Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA QUÍMICA Cinética Química: Determinação da ordem de reação e da constante de velocidade Novembro-2017 Ilhéus-Bahia Cinética Química: Determinação da ordem de reação e da constante de velocidade Relatório apresentado como parte dos critérios de avaliação da disciplina CET984 – Físico-química II P (04), 30 de novembro de 2017. Professor – Fernando Cesário Rangel Novembro-2017 Ilhéus-Bahia 1. Resultados e discussões A partir do procedimento realizado variando-se a concentração do tiossulfato de sódio (Na2S2O3) e mantendo-se constante a concentração do ácido clorídrico (HCl), pode-se aferir o tempo de início da reação, o qual está exposto na tabela 1 com a respectiva concentração. Tabela 1: Resultados obtidos experimentalmente Número do tubo de ensaio [Na2S2O3] / mol.L -1 Tempo de reação/ s 01 0,15 17,48 02 0,12 21,99 03 0,09 28,75 04 0,06 43,53 A equação química da reação é dada por: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1) Pelos dados obtidos é possível observar que o tempo necessário ou a velocidade para que a reação ocorra está relacionado com a concentração dos reagentes. Um parâmetro fundamental estudado na cinética química é a ordem de reação química, que é uma relação matemática que existe entre os reagentes e a taxa da reação. A ordem de reação é expresso na lei de velocidade, que para a equação química 1 é representada abaixo: [ ] [ ] (2) Assim como a ordem de reação, a constante de velocidade é obtida experimentalmente, sendo este o principal objetivo do relatório. A princípio plotou-se o gráfico da concentração do tiossulfato de sódio pelo tempo. Figura 1. Concentração do tiossulfato de sódio pelo tempo. A taxa de consumo do tiossulfato de sódio é a inclinação da tangente da curva no momento de interesse, desta forma calculou-se a taxa de reação para cada tempo calculado substituindo os mesmo na equação da reta tangente. ( ) (3) As taxas de reações encontradas estão expostas na tabela 2. Tabela 2: Resultados encontrados para as taxas de reação. Número do tubo de ensaio Tempo de reação/ s Taxa da reação/ (mol/Ls) 01 17,48 0,141 02 21,99 0,121 03 28,75 0,094 04 43,53 0,045 Conforme os dados obtidos pode-se afirmar que a diminuição da concentração ocasiona na diminuição da taxa de reação; visto que com uma concentração reduzida a probabilidade de ocorrer colisões efetivas com orientações favoráveis é menor quando comparada a uma concentração maior, acarretando assim, numa menor taxa de reação. y = 0,0001x2 - 0,0113x + 0,3075 R² = 0,9994 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0 10 20 30 40 50 [N a 2 S 2 O 3] ( m o l/ L) Tempo (s) [Na2S2O3] x Tempo Existem alguns métodos para determinar a ordem de reação, o método utilizado consistiu na linearização dos valores das razões de tempo e concentração, valores estes que estão dispostos na tabela 3. Tabela 3: Valores das razões utilizadas Razões dos tempos (tx+1/tx) Razões das concentrações ([A]x/[A]x+1) ln(tx+1/tx) ln([A]x/[A]x+1) 1,258 1,25 0,230 0,223 1,307 1,33 0,268 0,288 1,514 1,50 0,415 0,405 Sendo assim, de acordo com a equação 4 plotou-se o gráfico, sendo o coeficiente angular da ordem da reação. ( ) ( [ ] [ ] ) (4) Figura 2: Ln das razões dos tempos x Ln das razões das concentrações. y = 1,0443x - 0,0148 R² = 0,9752 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 Ln d as r az õ e s d o s te m p o s Ln das razões de concentração Logaritmo natural das razões dos tempos x Logaritmo natural das razões das concentrações Portanto, de acordo com a equação presente no gráfico da figura 2, a ordem de reação do tiossulfato de sódio é aproximadamente 1, isto é, a taxa de reação é proporcional a concentração do mesmo. Na segunda parte do experimento, foi feito o inverso, ou seja, manteve-se a concentração do tiossulfato de sódio constante e variou-se a concentração do ácido clorídrico. Foram medidos os tempos até que ocorresse alguma alteração na solução em observada e os valores estão dispostos na tabela 4: Tabela 4: Valores obtidos experimentalmente Número do tubo de ensaio [Na2S2O3] / mol.L -1 Tempo de reação/ s 01 3 17,94 02 1,8 18,7 03 0,6 21,42 Com estes valores obtidos experimentalmente, foi plotado um gráfico da concentração de ácido clorídrico pelo tempo decorrido até que houvesse reação, este gráfico serviu tanto para a análise da relação entre concentração e tempo e também para se obter os valores da taxa de consumo do ácido clorídrico. Figura 3: Concentração de HCl pelo tempo. y = 0,3269x2 - 13,558x + 141,01 R² = 