Cinética - Química

Cinética

A cinética é a parte da química que estuda as velocidades das reações onde, com o aumento da temperatura se aumenta a velocidade.

Existem fatores que influenciam na velocidade como “temperatura”, “superfície” e “concentração de reagentes”.

Velocidade de uma reação

A velocidade de uma reação é a variação da concentração dos reagentes pela variação de uma unidade de tempo. As velocidades das reações químicas geralmente são expressas em molaridade por segundo (M/s).

A velocidade média de formação de um produto de uma reação é dado por:

Vm = variação da concentração do produto / variação do tempo

A velocidade da reação decresce com o tempo. A velocidade de formação do produto é igual a velocidade de consumo do reagente.:

Velocidade da reação = variação da concentração dos reagentes / variação do tempo

A velocidade das reações química pode ocorrer em escalas de tempo muito amplas. Por exemplo, uma explosão pode ocorrer em menos de um segundo, a cocção de um alimento pode levar minutos ou horas, a corrosão pode levar anos, e a erosão de uma rocha pode ocorrer em milhares ou milhões de anos.

Fatores que influenciam na velocidade da reação:

• Superfície de contato: Quanto maior a superfície de contato, maior será a velocidade da reação.
  
• Temperatura: Quanto maior a temperatura, maior será a velocidade da reação. 
• Concentração dos reagentes: Aumentando a concentração dos reagentes, aumentará a velocidade da reação.

  Numa reação química, a etapa mais lenta é a que determina sua velocidade. Observe o exemplo a seguir: O peróxido de hidrogênio reagindo com íons iodeto, formando água e oxigênio gasoso.

I - H₂O₂ + I^-  ⇒ H₂O + IO^- (Lenta) 

II - H₂O₂ + IO^-  ⇒  H₂O + O₂ + I^- (Rápida) 

Equação simplificada: 2 H₂O₂  ⇒  2 H₂O + O₂.

A equação simplificada corresponde a soma das equações I e II. Como a etapa I é a etapa lenta, para aumentar a velocidade da reação, deve-se atuar nela. Tanto para aumentar ou diminuir a velocidade da reação, a etapa II (rápida) não vai influir; sendo a etapa I a mais importante.

A lei de Guldberg-Waage:

Considere a seguinte reação: a A + b B  ⇒  c C + d D

Segundo a lei de Guldberg-Waage; V = k [A]^a [B]^b.

Onde:

• V = velocidade da reação;
  
• [ ] = concentração da substância em mol / L;
  
• k = constante da velocidade específica para cada temperatura.

A ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade. Utilizando a equação anterior, calculamos a ordem de tal reação pela soma de (a + b).

Teoria da colisão

Pela teoria da colisão, para haver reação é necessário que:

• as moléculas dos reagentes colidam entre si;
• a colisão ocorra com geometria favorável à formação do complexo ativado;
• a energia das moléculas que colidem entre si seja igual ou superior à energia de ativação.

Colisão efetiva ou eficaz é aquela que resulta em reação, isto é, que está de acordo com as duas últimas condições da teoria da colisão. O número de colisões efetivas ou eficazes é muito pequeno comparado ao número total de colisões que ocorrem entre as moléculas dos reagentes.

Quanto menor for a energia de ativação de uma reação, maior será sua velocidade.

Uma elevação da temperatura aumenta a velocidade de uma reação porque aumenta o número de moléculas dos reagentes com energia superior à de ativação.

Regra de van't Hoff - Uma elevação de 10°C duplica a velocidade de uma reação.

Esta é uma regra aproximada e muito limitada.

O aumento da concentração dos reagentes aumenta a velocidade da reação. 

Energia de ativação:

É a energia mínima necessária para que os reagentes possam se transformar em produtos. Quanto maior a energia de ativação, menor será a velocidade da reação.

Ao atingir a energia de ativação, é formado o complexo ativado. O complexo ativado possui entalpia maior que a dos reagentes e dos produtos, sendo bastante instável; com isso, o complexo é desfeito e dá origem aos produtos da reação. Observe o gráfico:

Onde:

C.A.= Complexo ativado.
Eat. = Energia de ativação.
Hr. = Entalpia dos reagentes.
Hp. = Entalpia dos produtos.
DH = Variação de entalpia.

