Velocidade das reações

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Centro de Tecnologia e Recursos Naturais- CTRN
Unidade Acadêmica de Engenharia Civil - UAEC
Laboratório de Saneamento
Campus Bodocongó - CEP: 58.109-970
Curso de Engenharia Civil - Bacharelado
Disciplina: Laboratório de Química da Água
Professores: Francisco e Patrícia
VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO QUÍMICA
Relatório Apresentado à Disciplina de Química da Água da Unidade Acadêmica de Engenharia Civil do CTRN da UFCG como requisito básico para aprovação na citada disciplina.
Autores: 	Izaque Gomes de Souza
		José Arthur Alves Souto
		Luís Fellype Oliveira Santos
		Renan Carlos de Melo Nascimento
		Thierson de Melo Costa
Campina Grande-PB, 04 de Julho de 2017
Experimento (5): Velocidade de uma reação química
Izaque Gomes de Souza, José Arthur Alves Souto, Luís Fellype Oliveira Santos, Renan Carlos de Melo Nascimento, Thierson de Melo Costa[2: izaqueijk@gmail.com; j_arthuralves@hotmail.com ; fellype01@gmail.com; renancarlos52@gmail.com;thiersonmcosta@gmail.com.]
Unidade Acadêmica de Engenharia Civil, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Bodocongó, 58109-970, Campina Grande-PB
Resumo: É sabido que nas reações químicas, para se processarem, diversos fatores interferem no seu mecanismo e obviamente na velocidade da reação, dentre eles a concentração dos reagentes. Nesse relatório demonstram-se experimentos para a obtenção de quatro soluções aquosas de Tiossulfato de Sódio, que teve sua concentração variada no decorrer do procedimento, sendo esse o reagente limitante e o Ácido Sulfúrico o reagente em excesso. Uma vez misturada as substâncias foi iniciada a cronometragem, encerrada apenas quando se passou a visualizar a posterior formação de Enxofre coloidal, que sendo insolúvel em água fez com que o meio reacional se tornasse turvo, indicando assim o momento de encerrar a cronometragem. Seguindo-se a isso, com os dados obtidos experimentalmente foram construídos gráficos, pelos quais é possível observar a influência das concentrações dos regentes na velocidade da reação, bem como se determinou a ordem da reação do Tiossulfato de Sódio, determinando se o procedimento é elementar ou não.
Palavras-Chave: cinética; reação; velocidade; ordem.
INTRODUÇÃO
	A cinética química é a área científica que estuda a velocidade das reações entre as substâncias e os fatores que influenciam neste processo, como a temperatura, a pressão, a concentração dos reagentes, a superfície de contato, entre outros. Torna-se importante este estudo pois através do controle do tempo da reação, podemos torná-la mais lenta, como na decomposição de alimentos industrializados, ou mais rápida, como na 'cura' do concreto armado de uma laje.
	Segundo o EXPLICATORIUM (s.d.), a velocidade de uma reação química está relacionada com a rapidez com que um reagente é consumido ou com a velocidade que um produto se forma. Isto se dá pelo choque entre os componentes de uma substância (átomos, moléculas) com os da outra, gerando um rearranjo destes componentes, o que forma novas substâncias. A estes choques físicos dá-se o nome de choques eficazes e quanto maior for o número desses, maior será a velocidade da reação. Genericamente, explicita-se a reação como na Fórmula 1.
Fórmula 1: Equação da reação química
onde:	a, b, c, d = Coeficientes estequiométricos;
	A, B = Reagentes;
	C, D = Produtos.
	A velocidade média de uma reação química é dada pelo quociente entre a variação do número de moles de uma substância (Δn) pela variação do tempo (Δt) (YAMAMOTO, 2017), gerando a Equação 1.
Equação 1: Velocidade média de uma reação química
onde o Δn é dado pela Equação 2.
Equação 2: Variação do número de moles
sendo:	M = Concentração molar;
	V = Volume.
	As velocidades das reações químicas também são determinadas através de leis empíricas, chamadas leis da velocidade, deduzidas a partir do efeito da concentração dos reagentes e produtos na velocidade da reação (SOUZA, s.d.). Esta lei pode ser chamada de lei da ação das massas de Guldberg e Waage, ou simplesmente Lei de Guldberg-Waage, dada pela Equação 3.
