Cinética Química

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Cametá – PA/ 2022
Universidade Do Estado Do Pará
Centro De Ciências Sociais E Educação
Curso Superior De Tecnologia Em Alimentos
Cinética Química
Prof. Robson Sousa
Introdução
Escalas em Tempo
1 s 109 s
(30 anos)
1015 s
(30 milhões de anos)
➢ Como as reações envolvem a quebra e a formação de ligações, as respectivas
velocidades dependem da natureza dos reagentes em si.
➢ A cinética química responde a pergunta a cerca da velocidade de uma reação.
10-15 s
Introdução
Fatores que interferem na velocidade da reação química
▪ Natureza dos reagentes;
Na K
▪ Capacidade dos reagentes colidirem entre si;
▪ Concentração dos reagentes
✓ Em soluções, aumento da concentração;
✓ Em sistemas gasosos, aumento da pressão;
▪ Temperatura;
▪ Catalisadores
1.0 Concentração e Velocidade de Reação
𝑽𝒓 = −
∆[𝐀]
∆𝒕
Equação Geral:
𝑽𝒑 =
∆[𝐁]
∆𝒕
Velocidade dos 
Reagente V𝑟 :
Velocidade dos 
Produtos V𝑝 : 
Para uma reação genérica balanceada, usa-se “velocidade média única, 𝑉𝑚”:
Reagentes (A) → Produtos (B)
Q
u
a
n
ti
d
a
d
e
s
Tempo 𝒙
𝒚
Produto B
Reagente A V
e
lo
c
id
a
d
e
Tempo 𝒙
𝒚
Produto B
Reagente A
1.0 Concentração e Velocidade de Reação
(Atkins, p. 627, 2018): Suponha que você precise de HI de alta pureza. Você poderia preparar a
solução fazendo o hidrogênio e o iodo reagirem diretamente segundo a reação:
𝐇𝟐(𝐠) + 𝐈𝟐 𝐠 → 𝟐𝐇𝐈 (𝐠)
Resolvendo
𝑉𝐻𝐼 =
4,00 − 3,50 𝑚𝑚𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐼 𝐿−1
100 𝑠
se ela for suficientemente rápida. Nesse caso, e importante fazer um experimento para investigar a
velocidade de reação e determinar se a preparação de HI segundo esse processo é rápida o
bastante. No intervalo de 100. s, a concentração de HI aumentou de 3,50 mmol·L-1 para 4,00
mmol·L-1. Qual foi a velocidade media desta reação?
𝑉𝑚 HI = 5,0𝑥 10
−3𝐿−1𝑠−1
𝑉𝑚 HI = 5 𝜇𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐼 𝐿
−1𝑠−1
No gráfico, a inclinação da reta (linha azul) dá a velocidade média.
1.0 Concentração e Velocidade de Reação
Fonte Fenda Monocromador Amostra Detector Computador
O Espectrômetro
𝐕𝐦 = −
∆ 𝑩𝒓𝟐
∆𝒕
𝐕𝐦 = −
𝑩𝒓𝟐 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 − 𝑩𝒓𝟐 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍
𝒕𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 − 𝒕𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍
𝐇𝐂𝐎𝟐𝐇 𝒂𝒒
𝑺𝒆𝒎 𝑪𝒐𝒓
+ 𝐁𝐫𝟐 𝒂𝒒
𝐕𝐞𝐫𝐦𝐞𝐥𝐡𝐨
→ 𝟐𝐇+ 𝐚𝐪 + 𝟐𝐁𝐫− 𝐚𝐪
𝑺𝒆𝒎 𝑪𝒐𝒓
+ 𝐂𝐎𝟐(𝐠)
EXEMPLO (Tro, p. 627, 2017): Considere a equação química balanceada:
H2O2 aq + 3I
− aq + 2H+ aq → I3
− aq + 2H2O (𝑙)
Nos primeiros 10 segundos da reação a concentração de I− caiu de 1,000 M para 0,868 M. (a)
Calcule a velocidade média desta reação neste intervalo de tempo. (b) Determine a velocidade de
variação da concentração de H+ (isto é, ∆[H+]/∆t) durante este intervalo de tempo.
