Relatorio 7 - Cinética Química Reação de primeira ordem.

Prévia do material em texto

Alunos: Jucilane Braga, Ricardo Torres, Tiago Costa. 
Data: 23 de junho de 2023. 
Professor: Elson Almeida. 
TÍTULO 
 Cinética Química: Reação de primeira ordem. 
RESUMO 
A reação de primeira ordem é caracterizada por uma diminuição exponencial da concentração 
do reagente ao longo do tempo. A meia-vida (tempo necessário para que a concentração do 
reagente seja reduzida à metade) de uma reação de primeira ordem é constante. Com isso, o 
presente relatório tem como objetivo determinar a constante de velocidade e o tempo 
de meia vida da decomposição do peróxido de hidrogênio catalisado por cloreto férrico, que 
é uma reação de primeira ordem. O gráfico da reação é linear decrescente, onde o valor de K 
encontrado foi de 0,0013. O tempo de meia-vida foi de aproximadamente 8,8 min e a 
concentração inicial no tempo zero, é de 1,09. 
INTRODUÇÃO 
O estudo cinético, estuda as velocidades das reações químicas, que podem ocorrer 
em escalas temporais muito diversas, e os mecanismos pelos quais essas reações se 
processam. Através do estudo cinético é possível determinar a lei da velocidade de uma reação, 
bem como a sua constante de velocidade [1]. 
A catálise é um processo no qual a velocidade de uma reação é influenciada 
pela adição de uma substância química para diminuir a barreira de ativação (Ea) e, então, 
alterar o mecanismo de reação, fornecendo assim um caminho alternativo de reação, com 
energia de ativação menor que o caminho convencional [2]. Esta, que aborda a rapidez 
com que os reagentes são consumidos e os produtos são formados, como as velocidades de 
reação respondem a mudanças das condições, ou à presença de um catalisador, que é de extrema 
importância, pois permite um caminho alternativo para que as reações ocorram com menor 
energia de ativação, e a identificação das etapas pelas quais uma reação passa [3]. 
A velocidade de uma reação é definida em termos da velocidade de mudança da 
concentração de uma dada espécie. Entretanto, como as velocidades com as quais os reagentes 
são consumidos e os produtos são formados mudam no transcurso de uma reação, é necessário 
considerar a velocidade instantânea da reação, sua velocidade em um instante específico [3]. 
Na prática, para muitas reações, mas não todas, se encontra a velocidade de uma reação 
em um determinado tempo t que está relacionada com as concentrações das espécies presentes 
nesse tempo mediante uma expressão tipo: 
 
A constante de proporcionalidade k, é denominada de constante cinética ou constante 
de velocidade, e sua magnitude depende da temperatura e pressão, e consequentemente 
determina como a temperatura afeta a velocidade. Os expoentes indicam como a velocidade é 
afetada pela concentração de cada reagente. Logo, dizemos que a reação tem ordem m em A e 
ordem n em B [4]. 
As leis de velocidade integrada é uma expressão que fornece a concentração de uma 
espécie como uma função do tempo. Nesta lei, têm dois empregos principais, a primeira é prever 
a concentração de uma espécie em qualquer momento após o início da reação, e o segundo 
ajuda a determinar a constante de velocidade e a ordem da reação. Pode ser usada para 
determinar a quantidade de reagentes ou produtos presentes após um período de tempo ou para 
estimar o tempo necessário para que uma reação prossiga até certo ponto [3]. 
Uma reação é de primeira ordem com respeito ao reagente A e zero ordem com respeito 
a qualquer outro reagente pode corresponder a vários tipos de estequiometria, como: 
 
Inicialmente é expresso o consumo de um reagente A. Matematicamente, o coeficiente 
angular do gráfico de [A] contra t é a “derivada” de [A] em relação a t, (d[A])/dt. A velocidade 
de consumo de um reagente, uma grandeza positiva, é definida como o negativo desse 
coeficiente angular, o que nos permite interpretar a velocidade como: 
 
Fazendo o ajuste, 
 
Integrando, 
 
Portanto, 
 
A Eq. (4), apresenta o decaimento exponencial. Uma característica comum a todas as 
reações de primeira ordem é que a concentração do reagente cai exponencialmente com o tempo 
[3]. Essa equação tem a forma de uma equação geral de uma reta, com: 
 
Uma indicação proficiente da velocidade de uma reação de primeira ordem é a meia-
vida, t1/2, de um reagente, definida como o tempo de necessário para que a concentração de 
uma espécie caia pela metade de seu valor inicial. Logo, podemos obter a meia-vida de uma 
espécie A que decai numa reação de primeira ordem. E assim podemos calcular meia-vida, da 
seguinte maneira: 
 
Portanto, este trabalho teve como objetivo determinar a constante de velocidade e o 
tempo de meia-vida da decomposição de hidrogênio, reação de primeira ordem. 
 