Equação 3: Lei da Guldberg-Waase
onde:	V = Velocidade da reação;
	K = Constante da reação química, que depende da temperatura;
	[A] = Concentração do reagente A em mol/L;
	α = Coeficiente ou ordem de A;
	[B] = Concentração do reagente B em mol/L;
	β = Coeficiente ou ordem de B.
	A expressão da velocidade também depende do tipo de reação química: quando a reação é elementar, ocorre em apenas uma única etapa, sendo os expoentes os próprios coeficientes estequiométricos presentes na equação que representa a reação; do contrário, quando não é elementar, a reação se processa em mais de uma etapa, sendo a etapa mais lenta a que determina a velocidade da reação (DIAS, s.d.).
	Para determinar a influência das concentrações na velocidade da reação utilizou-se o método das concentrações em excesso, que estuda a reação química pela variação da concentração de um reagente enquanto o outro permanece constante durante um tempo cronometrado. Para o cálculo da variação da concentração utilizou-se a Equação 4.
Equação 4: Cálculo da variação da concentração
	Para determinação da ordem de reação utilizou-se a Fórmula 2, que relaciona equações referentes a concentração com o tempo e, através de seus gráficos, encontrando qual a ordem da equação.
Fórmula 2: Relação entre a concentração e o tempo para cada ordem de reação
	Com a construção dos gráficos fez-se a análise dos resultados experimentais para determinação da ordem. Segundo (PEREIRA, s.d.), se estes resultados experimentais se ajustarem a uma reta, a ordem da reação suposta inicialmente pode ser admitida como correta,, sendo esse método conhecido como métodos da análise integral.
	Sabendo que a constante de velocidade é igual ao coeficiente angular da equação, encontra-se o valor de k através da Equação 5.
Equação 5: Coeficiente angular
onde: 	x = eixo referente ao tempo;
	y = eixo referente a concentração.
	Com isso, encontrou-se a equação que determina a velocidade da reação química, podendo concluir se o processo é elementar ou não.
OBJETIVOS
Verificar a influência das concentrações do Tiossulfato de Sódio na velocidade da reação;
Representar graficamente a velocidade das reações em função das concentrações das soluções;
Determinar a ordem da reação através do método gráfico;
Determinar a lei da velocidade da reação;
Determinar se a reação química estudada é um processo elementar.
MATERIAIS E REAGENTES UTILIZADOS:
Para a realização do experimento, utilizou-se:
Pipetas (10 ml e 5ml);
Cronômetro;
Tubos de ensaio;
Água destilada;
Ácido Sulfúrico (0,5 mol/L);
Tiossulfato de Sódio (0,2 mol/L).
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL:
A princípio, pipetou-se Ácido Sulfúrico (H2SO4) em quatro tubos de ensaio distintos. Logo em seguida, pipetou-se diferentes quantidades de Tiossulfato de Sódio (Na2S2O3) em outros quatro tubos de ensaio, completando com água destilada até atingir o volume constante desejado.
Posteriormente, misturou-se o H2SO4 e o Na2S2O3 até atingir a turbidez necessária para que o observador não mais visualizasse a marca contida no tubo, encerrando, assim, a cronometragem iniciada a partir do primeiro contato entre as substâncias. O procedimento foi repetido por quatro vezes com concentrações distintas de Na2S2O3.
	
RESULTADOS E DISCUSSÕES:
A concentração do Tiossulfato foi determinada em cada momento de sua diluição em água e posterior reação com o ácido sulfúrico. Esse processo foi repetido por quatro vezes conforme abordado anteriormente nos procedimentos. Para tanto, considerou-se a temperatura ambiente de T = 297,85 K (24,7°C).
Variando a concentração do íon Tiossulfato, e mantendo a concentração de H+ constante, temos que a [H+]=[B]0 é o reagente em excesso, e assim pode-se calcular a ordem para o Tiossulfato.
