Relatório Cinética química

Prévia do material em texto

FACULDADE DE AMERICANA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III
Prof.ª KARINA KLOCK DA COSTA
RELATÓRIO 5
CINÉTICA QUÍMICA
Grupo 08
Danilo Gallinari, 20150789
Giovanna Giatti 20171082
Rogério Meneses Mateus, 20150685
Americana
2019
2
Danilo Gallinari, 20150789
Giovanna Giatti, 20171082
Rogério Meneses Mateus, 20150685
CINÉTICA QUÍMICA
Relatório de prática experimental apresentada na disciplina de Laboratório de Engenharia Química III na Faculdade de Americana.
Prof. Karina Klock da Costa.
Americana
	Laboratório de Engenharia Química III – Relatório 5
	
	Laboratório de Engenharia Química III – Relatório 5
	
2019
	
introdução
Sob condições adequadas, certos materiais podem ser transformados em outros novos e diferentes, constituindo espécies químicas diferentes. Se isso ocorrer, apenas pelo rearranjo ou redistribuição dos átomos constituintes, para formar novas moléculas, diremos que houve reação química. (Levenspiel, Engenharia das Reações Químicas, 1974)
Na físico-química, duas questões são primordiais: a questão termodinâmica, que avalia se um fenômeno químico pode ou não ocorrer por meio da energia livre de Gibbs; e a questão cinética, em quanto tempo ocorrerá. Ambos os estudos podem ser considerados complementares um ao outro, e muito importantes quando se refere à estabilidade de um determinado composto, tendo-se a ressalva de que a cinética se preocupa grandemente com o fator tempo. O estudo cinético de uma reação pode ser dividido em duas categorias: a determinação experimental da velocidade de uma reação e sua dependência com os parâmetros que a influenciam, e a descrição do mecanismo de reação pelo qual se descreve todas as etapas para a formação do produto. A cinética química de um modo geral procura caracterizar e analisar os fatores que influenciam a velocidade de uma reação química (Levenspiel, Engenharia das Reações Químicas, 1974), além de entender os mecanismos por meio das quais ela acontece.
Muitas variáveis podem afetar a velocidade de uma reação química. Nos sistemas homogêneos, a influência da temperatura, pressão e composição é evidente. Nos sistemas heterogêneos, com mais de uma fase envolvida, o problema torna-se mais complexo devido à locomoção das massas dentro do sistema. 
OBJETIVOS
Analisar a influência de variados aspectos envolvidos numa reação química tais quais temperatura, superfície de contato, o uso de um catalisador e concentração dos reagentes.
MATERIAIS UTILIzados
1.1. Reagentes
· Ácido sulfúrico (H2SO4) 0,3 mol/L;
· Tiossulfato de sódio (NaS2O3) 0,3 mol/L e 0,15 mol/L;
· Ácido clorídrico (HCl) 2,0 mol/L;
· Zinco em pó (Zn);
· Comprimido efervescente;
· Água destilada;
· Água oxigenada (H2O2);
· Dióxido de manganês (MnO2);
· Iodato de potássio (KIO3);
· Amido;
· Bissulfito de sódio (NaHSO3).
1.2. Materiais
· 
18
· Tubos de ensaio;
· Cronômetro;
· Espátula;
· Banho-maria;
· Termômetro;
· Almofariz e pistilo;
· Béquer;
· Balança de precisão;
· Pipeta graduada 5ml e pêra de borracha;
metodologia
ANÁLISE QUALITATIVA DA VELOCIDADE DE REAÇÕES
A. Influência da concentração dos reagentes
Colocou-se 15 ml de H2SO4 0,3 mol/L em um tubo de ensaio e 15 ml de Na2S2O3 0,15 mol/L em outro. Misturou-se ambos disparadando o cronômetro imediatamente quando estes entraram em contato.
B. Influência da temperatura
Ligou-se o banho-maria e aguardou-se até que a temperatura alcançasse 40ºC. Aqueceu-se então 10 ml de HCl 2,0 mol/L. Adicionou-se uma ponta de espátula de Zn. 
