Determinação Da Energia de Ativação de Uma Reação Química Iônica

 

Universidade Estadual de Goiás Unidade Universitária de ciências Exatas e Tecnológicas Físico-Química Experimental II

 

Determinação da Energia de Ativação de uma Reação Química Iônica

Professor Dr. Ademir  Acadêmicos: Cristina Rodrigues Gabriel Siade Jensen Gabriel Ribeiro Larissa Fernandes Pamela Christine Felipe

 

Anápolis, 2015 Resumo Para ocorrer Para ocorrer reaçõe reaçõess químic químicas as entre entre duas duas substân substância ciass na mesma mesma soluçã solução o é preciso preciso fornecer certa quantidade de energia para favorecer o encontro e a colisão entre elas. Por isso, é ne neces cessár sário io ex expe peri rime ment ntos os pa para ra se de deter termi mina narr a en ener ergi giaa de at ativ ivaçã ação o da dass re reaçõ ações. es. No experimento realizado, foram misturadas quatro soluções, iodeto de potássio, peróxido de hidrogênio, tiossulfato de sódio e amido, além do acido sulfúrico agindo com catalisador, com intuito de se verificar experimentalmente a energia de ativação. O resultado obtido foi de

1. Introdução A ocorrência de uma reação química está relacionada com o contato entre as moléculas reagentes e a uma energia mínima necessária - a energia de ativação - para que ocorra a reação e a formação de produtos, em termos de potencial em um passo intermediário da reação necessário para que ocorra a transformação dos reagentes em produtos. A formação dos produtos a partir dos reagentes é um processo gradual em que as ligações dos reagentes são quebradas e ocorre a formação dos produtos. Esse estado de formação é chamado de complexo ativado, sendo possível formular a velocidade de reação em termos de propriedades dos reagentes e do estado de transição, no qual as moléculas integrantes formam o complexo ativado, sendo a velocidade da reação o número de complexos ativados que passam por segundo sobre o topo da barreira potencial com uma energia mínima para a ocorrência da reação. Por exemplo, uma reação exotérmica  binária A + B = AB, o complexo ativado pode ser representado repres entado por AB*. Sendo o complexo ativado superior à energia dos reagentes, a diferença entre a energia dos reagentes e da energia do complexo ativado é denominada energia de ativação (ΔH*). Para uma reação exotérmica onde se é fornecida energia para que seja superada a energia de ativação e ocorra formação de produtos, o caminho da reação e sua energia de ativação são demonstrados graficamente como no exemplo da figura abaixo:

Figura 1 - Representação gráfica de uma reação exotérmica demonstrando a energia de ativação para essa reação.

Quando uma reação é endotérmica, liberando energia para a formação dos produtos, seu comportamento no caminho da reação é demonstrado de forma graficamente contrária à reação exotérmica, fornecendo menos energia que o necessário para formação de produtos.

 

Figura 2 - Representação gráfica de uma reação endotérmica demonstrando a energia de ativação para essa reação.

Os catalisadores influenciam na velocidade de uma reação porque alteram a energia envolvida na ocorrência da mesma; a energia de ativação necessária para que haja a formação do complexo ativado a partir dos reagentes diminui, porque a presença do catalisador oferece um caminho alternativo e menos energético para que a reação ocorra, e isto faz com que a reação ocorra com maior velocidade. Assim, Assi m, a rep represe resenta ntação ção grá gráfic ficaa par paraa uma com compar paraçã ação o ent entre re uma reaç reação ão exo exotérm térmica ica catalisada e a mesma reação não catalisada:

Figura 3  -Gráfico demonstrando a comparação energética entre uma reação exotérmica catalisada e uma reação exotérmica não-catalisada.

A energia de ativação pode também ser aumentada com a adição de inibidores, que são substâncias que diminuem a velocidade de reação. Um inibidor desvia um dos reagentes para uma reação alternativa, de menor energia de ativação, sendo consumido preferencialmente nesta reação do que na reação que ocorreria sem a presença do inibidor.

2. Objetivos Determinar, a partir de dados experimentais, o valor da energia de ativação .

3. Procedimento experimental Preparou-se a solução B da seguinte forma: Adicionou-se 1,00 g de amido a 2,00 mL de água quente, de modo a fazer uma pasta e , adicionando-se em seguida 1 ml da solução de acido sulfúrico e 0,1 g de NaHSO 3 e diluindo-se em um balão volumétrico de 250 ml. Mediuse 10 ml da solução A e 10 ml da solução B em frascos separados. Colocou-se os frascos com as soluções A e B em uma chapa de aquecimento em diferentes temperaturas. Utilizando-se 5 temperaturas tempe raturas diferentes diferentes para esta experiência. experiência. Para cada temperatura temperatura misture as soluções, soluções, adicionando adicio nando-se -se a soluç solução ão A à solução B e homo homogenei geneizando zando a solução. Medindo-se Medindo-se o tempo  para o aparecimento da cor azul, a partir das misturas das soluções.

