cinÉtica quÍmica

CINÉTICA QUÍMICA

É a parte da Química que faz o estudo da velocidade das reações, de como a velocidade varia em função das diferentes condições e quais os mecanismos de desenvolvimento de uma reação. Para isso devemos também criar outros conceitos que serão necessários no nosso estudo. Vejamos:

Velocidade de uma reação química: é a relação entre a quantidade consumida ou produzida e o intervalo de tempo gasto para que isso ocorra.

Imagine uma reação genérica A + B C + D. Podemos calcular a velocidade de desaparecimento de qualquer reagente (A ou B) ou então a velocidade de aparecimento de qualquer produto (C ou D).

Utiliza-se o módulo para evitar valores negativos de velocidade, o que ocorreria no caso dos reagentes, para os quais a quantidade final é menor que a inicial.

Essas quantidades são normalmente expressa em mols.

A medida do tempo é também expressa em qualquer unidade que se ajuste à determinada reação.

Chamamos essa velocidade de velocidade média (Vm). A quantidade da substância pode ser expressa em:

Antes que uma reação tenha início, a quantidade de reagentes é máxima e a quantidade de produtos é zero. A medida que a reação se desenvolve, os reagentes vão sendo consumidos e, portanto, a quantidade de reagentes vai diminuindo até se tornar mínima (ou eventualmente zero). Ao mesmo tempo, os produtos vão sendo formados. Logo, a quantidade de produtos, que no início é baixa, começa a aumentar até que, no final da reação, se torna máxima.

Expressando esse fato em um gráfico da concentração em quantidade de matéria de reagentes e produtos, em função do tempo, veremos que apresentam certas características. Observe:

Gráfico de reagentes

A curva decrescente indica que o reagente A é consumido com o passar do tempo.

Gráfico de produtos

A curva crescente indica que o produto C é produzido com o passar do tempo.

Analisemos, então, o que ocorre com a reação C2H2 + 2H2 C2H6. Um químico, medindo a quantidade de matéria de etano (C2H6) em função do tempo e nas condições em que a reação se processa, obteve os seguintes resultados:

Tempo (min) Quantidade de matéria (em mols) de etano

formada

0 0

4 12

6 15

10 20

Teríamos então o gráfico da quantidade de matéria de etano em função do tempo.

Poderíamos também calcular a velocidade média dessa reação em qualquer intervalo de tempo:

Analisando o primeiro resultado (3 mol/min): A cada minuto formam-se, em média, 3 mols de moléculas de etano.

Imagine agora que tenhamos os valores dos reagentes e a seguinte tabela:

Tempo (min) Quantidade de matéria (em mols) de

C2H2 consumida

Quantidade de matéria (em mols) de

H2 consumida


etano formada

0 50 60 0

4 38 36 12

6 35 30 15

10 30 20 20

Teríamos então o gráfico da reação em quantidade de matéria de etano em função do tempo.

Se calcularmos a velocidade média da reação em função de C2H2, nos intervalos, teremos:

Encontramos os mesmos resultados do etano e, caso não utilizássemos o módulo, teríamos resultados negativos, o que seria justificado em função de estar sendo consumido (reagente).

Se calcularmos a velocidade média da reação em função de H2, nos intervalos, teremos:

Note que os resultados foram o dobro dos valores encontrados no C2H2 e no C2H6, porque, observando a equação, percebemos que a proporção estequiométrica entre esses dois reagentes é 1:2. Se dividirmos as velocidades médias de consumo ou formação pelos respectivos coeficientes, teremos sempre o mesmo valor, que é a velocidade média da reação.

Dessa forma, podemos criar o seguinte raciocínio, para uma reação genérica:

Velocidade instantânea: é o limite para o qual tende a velocidade média, quando os intervalos de tempo vão se tornando cada vez menores, ou seja, a variação do tempo ( t) tende a zero.

Considere a reação entre zinco com ácido clorídrico formando cloreto de Zinco e liberando gás hidrogênio, conforme a reação: Zn + HCl ZnCl2 + H2.

A medida que decorre o tempo, a concentração de ácido clorídrico vai diminuindo conforme o gráfico a seguir:

Como calcular a rapidez (velocidade) da reação nesse instante (tempo t)?

Primeiramente, trace uma tangente à curva pelo ponto P, conforme o desenho a seguir:

Escolha, sobre a tangente, dois pontos A e B. No triângulo retângulo ABC, a tangente trigonométrica do ângulo é dado por:

A tangente do ângulo (inclinação da curva) expressa a velocidade da reação no instante t.

