Cinética Química

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<p>Resumo</p><p>A cinética química estuda a velocidade das reações e os fatores que influenciam essa reação, bem como a possibilidade de controlá-la, tornando a reação mais rápida ou mais lenta. Para se obter essa velocidade de reação, são realizadas algumas etapas como a titulação para obtenção da concentração do reagente e posteriores determinações através da hidrólise para encontrar a velocidade e ordem da reação, além da energia de ativação. Com os dados encontrados experimentalmente, foram construídos tabelas e gráficos, na qual foi possível a realização do cálculo da constante cinética e obtenção das equações de taxa de reação. A ordem de reação da hidrólise de acetato de etila foi determinada através da análise da linearização e regressão linear dos dados obtidos experimentalmente. Com isso, foi determinado que a hidrólise de acetato de etila é uma reação de segunda ordem e foi possível comprovar que tanto a ordem da reação quanto os valores de constante de velocidade da reação, energia de ativação e taxa de frequência estão dentro dos parâmetros encontrados na literatura.</p><p>Palavras-chave: Cinética Química, Energia de Ativação, Hidrólise.</p><p>(</p><p>ENSAIO</p><p>CINÉTICA QUÍMICA</p><p>: HIDRÓLISE DE ACETATO DE ETILA</p><p>Douglas T.¹, Ellen G.</p><p>1</p><p>, Vicente D.</p><p>1</p><p>,</p><p>Ana Paula</p><p>Capelezzo</p><p>2</p><p>¹Alunos da Escola Politécnica/UNOCHAPECÓ</p><p>²Professora da Escola Politécnica/UNOCHAPECÓ</p><p>Universidade Comunitária da Região de Chapecó</p><p>)</p><p>1</p><p>4</p><p>1. Introdução</p><p>Cinética Química é o ramo da Físico-Química que estuda a velocidade das reações e os fatores que afetam a velocidade. Estes fatores são: temperatura, pressão, concentração dos reagentes, catalisador, superfície de contato entre os reagentes, luz e eletricidade. Além destes, constituem também fatores influentes na velocidade das reações químicas, os parâmetros que controlam os vários processos de transportes físicos, tais como as condições de fluxo, o grau de mistura e os parâmetros envolvidos na transferência de calor e massa (AGUIAR, 2022).</p><p>Existem reações em nosso cotidiano que são extremamente rápidas, como a explosão da nitroglicerina. Já outras são muito lentas, como a reação entre o gás hidrogênio e o oxigênio para a formação de água. Em virtude dessas diferenças de velocidade das reações, podemos expressar o tempo em que elas ocorrem com unidades convenientes em cada caso (FOGAÇA, 2023).</p><p>A hidrólise é um termo aplicado a reações orgânicas e inorgânicas que ocorrem em meio aquoso, em que a água presente efetua uma dupla troca com outro composto: um hidrogênio da molécula de água é transferido para um dos produtos, e o grupo OH- é transferido para o outro produto. Por conveniência, têm sido consideradas como hidrólise, a reação onde um álcali é utilizado no lugar da água, obtendo um sal alcalino de um ácido no final (HIJAZIN et al., 2010).</p><p>A hidrólise alcalina de um éster é uma reação não elementar, pois reações elementares envolvem apenas uma etapa. O conjunto de todas as etapas de reação é denominado mecanismo de reação. Em geral, uma das etapas é lenta e as demais são rápidas. A etapa lenta determina a lei de velocidade e a ordem da reação (FOGLER, 2012).</p><p>A constante de velocidade (k) é uma característica do sistema químico que independe das concentrações dos reagentes, mas depende da temperatura. Na maioria dos casos, antes de participarem da reação química, os reagentes são ativados, isto é, ganham energia. Isto se deve ao fato de as substâncias químicas serem, em geral, estáveis, necessitando de um enfraquecimento de suas ligações através do consumo de energia para que haja o rearranjo das</p><p>Simbologia</p><p>Ca</p><p>Concentração de acetato de etila (mol/L)</p><p>K</p><p>Constante de velocidade</p><p>CHCl</p><p>Concentração de ácido clorídrico (mol/L)</p><p>K0</p><p>Fator de frequência</p><p>VHCl</p><p>Volume de ácido clorídrico (L)</p><p>Ea</p><p>Energia de ativação (kJ/mol)</p><p>CNaOH</p><p>Concentração de hidróxido de sódio (mol/L)</p><p>R</p><p>Constante dos gases ideias (8,314 J/K.mol)</p><p>Vtitulante</p><p>Volume utilizado na titulação (L)</p><p>T</p><p>Temperatura (K)</p><p>Valíquota</p><p>Volume da alíquota (L)</p><p>a</p><p>Coeficiente angular da reta</p><p>Ca0</p><p>Concentração de acetato de etila no tempo zero (mol/L)</p><p>b</p><p>Constante da reta</p><p>estruturas. Esta energia necessária para a transformação química dos reagentes denomina-se Energia de Ativação (E). (AGUIAR, 2022).