ORDEM DA REAÇÃO ENTRE O CRISTAL VIOLETA E O ÍON HIDROXILA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ-UFPR SETOR DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
CQ052- FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL III
ORDEM DA REAÇÃO ENTRE O CRISTAL VIOLETA E O ÍON HIDROXILA
ALUNOS: 
AMANDA PRESTES SERPE
LAÍS CRISTINA JULIATTO
MATEUS SABATKE
RAFAEL JOSÉ DA SILVA
RAYSSA PEREIRA DE JESUS
CURITIBA
AGOSTO 2019
INTRODUÇÃO 
A cinética é o ramo da química que trata da evolução de reações químicas ao longo do tempo, bem como dos fatores que influenciam a velocidade reacional. Estes podem ser: a temperatura, a pressão, a presença de catalisador, a superfície de contato e a concentração de reagentes. A Lei de Ação das Massas foi a primeira registrada nesse campo de estudo e enuncia a relação entre a concentração dos reagentes e a velocidade da reação. Essa aferição foi realizada por Cato M. Guldberg e Peter Waage em 1867. Data em que ocorria a Primeira Revolução Industrial. O século IXI especialmente, delimita o final desse momento histórico em que a sociedade fabril se estabelecia no hemisfério norte, marcado pelo Movimento Operário - fortemente influenciado pelas ideias de Karl Marx. Nesse momento o estudo da cinética foi indispensável para a expansão da indústria química e para o manuseio de substâncias de forma segura nas fábricas. 
Outro campo de estudo cuja importância foi crucial para a Revolução industrial foi a Medicina. O desenvolvimento dessa área propiciou um aumento populacional de mais de cem por cento (100%) em vários países da Europa. Um dos fatores que influenciou esse advento foi o estudo dos microrganismos, pois estes são responsáveis por muitas doenças letais na época. Um método relacionado à essa questão é o Teste de Gram desenvolvido pelo médico Hans Christian J. Gram. Nesse teste um conjunto de bactérias provenientes de uma amostra geralmente biológica é tratado com cristal violeta, lugol, o solvente etanol-acetona e fucsina básica. Ao final percebe-se a permeabilidade da parede celular de algumas bactérias, chamadas gram-positivas, ao composto cristal violeta devido a coloração roxa. Enquanto as bactérias gram-negativas assumem uma coloração avermelhada ao longo do experimento e incolor após tratamento com o composto básico. Esta reação com fucsina básica descolore todos os corantes utilizados no método, porém as moléculas de cristal violeta retidos pelas bactérias gram-positivas não entra em contato com esse composto. Foi averiguado que os microrganismos coloridos pelo teste geralmente têm ação infecciosa em humanos. Por isso esse método, com algumas melhorias, ainda é utilizado em situações emergenciais para monitoramento do trato bacteriano de algumas doenças antes da obtenção de resultados mais específicos. Além disso esse teste é aplicado para monitoramento de colônias bacterianas em sistemas de fermentação de bebidas e outros alimentos. 
O tratamento final realizado na Coloração de Gram consiste em descolorir os corantes. O cristal violeta sofre dissociação em solução e a porção catiônica passa a se intercambiar em dois intermediários. Um destes tem a carga positiva concentrada no átomo de carbono central da estrutura catiônica que ao reagir com uma hidroxila forma um carbeto incolor (como pode ser observado na figura 1). Essa mesma reação é observada na reação do cristal violeta com hidróxido de sódio em análise neste relatório. 
Figura 1 : Reação do Cristal Violeta com NaOH.
