Relatório Cinética química

Relatório de Laboratório de Físico Química

Cinética Química influencia da concentração e do catalisador  na velocidade das reações

Introdução A cinética química, também conhecida como cinética de reação, é uma ciência que estuda a velocidade das reações químicas de processos químicos e os fatores que as influenciam. Cinética química inclui investigações de como diferentes condições experimentais podem influir a velocidade de uma reação química e informações de rendimento sobre o mecanismo de reação e estados de transição, assim como a construção de modelos matemáticos que possam descrever as características de uma reação química. A velocidade da reação recebe geralmente o nome de taxa de reação. A taxa de reação está relacionada com: as concentrações dos reagentes e seu estado particular (estado físico, estado nascente dos gases, estado cristalino ou amorfo dos sólidos), o fato dos reagentes estarem ou não em solução (neste caso a natureza do solvente irá influir na velocidade da reação), a temperatura, a eletricidade, a luz, a pressão, a presença de catalisadores e dos produtos de reação. Sua importância é muito ampla, já que se relaciona com temas como, por  exemplo, a rapidez com que um medicamento atua no organismo ou com problemas industriais, tais como a descoberta de catalisadores para acelerar a síntese de algum novo produto. Taxa de reação A cinética química principia com a determinação experimental das taxas de reação das quais as equações cinéticas de reações químicas (ou mais simplesmente, "lei de velocidade ou taxa") e a constantes de velocidade são derivados. Leis de taxa relativamente simples existem para reações de ordem zero (no qual as taxas de reação são independentes da concentração), reações de primeira ordem, e reações de segunda ordem, e podem ser derivado para outras. Em reações consecutivas a etapa de determinação de taxa muitas vezes determina a cinética. Em reações consecutivas de primeira ordem, uma aproximação de estado estacionário a lei de taxa. A energia de ativação para uma reação é determinada experimentalmente através da equação de

Arrhenius e a equação de Eyring. Os principais fatores que influenciam a taxa de reação incluem: o estado físico dos reagentes, a concentração dos reagentes, a temperatura em que a reação ocorre, e se ou não algum catalisador está presente na reação. Fatores que influem na velocidade das reações Natureza dos reagentes Dependendo de quais substâncias reage, o tempo de tais reações varia, ou, mais detalhadamente, a rapidez ou velocidade com que se formam ou rompem as ligações dependem da natureza dos reagentes. Reações ácidas, a formação de sais, as troca iônica são reações rápidas. Exemplos típicos de reações rápidas são as reações dos explosivos, muitas vezes ocorrendo inicialmente dentro da própria molécula de uma única substância. Outro exemplo de reações rápidas são as oxidações de metais nobres, que produzem óxidos extremamente resistentes e aderentes que impedem a continuidade da reação (passivação), como com o ouro ou o cromo, presente no aço inoxidável. Quando a formação de ligações covalentes toma lugar entre as moléculas e quando moléculas grandes são formadas, as reações tendem a ser muito lentas. A natureza e força das ligações em moléculas influenciam grandemente a taxa de sua transformação em produtos. As reações que envolvem menor  rearranjo de ligações ocorrem mais rapidamente que as que envolvem maior  arranjo de ligações, como se evidencia nas diferentes velocidades de formação de polímeros, como o polietileno (mais rápido) e o poliéster (mais lento). Temperatura Com o aumento da temperatura, aumenta a energia cinética média das moléculas em um sistema e consequentemente o número de colisões efetivas entre elas. Alimentos na geladeira, como por exemplo, leite, ovos, carnes e etc., demoram muito mais para estragar do que no ambiente. Isso porque as reações químicas feitas pelos microorganismos de compositores são retardadas pelas baixas temperaturas. Há uma regra que foi formulada no século XIX pelo holandês Jacobus Henricus van't Hoff que diz que um aumento de 10 graus celsius na temperatura do