O volume de gás hidrogênio formado aumenta com o passar do tempo. A velocidade no instante t em termos de variação do volume de gás hidrogênio formado com o tempo pode ser calculado pelo mesmo processo. Veja a figura:

Veja a aplicação dessa teoria em um exercício da Fuvest-SP

O 2-bromobutano (líquido) reage com hidróxido de potássio (em solução de água e álcool) formando o 2-buteno (gasoso) e, em menor proporção, o 1-buteno (gasoso):

C4H9Br + KOH C4H8 + KBr + H2O.

Numa experiência, 137g de 2-bromobuteno e excesso de KOH foram aquecidos a 80O C. A cada 50s o volume da mistura de buteno foi determinado, nas condições ambientais, obtendo-se o gráfico a seguir:

Observando-se o gráfico acima, o que se pode afirmar sobre a velocidade da reação quando se comparam seus volumes médios ao redor de 100, 250 e 400 segundos? Justifique utilizando o gráfico.

Resolução: Podemos determinar a velocidade instantânea nos instantes solicitados, ou seja, 100, 250 e 400s através do ângulo de inclinação da tangente da curva em cada ponto.

Aproximadamente, calculemos a velocidade da reação ao redor dos valores solicitados:

A medida que decorre o tempo, a velocidade da reação diminui.

Exercícios Resolvidos

(FEI-SP) Seja a decomposição de água oxigenada: 2H2O2 2H2O + O2.Em dois minutos, observa-se uma perda de 3,4g de água oxigenada. Qual a velocidade média dessa reação em relação ao gás oxigênio em mol/min?

(E.E.Mauá-SP) A concentração [A], expressa em mol/L de uma substância A que, em meio homogêneo, reage com outra B, segundo a equação A + B C + D, varia com o tempo t segundo a lei: [A]= 5 – 0,2t – 0,1t2, com t medido em horas. Qual a velocidade média dessa reação entre os instantes t1 = 1h e t2 = 2h?

(Unificado Cesgranrio) Numa experiência envolvendo o processo: N2 + 3H2 2NH3, a

velocidade da reação foi expressa como Considerando a não-ocorrência de reações secundárias, qual a expressão dessa mesma velocidade, em termos de concentração de gás hidrogênio?

A figura abaixo indica a variação da quantidade de reagente em função do tempo (t), num sistema em reação química. Calcule a velocidade dessa reação nos intervalos de tempo:

a)de 0 a 2min;

b)de 2 a 4min;

(PUC-SP) Na reação de solução de ácido clorídrico com zinco metálico, o gráfico que melhor representa o comportamento das espécies em solução é:

(Faap-SP) A reação de decomposição de iodidreto é representada pela equação química

2HI I2 + H2

O controle da concentração de iodidreto presente no sistema, em função do tempo (em temperatura constante) forneceu os seguintes dados:

Iodidreto(mol/L) 1 0,625 0,375 0,200 0,120

Tempo (min) 0 10 20 30 40

A velocidade dessa reação é constante? Por que?

Resposta: Não, a velocidade diminui com o tempo – basta verificar na tabela que, à medida que o tempo passa, a variação da concentração do iodidreto vai se tornando cada vez menor.

(UFPR) Apesar da dissolução da areia (SiO2) em água ser um processo espontâneo, ela jamais foi observada por qualquer ser humano. Discuta essa afirmativa em termos de termodinâmica e cinética do processo.

Resposta: Dizer que a dissolução da areia é espontânea é dizer que ela é termodinamicamente possível ( G<0), mas se a reação nunca foi observada é porque sua velocidade deve ser tão baixa que levará muitos séculos para se realizar

(UFC-CE) O tempo de validade de um alimento em suas características organolépticas e nutricionais depende da embalagem e das condições ambientais. Um dos tipos de acondicionamento necessário para a conservação de alimentos e a folha-de-flandres, constituída de uma liga de estanho e aço. Analise o gráfico abaixo, que representa a reação de oxidação entre a embalagem e o meio agressivo e responda:

a)Em qual das curvas, verde ou vermelha, a velocidade da reação química é mais acentuada?

Resposta: Curva vermelha, pois considerando que as duas saíram com o mesmo número de mols, ou seja, 9 mols e a vermelha terminou com uma quantidade menor que a verde. Daí, dá para calcular a velocidade média da reação global, que seria a vermelha maior que 1 e a verde, menor que 1. Para confirmar, basta jogar na fórmula da velocidade média. Veja só:

b)Considerando a área da folha-de-flandres constante, calcule a velocidade média da reação química no intervalo entre duas e 4 horas para a curva de maior corrosão.