Com a substituição dos dados na Equação 4, encontrou-se a Equação 6 pela qual obtêm-se a concentração do Tiossulfato em cada solução produzida.Equação 6: Concentração do Na2S2O3
onde: 	Concentração inicial de Na2S2O3 = 0,2 mol/L;
	Volume total da solução = 0,012 L.
	
	Com os dados do experimento e as concentrações encontradas construiu-se a Tabela 1.
	Tubo
	Volume (x10-3 L)
	[Na2S2O3] (mol/L) 
	Tempo
	
	Na2S2O3
	H2O
	Volume na Diluição
	Volume Total
	
	
	1
	6
	0
	6
	12
	0,10
	39,83
	2
	4
	2
	6
	12
	0,07
	66,23
	3
	3
	3
	6
	12
	0,05
	78,80
	4
	2
	4
	6
	12
	0,03
	133,00
Tabela 1: Dados referentes a concentração do Tiossulfato
Nas atividades experimentais, muitas vezes objetiva-se estudar a maneira como uma propriedade, ou quantidade, varia com relação a uma outra. Para tanto, os valores obtidos experimentalmente podem ter seu comportamento observado de modo mais eficiente através de um gráfico. Deste modo, utilizou-se os dados obtidos na Tabela 1 para construção do Gráfico 1, que relaciona o tempo e a concentração do Tiossulfato no experimento.
Gráfico 1: Tempo (s) x [Na2S2O3]
O gráfico permite atestar que, com o transcorrer da reação, a concentração do Tiossulfato está sendo reduzida com o passar do tempo. No entanto, para melhor visualização, do comportamento do padrão dos valores obtidos experimentalmente, faz-se necessário o uso da linearização dos dados do gráfico.
Em trabalhos técnico-científicos, os dados experimentais, nem sempre produzem uma função linear do tipo y = ax + b, fácil de extrair informações quantitativas. Nesse caso, faz-se uso de técnicas de linearização de dados, de tal forma que os dados finais obtidos forneçam uma linha reta, fácil de ser analisada. A técnica consiste na realização de mudanças de variáveis de tal forma que o gráfico dessas novas variáveis seja uma reta.
Logo, com base nos dados do Gráfico 1, foi possível linearizar e construir o Gráfico 2.
Gráfico 2: Tempo (s) x -ln [Na2S2O3]
	No Gráfico 2, os pontos correspondem às medidas experimentais e a linha representa o comportamento médio (SAAD, YAMAMURA E WATANABE, 2003).
Posteriormente, verificou-se como a variação da concentração dos reagentes influi na velocidade da reação descrita na Fórmula 3.
Fórmula 3: Reação química entre Ácido Sulfúrico e Tiossulfato de Sódio
Nesta reação, há formação de Enxofre que, sendo insolúvel em água, provoca uma turvação que permite ver quando a reação ocorre. Assim, pode-se medir o tempo de duração da reação. Mantendo fixa a concentração de ácido e adicionando água à solução de Tiossulfato de Sódio, pode-se verificar como a diminuição da concentração de um dos reagentes influi no tempo da reação, isto é, na velocidade de reação parcial. 
Utilizando a Equação 1, calculou-se o número de moles e, posteriormente, a velocidade média da reação com a Equação 2, resultando a Tabela 2.
.
	Tubo
	M (mol/L)
	V (L)
	n (x10-3 mol)
	Δt (s)
	V (x10-5 mol/s)
	1
	0,10
	0,012
	1,20
	39,83
	3,01
	2
	0,07
	0,012
	0,84
	66,23
	1,27
	3
	0,05
	0,012
	0,60
	78,80
	0,76
	4
	0,03
	0,012
	0,36
	133,00
	0,27
Tabela 2: Velocidades médias das soluções
	Utilizando os valores da Tabela 2, obteve-se o Gráfico 3, que mostra o comportamento da velocidade da reação em função da concentração do Tiossulfato.
Gráfico 3: [Na2S2O3] x Velocidade
	Como a variação da velocidade não é constante, pode-se afirmar que a ordem da reação não é igual a 0. Assim, através da Fórmula 2, construiu-se o Gráfico 2, exposto mais acima e o Gráfico 3, logo abaixo.