sistema que irá reagir duplica a velocidade da reação. Hoje se sabe que essa regra apresenta várias exceções, mas ela é muitas vezes útil para se fazerem previsões aproximadas do comportamento da velocidade de certas reações. Ela é conhecida como Regra de Van't Hoff. Estado físico O estado físico (sólido, líquido, ou gás) de um reagente é também um importante fator da taxa de reação. Quando reagentes estão na mesma fase, como em solução aquosa, o movimento térmico os coloca rapidamente em contato. Entretanto, quando eles estão em diferentes fases, a reação é limitada a interface entre os reagentes. A reação somente pode ocorrer na área de contato, no caso de um líquido ou gás, na superfície de um líquido. Agitação vigorosa e/ou turbilhonamento podem ser necessários para conduzir a reação a realizar-se completamente. Isto significa que quanto mais finamente dividido um sólido ou líquido reagente é, a sua maior área de superfície, tornará mais rápida a reação (o que é analisado mais detalhadamente em Superfície de contato, abaixo). Em química orgânica existe a exceção que reações homogêneas (no mesmo meio e fase) podem ocorrer mais rapidamente que reações heterogêneas. Superfície de contato Se numa reação atuam reagentes em distintas fases, o aumento da superfície de contato entre eles aumenta a velocidade das reações. Considerando, por  exemplo, uma reação entre uma substância sólida e uma líquida, quanto mais reduzida a pó estiver a substância sólida, maior é a superfície de contacto entre as partículas de ambas as substâncias e portanto, maior é a possibilidade de essas partículas colidirem umas com as outras. Fazendo-se uma analogia, por  exemplo, quando acende-se uma lareira, usa-se palha ou papel e destes acende-se as mais grossas porções de lenha. Exemplos claros deste tipo de influência na velocidade de reações é o perigo que representa em silos de farinhas e grãos de cereais a combustão violenta, explosiva, de partículas finamente divididas com o ar. Um exemplo laboratorial que é apresentado sobre este fator é a reação do iodo "metálico", granulado,

com o metal zinco. A reação se processa muito mias rapidamente com o zinco em pó que o zinco em lâmina, após o acréscimo de água sobre os reagentes. Presença de um catalisador  Os catalisadores aumentam a velocidade de uma reação química, mas não participam da formação dos produtos, sendo completamente regenerados no final. Atuam ao promover rotas de reação com menor energia de ativação. O catalisador acelera a reação, pois diminui a energia de ativação das moléculas, mas não participa da reação, ou seja, não ocorre nenhuma mudança nos elementos químicos da reação, e o catalisador continua intacto. Concentração dos reagentes O aumento da concentração dos reagentes promove o aumento do número de colisões entre as moléculas. Isso faz com que a probabilidade de colisões efetivas acontecerem para a formação do complexo ativado seja maior.

Materiais e Reagentes Béquer 250 mL Béquer 100 mL Pipita 5,0 mL Bagueta Cronômetro Papel branco Tubos de ensaio Estante para os tubos HCl 2M Na2S2O3 Água Oxigenada Óxido de Manganês Detergente

Procedimento Experimental Pesou-se 4,4g de Na2S2O3 e dissolveu-se em 110mL de água destilada num béquer de 250mL. Após mediu-se 50mL desta solução e colocou-se em um béquer de 100mL e este sobre um papel branco, onde marcou-se em seu

centro um “X”. Adicionou-se 5,0mL de ácido clorídrico 2M em agitação com uma bagueta e iniciou-se o cronômetro. Em seguida, quando não foi possível mais visualização do “X”, anotou-se o tempo final. Repetiu-se o experimento porem com diferentes concentrações, como mostra a tabela abaixo: Concentração 1º 2º 3º 4º