Adicionou-se 10 ml de HCl 2,0 mol/L em temperatura ambiente em outro de tubo de ensaio, adicionando-se uma ponta de espátula de Zn.
C. Influência da superfície de contato de um reagente sólido
Cortou-se o comprimido efervescente ao meio, macerando-se uma das metades com o auxílio do almofariz e do pistilo, reservando-as em tubos de ensaios distintos. Adicionou-se 30 ml de água em cada um dos tubos, acionando-se o cronômetro no momento em que os reagentes entraram em contato.
D. Influência do catalisador
Reservou-se em um béquer 20 ml de H2O2. Em outro béquer reservou-se a mesma quantidade do reagente e, em seguida adicionou-se uma ponta de espátula de MnO2.
ANÁLISE QUANTITATIVA DA VELOCIDADE DE REAÇÃO
A. Influência da concentração
Preparou-se uma solução [A] dissolvendo-se 0,5g de KIO3 em 250 ml de água, adicionando-se em seguida 2 ml de H2SO4 0,3 mol/L.
Preparou-se uma segunda solução [B] dissolvendo-se 0,5 de amido em 250 ml de água, adicionando-se em seguida 0,1g de NaHSO3.
Numerou-se 14 tubos de ensaio separando-os em 2 grupos, A e B. Desta maneira, preparou-se as soluções A e B como mostra o quadro abaixo.
Tabela 1. Concentração das soluções A e B para cada tubo de ensaio.
Derramou-se o conteúdo de um tubo do grupo A em seu respectivo número de tubo do grupo B, criando assim sete novas misturas. Disparou-se o cronômetro no instante em que as soluções entraram em contato, tomando nota das mudanças nas misturas e do tempo que estas demandaram.
Preparou-se quatro soluções seguindo o procedimento para as quantidades dos tubos Nº 3A e 3B. Reservou-se.
B. Influência da temperatura
Preparou-se no item A, além das soluções usadas no experimento anterior, quatro tubos adicionais das soluções 3A e 3B – numerando-os como 3A1, 3A2, 3A3 e 3A4; 3B1, 3B2, 3B3 e 3B4. Adicionou-se o conteúdo do grupo B no grupo A, como feito anteriormente. É importante que exista equilíbrio térmico com o meio antes e depois das reações, por isso, os tubos do grupo 3B ficaram imersos em um béquer com água e gelo durante o experimento. Realizou-se este experimento variando a temperatura para cada tubo de ensaio, como mostra a Tabela 2, observando o tempo de reação para cada tubo. É analisado também a reação que acontece em temperatura ambiente, porém esta mistura já foi preparada no item A.
Tabela 2. Temperaturas dos tubos de ensaio.
resultados e discussões
Análise qualitativa da velocidade de reação
A. Concentração
Da reação H2SO4 + Na2SaO3 → Na2SO4 + SO2 + H2O + S variou-se a concentração apenas do tiossulfato de sódio. Para a solução contendo tiossulfato de sódio a 0,3 mol/L observou-se que aos 7s do contados do início da reação a solução começou a ficar turva, aos 10s adquiriu coloração mais escura e, por fim, aos 15s apresentou cor amarelada. Para a solução com tiossulfato de sódio a 0,15 mol/L a mistura começou a tomar cor apenas depois de decorridos 12s, aos 17s apresentou aparência leitosa e terminou-se a reação aos 27s com cor amarelada/esbranquiçada.
Comparando-se os resultados obtidos observou-se que, de um modo geral, dobrando a concentração do reagente a velocidade da reação também dobrou, indicando que, para esta reação, a concentração influencia na cinética da reação. 
B. Temperatura
Considerou-se a reação 5HCl + Zn → ZnCl2 + H2, variou-se a temperatura do ácido clorídrico a 2,0 mol/L. A solução em temperatura ambiente começou e terminou aos 18 e 34s, respectivamente. Já a solução aquecida a 40ºC começou e terminou aos 10 e 20s, respectivamente. Percebeu-se que a temperatura influenciou positivamente na reação (Figura 1), já que fez com que esta ocorresse mais rápido do que a solução a temperatura ambiente, como esperado, devido à alta energia cinética disponível relacionada ao maior número de colisões efetivas que aconteceram. 
