq) + 6 H+ (aq) → 3 Br2 (aq) + 3 H2O (l)

Experimento [BrO

3

-]o

(mol/L) [Br

-]o

(mol/L) [H

+]o

(mol/L)

vo (mol/Ls)

1 0,10 0,10 0,10 1,2 x 10-3

2 0,20 0,10 0,10 2,4 x 10-3

3 0,10 0,30 0,10 3,6 x 10-3

4 0,20 0,10 0,15 3,6 x 10-3

a) determine a ordem global e as ordens parciais em relação a cada reagente. b) calcule a constante cinética de velocidade. c) escreva a lei global de velocidade para essa reação. d) esta reação deve ocorrer em um única etapa? Explique.

8. A reação de substituição do grupo X- pelo grupo OH- (RX + OH- → ROH + X-), quando realizada a 32° C apresenta o seguinte diagrama (Energia x λ): a) tendo sido determinado o fator pré-exponencial da reação (A da equação de Arrhenius) como 850 (sendo a coordenada tempo dada em minutos), determine a lei de velocidade da reação. b) qual será a velocidade de formação do composto ROH quando as concentrações de RX e OH- forem, respectivamente, 3 mol/L e 2 mol/L? c) sabendo que as concentrações iniciais de RX e OH-, são respectivamente 5 mol/L e 4 mol/L, qual será a concentração do produto após transcorridos 20 minutos de reação? 9. Quatro fatores influenciam a velocidade de uma reação química: a natureza dos reagentes, a concentração de reagentes, a temperatura e a presença de catalisador. a) explique a influência da natureza dos reagentes através da Teoria do Estado de Transição. b) explique a influência da concentração de reagentes, através da Teoria das Colisões. c) explique a influência da temperatura através de curvas de distribuição de velocidades moleculares de Maxwell-Boltzmann. d) explique a influência de catalisadores através de curvas de distribuição de velocidades moleculares de Maxwell-Boltzmann.

10. Os seguintes dados foram obtidos numa dada temperatura para a decomposição do acetaldeído CH3CHO (g) → CH4 (g) + CO (g)

Experimento [CH3CHO]

o (mol/L) v

o (mol.L-1.s-1)

1 0,10 9,0 x 10-7

2 0,20 36,0 x 10-7

3 0,30 81,0 x 10-7

4 0,40 144,0 x 10-7

5 0,73 ?

a) escreva a lei de velocidade para a reação. b) qual a ordem total da reação? c) determine a constante cinética de velocidade da reação. d) calcule a velocidade inicial da reação para o experimento 5. e) você acredita que esta reação ocorra em uma única etapa elementar? Explique. 11. Na temperatura ambiente, a reação 2 H2 (g) + 2 NO (g) → 2 H2O (g) + N2 (g) exibe a seguinte dependência de velocidade com a concentração:

Exp. no [H

2]0 (mol/L) [NO]

0 (mol/L) V

0 (mol/L.min.)

1 0,001 0,006 36 x 10-4

2 0,002 0,006 72 x 10-4

3 A 0,006 108 x 10-4

4 0,006 B 6 x 10-4

5 0,006 0,002 C

Sabe-se que a constante de velocidade tem dimensões de L2/(mol2.min). Pergunta-se: a)essa reação pode ser realizada em uma única etapa? b) qual a lei global de velocidade para a reação, incluindo o valor de k? c) quais os valores de A, B e C? Justifique todas as suas respostas.

12. Para a reação de segunda ordem A → B + C, a concentração da espécie A cai de 0,040 mol/L para 0,0050mol/L em 12 h. a) qual a constante de velocidade da reação? b) esta reação pode ocorrer em uma única etapa? Justifique. c) se a concentração inicial de A for 0,040 mol/L, qual será a sua concentração após 2 h? d) quanto tempo levará para a concentração de A cair de 0,030 mol/L para 0,010 mol/L? e) se a concentração inicial de A for 0,040 mol/L, quanto tempo é necessário para a concentração de A decrescer de 2 meias-vidas? 13. O seguinte mecanismo foi proposto para a reação (endotérmica) de destruição do ozônio na atmosfera, em presença de cloro atômico e em fase gasosa: Etapa 1: O3 + Cl → ClO + O2 k = 3 x 10-8 Etapa 2: ClO + O3 → Cl + 2 O2 k = 5 x 10-3 a) apresente a equação da reação global b) apresente as unidades de k, sendo as pressões parciais medidas em atm e o tempo em minutos c) represente qualitativamente em um gráfico a energia potencial do sistema contra a ordenada de reação d) no mesmo gráfico, indique a energia de ativação de cada etapa da reação e) ainda no mesmo gráfico, mostre a variação da energia potencial do sistema para a mesma reação sob a ação de um catalisador. Considere que somente a etapa mais lenta da reação é influenciada pelo catalisador. 14. Considere uma reação química endotérmica, com um mecanismo proposto de duas etapas, sendo a primeira rápida e a segunda lenta. a) represente um diagrama de Energia Potencial em função da Coordenada de Reação para esta reação química. b) assinale, no gráfico, a energia de ativação de cada etapa e a entalpia da reação global. c) defina complexo ativado. Assinale sua ocorrência no gráfico anterior. d) represente a modificação que ocorre no gráfico devido à presença de um catalisador que atue apenas na etapa lenta do mecanismo proposto. Por que o catalisador aumenta a velocidade desta reação? e) comente a influência de um abaixamento de temperatura sobre a velocidade desta reação química.

15. Para a determinação da lei de velocidade da reação química A + B → C, foi utilizado o método da velocidade inicial. A tabela apresenta os resultados obtidos para 5 experimentos.