3.1 - Materiais

 

 Amido Solu So lução ção de io iode deto to de po potás tássio sio -1 0,01 mol.L (a) Solu So luçã ção o de ac acid ido o su sulf lfúr úric ico o 1, 1,0 0 -1 mol.L (b) Hidrogenossulfito de sódio

Termômetros  Pipeta de 10 ml Cronometro Béqueres Balão volumétrico de 250 ml

4. Resultado e Discussão Após a retirada de 5 alíquotas de 10,00 mL das soluções (a) e (b) esta soluções foram aquecidas em um determinado intervalo de tempo como mostrado na tabela 1, de modo a se fornecer energia aos componentes da solução para que se possa transpassar a  barreira de energia de ativação o que significa a transformação de reagentes em  produtos. A reação entre as soluções (a) e (b) ocorre como descrito abaixo: I- + 3 SO4 + 3 H+ etapa lenta IO3- + 3 HSO3-

5 I- + IO3- + 6 H+

3 I2 + 3 H2O

etapa rápida

Após a formação do íon I - este reage rapidamente com o íon IO - para produzir o I 2 o qual apresenta uma coloração específica. A solução de iodo em iodeto aquoso tem uma cor amarela intensa, assim em soluções que, de outro modo sejam incolores, o iodo serve como seu próprio indicador. O teste torna-se muito mais sensível com o uso de uma solução de amido. amido. O amido reage com o iodo na presença de iodeto, formando um complexo de cor azul intensa, que é visível em concentrações mínimas de iodo. A sensibilidade da reação de cor é tal que ocorre o aparecimento de uma coloração azul  bem visível e definida. Os resultados obtidos neste experimento estão expressos na tabela1. Tabela 1. Resultados obdos do experimento de efeito da temperatura na velocidade de reação. -1

-1

Temperatura (°C)

Temperatura (K)

Tempo (s)

t  (s )

12

285,15

94

0,01063

17

290,15

68

0,01470

26,5

299,65

38

0,02631

31

304,15

40

0,02500

40

313,15

56

0,01785

 

Mediu-se no experimento a velocidade da reação entre o hidrogenossulfito de sódio e o iodato de potássio a diferentes temperaturas. A reação pode ser representada  pela seguinte equação química:

IO3- + 3HSO3-→ I- + 3SO4 + 3H+ 

(lenta)

Formando o íon I-, ele reage rapidamente com o íon IO 3- para produzir o I2 que muda a coloração das soluções para azul.

5I- + IO3- + 6H+→ 3I2 + 3H2O

(rápida)

Como a segunda reação entre o iodo e o amido é muito mais rápida que a primeira reaç reação ão,, cons consid ider erou ou-s -see o temp tempo o nece necess ssár ário io pa para ra o ap apar arec ecim imen ento to da co colo lora raçã ção o característica como a medida do tempo que leva a formação dos íons I -. As constantes de velocidade da maior parte das reações aumentam quando a temperatura aumenta. Em termos de equação de velocidade tem-se que a causa da velocidade variar com a temperatura é devido ao fato de que a constate K também varia com a temperatura, temperatura, como pode ser demonstrado demonstrado pela equação de Arrhenius Arrhenius sob forma de exponencial na (Eq. 01).

 

(Eq.01)

onde: Ea é a energia de ativação; A é o fator pré-exponencial ou fator de frequência; R é a constante universal dos gases; T é a temperatura absoluta. Energia de ativação Energia ativação é a energia cinética mínima que os reagentes reagentes devem ter para que se formem os produtos. Por exemplo, em uma reação em fase gasosa são numerosas as colisões a cada segundo, porém somente uma pequena fração dessas colisões possui energia suficiente para provocar a reação. A fração das colisões com energia cinética maior do que a energia de ativação é dada pela distribuição de Boltzmanm, por:

.