</p><p>A energia de ativação (Ea) é o valor mínimo de energia que as moléculas de reagentes devem possuir para que uma colisão entre elas seja eficaz. Desse modo, quanto maior essa energia, mais lenta é a reação (VIANNA, 2022).</p><p>2. Materiais e Métodos</p><p>Preparou-se 10 Erlenmeyers de 100 mL com 30 mL de ácido clorídrico 0,01 M padronizado. Enquanto isso adicionou-se 100 mL de acetato de etila 0,02 M e 100 mL de hidróxido de sódio 0,02 M à temperatura ambiente em um reator encamisado de 0,5 L com agitação, logo em seguida coletou-se do reator a alíquota de 10 mL no tempo zero e iniciou-se o cronômetro. Adicionou-se a</p><p>alíquota ao Erlenmeyer e titulou-se com hidróxido de sódio 0,01 M usando fenolftaleína como indicador.</p><p>Posteriormente retirou-se as alíquotas nos tempos de 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 e 50 minutos após ligar acionar o reator. Todas as alíquotas foram adicionadas aos Erlenmeyers e titulados com a mesma solução.</p><p>O procedimento acima foi realizado à temperatura ambiente de 23°C e à temperatura de 40°C.</p><p>A concentração de acetato de etila em cada tempo pode ser calculado por meio da Equação (1).</p><p>(1)</p><p>A partir das concentrações de acetato de etila, é possível determinar as contantes cinéticas para cada ordem de reação através das Equações (2), (3) e (4).</p><p>(2)</p><p>(3)</p><p>(4)</p><p>Para determinação da constante de velocidade utilizou-se da Equação de Arrhenius (5), e linearizando a mesma, obteve-se a Equação (6).</p><p>(5)</p><p>(6)</p><p>Já para determinação da energia de ativação necessária e para o fator de frequência utilizou-se das Equações (7) e (8), respectivamente.</p><p>(7)</p><p>(8)</p><p>3. Resultados e Discussões</p><p>Nas tabelas 1 e 2 são mostrados os dados obtidos de volume de titulante para cada alíquota em determinado período de tempo para as temperaturas ambiente e de 40°C.</p><p>Tabela 1 – Volume de titulante gasto na titulação à temperatura de 23°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Tabela 2 – Volume de titulante gasto na titulação à temperatura de 40°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>A partir dos resultados mostrados nas tabelas acima e dos valores das concentrações do acetato de etila foi possível a realização do cálculo da constante cinética, foram realizados cálculos para a obtenção das equações de taxa de reação, para cada uma das ordens. Obtendo assim os gráficos presentes nas Figuras 1, 2 e 3 para a temperatura de 23°C e Figuras 4, 5 e 6 para a temperatura de 40°C.</p><p>Figura 1 – Gráfico da concentração de acetato de etila de ordem zero em função do tempo à 23°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Figura 2 – Gráfico da concentração de acetato de etila de primeira ordem em função do tempo à 23°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Figura 3 – Gráfico da concentração de acetato de etila de segunda ordem em função do tempo à 23°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Figura 4 – Gráfico da concentração de acetato de etila de ordem zero em função do tempo à 40°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Figura 5 – Gráfico da concentração de acetato de etila de primeira ordem em função do tempo à 40°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Figura 6 – Gráfico da concentração de acetato de etila de segunda ordem em função do tempo à 40°C.</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Com bases nos resultados obtidos, observa-se o R² encontrado para cada ordem de reação, entende-se que o valor desejável para R² seja o mais próximo de 1. De tal forma, isso mostra que a hidrólise do acetato de etila é uma reação de segunda ordem, comparando com SOUZA et al (2017), é possível comprovar que a ordem da reação obtida experimentalmente está de acordo.</p><p>O desenvolvimento dos gráficos gerou a equação linear para cada ordem de reação, sendo essa a equação da taxa para cada uma delas. A Tabela 3 mostra a equação</p><p>linearizada para cada temperatura.</p><p>Tabela 3 – Constante de reação obtida a partir do gráfico de concentração do acetato de etila em função do tempo com maior valor de R².</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>Pela equação de Arrhenius, prova-se que a constante de velocidade (K) é diretamente dependente da temperatura. O que mostra o embasamento técnico para afirmar a eficácia dos resultados obtidos, já que é possível observar o aumento da constante de velocidade com o aumento da temperatura.