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Cinetica_Quimica_Aplicada

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U N I V E R S I D A D E D E S Ã O P A U L O 
Esc o l a d e Engenha r ia de Lor ena 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cinética Química 
Aplicada 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Professor Leandro Aguiar 
 
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SUMÁRIO 
 
 
AULA 1 - INTRODUÇÃO À CINÉTICA . . . . . . . . . . . . 3 
 
AULA 2 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS. . . . . . . . . . . 16 
 
AULA 3 – ESTEQUIOMETRIA CINÉTICA. . . . . . . . . . . 22 
 
AULA 4 – REAÇÕES IRREVERSÍVEIS A VOLUME CONSTANTE. 30 
 
AULA 5 – REAÇÕES REVERSÍVEIS A VOLUME CONSTANTE. . 36 
 
AULA 6 – REAÇÕES IRREVERSÍVEIS A VOLUME VARIÁVEL. . 42 
 
AULA 7 – EXERCÍCIOS PREPARATÓRIOS PARA A P1. . . . . 47 
 
AULA 8 – PROJETO DE REATORES BATELADA. . . . . . . 51 
 
AULA 9 – PROJETO DE REATORES DE MISTURA (CSTR) . . . 55 
 
AULA 10 – PROJETO DE REATORES TUBULARES (PFR) . . . 58 
 
AULA 11 – ANÁLISE DE DADOS CINÉTICOS. . . . . . . . . 61 
 
AULA 12 – CINÉTICA DAS REAÇÕES COMPLEXAS. . . . . . 70 
 
AULA 13 – CATÁLISE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 
 
AULA 14 – EXERCÍCIOS PREPARATÓRIOS PARA A P2. . . . 80 
 
LISTAS DE EXERCÍCIOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 
 
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR. . . . . . . . . . . . . . 125 
 
APÊNDICE A – FORMULÁRIO DE INTEGRAIS. . . . . . . . . 126 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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AULA 1 
INTRODUÇÃO À CINÉTICA 
 
1.1. Definição 
 
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. Enquanto a termodinâmica está interessada apenas nos 
estados inicial e final de um processo, a cinética química está interessada nos detalhes da 
transformação do sistema de um estado a outro, bem como no tempo necessário para 
essa transformação. 
O estudo da cinética química é bem complexo, pois envolve uma grande 
quantidade de variáveis. Devido a isto, para cada caso, é necessário recorrer às 
experiências laboratoriais e na maioria das vezes é necessário realizá-las para todo 
intervalo possível de condições operacionais, sendo raramente possível extrapolar dados 
em bases puramente teóricas. 
A cinética química está diretamente relacionada ao estabelecimento do mecanismo 
químico da reação, à obtenção de dados cinéticos experimentais, à correlação destes 
dados cinéticos pelo emprego de gráficos, tabelas ou equações matemáticas, ao projeto 
do reator apropriado ao processamento de uma reação específica e à especificação de 
condições operacionais do mesmo. 
 
1.2. Campo de aplicação 
 
 Na Corrosão: estimativa do tempo de vida dos materiais; 
 Na Farmácia e Engenharia de Alimentos: estimativa do tempo de validade de 
medicamentos, alimentos e bebidas; 
 Na Físico-Química: instrumento indispensável no conhecimento da natureza do sistema 
reagente, formação e quebra das ligações químicas, quantidades energéticas e 
condições de estabilidade da reação; 
 Na Engenharia Ambiental: determinação do tempo de biodegradação de materiais, 
principalmente os sintéticos na natureza; 
 Na Física: determinar a desintegração radioativa de certos isótopos de elementos 
químicos; 
 Na Geologia: determinar a idade geológica de um mineral e, consequentemente, 
estimar a idade da Terra; 
 Na Arqueologia: determinar a idade de um fóssil como também determinar a idade do 
aparecimento do homem na Terra, aplicando a lei cinética em crânios e ossos 
encontrados por pesquisadores; 
 No teste de doping usado pelo Comitê Olímpico Internacional para investigar a 
existência de substâncias anabolizantes e estimulantes no organismo do atleta, 
ingeridas, possivelmente, antes dos jogos para seu melhor desempenho; 
 Na Química Orgânica, o valor da cinética química é grande, pois o modo de reagir dos 
compostos traz informações sobre sua estrutura. Além disso, é um instrumento que 
permite investigar a força de ligações químicas e a estrutura molecular dos compostos; 
 Constitui a base de importantes teorias da combustão e da dissolução no estudo da 
transferência de massa e calor, sugerindo, por outro lado, meios para a determinação 
da velocidade com que ocorrem fenômenos em outras áreas de estudo. 
 
4 
 
 Na Engenharia Química, a cinética de uma reação precisará ser conhecida se 
quisermos projetar adequadamente o equipamento em que se vão efetuar essas 
reações, em escala industrial. É claro que, se a reação for suficientemente rápida, a 
ponto de ser considerada em equilíbrio, o projeto ficará bem mais simplificado. Neste 
caso, as informações cinéticas não serão necessárias, bastando, para o projeto, 
informações termodinâmicas. 
 O interesse da Cinética Química não se restringe aos domínios da química e da 
tecnologia química. Os modelos teóricos estudados em cinética química são também 
válidos para a compreensão das velocidades de transformação em sistemas com um 
grande número de unidades elementares, tais como processos de transformações 
sociais, crescimento e declínio de espécies, funcionamento de fábricas, etc. 
 
1.3. Breve histórico do estudo de cinética química 
 
Observações qualitativas de velocidades de reações químicas foram feitas por 
escritores antigos em metalurgia, fermentação e alquimia, mas a primeira investigação 
quantitativa significativa foi realizada por Ludwig Wilhelmy, em 1850. Este pesquisador 
estudou a inversão da sacarose em soluções aquosas de ácidos, acompanhando a 
transformação com um polarímetro, equacionou a velocidade do descréscimo da 
concentração de açúcar. Com base neste trabalho, Wilhelmy merece ser considerado o 
fundador da Cinética Química. 
O importante trabalho de Guldberg e Waage, que foi publicado em 1863, enfatizou 
a natureza dinâmica do equilíbrio químico. Mais tarde, Van’t Hoff igualou a constante de 
equilíbrio à relação entre as constantes de velocidade das reações direta e inversa. Em 
1865 e 1867, Harcourt e Esson estudaram a reação entre permanganato de potássio e 
ácido oxálico, mostrando como se calculam as constantes de velocidade para uma reação 
na qual a velocidade é proporcional ao produto das concentrações de dois reagentes. 
Estes autores também discutiram a teoria das reações consecutivas. 
Inicialmente, as investigações incidiram sobre reações de velocidade moderada, 
onde as variações de concentrações de reagentes e produtos podiam ser estudadas 
pelos processos correntes de análise química, durante minutos e horas. Porém, os 
métodos experimentais evoluíram e presentemente é possível seguir muitas reações 
químicas através de vários métodos físicos, especialmente por técnicas espectroscópicas, 
até tempos da ordem dos picossegundos (10-12 s), sem perturbar o curso das reações. 
 
1.4. Reação Química: definição e classificação 
 
1.4.1. Definição 
 Reação química é o rearranjo ou redistribuição dos átomos constituintes de dadas 
moléculas, para formar novas moléculas, diferentes das primeiras em estrutura e 
propriedades. Condições de ocorrência de uma reação química: afinidade química entre 
as substâncias reagentes, contato entre elas, energia de ativação e choques efetivos 
entre as suas moléculas. 
 
1.4.2. Classificação das reações químicas: 
 Quanto à fase de agregação

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