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Físico-Química Experimental Professora: Lizandra Maria Zimmermann Experimento 6: Formação de Enxofre Coloidal e Velocidade da Reação. Alunos: Paulo Vitor Pinsegher Robson Zandonadi Data: 30/03/2015 Temperatura: 23 °C Pressão: 757 mmHg Objetivos: Essa prática teve o objetivo de estudar o comportamento cinético da reação de formação do enxofre coloidal, estudar alguns fatores que podem influenciar na velocidade da reação, tais como, temperatura e concentração das soluções. Resultados e Discussão: A velocidade de uma reação química é medida pelo tempo ou rapidez com que um ou mais reagentes são consumidos, ou mais produtos são formados. Quando isso ocorre é de grande interesse saber a velocidade que isso está ocorrendo, o que podemos fazer para que a mesma ocorra de forma mais lerda ou mais rápida. Isso é o que estuda a cinética química. A velocidade média de consumo do reagente ou de formação de um produto é a variação da quantidade de espécie em um certo intervalo de tempo, como mostra a equação abaixo: Onde: Vm é a velocidade média, |ΔQ| o módulo de variação da quantidade da espécie em questão e Δt o intervalo de tempo no qual ocorreu essa variação da quantidade. Outra forma de calcular a velocidade da reação é pela Lei de ação das massas que diz: quando duas substâncias A e B (vale para outras situações também) reagem em um sistema à temperatura constante (aA + bB → produtos), a velocidade instantânea (v) pode ser calculada por meio de uma equação matemática representada genericamente por: Onde: v é a velocidade instantânea da reação, [A] a concentração do reagente A em mol por litro, [B] a concentração do reagente [B] em mol por litro. Os coeficientes m e n são obtidos experimentalmente e são denominados ordem da reação em relação aos reagentes A e B, m e n são os coeficientes estequiométricos a e b da reação, a soma de m e n é dita ordem global da reação, m e n podem ser qualquer valor, inclusive zero. Neste experimento vamos estudar a reação: Nessa reação o enxofre coloidal, S(s), um dos produtos formados, aparece em forma de turvação no meio reacional e isto é utilizado como indicador de tempo para a reação. O tempo entre a mistura dos reagentes e do aparecimento dessa turvação dependem diretamente a concentração dos reagentes e da temperatura. Essa prática foi dividida em duas partes, sendo a primeira realizada a temperatura ambiente e utilizando quatro concentrações diferentes do reagente (Na2S2O3) e a segunda utilizando somente uma concentração do reagente porém realizada em quatro temperaturas diferentes. Parte I – Influência da concentração dos reagentes na velocidade da reação de obtenção do enxofre coloidal. Utilizando uma solução de tiossulfato de sódio (Na2S2O3) de 0,1 mol L-1, foram preparados quatro tubos de ensaio contendo diferentes concentrações do reagente, como mostra a tabela abaixo: Tubo A1 A2 A3 A4 Na2S2O3 0,1 mol L-1 (ml) 8 6 4 2 H2O destilada (ml) 0 2 4 6 Tabela 1: Volumes para cada tubo. Foram preparados também mais quatro tubos de ensaio contendo 6 ml de ácido sulfúrico 1 mol L-1, os quatro canecos foram numerados de B1 até B4. Com as soluções já preparadas, foi adicionado o conteúdo do tubo A1 ao tudo B1 acionando um cronômetro imediatamente, no primeiro sinal de turvação (formação de enxofre coloidal) o termômetro foi parado e anotado o seu tempo. Repetimos o processo para os demais tubos, A2 com B2, A3 com B3 e A4 com B4, sempre anotando o tempo decorrido. Com a primeira parte já concluída obtemos os seguintes resultados: Tubos Tempo (s) A1 e B1 25,42 A2 e B2 38,06 A3 e B3 52,56 A4 e B4 98,44 Tabela 2: Tempo até o aparecimento da turvação. Para podermos efetuar os calculas