Aspectos cinéticos da reação de decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada por cloreto de ferro (III)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Disciplina: Cinética Química
PRÁTICA Nº 1
Aspectos cinéticos da reação de decomposição do peróxido de hidrogênio 
catalisada por cloreto de ferro (III)
Aluno: Hiago Ornelas Esteves
Relatório apresentado à disciplina de Cinética Química (QUI198), do curso de Química da UFMG.
Docente: Marcelo Machado Viana.
BELO HORIZONTE
Junho/ 2021
INTRODUÇÃO
O peróxido de hidrogênio (H2O2), comumente conhecido por sua forma líquida como água oxigenada, foi descrito pela primeira vez por Louis Jacques Thénard, numa reação de peróxido de bário com ácido nítrico. É um líquido viscoso, poderoso oxidante e, embora não seja inflamável, pode sofrer combustão ao entrar em contato com matéria orgânica e alguns metais. Comercializada em frascos escuros para evitar a decomposição pela luz, a água oxigenada pode ser utilizada para clareamento de roupas e cabelos, como antisséptico e está presente em pequenas quantidades em alguns produtos domésticos. Sendo comercializada em volumes, a concentração associada ao produto indica a quantidade de oxigênio em forma gasosa que é liberado na decomposição de um litro de água oxigenada. Sendo assim, um litro de água oxigenada 20 volumes libera 20 litros de oxigênio ao se decompor completamente. 
A decomposição da água oxigenada resulta em água (H2O) e oxigênio (O2),
 H2O2(aq) → H2O(l) + O2(g) (Reação 1)
Esta reação apresenta uma lei de velocidade de primeira ordem, que pode ser descrita como:
 (Equação 1)
Logo:
 (Equação 2)
onde e são as concentrações do peróxido de hidrogênio em um tempo t qualquer e em t = 0, respectivamente. Como o processo de decomposição do H2O2 é muito lento, o estudo da cinética desse processo é realizado com usando um catalisador, o FeCl3.
Segundo o roteiro da prática, o experimento de acompanhamento cinético desta reação consiste em determinar em diferentes intervalos de tempo, a concentração remanescente de peróxido de hidrogênio através da titulação em meio ácido com solução aquosa de permanganato de potássio. A titulação de alíquotas da mistura reacional em intervalos de tempo deve ser conduzida em meio ácido, pois, o mesmo quebra o complexo formado pelo peróxido de hidrogênio e cloreto de ferro (III) interrompendo a reação de decomposição além de manter o pH adequado para que a seguinte reação ocorra:
 2MnO42-(aq) + 5H2O2(aq) + 6H+(aq) → 2Mn2+(aq) + 8H2O(l) + 5O2(g) (Reação 2)
Como o volume de permanganato de potássio gasto na titulação é proporcional à concentração de peróxido de hidrogênio na alíquota, então a equação (2) pode ser utilizada da seginte maneira:
 (Equação 3)
Construindo-se o gráfico do em função de t(x), pode-se calcular a inclinação da reta y versus x que é exatamente a constante de velocidade da reação, k.
OBJETIVO
Os objetivos desta prática consistem em realizar a reação de decomposição do peróxido de hidrogênio auxiliada pelo catalisador cloreto de ferro (III), e estudar o comportamento cinético dessa reação de primeira ordem.
MATERIAIS UTILIZADOS
· Solução aquosa 6% m/v de peróxido de hidrogênio;
· Solução aquosa 6% m/v de FeCl3;
· Água destilada;
· Solução de ácido sulfúrico diluído 1:5 v/v;
· Solução aquosa de permanganato de potássio com concentração de 8 x 10-3 mol L-1
· Um cronômetro com precisão de décimos de segundo;
· Uma proveta 250 mL;
· Uma proveta 10 mL;
· Um erlenmeyer de 250 mL;
· Seis erlenmeyers de 50 mL;
· Uma pipeta volumétrica de 5 mL;
· Uma pêra de borracha;
· Um suporte com garra metálica para fixar a bureta.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
· Para a análise, colocou-se 5mL da solução de ácido sulfúrico em sete erlenmeyers numerados de 125 mL, e 100 mL da solução de peróxido de hidrogênio em um erlenmeyer de 250 mL.
