aula i cinÉtica quimica
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Prof. Laercio Gomes de OliveiraDepartamento de Engenharia Química
Universidade Federal de Campina Grande
fevereiro / 2005
DISCIPLINA: QUÍMICADISCIPLINA: QUÍMICA
EmentaEmenta
Velocidade de reação;
1. A concentração e a velocidade de reação;
2. A velocidade instantânea de reação;
3. As leis de velocidade e a ordem de reação.
Concentração e tempo;
1. Leis de velocidade integrada de primeira ordem;
2. Meia-vida de reações de primeira ordem;
3. Leis de velocidade integrada de segunda ordem
Modelos de reações;
1. O efeito da temperatura;
2. A teoria das colisões;
3. A teoria do complexo ativado;
CINÉTICA QUÍMICACINÉTICA QUÍMICA
EmentaEmenta
Mecanismos de Reação;
1. Reações elementares;
2. Leis de velocidade para reações elementares;
Acelerando Reações;
1. A catálise;
2. Catalisadores vivos: as enzimas
O Universo da Cinética Química
Figura 1 – Reações em um conversor cerâmico catalítico – Fragmentos de hidrocarbonetos não
queimados e moléculas de monóxido de carbono e óxido nítrico são convertidas em
substâncias menos tóxicas, tais como dióxido de carbono e nitrogênio, por reações na superfície
do catalisador.
Por que precisamos conhecer este assunto?
• * - A cinética química nos dá subsídios para entender como as ocorrem em nível atômico, o que nos leva ao coração da química;
• * - A cinética química desempenha um papel importante na biologia e na medicina porque a SAÚDE representa um balanço entre um grande número de reações químicas que ocorrem em nosso organismo;
• * - O desenvolvimento de CATALISADORES, que são substâncias que fazem com que as reações ocorram mais rapidamente, nos permite obter uma solução para problemas importantes tais como: a FOME no mundo e o desenvolvimento de novos COMBUSTÍVEIS, para gerar energia para várias finalidades.
• * - Será que a química está presente em nosso cotidiano?
O que precisamos conhecer previamente?
É útil conhecer um pouco sobre:
• Modelo cinético dos gases;
• Existência de constantes de equilíbrio.
Velocidades de Reação
* O que queremos dizer por “ velocidade “ de uma reação química?
No dia-a-dia, definimos velocidade como a mudança de uma propriedade física dividida pelo intervalo de tempo necessário para que esta mudança ocorra.
Ex. Velocidade de um automóvel
ΔS - Variação da posição
Δt - intervalo de tempot
SV
Velocidade Média de uma Reação Química
Com a finalidade de caracterizar a lentidão ou a rapidez com que as reações ocorrem, foi introduzida a grandeza velocidade de reação. Para medi-la, determina-se a quantidade de reagentes que é consumida, ou a quantidade de produtos que é formada, em um certo intervalo de tempo:
tempode intervalo
substânciaumadequantidadedavariaçãov
Chamamos essa velocidade de velocidade média. A quantidade de substância pode ser expressa em:
Massa Quantidade
de matéria
Concentração
Molar
Volume
t
mV
t
nV
t
V
][
t
VV
Velocidade Média de uma Reação Química
• Em química estamos interessados em quão rapidamente os produtos são formados ou os reagentes são consumidos.
• Define-se velocidade de reação como a mudança da concentração de um dos reagentes dividida pelo intervalo de tempo no qual esta ocorre. Para um dado reagente R, a velocidade média de reação será dada por:
• Já para um dado produto P, a velocidade média da reação será dada por:
t
RRdementodesaparecidemédiaVelocidade
][
t
PPdeformaçãodemédiaVelocidade
][
Ex. Suponha que estamos estudando a reação de desintegração do ácido iodídrico, 2HI(g) H2(g) + I2(g) e descobrimos que, durante o intervalo de tempo de 100s, a concentração de HI decresceu de 4mmoles por Litro para 3.5 mmoles por Litro. Representaríamos a velocidade de consumo do HI nesta reação como:
S
LHImmolHIdeconsumodeVelocidade
100
).)(00,450,3( 1
Velocidades instantânea de reação
113 .).(100,5 sLHImmolxV
dt
RdRdementodesaparecideVelocidade
][
dt
PdPdesurgimentodeVelocidade
][
Velocidades instantânea de reação
Figura 1 – Reação muito rápida – Explosão de
uma série de cargas de dinamite para demolir um
prédio antigo. Cada explosão termina em uma
fração de segundos.
Figura 2 – Reação muito lenta – O lento
crescimento da corrosão na proa do Titanic no
fundo do frio Oceano Atlântico.
Relação entre a velocidade dos componentes
t
D
dt
C
ct
B
bt
A
aúnicamédiaVelocidade
][1][1][1][1
dt
Dd
ddt
Cd
cdt
Bd
bdt
Ad
aúnicaVelocidade
][1][1][1][1
Seja a reação hipotética aA + bB cC + dD, como podemos expressar a relação entre a velocidade das
cespécies participantes?
VELOCIDADE INSTANTÂNEA
VELOCIDADE MÉDIA
Relação entre a velocidade dos componentes
Analisemos, então, o que ocorre com a reação C2H2 + 2H2 C2H6. Um químico mediu a quantidade de matéria de C2H6 formado em função do tempo e obteve os seguintes resultados:
Tempo
(min)
Moles de C2H2
presente
Moles de H2
presente
Moles de C2H6
presente
0 50 60 0
4 38 36 12
6 35 30 15
10 30 20 20
Relação entre a velocidade dos componentes
Calculando a velocidade média dessa reação no intervalo de 0 min a 4min, para o etano (C2H6) temos:
min/304
012mol
t
nV
Calculando a velocidade média dessa reação no intervalo de 0 min a 4min, para o etano (C2H2) teremos:
min/304
5038mol
t
nV
Encontramos o mesmo valor referente ao C2H6, no mesmo intervalo, porém com sinal negativo, uma vez que o C2H2 está sendo consumido (ni > nf ): esse valor indica a velocidade de consumo de C2H2. A fim de que isto ocorra, devemos colocar o sinal negativo na fórmula, para que o valor da velocidade da reação seja o mesmo para qualquer participante no mesmo t.
Relação entre a velocidade dos componentes
Vejamos o cálculo da velocidade média da reação no intervalo de 6 a 10 min:
min/25,1610
353022 mol
t
nV HC
min/25,1610
152062 mol
t
nV HC
•Para o C2H2
•Para o C2H6
•Para o H2
min/25,1)610(2
3020
22 molt
nV H