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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO ACADÊMICO DO AGRESTE NÚCLEO DE FORMAÇÃO DOCENTE LABORATÓRIO DE QUÍMICA GERAL Relatório de atividades Caruaru-PE 21/07/14 Relatório das Atividades Experimentais Experimento n° 7: Estudo cinético da reação da acetona com iodo Docente: Andreza Tavares Curso: Licenciatura em Química Discente: Paloma Maria de Oliveira Turma: 3° período Prática realizada em: 14/ julho/ 14 INTRODUÇÃO É comum no nosso cotidiano, analisarmos se existem reações químicas mais lentas e outras mais rápidas. E ás vezes queremos acelerar uma reação e utilizamos, por exemplo, uma panela de pressão, mas, há momentos que se faz necessário desacelerar a reação e usa-se por exemplo, uma geladeira. Pode-se então definir a cinética como uma área da química que se preocupa em estudar a velocidade das reações químicas e os fatores que influenciam. A cinética química ou cinética da reação é o estudo da velocidade das reações químicas de processos e fatores influenciáveis a velocidade. a velocidade da reação com a variação da concentração, mudança de cor ou qualquer outro estado físico ou químico relacionada à reação. Fatores que influenciam a velocidade de uma reação química: Concentração dos reagentes. Geralmente quanto mais concentrado mais rápido é a velocidade. Existem exceções a esta regra; Temperatura. Normalmente a velocidade das reações aumenta com o aumento da temperatura. Um aumento de 10°C chega a dobrar a velocidade de uma reação; Estado físico dos reagentes. Normalmente a velocidade segue esta ordem: gases > soluções > líquidos puros > sólidos. Devido ao aumento da superfície específica; Presença (concentração e forma física) de um catalizador ou inibidor. Catalizador acelera e inibidor diminui a velocidade de uma reação química; Luz. A presença de luz de certo comprimento de onda também pode acelerar certas reações químicas. Objetivo Determinar os parâmetros cinéticos da reação da acetona com o iodo e investigar a concentração dos reagentes e os seus efeitos na reação. Procedimento Experimental Tabela 1: Equipamentos e vidrarias utilizadas durante o experimento Capacidade Quantidade Tubos de ensaios - 13 Estante para tubos - - Béquer 250 ml - Béquer 50 ml - Pipeta 2 ml 4 Pipeta 6 ml 2 Pipeta 4 ml 4 Pera - - Termômetro - - Cronometro - - Bastão de vidro - - Tabela 2: Reagentes e soluções Água destilada Cubos de gelo Soluções aquosas de acetona (H3CCOCH3) 4 M Solução de ácido clorídrico (HCL) 1 M Iodo (I2) 0,005 M Metodologia Foram separados dois tubos de ensaios, os quais foram marcados com as letras A e B. Seguiu-se os volumes para cada ensaio especificado, adicionou-se ao tubo A, as soluções aquosas de acetona 4,0 M, ácido clorídrico 1,0 M e, se for o caso, água destilada. Ao tubo B, adicionou-se a solução aquosa de iodo 0,005 M. Deixou-se os tubos de ensaios imersos em um béquer com água à temperatura ambiente a fim de evitar variação na temperatura. Pegou-se