Figura 1. Soluções de ácido clorídrico e zinco. À esquerda em temperatura ambiente e à direita em temperatura de ≈ 40ºC.
C. Superfície de contato
Após triturar uma das metados do comprimido efervescente e adicionar água, observou-se que a reação foi praticamente espontânea com o surgimento de bolhas, aos 13s reduziu-se em volume a após este tempo apenas efervesceu. Já a outra metade do comprimido criou volume de bolhas no béquer após 3s, borbulhando muito nos segundos seguintes e terminando a reação aos 20s. A superfície de contato influencia na velocidade da reação de maneira que, quanto maior a superfície mais rápido ocorrerá a reação, porque quando um sólido é dividido em partes menores, a superfície dispónivel para contatocom o meio aumenta. 
D. Catalisador
Neste item, deixou-se 20 ml de água oxigenada em um béque sob a luz para observar sua decomposição, porém, nenhuma reação foi observada a olho nu no tempo em que foi reservada na bancada. No segundo béquer, contendo a mesma quantidade de água oxigenada, ao adicionar dióxido de manganês a reação aconteceu quase que instataneamente (Figura 2). Desta maneira, a velocidade da reação de decomposição da água oxigenada aumenta quando utilizado um catalisador, como o dióxido de manganês, que apenas acelera a reação, não participando necessariamente dela.
Figura 2. Diferença entre a decomposição da água oxigenada sem catalisador (esquerda) e com catalisador (direita).
Análise quantitativa da velocidade de reação
A. Influência da Concentração
Seguindo o padrão mostrado na Tabela 1, as reações demandadaram o tempo mostrado abaixo, obtendo como resultado final a Figura 3.
Figura 3. Término das reações.
Calculou-se então a concentração molar inicial de KIO3, para 0,5 g em massa e massa molar igual a 214,0005, obtendo os resultados mostrados na Tabela 3.
Tabela 3. Valores obtidos a partir da concentração inicial de KIO3.
Com estes dados plotou-se os gráficos de 1/[KIO3] versus t (Figura 4) e ln [KIO3] versus t (Figura 5). Analisando ambas as figuras é possível deduzir que a reação é de 2ª ordem, apesar de apresentar pequenas variações, devido aos erros envolvidos no processo.
Figura 4. Curva 1/KIO3 versus t. 
Figura 5. Gráfico ln[KIO3] versus t.
A equação da reta proveniente da curva apresentada na Figura 5 indica que, a partir da equação do tipo y = a.x + b, onde a é o coeficiente angular (inclinação), será o valor de k (constante de proporcionalidade) dado em mol/L.s. Seguindo este raciocínio, o valor de k para este reação é de 0,0069 mol/L.s; e para o gráfico do tipo 1/[KIO3], k tem o valor de -3,451 mol/L.s. 
A partir da Tabela 3 construiu-se também o gráfico que relaciona a variação da concentração com a velocidade, como mostrado na Figura 6, e observa-se que a velocidade foi aumentando conforme a concentração diminuia, o que não era de se esperar.
Figura 6. Gráfico concentração x velocidade.
 
Para uma concentração 3x maior que a do tubo 5A, ou seja, com 3ml da solução A, a velocidade alcançaria o valor de 7,5613x10-6 mol/Ls, aumentando significativamente, indicando que, de fato, a concentração têm grande influência na velocidade da reação.
B. Influência da Temperatura
Submeteu-se os quatro tubos ora reservados no início da preparação das soluções a diferentes temperaturas, contudo, deve-se ressaltar que houve dificuldade em manter a temperatura da água contida no recipiente no qual os tubos de ensaios foram imersos. Para tanto, iniciou-se o experimento com a água contendo tubos de gelo, adicionando aos poucos água a temperatura ambiente para chegar no valor determinado. Assim, construiu-se a Tabela 4 com os dados experimentais obtidos:
Tabela 4. Dados obtidos para a mesma concentração de reagente variando a temperatura da reação.