Resposta: 1g/h

(Mack-SP) A combustão do butano é representada pela equação:

Se houver um consumo de 4 mols de butano a cada 20 minutos de reação, qual o número de mols de dióxido de carbono produzido em uma hora?

Exercícios propostos

1. Considere a reação CaCO3 CaO + CO2. Foi aquecida uma certa massa de carbonato de cálcio e o volume de gás carbônico obtido foi sendo observado e medido em função do tempo. Foi obtida a tabela abaixo:

Mols de CO2

Tempo (min)

0 0

20 10

35 20

45 30

50 40

52 50

a)Qual a velocidade média dessa reação no intervalo de 0 a 10 min?

b)Calcule a velocidade média dessa reação nos demais intervalos.

Resposta:

a)2 mol/min

b)Vm10-20= 1,5 mol/min; Vm20-30= 1,0 mol/min; Vm30-40= 0,5 mol/min; Vm40-50= 0,2 mol/min.

2. Dada a reação 2SO2 + O2 2SO3, calcule a velocidade em relação a cada participante e a velocidade média, conforme a tabela, nos seguintes casos:

Tempo (s) Quantidade de matéria (em mols) de

SO2 existente


O2 existente


SO3 existente

0 6,0 4,0 0,0

2 5,0 3,5 1,0

6 2,2 2,1 3,8

12 1,0 1,5 5,0

a) De 0s a 2s

b) De 2s a 6s

c) De 6s a 12s

d) De 2s a 12s

Respostas

a)V SO2= 0,5; V O2= 0,25; V SO3= 0,5; Vm=0,25

b)V SO2= 0,7; V O2= 0,35; V SO3= 0,7; Vm=0,35

c)V SO2= 0,2; V O2= 0,10; V SO3= 0,2; Vm=0,10

d)V SO2= 0,4; V O2= 0,20; V SO3= 0,4; Vm=0,20

3. Na reação 2H2O2 2H2O + O2, a velocidade média dessa reação num certo intervalo de tempo, é 8 mol/s em relação a água oxigenada. Qual a velocidade em relação ao oxigênio no mesmo intervalo de tempo?

Resposta: 4 mol/s

4. Realizou-se a reação de decomposição do ácido carbônico: H2CO3 H2O + CO2. Mediu a concentração em quantidade de matéria de gás carbônico nos tempos 10s e 20s e obteve o seguinte resultado em mol/L:

10s : 0,2 M

20s : 0,8 M

Qual a velocidade média dessa reação no intervalo de 10s a 20s?

Resposta: 0,06M

5. Dada a tabela abaixo em relação à reação 2HBr H2 + Br2 :

Tempo (min) Mols de HBr

0 0,200

5 0,175

10 0,070

15 0,040

20 0,024

a) Qual a velocidade média desta reação em relação ao HBr, no intervalo de 0 a 5 minutos?

b) Qual a velocidade média dessa reação, no intervalo citado anteriormente, em relação ao gás hidrogênio?

c) Determine a velocidade média dessa reação para o HBr e para o Br2, no intervalo de 10 a 15 min.

Resposta:

a)0,005

b)0,0025

c)0,006 (HBr) e 0,003 (Br2)

6. Foi misturado 2 mols de gás hidrogênio com 3 mols de gás cloro num recipiente fechado. Suponha que do início da mistura até 15s, a reação H2 + Cl2 2HCl ocorra conforme os dados da tabela.

Tempo (s) Quantidade de matéria (em mols) de

H2 existente


Cl2 existente


HCl existente

0 2,0 3,0 0

1 1,75 2,75 0,5

3 1,5 2,5 1,0

6 1,25 2,25 1,5

10 1,0 2,0 2,0

15 0,75 1,75 2,5

a) Calcule a velocidade em relação a cada participante e a velocidade média da reação no intervalo de 10 a 15s.

b) Usando papel milimetrado, construa no mesmo sistema de coordenadas o gráfico que mostra a variação da quantidade existente (em mol) de cada participante em função do tempo. Represente a quantidade em mol na ordenada e o tempo na abcissa.

Respostas:

a) V H2= 0,025; V Cl2= 0,025; V HCl= 0,05; Vm=0,025 mol/s

b)

7. (Unicamp-SP) Amostras de magnésio foram colocadas em soluções de ácido clorídrico a diversas concentrações e temperaturas havendo total "dissolução" do metal e desprendimento de gás hidrogênio . Observaram-se os seguintes resultados:

Amostra Massa de magnésio "dissolvida"

Tempo para dissolver

I 2,0g 10 min

II 0,40g 2,0 min

III 0,40g 1,0 min

IV 0,50g 1,0 min

a) Em qual caso a velocidade média da reação foi maior?