um terceiro tubo, encheu-se com água destilada e usou-se como referência para detectar o momento que a cor amarela do iodo desaparecia. Adicionou-se o conteúdo de um dos tubos no outro acionando simultaneamente o cronômetro, homogenizou-se a solução usando um bastão de vidro, observou-se o tubo e marcou-se o tempo necessário para desaparecer a cor amarela do iodo e repetiu-se este mesmo procedimento para os dez ensaios. Anotou-se a temperatura em que os ensaios foram realizados, o ensaio feito com temperatura abaixo da ambiente colocou-se em um banho de gelo e o conteúdo dos tubos A e B só foram misturados quando o equilíbrio térmico foi estabelecido. Os ensaios com temperatura maior que ambiente foi realizado em banho-maria sendo fundamental também o estabelecimento do equilíbrio térmico. Resultados e discussões Precisou-se de 10 ensaios para estudar os parâmetros cinéticos entre as soluções de acetona, ácido clorídrico, iodo e água destilada. Determinou-se os parâmetros fazendo-se vários ensaios, à mesma temperatura, tendo variação apenas na concentração de um dos reagentes. Entre esses parâmetro em estudo destacou-se a velocidade e a concentração das reações. Tabela 3: Mostrando os 10 ensaios realizados e seus respectivos valores: TUBO A TUBO B Ensaio Sol. Acetona (mL) Sol. HCl (mL) Água dest. (mL) Sol. de Iodo (mL) Temperatura 1 2,00 2,00 4,00 2,00 ambiente 2 4,00 2,00 2,00 2,00 ambiente 3 6,00 2,00 - x - 2,00 ambiente 4 2,00 4.00 2,00 2,00 ambiente 5 2,00 6,00 - x - 2,00 ambiente 6 2,00 2,00 2,00 4,00 ambiente 7 2,00 2.00 - x - 6,00 ambiente 8 2,00 2,00 4,00 2,00 10oC abaixo da ambiente 9 2,00 2,00 4,00 2,00 10oC acima da ambiente 10 2.00 2,00 4,00 2,00 20oC acima do ambiente Misturou-se os tubos A e B e observou-se que a coloração dominante do Iodo permaneceu, mas com o passar do tempo e com a agitação com o bastão de vidro ela passou a diluir ou ficar incolor, pois estava na presença de solventes. A reação que ocorre nos dez tubos de ensaios tabelados acima é dada pela Equação 1 a seguir: Equação 1: H3CCOCH3(aq) + I2(aq) → H3CCOCH2I(aq) + H+(aq) + I-(aq) (1) O mecanismo dessa reação pode-se ser expresso pelas equações 1, 2 e 3 e existem três etapas: H3CCOCH3 (aq) + H+ (aq) → H3CC(OH)CH2 (aq) ( etapa lenta) H3CC(OH)CH2 (aq) + I2 (aq) → H3CC+(OH)CH2I (aq) + I- (aq) H3CC+(OH)CH2I (aq) + I- (aq) → H3CCOCH2I (aq) + H+ (aq) + I- (aq) Expressando as equações pela reação global, obteve-se a equação (4): H3CCOCH3(aq) + I2(g) + H+(aq) → H3CCOCH2I(aq) + H+(aq) + I-(aq) A lei de velocidade desta reação: V = K [acetona]a[H+]b[I2]c Calculando a concentração da acetona: Tubo 1: MIVI = MFVF 4. 0,002 = MF. 0,01 0,008 = MF. 0,01 MF = 0,008 / 0,01 MF = 0,8 mol/L Tubo 2: MIVI = MFVF 4. 0,004 = MF. 0,01 0,016 = MF. 0,01 MF = 0,016 / 0,01 MF = 1,6 mol/L Tubo 3: MIVI = MFVF 4. 0,006 = MF. 0,01 0,024 = MF. 0,01 MF = 0,024 / 0,01 MF = 2,4 mol/L Calculando a concentração do ácido clorídrico: Tubo 1: MIVI = MFVF 1. 