Para a mistura de 2,5 ml – sendo 1,5ml da solução A (iodato de potássio) e 1,0 de H2O – verificou-se que a velocidade da reação foi maior em baixa temperatura (T=7ºC), apresentando valores próximos até a temperatura ambiente. A Figura 7 ilustra como a temperatura influenciou na velocidade das reações, como pode ser observado, temperaturas muito baixas ou muito elevadas não favorecem a reação, pois demandaram um tempo maior.
Figura 7. Variação do tempo em relação a temperatura.
É possível observar também como a velocidade da reação em si depende da temperatura, como mostra a Figura 8. As Figuras 7 e 8 são semelhantes apresentando a mesma curvatura visto que possuem ligação, já que a velocidade sob análise se define como a variação da concentração dos reagentes num determinado período de tempo.
Figura 8. Variação da velocidade em relação à temperatura.
CONCLUsões
Todos os aspectos analisados tiveram influência direta, moderada ou não, na velocidade em que as reações químicas ocorreram. Embora o experimento tenha apresentado algumas dificuldades em sua realização, principalmente quanto às temperaturas, alcançou-se os objetivos de forma satisfatória onde foi possível observar como estes fatores afetaram a cinética das reações. 
A concentração do reagente se relaciona com a velocidade da reação de maneira que é possível determinar a ordem da reação, ou seja, se esta depende, além da constante de proporcionalidade, da concentração dos dois reagentes envolvidos ou apenas de um deles, apresentando diferentes equações de velocidade para cada situação. A temperatura e a superfície de contato também tendem a aumentar a cinética das reações quando são maiores, devido às colisões efetivas e a área de contato disponível, respectivamente. O catalisador em si já é uma alternativa para acelerar uma reação, visto que este diminui a energia de ativação necessária fazendo com que a reação ocorra por um mecanismo alternativo. Conclui-se, portanto, que os métodos utilizados foram eficientes para analisar os efeitos na cinética química de uma reação. 
Bibliografia
LEVENSPIEL, O. Engenharia das reações químicas. Vol 1. Edgard Blucher LTDA, 1974.
Velocidade x Temperatura
1.5422066925092701E-5	4.5812610571598903E-5	4.5812610571598903E-5	4.8675898732323836E-5	1.4557278125554793E-5	50	27	15	7	1	Velocidade [mol/Ls]
Temperatura [ºC]
NºV [ml]V
água
 [ml]NºV [ml]
1A2,500,001B
2A2,000,502B
3A1,501,003B
4A1,251,254B
5A1,001,505B
6A0,751,756B
7A0,502,007B
TUBOS A
5
TUBOS B
TuboT [ºC]
3A150
3A215
3A35
3A40
1A+1B→4s4A+4B→38s
2A+2B→14s5A+5B→5min
3A+3B→34s6A+6B→2min 28s
V [ml] solução 
A
[KIO
3
]
0 
[mol/L]
1/[KIO
3
]
0
 [L/mol]ln [KIO
3
]
Tempo 
[s]
Velocidade da 
reação: [KIO
3
]/t 
[mol/Ls]
2,50,000934581070,00250-6,97541640,000233644
20,00116822856,00200-6,752273148,34444E-05
1,50,00155763642,00150-6,464591344,58126E-05
1,250,00186915535,00125-6,282269384,91883E-05
10,00233644428,00100-6,0591261032,26839E-05
0,750,00311526321,00075-5,7714431681,85432E-05
0,50,00467289214,00050-5,3659782002,33644E-05
Tubos
Temperatura 
esperada 
[°C]
Temperatura 
alcançada 
[°C]
[KIO
3
]
0
 [mol/L]
1/[KIO
3
]
0 
[L/mol]
ln [KIO
3
]
Tempo 
[s]
Velocidade 
da reação: 
[KIO
3
]/t 
[mol/Ls]
3A150
≅
 501011,542E-05
3AAmbienteAmbiente344,581E-05
3A21515344,581E-05
3A357324,868E-05
3A4011071,456E-05
0,001557629642,0015-6,4646