Sendo Ea  e A conhec conhecido idoss como como parâme parâmetro tross de Arrhen Arrhenius ius que são purament puramentee empíri emp íricos, cos, conven convenien ientes tes para para discut discutir ir a variaç variação ão da constan constante te da veloci velocidad dadee com a temperatura. Uma elevada energia de ativação corresponde a uma velocidade de reação que é muito sensível a temperatura, de modo inverso uma pequena energia de ativação

 

indica uma velocidade que varia apenas ligeiramente com a temperatura. O fator préexponencial da equação de Arrhenius pode ser interpretado como a fração de colisões que têm energia cinética suficiente para levar a reação. O fato fatorr pr pré-e é-exp xpon onen encia ciall é a medi medida da da ta taxa xa de co coli lisõ sões, es, in inde depe pend nden ente te da respectiva respect iva energia. energia. Assim o produto produto de A, pelo fator exponencial exponencial,,

, dá a taxa de

colisões que são bem sucedidas. A equação de Arrhenius é expressa numa forma logarítmica apresentada na Eq.02:

 

(Eq.02)

Em termos de logaritmos decimais, pode ser representada pela Eq.03:

 

(Eq.03)

Sob a forma de potência de base decimal pode ser representada por:

 Na qual o estudo da variação do logaritmo de K em função de T -1  permite determinar o valor de Ea  pela inclinação da reta e o valor de A pela interseção na origem, ou seja, quando T → e T-1→0. O objetivo do experimento é encontrar experimentalmente a energia de ativação da reação entre hidrogenossulfito de sódio e o iodato de potássio. A partir dos dados contidos na Tabela 2, que apresenta os resultados do efeito da temperatura na velocidade de reação, não se determina o valor de K, mas sim uma gran grande deza za que que lhe lhe é pr prop opor orci cion onal al.. A incl inclin inaç ação ão da re reta ta da Figu Figura ra 1 pe perm rmit itee a determinação da energia de ativação, mas a interseção na origem não nós dá o valor de A e sim nos permite conhecer o valor do tempo de reação quando a temperatura tende  para o infinito, ou, para efeitos práticos, quando a temperatura temperatura é muito elevada. Result ultado adoss exp experi erimen mentai taiss que rel relaci aciona onam m o efeito efeito da temper temperatu atura ra na Tabela 2. Res velocidade de reação.

t-1 (s-1)

log 1/t

0,01063 0,01470

-1,97346 -1,83268

1/T (K-1)   0,00350 0,00344

 

0,02631

-1,57987

0,00334

0,02500

-1,60205

0,00328

0,01785

-1,74836

0,00319

Através dos dados da Tabela 2 construiu-se o gráfico de 1/T em função de log 1/t representado pela Figura 1.

Figura 1. Gráfico do log 1/t em relação a 1/T.

Com o aumento da temperatura, pode ser verificado que a mistura ficou mias clara do que em temperatura ambiente, então, provavelmente teve-se a degradação do amido ao longo do tempo. Através do gráfico da Figura 1 tem-se um coeficiente de linearidade de 0,9306  para a seguinte equação da reta: y = -625,91x + 0,3797 O coeficiente angular da reta é igual a -625,91, então a inclinação da reta nos conduz a: (sendo R= 8,314 J/K mol)

 

Com a extrapolação da reta do gráfico, substitui-se o valor de Ea na equação da reta. Sendo x=1/T, adotou-se T → e dessa forma resulta em x=0 e sendo y=log 1/t desse modo tem-se que log 1/t= 0,3797. Fazendo-se o logaritmo da equação elevando-se dos dois lados a potência de base 10:

Encont Enco ntro rouu-se se atra atravé véss da ex extr trap apol olaçã ação o do gr gráf áfic ico o um va valo lorr de te temp mpo o muit muito o  pequeno que é indetectável para os meios experimentais que foram empregados, dessa forma se faz necessário utilizar de outros métodos que possam medir essa faixa de tempo. A extrapolação não corresponde ao valor real do fator exponencial, pois este leva em consideração não apenas os valores de temperatura, mas também que todas as colisões entre as moléculas conseguem adquirir a energia necessária para reagirem entre sim. Algu Alguns ns er erro ross exp exper erim imen enta tais is po pode dem m ter ter sido sido oc ocas asio iona nad dos por er erro ross na cronometragem do tempo e também pela má condição dos reagentes usados, como o fato do amido estar vencido, tornando a coloração da solução lilás e não azul. O amido vai se degradando com o tempo, podendo dessa forma ter interferido nos resultados do experimento

5. CONCLUSÃO O valor calculado experimentalmente por meio do gráfico do logaritmo natural do tempo em função do inverso da temperatura foi igual aproximadamente . Os pontos distantes da reta podem apresentar erros de cronometragem, além de possíveis erros na  preparação das soluções.

6. REFERENCIAS BIBLIGRAFICAS BIBLIGRAFICAS ATKINS, Peter; DE PAULA, Julio. Physical Chemistry. Oxford University Press. 8ªed. 2006. MOORE, Walter Jonh. Físico-química. Vol. 1. Tradução de Helena Li Chun. São Paulo: Edgard Bluncher, 1976