0,002 = MF. 0,01 0,002 = MF. 0,01 MF = 0,002 / 0,01 MF = 0,2 mol/L Tubo 4: MIVI = MFVF 1. 0,004 = MF. 0,01 0,004 = MF. 0,01 MF = 0,004 / 0,01 MF = 0,4 mol/L Tubo 5: MIVI = MFVF 1. 0,006 = MF. 0,01 0,006 = MF. 0,01 MF = 0,006 / 0,01 MF = 0,6 mol/L Calculando a concentração do iodo: Tubo 1: MIVI = MFVF 0,005. 0,002 = MF. 0,01 0,00001 = MF. 0,01 MF = 0,00001 / 0,01 MF = 0,001 mol/L Tubo 6: MIVI = MFVF 0,005. 0,004 = MF. 0,01 0,00002 = MF. 0,01 MF = 0,00002 / 0,01 MF = 0,002 mol/L Tubo 7: MIVI = MFVF 0,005. 0,006 = MF. 0,01 0,00003 = MF. 0,01 MF = 0,00003 / 0,01 MF = 0,003mol/L Tabela 4: Concentração, tempo e temperatura da acetona, ácido clorídrico e do iodo. Ensaio Concentração da Acetona (mol/L) Concentração do Ácido Clorídrico (mol/L) Concentração do Iodo (mol/L) Tempo (s) Temperatura (K) 1 0,8 0,2 0,001 175 298 2 1,6 0,2 0,001 55 2983 2,4 0,2 0,001 39 298 4 0,8 0,4 0,001 57 298 5 0,8 0,6 0,001 36 298 6 0,8 0,2 0,002 260 298 7 0,8 0,2 0,003 335 298 8 0,8 0,2 0,001 239 288 9 0,8 0,2 0,001 41 308 10 0,8 0,2 0,001 44 318 Não se fez necessário calcular todas as concentrações, porque algumas se repetiam. Mas, a partir dessa fórmula V= teve-se que calcular a velocidade do consumo do Iodo em cada caso: V= Velocidade instantânea da reação [I2]0= Concentração inicial do I2 T= tempo necessário para o desaparecimento da cor amarela Velocidade de consumo do Iodo: Ensaio 1: V1 = 0,001 / 175 = 5,71 x 10-6 mol. L-1. s-1 Ensaio 2: V2 = 0,001 / 55 = 1,81 x 10-5 mol. L-1. s-1 Ensaio 3: V3 = 0,001 / 39 = 2,56 x 10-5 mol. L-1. s-1 Ensaio 4: V4 = 0,001 / 57 = 1,75 x 10-5 mol. L-1. s-1 Ensaio 5: V5 = 0,001 / 36 = 2,77 x 10-5 mol. L-1. s-1 Ensaio 6: V6 = 0,002 / 260 = 7,69 x 10-6 mol. L-1. s-1 Ensaio 7: V7 = 0,003 / 335 = 8,96 x 10-6 mol. L-1. s-1 Ensaio 8: V8 = 0,001 / 239 = 4,18 x 10-6 mol. L-1. s-1 Ensaio 9: V9 = 0,001 / 41 = 4,18 x 10-5 mol. L-1. s-1 Ensaio 10: V10 = 0,001 / 44 = 2,27 x 10-5 mol. L-1. s-1 Tabela 5: Mostrando as concentrações iniciais do Iodo, o tempo médio de cada ensaio e a velocidade de cada reação: Ensaio Concentração do Iodo (mol/L) Tempo (s) Velocidade da reação (mol. L-1.s-1) 1 0,001 175 5,71 x 10-6 2 0,001 55 1,81 x 10-5 3 0,001 39 2,56 x 10-5 4 0,001 57 1,75 x 10-5 5 0,001 36 2,77 x 10-5 6 0,002 260 7,69 x 10-6 7 0,003 335 8,96 x 10-6 8 0,001 239 4,18 x 10-6 9 0,001 41 2,43 x 10-5 10 0,001 44 2,27 x 10-5 Com os dados do experimento e os valores da tabela acima, foi possível calcular as ordens de reação de cada componente, para os valores a, b e c. Para calcular a ordem de reação da acetona foram utilizados os ensaios 1, 2 e 3. Ordem de reação da acetona: Dividindo as leis de velocidade V1 e V2: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b => 0,5a = 0,31 1,81 x 10-5 k.[1,6]a.[0,2]b a x ln(0,5) = ln(0,31) a = 1,69 Dividindo as leis de velocidade V1 e V3: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b => 0,33a = 0,22 2,56 x 10-5 k.[2,4]a.[0,2]b a x ln(0,33) = ln(0,22) a = 1,37 Dividindo as leis de velocidade V2 e V3: 1,81 x 10-5 = k.[1,6]a.