Catalisador:

O catalisador é uma substância que aumenta a velocidade da reação, sem ser consumida durante tal processo.

A principal função do catalisador é diminuir a energia de ativação, facilitando a transformação de reagentes em produtos. Observe o gráfico que demonstra uma reação com e sem catalisador:

Inibidor: é uma substância que retarda a velocidade da reação.

Veneno: é uma substância que anula o efeito de um catalisador.

A ação do catalisador é abaixar a energia de ativação, possibilitando um novo caminho para a reação. O abaixamento da energia de ativação é que determina o aumento da velocidade da reação.

• Catálise homogênea - Catalisador e reagentes constituem uma só fase.
• Catálise heterogênea - Catalisador e reagentes constituem duas ou mais fases (sistema polifásico ou mistura heterogênea). 

  Enzima

Enzima é uma proteína que atua como catalisador em reações biológicas. Caracteriza-se pela sua ação específica e pela sua grande atividade catalítica. Apresenta uma temperatura ótima, geralmente ao redor de 37°C, na qual tem o máximo de atividade catalítica.

Promotor de reação ou ativador de catalisador é uma substância que ativa o catalisador, mais isoladamente não tem ação catalítica na reação.

Veneno de catalisador ou inibidor é uma substância que diminui e até destrói a ação do catalisador, sem tomar parte na reação.

Autocatálise

Autocatálise - Quando um dos produtos da reação atua como catalisador. No início, a reação é lenta e, à medida que o catalisador (produto) vai se formando, sua velocidade vai aumentando.

Conclusão

Na cinética química estuda-se a velocidade das reações químicas.

As velocidades das reações químicas são expressas por M/s “molaridade por segundo”.

Quanto maior for a temperatura, maior será a velocidade, existindo fatores que influenciam nessa velocidade, como “superfície”, “temperatura” e “concentração dos reagentes”, onde, quanto maior for a superfície de contato maior será a velocidade de reação, quanto maior a temperatura maior será  a velocidade de reação, quanto maior for a concentração dos reagentes maior será a velocidade de reação.

“lei de Guldberg-Waage”  lei onde a ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações da equação da velocidade

Existe uma energia mínima para que os reagentes se transformem em produto, essa “energia mínima”  da se o nome de “energia de ativação”, quanto maior for a energia de ativação, menor será a velocidade da reação.

Para diminuir essa “energia de ativação” pode-se usar um catalisador que facilita a transformação de reagentes em produtos.

Autoria: Eduardo Faia Miranda

Resumão.

Velocidade de reação

aA + bB ® cC + dD

vmédia de formação de C = D[C] ——— Dt

vmédia de consumo de A = -D[A] ——— Dt

vmédia da reação = -D[A] ——— a·Dt = -D[B] ——— b·Dt = -D[C] ——— c·Dt = -D[D] ——— d·Dt

Energia de ativação

Complexo ativado é uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos, com ligações intermediárias entre as dos reagentes e as dos produtos.
Energia de ativação é a energia mínima necessária para a formação do complexo ativado.

Teoria da colisão

Pela teoria da colisão, para haver reação é necessário que:

• as moléculas dos reagentes colidam entre si;
• a colisão ocorra com geometria favorável à formação do complexo ativado;
• a energia das moléculas que colidem entre si seja igual ou superior à energia de ativação.

Colisão efetiva ou eficaz é aquela que resulta em reação, isto é, que está de acordo com as duas últimas condições da teoria da colisão. O número de colisões efetivas ou eficazes é muito pequeno comparado ao número total de colisões que ocorrem entre as moléculas dos reagentes.
Quanto menor for a energia de ativação de uma reação, maior será sua velocidade.
Uma elevação da temperatura aumenta a velocidade de uma reação porque aumenta o número de moléculas dos reagentes com energia superior à de ativação.
Regra de van't Hoff - Uma elevação de 10°C duplica a velocidade de uma reação.
Esta é uma regra aproximada e muito limitada.
O aumento da concentração dos reagentes aumenta a velocidade da reação.