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

Respostas:

a) V I= 0,2g/min; V Il= 0,2g/min; V lII= 0,4g/min; V IV=0,5g/min. A velocidade maior é 0,5g/min, ou seja, a amostra IV.

b)Quanto maior a massa de magnésio consumida, maior a quantidade de hidrogênio desprendida. Então, a amostra IV desprende mais hidrogênio.

8. (PUC-PR) A revelação de uma imagem fotográfica em um filme é um processo controlado pela cinética química da redução do halogeneto de prata por um revelador. A tabela abaixo mostra o tempo de revelação de determinado filme usando um revelador D-76.

Quantidade existente do revelador (mol)

Tempo de revelação (min)

24 6

22 7

21 8

20 9

18 10

A velocidade média de revelação no intervalo de tempo de 7 min a 10 min é, em mol/min:

a) 3,14

b) 2,62

c) 1,80

d) 1,33

e) 0,70

Resposta: d

9. (UFPE) Considere a reação: 2N2O 4NO2 + O2. Admita que a formação de gás oxigênio tem uma velocidade média constante e igual a 0,05 mol/s. A massa de NO2 formada em 1 min é:

a) 96g

b) 55,2g

c) 12g

d) 552g

e) 5,52g

Resposta: d

10. (PUC-MG) A poluição pelo NO2 é uma das causas de destruição da camada de ozônio. Uma das reações que pode ocorrer no ar poluído é a reação do dióxido de nitrogênio com o ozônio: 2NO2 + O3 N2O5 + O2. Admita que a formação do O2 tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol.L /s. A massa de ozônio consumida em 1 min é, em gramas:

a) 2,40

b) 144

c) 1,60

d) 96

e) 48

Resposta: b

11. (UFPE) O gráfico a seguir representa a variação de concentração das espécies A, B e C com o tempo. Qual das alternativas a seguir contém a equação química que melhor descreve a reação representada pelo gráfico?

a) 2A + B C

b) A 2B + C

c) B + 2C A

d) 2B + C A

e) B + C A

Resposta: C

12. (PUC-MG) Considere a equação: 2NO2 + 4CO N2 + 4CO2. Admita que a formação do gás nitrogênio tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol/L.min. Qual a massa, em gramas, de gás carbônico formada em uma hora?

Resposta: 528g

13. (Mack-SP) Numa certa experiência, a síntese do cloreto de hidrogênio ocorre com o consumo de 3 mols de gás hidrogênio por minuto. Qual a velocidade de formação do cloreto de hidrogênio?

Resposta: 6 mol/min.

14. (FEI-SP) Um prego de ferro, em presença de umidade, reage com o oxigênio do ar produzindo óxido de ferro III hidratado e liberando hidrogênio. A reação acontece até consumir todo o prego. Dos gráficos abaixo, o que melhor representa a velocidade (v) dessa reação em função do tempo (t) é:

Resposta: a

15. (Faap-SP) Num dado meio onde ocorre a reação N2O5 N2O4 + ½ O2, observou-se a seguinte variação na concentração de N2O5 em função do tempo:

N2O5 (mol/L) 0,233 0,200 0,180 0,165 0,155

Tempo (s) 0 180 300 540 840

Calcule a velocidade média da reação no intervalo de 3 a 5 min.

Resposta: 0,01 mol/L.min

16. (Fesp-SP) A reação de decomposição do amoníaco (NH3) produz 8,40g/min de gás nitrogênio. Qual a velocidade dessa reação em mols de NH3 por hora?

Resposta: 36 mol/h

17. (Unisinos-RS) A combustão completa do etanol ocorre pela equação:

C2H5OH + 3 O2 2CO2 + 3H2O

Considerando que em uma hora foram produzidos 2640g de gás carbônico, qual a velocidade da reação , expressa em número de mols de etanol consumidos por minuto?

Resposta: 0,5

18. (Fuvest-SP) Para uma dada reação química, expressa como A B, sabe-se que a concentração de A se reduz à metade em cada intervalo de tempo de 30 min. Se a concentração inicial de A for de 1M, após quanto tempo ela atingirá o valor de 0,125M?

Resposta: 90 min.

19. (UESC) A água oxigenada – H2O2 – se decompõe, produzindo água e gás oxigênio, de acordo com a equação: H2O2 H2O + ½ O2. O gráfico abaixo foi construído a partir de dados experimentais e mostra a variação da concentração de água oxigenada em função do tempo.

Qual será a velocidade média de decomposição da água oxigenada nos intervalos I, II e III?

Resposta: 0,03 M/min; 0,02 M/min e 0,01 M/min

cinÉtica quÍmica

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