[0,2]b => 0,66a = 0,70 2,56 x 10-5 k.[2,4]a.[0,2]b a x ln(0,66) = ln(0,70) a = 0,85 Ordem “a” da acetona: a = 1,69 + 1,37 + 0,85 /3 a = 3,91 / 3 a = 1,3 Para calcular a ordem de reação do ácido clorídrico foram utilizados os ensaios 1, 4 e 5. Ordem de reação do ácido clorídrico: Dividindo as leis da velocidade V1 e V4: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b => 0,5b = 0,32 1,75 x 10-5 k.[0,8]a.[0,4]b b x ln(0,5) = ln(0,32) b = 1,63 Dividindo as leis da velocidade V1 e V5: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b => 0,3b = 0,20 2,77 x 10-5 k.[0,8]a.[0,6]b b x ln(0,3) = ln(0,20) b = 1,33 Dividindo as leis da velocidade V4 e V5: 1,75 x 10-5 = k.[0,8]a.[0,4]b => 0,6b = 0,63 2,77 x 10-5 k.[0,8]a.[0,6]b b x ln(0,6) = ln(0,63) b = 0,9 Ordem “b” do ácido clorídrico: b = 1,63 + 1,33 + 0,9 / 3 b = 3,86 / 3 b = 1,28 Para calcular a ordem de reação do iodo foram utilizados os ensaios 1, 6 e 7. Ordem de reação do Iodo: Dividindo as leis da velocidade V1 e V6: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b.[0,001]c => 0,5c = 0,74 7,69 x 10-6 k.[0,8]a.[0,2]b.[0,002]c c x ln(0,5) = ln(0,74) c = 0,43 Dividindo as leis da velocidade V1 e V7: 5,71 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b.[0,001]c => 0,3c = 0,63 8,96 x 10-6 k.[0,8]a.[0,2]b.[0,003]c c x ln(0,3) = ln(0,63) c = 0,38 Dividindo as leis da velocidade V6 e V7: 7,69 x 10-6 = k.[0,8]a.[0,2]b.[0,002]c => 0,6c = 0,85 8,96 x 10-6 k.[0,8]a.[0,2]b.[0,003]c c x ln(0,6) = ln(0,85) c = 0,31 Ordem “c” do Iodo: c = 0,43 + 0,38 + 0,31 / 3 c = 1,12 / 3 c = 0,37 Ordem total da reação: O.T. = a + b + c O.T. = 1,3 + 1,28 + 0,37 O.T. = 2,95 Reação: V = k.[acetona]1,3.[H+]1,28.[I2]0 Agora que foi encontrado as ordens de reação, é possível determinar os valores da constante k de cada um dos ensaios: Calculo da constante de reação: Ensaio 1: V1 = K1 acetona]1,3.[H+]1,28.[I2]0,37 5,71 x 10-6 = k1 [0,8]1,3. [0,2]1,28. [0,001]0 5,71 x 10-6 = k1 [0,74]. [0,12] . 1 5,71 x 10-6 = k1 0,0888 K1 = 5,71 x 10-6 / 0,0888 K1 = 6,43 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 2: V2 = k2 [1,6]1,3. [0,2]1,28. 1 1,81 x 10-5 = k2 [1,84]. [0,12] 1,81 x 10-5 = k2 0,2208 K2 = 1,81 x 10-5 / 0,2208 K2 = 8,19 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 3: V3 = k3 [2,4]1,3. [0,2]1,28. 1 2,56 x 10-5 = k3 [3,12]. [0,12] 2,56 x 10-5 = k3 0,3744 K3 = 2,56 x 10-5 / 0,3744 K3 = 6,83 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 4: V4 = k4 [0,8]1,3. [0,4]1,28. 1 1,75 x 10-5 = k4 [0,74]. [0,30] 1,75 x 10-5 = k4 0, K4 = 1,75 x 10-5 / 0,222 K4 = 7,88 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 5: V5 = k5 [0,8]1,3. [0,6]1,28. 1 2,77 x 10-5 = k5 [0,74]. [0,52] 2,77 x 10-5 = k5 0,3848 K5 = 2,77 x 10-5 / 0,3848 K5 = 7,19 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 6: V6 = k6 [0,8]1,3. [0,2]1,28. 1 7,69 x 10-6 = k6 [0,74]. [0,12] 7,69 x 10-6 = k6 0,0888 K6 = 7,69 x 10-6 / 0,0888 K6 = 8,65 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 7: V7 = k7 [0,8]1,3. [0,2]1,28. 