Fonte: http://www.scielo.br/pdf/qn/v36n6/29.pdf
Para a determinação da ordem de uma reação ou sua Lei de velocidade, podemos utilizar a mudança de coloração de uma reação como parâmetro, para isso podemos utilizar a espectrofotometria que pode ser conceituada como um procedimento analítico através do qual se determina a concentração de espécies químicas mediante a absorção de energia radiante (luz). A luz pode ser entendida como uma forma de energia, de natureza ondulatória, caracterizada pelos diversos comprimentos de onda e que apresenta a propriedade de interagir com a matéria, sendo que parte de sua energia é absorvida por elétrons da eletrosfera dos átomos constituintes das moléculas. Diferentes substâncias têm diferentes padrões de absorção, a espectrofotometria permite-nos, por exemplo, identificar substâncias com base no seu espectro. Permite também quantificá-las, uma vez que a quantidade de luz absorvida está relacionada com a concentração da substância. A absorção da luz depende de dois princípios, o primeiro é que a absorção será tanto maior quanto mais concentrada for à solução por ela atravessada, e o segundo princípio baseia- se no fato de que a absorção da luz é tanto maior quanto maior for à distância percorrida pelo feixe luminoso através das amostras. Estes princípios são unidos por meio da lei de Beer-Lambert:
Onde, A = Absorbância; ɛ = Absortividade molar; c = concentração e l = caminho óptico.
Ou seja, a absorbância da luz a cada comprimento de onda é diretamente proporcional à concentração da solução contida na cubeta. 
A figura 2 apresenta faixas de comprimento de onda aproximados que correspondem às diferentes cores. A percepção visual das cores é provocada pela absorção seletiva, por um objeto corado, de certos comprimentos de onda da luz incidente. Os outros comprimentos de onda ou são refletidos ou são transmitidos, de acordo com a natureza do objeto, e são percebidos pela vista como a luz do objeto. Se um corpo sólido opaco tem a aparência de branco, todos os comprimentos de onda são igualmente refletidos; se o corpo parece negro, a reflexão de luz de qualquer comprimento de onda é muito pequena. Se um corpo parece azul, são refletidos os comprimentos de onda que correspondem ao estímulo do azul, e assim sucessivamente. 
Figura 2: Comprimentos de onda no visível.
O violeta de cristal absorve na região visível do espectro, com uma banda centrada nos 595 nm, isso permite utilizar a espectrofotometria de absorção molecular na região do visível para estudar a cinética da reação. O gráfico 1 demonstra a variação do espectro de absorção com o tempo para o cristal violeta com a adição de NaOH ao meio formando o carbeto incolor.
Gráfico 1: Espectro do Cristal Violeta. 
Fonte:http://www.conhecer.org.br/enciclop/2017a/eng/determination%20of%20kinetic.pdf
Para conhecermos a ordem de reação da reação do cristal violeta com o NaOH, temos que ter como base as velocidades iniciais, que nada mais é do que a média da variação da absorção em relação ao tempo, como pode ser observado no gráfico teórico acima. Uma reação é de ordem zero, se a variação da concentração daquele reagente não produz nenhum efeito, uma reação é de primeira ordem se ao dobrarmos a concentração a velocidade dobra também, e por fim uma reação é de ordem n se ao dobrarmos a concentração a velocidade aumentar de 2n, a figura 3 resume as equações para essas diferentes ordens de reação.
Figura 3: Equações de velocidade
Fonte: https://pt.slideshare.net/gremio94/cintica-qumica-16810991
OBJETIVOS 
Monitorar a velocidade das reações de cristal violeta com hidróxido de sódio pelo descoramento do meio reacional aferido por valores de absorbância;
Calcular as concentrações de cristal violeta e de hidróxido de sódio ao longo das reações a partir dos valores de absorbância;
Plotar gráficos relacionando concentração em função do tempo;
Determinar as ordens de reação para os dois reagentes a partir das velocidades de reação para duas concentrações de hidróxido de sódio;
Calcular as constantes de velocidade relacionadas às equações propostas;
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E MATERIAIS
Primeiramente, foram tomados em pipeta graduada 10 mL de uma solução 0,03 g.L-1 de cristal violeta e diluídos em balão 100 mL. Foi medida a absorbância dessa nova solução em cubeta de quartzo, de caminho ótico de 1cm, com espectrofotômetro cujo ponto zero foi medido a partir de água destilada com outra cubeta de mesmo tamanho.