 
PARTE EXPERIMENTAL 
- Materiais e reagentes: vide o roteiro da aula prática 8, pag. 21. 
- Procedimento: vide o roteiro da aula prática 8, pag. 22. 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 A Tabela 1 demonstra o volume necessário de permanganato de potássio (KMnO₄) 
necessário para titular as amostras de peroxido de hidrogênio (H2O2) contendo cloreto férrico 
(FeCl3) em diferentes tempos de reação. 
Tabela 1 – Volume gasto de permanganato de potássio em diferentes tempos. 
 
Fonte: Os autores, 2023. 
 Através da Tabela 1, é possível perceber que o volume de permanganato necessário para 
titular as amostras contendo peróxido de hidrogênio catalisado com cloreto férrico, diminui 
conforme se passa o tempo. Para Amarante et al. (1991), o cloreto férrico atua como um agente 
oxidante reagindo com peróxido de hidrogênio, resultando na sua decomposição, gerando água 
(H2O) e oxigênio (O2) gasoso. 
 Então, quanto mais tempo o cloreto férrico reage com o peróxido de hidrogênio, mais 
produto resultante da reação o meio reacional apresentará, logo, menos permanganato de 
potássio será necessário para titular as amostras, já que o permanganato também atua como um 
agente oxidante forte. 
É por esse motivo que no Frasco 1 utilizou-se um volume maior de permanganato 
comparado ao Frasco 7, pois no início do experimento a reação entre cloreto férrico e peróxido 
de hidrogênio ainda estava no início, diferente do final do experimento, que o cloreto férrico 
decompôs quase por completo o peróxido de hidrogênio. 
Com os dados da Tabela 1, foi possível calcular o LnV, e assim, montar um gráfico 
formado por uma equação do primeiro grau, dado por LnV em função Tempo (s), que apresenta 
um comportamento de função linear decrescente, onde sua inclinação é o valor de K, como 
mostra a Figura 1. 
Figura 1 – Gráfico formado por LnV em função de T(s). 
 
Fonte: Os autores, 2023. 
 O valor de K dado pela função da reta é 0,0013, com isso, utilizando a equação do 
tempo de meia-vida, temos: 
𝐾 =
𝐿𝑛2
𝑇
 (1) 
𝐾𝑥𝑇 = 𝐿𝑛2 
𝑇 =
𝐿𝑛2
𝐾
 
𝑇 =
𝐿𝑛2
0,0013
= 533,190 (𝑠) = 8,88 (min ) 
 Com isso, o tempo de meia-vida, ou ainda, o tempo gasto necessário para que o peróxido 
de hidrogênio catalisado com cloreto férrico reduza pela metade é de 533,190 segundos, ou, 
8,88 minutos. 
É importante ressaltar que o tempo no cronômetro não foi zerado, ou seja, continuou a 
contar o tempo até o final da última titulação. Precisou-se realizar o procedimento desta 
maneira, pois a reação de decomposição doH2O2 na presença do catalisador FeCl3 continua a 
acontecer a todo o momento. 
 Para calcular a concentração do peróxido no tempo zero, utiliza-se a Equação 2 a seguir. 
(2), 
onde C0 é a concentração inicial do peróxido de hidrogênio e C a concentração depois de um 
tempo. 
Assumindo que a Equação 2 pode ser reescrita como sendo a equação reta gerada no 
gráfico, temos que: 
𝑦 = −0,0013𝑥 + 2,9839 
onde y é o LnC, -k é -0,0013, x é o t, e 2,9839 é o C0. 
 Então, no tempo zero, a concentração inicial é: 
𝑦 = 𝐿𝑛(2,9839) = 1,09 
CONCLUSÃO 
A prática desta aula nos permitiu determinar três importantes parâmetros cinéticos deuma reação química: a ordem da reação, a constante de velocidade e o tempo de meia-vida. 
Lembre-se que neste tipo de experimento é importante que tenhamos um número considerável 
de dados experimentais para que não possamos cometer erros quanto à definição da ordem de 
reação. O resultado encontrado para a constante de velocidade foi de 0,0013 com o auxílio da 
equação da reta determinada no Gráfico 1. Com o auxílio da Equação 1 determinou-se o tempo 
de meia-vida e o resultado ficou em 533,19 s, transformando para minutos, o resultado ficou 
em 8,88 min, e a concentração no tempo zero, é de 1,09. Com isso, determinamos que a prática 
atingiu o objetivo proposto, pelo fato de ter calculado as variáveis em questão. 
REFERÊNCIAS 
AMARANTE, M. A. S.; WEYNE, G. R. S. Influência de algumas variáveis de operação e do 
uso do cloreto de ferro (iii), como catalisador, no processo de sopragem de um asfalto 
brasileiro. 1991. 
ANGELUCCI, C. A.; GODOI, G. S. Cinética Química. Universidade Federal de Sergipe, São 
Cristóvão, 2010. (4) 
ATKINS, P. W. Físico-Química- fundamentos. 3 Ed., Rio de Janeiro, 2007. (3) 
BUSACCA, C. A.; FANDRICK, D. R.; SONG, J. J.; SENANAYAKE, C. H. Adv. Synth. 
Catal. 2011, 353, 1825. (2) 
DUPONT, J. Química Nova, n. 23, p. 825, 2000. (1)