1 8,96 x 10-6 = k7 [0,74]. [0,12] 8,96 x 10-6 = k7 0,0888 K7 = 8,96 x 10-6 / 0,0888 K7 = 1,009 x 10-4 L. mol-1. s-1 Ensaio 8: V8 = k8 [0,8]1,3. [0,2]1,28. 1 4,18 x 10-6 = k8 0,0888 K8 = 4,18 x 10-6 / 0,0888 K8 = 4,7 x 10-5 L. mol-1. s-1 Ensaio 9: V9 = k9 [0,8]1,3. [0,2]1,28. 1 2,43 x 10-5 = k9 0,0888 K9 = 2,43 x 10-5 / 0,0888 K9 = 2,73 x 10-4 L. mol-1. s-1 Ensaio 10: V10 = k10 [0,8]1,3. [0,2]1,28. 1 2,27 x 10-5 = k10 0,0888 K10 = 2,27 x 10-5 / 0,0888 K10 = 2,55 x 10-4 L. mol-1. s-1 Para calcular a constante média da reação foram utilizados os ensaios 1, 2 e 3: K = 6,43 x 10-5 + 8,19 x 10-5 + 6,83 x 10-5 / 3 K = 2,145 x 10-4 / 3 K = 7,15 x 10-5 L. mol-1. s-1 Tabela 6: Valores da temperatura e constante. Ensaio Temperatura (K) 1/T (K-1) k (L. mol-1.s-1) ln (K) 1 298 3,35 x 10-3 6,43 x 10-5 -9,65 2 298 3,35 x 10-3 8,19 x 10-5 -9,41 3 298 3,35 x 10-3 6,83 x 10-5 -9,59 4 298 3,35 x 10-3 7,88 x 10-5 -9,44 5 298 3,35 x 10-3 7,19 x 10-5 -9,54 6 298 3,35 x 10-3 8,65 x 10-5 -9,35 7 298 3,35 x 10-3 1,009 x 10-4 -9,20 8 288 3,47 x 10-3 4,7 x 10-5 -9,96 9 308 3,24 x 10-3 2,73 x 10-4 -8,20 10 318 3,14 x 10-3 2,55 x 10-4 -8,27 Conclusão Nesta prática foi possível perceber que existem fatores que podem acelerar a velocidade de uma reação como: catalisadores, temperatura... Aumentando a temperatura do sistema a velocidade também aumentava, pode-se determinar a velocidade da reação a partir da concentração do iodo em relação ao tempo, observando que a quantidade de iodo na reação dera menor, sendo assim o reagente ficava limitado ao procedimento experimental. Visto que sua coloração amarela facilitou a realização do experimento sendo relevante para vê o tempo que levava pra mudar de coloração. O iodo não influenciava a velocidade da reação porque não participava da etapa lenta e sua ordem é zero. Referências Bibliográficas: B. M. Mahan e R. J. Myers - Química - Um Curso Universitário. J. B. Russel - Química Geral. Disponível em: http://www.iq.ufrgs.br/ead/fisicoquimica/cineticaquimica/cinetica_quimica_introducao.html (Acesso em 20 de julho de 2014). Disponível em: http://ce.esalq.usp.br/arquimedes/Atividade09.pdf (Acesso em 20 de julho de 2014). Anexo I Questões O que é ordem de uma reação? Considera-se ordem de uma reação a potência à qual umadas concentrações da espécie está elevada na equação da velocidade. Sendo sua ordem total a soma das ordens de todas as espécies. O que é constante de reação? É uma constante de proporcionalidade que está relacionada com a velocidade e concentração. Seu valor é constante a uma temperatura e quanto maior a temperatura maior será a constante. Considere a seguinte reação: 2A + B 2C Sabe-se que quando dobra a concentração dos reagentes a velocidade aumenta oito vezes e quando dobra a concentração apenas de B a velocidade duplica. Qual é a ordem com relação a cada reagente e total? V = k [A]2 [B]1 Ordem para A = 2 Ordem para B = 1 Ordem global = 3
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