Gráfico 3: Tempo (s) x (1/[Na2S2O3])
	
	Através do estudo dos gráficos e dos métodos estatísticos, encontra-se que a ordem da reação química é igual a 2, pois este gráfico tem melhor linearização (R² = 0,986, mais próximo a 1); ou seja, a reta se ajusta melhor a estes dados experimentais. Todavia é necessário ressaltar que a utilização desse método gráfico para determinar a ordem de uma reação seria mais eficiente se mais pontos fossem compilados, mas no experimento só se dispôs de 4 pontos apenas, o que já seria uma ousadia a partir disso determinar a ordem de uma reação não elementar.
	Utilizando a Equação 5 do coeficiente angular do Gráfico 3, encontrou-se que k é igual a 0,257 L/(mol*s). Assim, formulou-se, pela Equação 3, a equação da reação química, apresentada na Equação 7.
Equação 7: Equação da reação química
onde: 	k = 0,257 L/(mol*s);
	α = 2.
	Podem-se destacar erros ocorridos durante o experimento quando, ao verter o conteúdo dos tubos na terceira etapa do experimento, houve perda significativa de volume de Tiossulfato, diminuindo ainda mais a concentração na substância, o que torna menos preciso o experimento. Outro possível gerador de erros no experimento foi a aferição da turbidez, pois ora o manipulador colocava o tubo de ensaio em direção à luz para visualização da marca contida no tubo, ora visualizava o tubo em direção a bancada; a diferença de luminosidade na visualização da marca gera imprecisão na cronometragem, pois em direção â luz a marca ficava visível por mais tempo.
	Com estes resultados, conclui-se que o processo da reação química estudada não é elementar. Ou seja, a reação não acontece em uma única etapa e o expoente α é diferente do coeficiente estequiométrico.
CONCLUSÃO
	Com o experimento proposto, foi possível conhecer os fatores que interferem na velocidade de uma reação química, no entanto o enfoque foi verificar a influência das concentrações do Tiossulfato de Sódio na velocidade da reação com o Ácido Sulfúrico.
	No procedimento foi possível perceber que com a variação das concentrações do Tiossulfato de Sódio, a velocidade da reação também variava. Assim sendo, a concentração é diretamente proporcional a velocidade da reação, comprovado de forma gráfica. Com isso, foi possível calcular a constante de velocidade pela diminuição da concentração de um dos componentes da reação e a lei de velocidade da reação que nesse experimento foram respectivamente, k = 0,257 L/(mol*s) e V = 0,257*[Na2S2O3]², bem como a ordem da reação (α = 2), o que nos permitiu concluir que o processo da reação química estudada não é elementar, ou seja, a reação não acontece em uma única etapa e o expoente α é diferente do coeficiente estequiométrico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
EXPLICATORIUM. Velocidade das Reações. Explicatorium, Sem Data. Disponível em: <http://www.explicatorium.com/cfq-8/velocidade-das-reacoes.html>. Acesso em 30 de Junho de 2017.
YAMAMOTO. Thiago K. Velocidade das Reações. Química2015, 2017. Disponível em: <http://quimica2015-thiagokyamamoto.blogspot.com.br/2017/01/cinetica-quimica.html>. Acesso em 01 de Julho de 2017.
SOUZA. Líria Alves de. Cinética Química. Brasil Escola, Sem Data. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/quimica/cinetica-quimica.htm>. Acesso em 30 de Junho de 2017.
DIAS, Diogo Lopes. Expressão da velocidade de uma reação química. Mundo Educação, Sem data. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/expressao-velocidade-uma-reacao-quimica.htm>. Acesso em 30 de Junho de 2017.
SAAD,F; YAMAMURA, P; WATANABE; K. Interpretação gráfica de dados. Leffa, 2003. Disponível em: <www.leffa.pro.br/textos/abnt.htm>. Acesso em 03 de Julho de 2017.
PEREIRA. Marco Antonio. Métodos Cinéticos. Marco, Sem Data. Disponível em: <http://www.marco.eng.br/cinetica/notasdeaula/capitulo-3.pdf>. Acesso em 03 de Julho de 2017.