· No erlenmeyer contendo o peróxido de hidrogênio, adicionou-se 10 mL da solução de cloreto férrico, com o auxílio de uma pipeta graduada. Em seguida, adicionou-se 5 mL do catalisador, acionou-se o cronômetro para a coleta dos dados. Após a adição completa do catalisador, agitou-se a mistura durante 7 minutos.
· Após o processo de agitação, colocou-se 5 mL da mistura reativa em cada um dos erlenmeyers numerados contendo a solução de ácido sulfúrico, e rapidamente titulou-se a nova solução, com intervalos aproximados de 2 minutos até completar todas as titulações.
Como estamos passando por uma pandemia, o departamento de química da UFMG disponibilizou um vídeo simulando o experimento descrito acima.
RESULTADOS E DISCUSSÂO
Com o procedimento descrito acima, foram coletados os seguintes dados:
Tabela 1- Tempo de reação da decomposição do H2O2 e do volume de KMnO4 utilizado na titulação
	Frasco
	Tempo(s)
	Volume de KMnO4 (cm-3)
	Ln VKMnO4
	1
	522
	8,00
	2,08
	2
	652
	4,50
	1,50
	3
	833
	3,50
	1,25
	4
	991
	2,20
	0,79
	5
	1142
	1,50
	0,40
	6
	1300
	1,30
	0,26
	7
	1451
	0,90
	-0,10
O volume de permanganato de potássio utilizado na titulação é diretamente proporcional ao volume de peróxido de hidrogênio contido na alíquota retirada do Erlenmeyer, onde a reação estava ocorrendo, sendo assim podemos utilizar a seguinte equação de primeira ordem:
 (Equação 4)
 
onde t é o tempo e é o volume de permanganato de potássio no tempo t = 0. Com os dados disponibilizados pelos professores, foi feita a tabela 1 e com os mesmos foi feito um gráfico de ln VKMnO4 versus tempo (s)
Figura 1- Gráfico de ln VKMnO4 versus tempo(s)
e realizando uma regressão linear, obteve-se as seguintes constantes:
Figura 2- Constantes obtidas após a realização da regressão linear do gráfico da figura 1
A constante A obtida na regressão linear, é a inclinação da reta, que por sua vez é o negativo da constante de velocidade da reação
k = 2,24 x10-3 s-1.
A constante B é o ln(VKMnO4)0 no tempo t = 0, logo (VKMnO4)0 = 21,98 cm3. Sabendo que 
 (Equação 5)
onde é o tempo de meia vida do H2O2, temos que tempo necessário para que metade do peróxido de hidrogênio se decomponha é
.
Pela estequiometria da Reação 2, observamos que a proporção de permanganato de potássio usado para titular a mistura de peroxido de hidrogênio e ácido sulfúrico é de 2,5 mol de titulante para 1,0 mol de titulado. Logo, a concentração inicial de H2O2 é
 (Equação 6)
 
Se em 1,0 L de H2O2 possui 34,01 g, podemos calcular a % m/v de H2O2,
1 mol H2O2 → 34,01g
 0,088 mol H2O2 → x
 x = 3,0g
que equivale a 3,0 g de H2O2 por litro ou 0,3 g por 100 mL de solução. Comparando-se este valor à concentração indicada no rótulo do produto comercial que possui 6,0 g por 100 mL, temos que a solução final possui 5% de peróxido de hidrogênio em relação a concentração inicial. 
CONCLUSÂO
Conclui-se que o estudo dos aspectos cinéticos da decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada por Cloreto de ferro (III) por meio de titulação de alíquotas com diferentes tempos de reação com permanganato de potássio nos permite, por meio de tratamentos matemáticos, encontrar a constante de velocidade de reação k = 2,24 x 10-3 s-1, e a concentração de H2O2 no momento que foi titulada. Foi encontrada uma variação de 95% comparada com a concentração indicada no rótulo do produto, o que indica que a solução tinha sido preparada há algum tempo. Os tratamentos matemáticos também nos permitiram encontrar o valor de tempo de meia vida igual a 309,44s, que nos informa que neste intervalo de tempo, metade da concentração de peróxido de hidrogênio sofre decomposição em H2O(l) e O2(g).
REFERÊNCIAS
Atkins, P. W. e de Paula, J, Físico-Química, vol.1, 7ª. Edição, LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro,2003.
Goor, G., Glenneberg, J., & Jacobi, S. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry: Hydrogen Peroxide. Vol, 6. 18ª Edição. Michigan, 2007