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 17 18 19 20 21 22 [H C l] / m o lL -1 tempo / s [HCl] x tempo A taxa de consumo do ácido clorídrico foi obtida através da derivada da curva explicitada no gráfico aplicada a cada ponto e sua expressão analítica é: ( ) ( ) . (5) Foi feito um gráfico da concentração do ácido clorídrico pelo tempo que se deu a reação, a fim de se analisar a ordem de reação que o mesmo possui. Figura 4: Concentração do ácido clorídrico pelo tempo Obteve-se uma reta decrescente, assim, é possível verificar que a concentração do reagente diminuiu uniformemente com o passar do tempo e que a ordem de reação é igual a zero. Além disso, é possível também determinar a partir do gráfico a constante de taxa de consumo da reação, sendo ela o coeficiente angular desta mesma reta e seu valor é de -0,6237, mas para este caso, o valor de K foi determinado utilizando-se apenas o resultado do reagente tiossulfato de sódio. Outra análise foi feita, desta vez, foi plotado um gráfico dos logaritmos naturais das razões de tempo e de concentração obtidos experimentalmente, a tabela 5 reúne estes valores de razões. y = -0,6237x + 13,871 R² = 0,9044 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 17 18 19 20 21 22 [H C l] / m o lL -1 Tempo / s [HCl] x tempo Tabela 5: Razões dos valores experimentais Razões dos tempos Razões das concentrações ln(tx+1/tx) ln([A]x/[A]x+1) [ ] [ ] 1,042 1,667 0,0415 0,5108 [ ] [ ] 1,145 1,333 0,1358 1,099 [ ] [ ] 1,194 1,5 0,1772 1,609 A partir dos valores dos logaritmos dessas razões foi possível obter a ordem de reação a partir do coeficiente angular da reta, cujo processo está descrito no apêndice. Figura 5: Logaritmo das razões dos tempos x logaritmo das razões das concentrações O valor do coeficiente angular foi de 0,1245, o que pode ser considerado próximo de zero e coincide com a análise feita anteriormente, portanto, conclui- se com mais confiabilidadeque o valor de ordem de reação para este reagente é igual à zero. y = 0,1245x - 0,0154 R² = 0,9678 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 0,5 1 1,5 2 Ln d as r az õ e s d o s te m p o s Ln da razões das concentrações Razões ln(t) x lv([HCl]) A partir das ordens de reação de cada regente foi possível obter o valor da constante de velocidade, sendo beta igual à zero, a equação 2 é expressa como: [ ] (6) Os dados expostos na tabela 6 mostram os valores da constante de velocidade para cada concentração e sua respectiva taxa de reação. Tabela 6: Constante de velocidade para cada variação de concentração Número do tubo de ensaio K 01 0,057 02 0,063 03 0,069 04 0,049 2. Conclusão A prática realizada permitiu verificar a influência da concentração na taxa de reação, assim como determinar a partir de modelos matemáticos a ordem das reações e a constante de velocidade. Para o tiossulfato de sódio a ordem de reação foi aproximadamente um, ou seja, a taxa da reação é proporcional à concentração do mesmo. A ordem de reação encontrada para o ácido clorídrico foi aproximadamente zero, sendo assim, variações na concentração do ácido clorídrico não provocam alterações na taxa de reação. A constante de velocidade foi em média 0.059, para cada procedimento não foi possível encontrar os mesmos valores devido aos erros experimentais, como na medição do tempo e principalmente na preparação das soluções, uma vez que o instrumento de medida utilizado foi a proveta. 3. Apêndice A A segunda análise feita para se obter o valor de alfa foi realizada da seguinte maneira: Da equação 1 temos que: [ ] [ ] Tomando-se [ ] e ( ), é possível determinar as razões tanto dos tempos quanto das concentrações: [ ] [ ] [ ] ( [ ] [ ] ) Tomando a variação do tempo como não sendo infinitesimal: ( [ ] [ ] ) E por fim, aplicando logaritmo natural aos dois lados da igualdade, temos: ( ) ( [ ] [ ] ) (7) Então, a partir do gráfico obtido, é possível determinar o valor da ordem de reação, que para este caso é o coeficiente angular da reta obtida. Vale ressaltar que foi mantido o efeito de um dos reagentes constante e feita à análise de apenas um reagente por vez por este método anteriormente descrito, alterando apenas os valores de [ ] para [ ] 4. Referências [1] Atkins, Peter. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente/ Peter Atkins, Loretta Jones; tradução: Ricardo de Alencastro. -5.ed- Porti Alegre: Bookman,2012. [2] O. André. Ordens não inteiras em cinética química. Instituto de química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-909 Rio de Janeiro- RJ-Brasil.
Compartilhar