 Duas soluções foram preparadas, umacom 10 mL a partir da solução de 0,03 g.L-1 de cristal violeta e outra com 4 mL de uma solução de hidróxido de sódio 0,1 mol. L-1, ambos os volumes foram diluídos em balão de 50 mL. Essas duas soluções foram misturadas sucessivamente em um erlenmeyer de 250 mL limpo e seco. No momento em que os reagentes entraram em contato entre si a contagem de tempo foi iniciada com um cronômetro. Em seguida uma pequena parte do meio foi colocada na cubeta de quartzo, previamente lavada e ambientada, que foi posicionada no espectrofotômetro. A cada três minutos (3 min.) desde o instante zero o valor de absorbância foi aferido até vinte e sete minutos (27 min.), resultando num total de 10 aferições.
Após isso preparou-se duas soluções mais uma vez: a primeira de cristal violeta de concentração idêntica a anterior e outra de hidróxido de sódio a partir de 8 mL da solução de hidróxido de sódio 0,1 mol. L-1, como anteriormente, em pipeta de 10 mL. Essas duas soluções foram misturadas em frasco erlenmeyer de 250 mL limpo e seco, dando início a contagem de tempo no cronômetro junto com o início da reação. Um pequeno volume desse meio reacional foi coletado na cubeta de quartzo previamente lavada e ambientada. Essa cubeta foi posicionada no espectrofotômetro para medida da absorbância a cada três minutos (3 min.) a partir do início da reação. O primeiro valor de absorbância foi verificado novamente com a primeira solução mais diluída de cristal violeta e o zero com água destilada. Para essa segunda reação foram obtidos 8 valores de absorbância. Os dados coletados foram tratados a fim de se obter as ordens da reação em relação ao hidróxido de sódio e ao cristal violeta, além das constantes de velocidade. 
4. RESULTADOS 
	Os resultados de tempo e absorbância medidos experimentalmente estão expressos na tabela 1, os erros considerados foram o algarismo incerto das medidas de absorbância ± 0,001 e o erro humano de disparar o cronômetro que é em média ± 0,4 s, muito superior ao erro de medida do equipamento utilizado, que é da ordem de ± 0,001 s. Sendo o experimento 1 o realizado com 4 mL da solução 0,1 mol.L-1 e o experimento 2 com 8 mL da mesma solução.
Tabela 1 - Resultados obtidos experimentalmente para absorbância e tempo.
	Experimento 1
	Experimento 2
	Absorbância 
	Tempo (s)
	Absorbância
	Tempo (s)
	0,58
	0
	0,58
	0
	0,464
	180
	0,43
	180
	0,406
	360
	0,334
	360
	0,35
	540
	0,258
	540
	0,307
	720
	0,196
	720
	0,256
	900
	0,149
	900
	0,222
	1080
	0,114
	1080
	0,197
	1260
	0,086
	1260
	0,173
	1440
	0,064
	1440
	0,152
	1620
	-
	-
Para ajustar os resultados, os valores de absorbância obtidos foram convertidos para concentração a partir da equação de Lambert-Beer, é conhecida a concentração inicial de 0,03 g.L-1 e o valor de absorbância de 0,58, usando a equação podemos calcular um valor de K que é utilizado para as demais conversões.
A fim de ajustar a cinética da reação foi procurada uma equação que melhor ajustasse os resultados obtidos. Dessa forma foram testadas para a equação de ordem 0, 1ª ordem e 2ª ordem, sendo que os resultados se ajustaram melhor para as equações de 1ª ordem. O gráfico 2 mostra os resultados do primeiro experimento enquanto o gráfico 3 para o segundo.
Gráfico 2 - Ajuste de primeira ordem para o experimento 1.
Gráfico 3 - Ajuste de primeira ordem para o experimento 2.
Os valores de intercepto foram obtidos em valores adimensionais enquanto os valores de slope obtidos em unidade s-1.