Exp. n

0

[A]o (mol/L) [B]

o (mol/L) v

o

(mol/L.min)

1 0,125 0,200 0,0291

2 0,250 0,200 0,1164

3 0,500 0,250 0,4656

4 0,500 0,500 0,4656

5 0,375 0,375 0,2619

a) descreva, sucintamente, o método da velocidade inicial para a determinação de lei experimental de velocidade. b) escreva a lei de velocidade da reação acima. c) determine a ordem parcial em relação à cada reagente e a ordem global desta reação. d) você acredita que esta reação ocorra em uma única etapa? Explique. e) para o experimento no 3, qual a concentração de A após decorridos 15 minutos do início da reação? 16. Abaixo estão representados graficamente os resultados de um experimento A à B, onde foram medidas diversas concentrações do reagente A (em mol/L) em função do tempo (em s). Com base no gráfico: a) indique qual a ordem da reação. b) calcule o valor da constante de velocidade.

c) determine o valor da primeira meia-vida da reação. d) calcule a [A] após decorridos 10 minutos de reação. Justifique suas respostas. 17. A decomposição do peróxido de hidrogênio aquoso é um processo exotérmico e lento, com cinética de 2a ordem em uma única etapa: 2 H2O2 (aq) à 2 H2O (l) + O2 (g) Entretanto, o íon brometo catalisa essa reação, sugerindo um mecanismo de duas etapas sucessivas, ambas com Energia de Ativação mais baixa do que a da reação não catalisada. a) desenhe o gráfico de Epotencial x coordenada de reação (l) para o processo catalisado e não catalisado. b) conceitue Energia de Ativação para uma reação química. c) mostre, através de curvas de distribuição de Maxwell-Boltzmann, o efeito da presença de catalisador e do aumento de temperatura sobre a velocidade de uma reação química. Descreva os gráficos apresentados. 18. Observe o seguinte diagrama e responda as questões relacionadas: a) defina, e assinale no diagrama, Energia de Ativação. b) desenhe no diagrama o efeito da presença de um catalisador. c) o processo representado é exotérmico ou endotérmico? Justifique e assinale o ΔH no diagrama. d) defina Complexo Ativado e represente no diagrama a sua localização na curva de energia. e) qual a relação entre as energias de ativação das reações direta e inversa? Justifique sua resposta.

19. A reação 2 C4H6 (g) → C8H12 (g) foi estudada a 326o C, e os seguintes dados experimentais foram obtidos:

Experimento Pinicial

(mmHg) vinicial

(mmHg/min)

1 632 26

2 316 13

3 948 39

a) qual a lei de velocidade para a reação? b) quais as ordens parciais e a ordem global desta reação? c) qual o valor da constante cinética da reação a 326o C? d) considerando o experimento no 2, qual a pressão do C4H6, após decorrida 1 hora do início da reação? 20. Um coquetel de medicamentos formado pelos princípios ativos A, B e C atua no organismo de acordo com a seguinte reação, a 37º C: 2A + 2B + C à 3G + 4F

Exp. n

0

[A]0 (mol/L) [B]

0 (mol/L) [C]

0 (mol/L) v

0 (mol/L.s)

1 10 x 10-3

100 x 10-3

700 x 10-3

2,0 x 10-3

2 20 x 10-3

100 x 10-3

300 x 10-3

4,0 x 10-3

3 20 x 10-3

200 x 10-3

200 x 10-3

16,0 x 10-3

4 10 x 10-3

100 x 10-3

400 x 10-3

2,0 x 10-3

5 4,62 x 10-3

0,18 x 10-3

12,4 x 10-3

?

a) qual a Lei Global de Velocidade para a reação? b) quais as ordens parciais e a ordem total da reação? c) qual o valor da Constante de Velocidade? d) preveja a velocidade inicial de reação no experimento 5. e) determine a energia de ativação da reação a 25º C (dado: parâmetro de Arrhenius = 1,5 X 1010, na mesma unidade da constante de velocidade). f) você acredita que esta reação ocorra em uma única etapa? Explique.

21. A decomposição do peróxido de hidrogênio tem k = 0,0410 min-1 e segue a reação: 2 H2O2 (aq) → 2 H2O (l) + O2 (g) a) esta reação pode ocorrer em uma única etapa? Justifique. b) se a concentração inicial de H2O2 for 0,40 mol/L, qual será a sua concentração após 10 minutos? c) em quanto tempo a concentração de H2O2 cairá de 0,40 mol/L para 0,10 mol/L? d) se a concentração inicial de H2O2 for de 0,40 mol/L, quanto tempo é necessário para a concentração de H2O2 decrescer de duas meias-vidas? 22. O seguinte mecanismo foi proposto para a reação (endotérmica) de hidrogenação do cloreto de iodo, em fase gasosa: Etapa 1: ICl + H2 → HI + HCl k1 = 3 x 10-8 Etapa 2: HI + ICl → HCl + I2 k2 = 5 x 10-3 a) apresente a equação da reação global; b) apresente as unidades de k, sendo as pressões parciais medidas em atm e o tempo em minutos; c) identifique todos os intermediários; d) represente qualitativamente em um gráfico a energia potencial do sistema contra a coordenada de reação; e) no mesmo gráfico, indique a energia de ativação de cada etapa da reação e o ΔH da reação global. f) desenhe um novo gráfico, no mesmo sistema cartesiano, mostrando a variação da energia potencial do sistema para a mesma reação sob a ação de um catalisador. Considere que somente a etapa mais lenta da reação é influenciada pelo catalisador. 23.

24.

25.