Resolvendo
𝑉 = −
1
3
∆[𝐼−]
∆𝑡
𝑉 = −
1
3
∆[0,868 𝑀 − 1,000𝑀]
10,0 𝑠
V = 4,4x 10−3 M/s
𝑉 = −
1
2
∆[H+]
∆𝑡
∆[H+]
∆𝑡
= −2(4,4x 10−3 M/s)
∆[H+]
∆𝑡
= −8,8 𝑥 10−3 M/s
∆[H+]
∆𝑡
= −2(𝑉)
2.0 A Velocidade Instantânea de Reação
Reagentes (A)→ Produtos (B):
Reação de 1ª Ordem (𝑛 = 1)
[A] (M) *VI (M/s)
0,1 0,015
0,2 0,030
0,4 0,060
Reação de Ordem Zero (𝑛 = 0)
[A] (M) *VI (M/s)
0,1 0,015
0,2 0,015
0,4 0,015
Reação de 2ª Ordem (𝑛 = 2)
[A] (M) *VI (M/s)
0,1 0,015
0,2 0,060
0,4 0,240
Velocidade 2
Velocidade 1
=
𝑘 A 2
𝑛
𝑘 A 1
𝑛
*Velocidade Inicial
Velocidade 2
Velocidade 1
=
𝑘 A 2
𝑛
𝑘 A 1
𝑛
0,015
0,015
=
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
1 = 2𝑛 𝑛 = 0 log 1 = log(2𝑛)
0 = 𝑛log(2) 0 = 𝑛 0,3 𝑛 =
0
0,3
1 =
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
𝑛 = 0
0,03
0,015
=
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
2 = 2𝑛 log 2 = log(2
𝑛)
0,3 = 𝑛log(2) 0,3 = 𝑛 0,3
𝑛 =
0,3
0,3
2 =
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
0,06
0,015
=
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
4 = 2𝑛 𝑛 = 2
log 4 = log(2𝑛) 0,6 = 𝑛log(2)
0,6 = 𝑛 0,3 𝑛 =
0,6
0,3
4 =
𝑘[0,2]2
𝑛
𝑘[0,1]1
𝑛
Velocidade 2
Velocidade 1
=
𝑘 A 2
𝑛
𝑘 A 1
𝑛
𝑛 = 1 𝑛 = 2
3.0 Leis de Velocidade e Ordem de Reação
V = 𝑘 A 0 V = 𝑘 V = 𝑘 A 1 V = 𝑘 A 2
𝑉 = 𝑘 𝐴 𝑛
𝑉 = −
𝑑 A
𝑑t
𝑘 =
𝑉
[A]
ln
A 𝑡
A 0
= −𝑘𝑡
A 𝑡 = A 0𝑒
−𝒌𝑡
V = 𝑘[𝐴]
ln A 𝑡 − 𝑙𝑛 A 0 = −𝑘𝑡
−(−d𝑡)
𝑑 A
𝑑t A
= 𝑘(−d𝑡)
න
[𝐴]0
[𝐴]𝑡
𝑑
[𝐴]𝑡
[𝐴]0
= −න
0
𝑡
𝑘d𝑡
Integrando entre 𝑡 = 0 , 𝑡 = 𝑡 ,
[𝐴] = [𝐴]0 e [𝐴] = [𝐴]𝑡 ,obtém-se
𝑡 =
1
𝑘
𝑙𝑛
A 𝑡
A 𝑜
−
𝑑 A
𝑑t
= 𝑘[A]𝑥 (−d𝑡)
Reação Geral: 𝐀 → 𝐁
3.1 Lei de Velocidade Integradas de Primeira Ordem
𝑑 A
A
= −𝑘d𝑡
𝒍𝐧 𝑨 𝒕 = −𝒌 𝒕 + 𝒍𝒏 𝑨 𝟎
𝒚 = 𝒂𝒙 + 𝒃
𝑘 =
𝑀/𝑠
M
𝑘 = 𝑠−1
−
𝑑 A
𝑑t
= 𝑘[𝐴]
3.1 Lei de Velocidade Integradas de Primeira Ordem
Atkins, p. 602, 2018. Nas nuvens estratosféricas polares, o nitrogênio pode ser encontrado na
forma de N2O5, que participa do ciclo do ozônio que protege a vida na Terra. Contudo, o N2O5 se
decompõe com o tempo. Se você estivesse estudando o papel da atmosfera na mudança climática,
talvez fosse preciso saber quanto N2O5 sobrevive após determinado período. Que concentração de
N2O5 permanece 10,0 min (600. s) após o início da decomposição em 65°C na reação 2N2O5 (g) →
4 NO2 (g) + O2 (g) , sabendo que a concentração inicial era 0,040 mol·L
-1? Dados: 𝑘 = 5,2𝑥10−3 𝑠−1
Resolvendo [𝐴]𝑡= [𝐴]0𝑒
−𝑘𝑡 [𝐴]0= 0,040 𝑚𝑜𝑙 𝐿
−1
𝑡 = 600 𝑠𝑒𝑔. 𝑘 = 5,2𝑥10−3 𝑠−1
[𝐴]𝑡= (0,040 𝑚𝑜𝑙 𝐿
−1)𝑒− 5,2𝑥10
−3 𝑠−1 𝑥(600 𝑠𝑒𝑔)
[𝐴]𝑡= 0,0018 𝑚𝑜𝑙 𝐿
−1