</p><p>Através da Equação (6), obteve-se o gráfico presente na Figura 7, e com a equação da reta, foi possível determinar a energia de ativação e o fator de frequência através das Equações (7) e (8).</p><p>Figura 7 – Gráfico para obtenção da energia de ativação e fator de frequência</p><p>Fonte: Elaborado pelos autores, 2023.</p><p>A energia de ativação age com uma resistência que deve ser rompida para que a reação de fato aconteça. SOUZA et al (2017) citam que valores de Ea para a maioria das reações químicas são encontrados na faixa de 0 a 33,0x10⁴ J/mol, o valor da energia de ativação obtido experimentalmente foi de 1,044x10⁴, portanto está contido na faixa citada. De acordo com Souza e Farias (2008), valores de K0 são encontrados na faixa de 106 a 1010 L/mol.min para reações bimoleculares, comprovando também que o valor de 956.94 encontrado para o fator de frequência está dentro do esperado.</p><p>4. Conclusão</p><p>A ordem de reação da hidrólise de acetato de etila foi determinada através da análise da linearização e regressão linear dos dados obtidos em escala laboratorial. A partir disso pode se concluir que, a hidrólise de acetato de etila é uma reação de segunda ordem e foi possível comprovar que tanto a ordem da reação quanto os valores de constante de velocidade da reação, energia de ativação e taxa de frequência estão dentro dos parâmetros encontrados na literatura.</p><p>5. Referências</p><p>AGUIAR, L. Cinética Química Aplicada. Lorena: Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de Lorena, 2022.</p><p>FOGAÇA, J. R. V. Introdução à Cinética Química. Manual da Química, 2023. Disponível em: https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/introducao-cinetica-quimica.htm. Acesso em 15 de setembro de 2023.</p><p>FOGLER, H. S. Elementos de engenharia das reações químicas. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 888 p.</p><p>LAVORENTI, A. Cinética Química. Piracicaba: Universidade Estadual de São Paulo, 2002</p><p>SOUZA, M. S. de; V. M. V. CRUZ; G. L. PENA; A. B. de CARVALHO; D. N. DANTAS. Estudo cinético da hidrólise do acetato de etila em meio alcalino em reator batelada de tanque agitado. In: XII congresso brasileiro de engenharia química em iniciação científica, 2017, São Carlos. Departamento de Engenharia Química. São Paulo: CBEQ, 2017. v. 1, p. 1-6.</p><p>SOUZA, A. A. de; FARIAS, R. F. de. Cinética química: Teoria e prática. 1. ed. Campinas: Editora Átomo, 2008. 88 p.</p><p>‌</p><p>VIANA, A. Cinética Química. Vai Química, 2021. Disponível em: https://vaiquimica.com.br/cinetica-quimica/. Acesso em 15 de setembro de 2023.</p><p>ANEXOS</p><p>6. Memória de Cálculo</p><p>Parâmetros teórico e experimentais</p><p>Dados teóricos</p><p>Constante dos gases:</p><p>Dados experimentais</p><p>Concentração de HCl:</p><p>Concentração de NaOH titulante:</p><p>Concentração de NaOH (B) da reação:</p><p>Concentração de Acetato de Etila (A) inicial:</p><p>Volume de alíquota retirada:</p><p>Volume de HCl por tempo:</p><p>Volume total por tempo avaliado:</p><p>Cálculo do número de mols</p><p>Como os valores de tempo e volume foram obtidos em minutos e mL, respectivamente, foi feito a conversão de unidade de minuto para segundos e mL para litros. Posteriormente, foi calculado o número de mols para o HCl e NaOH, conforme mostram os cálculos abaixo.</p><p>Número de mols de HCl</p><p>Número de mols de NaOH titulante</p><p>Concentração de Acetato de Etila (A)</p><p>Dedução da lei da velocidade de ordem zero</p><p>ou</p><p>Para a construção do gráfico:</p><p>Dedução da lei da velocidade de primeira ordem</p><p>ou</p><p>Para a construção do gráfico:</p><p>Dedução da lei da velocidade de segunda ordem</p><p>ou</p><p>Para a construção do gráfico:</p><p>Escolha da ordem de reação</p><p>Pelas correlações obtidas em cada gráfico, escolheu-se a que o valor de R² mais próximo de 1. Logo, para ambas temperaturas de 23°C e 40°C obteve-se a equação da reação de segunda ordem.</p><p>Logo tem-se o k igual a 0,2294 e 0,2888 L/mol.s para as respectivas temperaturas.</p><p>Energia de Ativação e Fator de Frequência</p><p>Com os valores de k obtidos anteriormente, plota-se o gráfico de ln (k) pelo inverso da temperatura para a obtenção da energia de ativação (Ea) e o fator de frequência (K0). Para encontrar os parâmetros desejados faz-se analogia a equação de Arrheinus:</p><p>Do gráfico gera-se uma equação linear:</p><p>Logo:</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image11.png</p><p>image1.png</p>