4,4 g Na2S2O3 + 110mL Água Destilada (mL) 50 30 20 10

H2O (mL) Tempo (seg) 0 28 20 48 30 1,04 40 2,15

Resultados e Discusão Segundo a lei de Guldberg-Waage; V = k [A]a [B]b. Onde: V = velocidade da reação; [ ] = concentração da substância em mol / L; k = constante da velocidade específica para cada temperatura. Energia de ativação: É a energia mínima necessária para que os reagentes possam se transformar  em produtos. Quanto maior a energia de ativação, menor será a velocidade da reação. Ao atingir a energia de ativação, é formado o complexo ativado. O complexo ativado possui entalpia maior que a dos reagentes e dos produtos, sendo bastante instável; com isso, o complexo é desfeito e dá origem aos produtos da reação. Observe o gráfico:

Onde: C.A.= Complexo ativado. Eat. = Energia de ativação. Hr. = Entalpia dos reagentes. Hp. = Entalpia dos produtos. DH = Variação de entalpia. Catalisador: O catalisador é uma substância que aumenta a velocidade da reação, sem ser  consumida durante tal processo. A principal função do catalisador é diminuir a energia de ativação, facilitando a transformação de reagentes em produtos. Observe o gráfico que demonstra uma reação com e sem catalisador:

A ação do catalisador é abaixar a energia de ativação, possibilitando um novo caminho para a reação. O abaixamento da energia de ativação é que determina o aumento da velocidade da reação. MM Na2S2O3 = 158g/mol [ 5 mL HCl ] constante = 2M m= 4,4g Na2S2O3 → 110mL 1º 50mL + 0mL (H20) → C1 = 0,25mol/L [Na2S2O3] Concentração Inicial 2º 30mL + 20mL (H20) → C2 = 0,15mol/L 3º 20mL + 30mL (H20) → C3 = 0,1mol/L 4º 10mL + 40mL (H20) → C4 = 0,05mol/L Concentração 1º 2º 3º 4º

4,4 g Na2S2O3 + 110mL Água Destilada (mL) 50 30 20 10

H2O (mL) Tempo (seg) 0 28 20 48 30 1,04 40 2,15

Conclusão Na cinética estuda-se a velocidade das reações químicas. As velocidades das reações químicas são expressas por M/s “molaridade por  segundo”. Quanto maior for a temperatura, maior será a velocidade, existindo fatores que influenciam nessa velocidade, como “superfície”, “temperatura” e “concentração dos reagentes”, onde, quanto maior for a superfície de contato maior será a velocidade de reação, quanto maior a temperatura maior será a velocidade de reação, quanto maior for a concentração dos reagentes maior será a velocidade de reação. “Lei de Guldberg-Waage” lei onde a ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade.

Existe uma energia mínima para que os reagentes se transformem em produto, essa “energia mínima” da se o nome de “energia de ativação”, quanto maior  for a energia de ativação, menor será a velocidade da reação. Para diminuir essa “energia de ativação” pode-se usar um catalisador que facilita a transformação de reagentes em produtos. Exercícios: 1 - Qual a reação do bisulfito com o ácido clorídrico.

2 - Gráfico Na2S2O3 x V = (mol/L / ΔT)

3 - Qual o número da ordem desta reação. A ordem é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade. 4 - Qual a constante de velocidade da reação. É a variação na quantidade de um reagente [ou de um produto] e o intervalo de tempo no qual ocorreu essa variação. Essa quantidade de reagente ou de produto pode ser expressa em concentração [o mais comum], em massa, em mols ou até mesmo em volume para sistemas gasosos.

Bibliografia Consultada Livro Físico Química. Atkins, Peter; Jones, Loretta; Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente; Porto Alegre: Bookman, 2001; pág. Feltre. R; Fundamentos da Química; Volume único; 2ª edição revisada e ampliada; Editora Moderna; 1998; pág. 127 Lide, R. D.; Hand Book of Chemistry and Physics; Special Student Edition; Editor-in-Chief; 73RD Edition; 1992-1993; p. 6 – 12 http://www.google.com.br