DISCUSSÃO
	Como para ambos os experimentos os dados se ajustaram a equação de primeira ordem, esta foi utilizada. A equação de primeira ordem pode ser obtida a partir da integração da equação para lei de velocidade da reação considerando a concentração de OH- como constante por ser muito maior que a concentração de cristal violeta (equação 1) definindo o valor de n como 1. Ao realizar tal procedimento é obtida a equação 2, que pode ser visualizada como reta a partir da equação 3. Onde [Cristal] é a concentração do cristal violeta, nas condições observadas e inicial descritas pelos subíndices t e o respectivamente, K é a constante de velocidade da reação e t é o tempo.
(equação 1)
 (equação 2)
 (equação 3)
	
	Enfim, é interessante calcular os valores de K para ambos experimentos, a constante para o experimento com menor concentração de OH- será denominada K’ enquanto para a maior concentração K’’. Ambos os valores podem ser obtidos a partir do slope (coeficiente angular) dos gráficos 3 e 4, ao multiplicar o valor obtido por -2,303 da equação 3. É interessante notar que os valores de intercepto não foram significamente alterados entre os experimentos, isto porque o valor da concentração inicial do cristal violeta é a mesma. Os valores obtidos de K’ e K’’ foram:
	K’ = 1,870.10-3 s-1 ± 0,009.10-3
	K’’ = 3,477.10-3 s-1 ± 0,009.10-3
	A constante K engloba uma outra constante de velocidade K2 e a relação [OH-]m como mostra equação 4, utilizando os valores de K’ e K’’ e levando em conta que K2 é constante, é possível determinar o valor de m.
	K = K2[OH-]m (equação 4)
	A forma mais direta de realizar essa conta é dividindo o valor de K’ por K’’ e lembrar que a concentração de hidroxila no segundo experimento é o dobro da concentração no primeiro, dessa maneira obtemos que:
	0,53782 = 0,5m => m ≈ 1
CONCLUSÃO
O experimento realizado se mostrou eficiente para a verificação do comportamento cinético da reação do cristal violeta com o ânion hidroxila, considerando que houve a percepção visual da descoloração gradativa do meio reacional, além de atender aos objetivos descritos neste trabalho. 
Além disso, as variações de concentração puderam ser avaliadas de um modo conveniente por espectrofotometria.
Através da aplicação dos conhecimentos teóricos da disciplina foi possível determinar a ordem da reação em questão, obedecendo, portanto, à primeira ordem para o cristal violeta e para a hidroxila, de acordo com a linearidade dos gráficos 2 e 3 e com a molecularidade da reação, que é dada por 1+1= 2, ou seja bimolecular, como prevista pela literatura.
Pôde-se, por fim, determinar o valor das constantes de velocidade K’, K’’, permitindo concluir que a concentração de hidroxila influencia diretamente na velocidade da reação. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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“DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS CINÉTICOS EM FLUXO COM CÂMARA DE GRADIENTE E DETEÇÃO ESPECTROFOTOMÉTRICA: APLICAÇÃO À REAÇÃO ENTRE O VIOLETA DE CRISTAL E O IÃO HIDRÓXIDO”, disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/qn/v36n6/29.pdf>. Acessado dia 19/08/2019 às 22:20.
“DETERMINATION OF KINETIC PARAMETERS OF THE CRYSTAL VIOLET REACTION WITH SODIUM HYDROXIDE APPLYING ABSORBANCE TECHNIQUE AND THE LAWS OF LAMBEERT-BEER AND ARRHENIUS”, disponível em: <http://www.conhecer.org.br/enciclop/2017a/eng/determination%20of%20kinetic.pdf>. Acessado dia 19/08/2019 às 22:23.
OLIVEIRA, E. M. Transformações no mundo do trabalho, da Revolução Industrial aos nossos dias. Caminhos de Geografia. Vol 6, no 11, pp. 84-96, Fev/2004. 
RICE-SPEARMAN, L. The Gram Stain: Still a diagnostic tool? Clin. Lab. Sci. 6: 16, 1993. 
STAINIER, R.Y.; DOUDOROFF, M. & ADELBERG, E, Métodos de coloraciones, In: Microbiologia. 2º ed. Madrid,1977, Aguilar S. de ediciones.