da ordem e da velocidade da reação, precisamos saber a concentração de Na2S2O3 em cada tudo, para isso utilizaremos a equação: Para o tubo A1 temos: Para o tubo A2 temos: Para o tubo A3 temos: Para o tubo A4 temos: Tubos Tempo (s) [S2O3-2] (mol/L) A1 e B1 25,42 0,0571 -2,862951 17,513134 A2 e B2 38,06 0,0429 -3,148883 23,310023 A3 e B3 52,56 0,0286 -3,554348 34,965035 A4 e B4 98,44 0,0143 -4,247495 69,930070 Tabela 3: Dados para preparação dos gráficos. Para a determinação da ordem da reação, é necessário plotar 3 gráficos, sendo eles: [S2O3-2] x t (Ordem zero), ln [S2O3-2] x t (1ª Ordem) e 1/[S2O3-2] x t (2ªOrdem), caso a reta de algum dos gráficos dê linear, a ordem corresponde a desse gráfico. Gráfico 1: [S2O3-2] x t (Ordem zero). Gráfico 2: ln [S2O3-2] x t (1ª Ordem). Gráfico 3: 1/[S2O3-2] x t (2ªOrdem). Analisando o R2 dos três gráficos, nota-se que o de 2ª Ordem é que o tem melhor linearidade, logo a reação é de ordem 2. Por teoria, temos que o coeficiente de velocidade k pode ser obtido através do coeficiente angular da reta do gráfico. A equação do gráfico é: , então, k=0,7353 . Parte II – Efeito da temperatura na velocidade da reação. Como foi feito na parte I, iremos preparar quatro tubos de ensaio contendo a mesma concentração do tiossulfato de sódio e de ácido sulfúrico. Nos tubos de A1 até A4 foram colocados 4 ml de tiossulfato de sódio 0,1 mol L-1 e 4 ml de água destilada, nos tubos de B1 até B4 foram colocados 4 ml de ácido sulfúrico 1 mol L-1. Agora iremos efetuar o mesmo procedimento da parte I, porém em outras temperaturas, a temperatura ambiente, a -10 °C da temperatura ambiente, a +10°C e a + 20°C da temperatura ambiente. Para o resfriamento utilizamos gelo, e para aquecimento utilizamos uma chapa de aquecimento. Utilizaremos um béquer de 250 ml com água para poder resfriar e aquecer os tubos, deixando o tubo mergulhado por 5 minutos dentro desse béquer para poder atingir a temperatura desejada. Após realizadas as reações, obtivemos os seguintes resultados: Tubos Temperatura (°C) Tempo (s) A1 e B1 23°C 46,63 A2 e B2 13°C 87,03 A3 e B3 31°C 27,84 A4 e B4 43°C 19,43 Tabela 4: Tempo até a turvação para uma dada temperatura. Gráfico 4: Tempo versus temperatura. Observando o gráfico pode-se notar o quanto a variação da temperatura influencia na velocidade da reação, o primeiro teste realizado a 13°C resultou num tempo de 87 segundos, já o último teste resultou em 19 segundos, ou seja, mais de quatro vezes mais rápido. Para a obtenção da constante de velocidade k e da energia de ativação, seria necessário repetir o experimento por pelo menos mais duas vezes, porém como a apostila não pedia para fazer isso não podemos achar o valor dos mesmos, pois desta forma, existiram n valores que se encaixaria, temos apenas 1 ponto do gráfico e é necessário pelo menos 3 pontos. Conclusão: Com a pratica acima realizada, pudemos ver o quanto variações de temperatura e concentração dos reagentes afetam o tempo dela. Nesse experimento em específico, podemos aprender como obter o enxofre coloidal, uma forma bem simples, podemos ver também que elevar um pouco a temperatura, cerca de 30°C, pode aumentar e muito a produção do mesmo, o que numa escala de produção é de extrema importância. O custo de produção nesse caso pode até ter sido diminuído com esse aumento na temperatura. Fontes de erro: Imprecisão por parte dos alunos na hora de pipetar os reagentes; ponto de turvação pode variar de um tubo para o outro, já que o mesmo é analisado por percepção do aluno; pouca agitação; na segunda parte em específico, os tubos podem ter ficado mergulhando por um tempo insuficiente para atingir a temperatura do banho.
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