Lei da velocidade de reação

aA + bB + ... ® produtos

v = k [A]p [B]q

• p e q são experimentalmente determinados
• k = constante de velocidade de reação; aumenta com a temperatura
• p = ordem da reação em relação a A
• q = ordem da reação em relação a B
• p + q + ... = ordem da reação

Reagente(s) gasoso(s) - A pressão de um gás é diretamente proporcional à sua concentração em mol/L. Por isso, no caso de reagente(s) gasoso(s), a lei de velocidade pode ser expressa em termos de pressão.
Para aA_(g) + bB_(g) + ... ® produtos, temos:

v = k·p^p_A·p^q_B

O aumento da pressão aumenta a velocidade da reação. Quando não há reagente gasoso, a pressão não influi na velocidade da reação.
Reação elementar é aquela que ocorre numa única etapa. Neste caso, para aA + bB + ... ® produtos, temos:

v = k [A]^a [B]^b...

Mecanismo de reação é o conjunto das etapas em que ocorre a reação. A etapa lenta é a que determina a velocidade da reação. O mecanismo de uma reação é proposto com base no estudo de sua velocidade.
Superfície de contato - Quanto maior for o grau de dispersão de um sólido, maior será a sua superfície e maior será a velocidade da reação na qual é reagente.

Catálise e catalisador

Catálise é uma reação na qual toma parte um catalisador.
Catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação, permanecendo inalterado qualitativa e quantitativamente no final da reação.
A ação do catalisador é abaixar a energia de ativação, possibilitando um novo caminho para a reação. O abaixamento da energia de ativação é que determina o aumento da velocidade da reação.

• Catálise homogênea - Catalisador e reagentes constituem uma só fase.
• Catálise heterogênea - Catalisador e reagentes constituem duas ou mais fases (sistema polifásico ou mistura heterogênea).

Enzima

Enzima é uma proteína que atua como catalisador em reações biológicas. Caracteriza-se pela sua ação específica e pela sua grande atividade catalítica. Apresenta umatemperatura ótima, geralmente ao redor de 37°C, na qual tem o máximo de atividade catalítica.
Promotor de reação ou ativador de catalisador é uma substância que ativa o catalisador, mais isoladamente não tem ação catalítica na reação.
Veneno de catalisador ou inibidor é uma substância que diminui e até destrói a ação do catalisador, sem tomar parte na reação.

Autocatálise

Autocatálise - Quando um dos produtos da reação atua como catalisador. No início, a reação é lenta e, à medida que o catalisador (produto) vai se formando, sua velocidade vai aumentando.

Por: Pofessor João Neto

1. Considere a reação CaCO₃ à CaO + CO₂. Foi aquecida uma certa massa de carbonato de cálcio e o volume de gás carbônico obtido foi sendo observado e medido em função do tempo. Foi obtida a tabela abaixo:

Mols de CO2	Tempo (min)
0	0
20	10
35	20
45	30
50	40
52	50

2. Dada a reação 2SO₂ + O₂ à 2SO₃, calcule a velocidade em relação a cada participante e a velocidade média, conforme a tabela, nos seguintes casos:

        a)Qual a velocidade média dessa reação no intervalo de 0 a 10 min?

        b)Calcule a velocidade média dessa reação nos demais intervalos.

        

Tempo (s)	Quantidade de matéria (em mols) de SO2 existente	Quantidade de matéria (em mols) de O2 existente	Quantidade de matéria (em mols) de SO3 existente
0	6,0	4,0	0,0
2	5,0	3,5	1,0
6	2,2	2,1	3,8
12	1,0	1,5	5,0

a) De 0s a 2s

b) De 2s a 6s

c) De 6s a 12s

d) De 2s a 12s

3. Na reação 2H₂O₂ à 2H₂O + O₂, a velocidade média dessa reação num certo intervalo de tempo, é 8 mol/s em relação a água oxigenada. Qual a velocidade em relação ao oxigênio no mesmo intervalo de tempo?

Resposta: 4 mol/s

4. Realizou-se a reação de decomposição do ácido carbônico: H₂CO₃ à H₂O + CO₂. Mediu a concentração em quantidade de matéria de gás carbônico nos tempos 10s e 20s e obteve o seguinte resultado em mol/L:

            10s : 0,2 M

            20s : 0,8 M

            Qual a velocidade média dessa reação no intervalo de 10s a 20s?

      

5. Dada a tabela abaixo em relação à reação 2HBr à H₂ + Br₂ :

Tempo (min)	Mols de HBr
0	0,200
5	0,175
10	0,070
15	0,040
20	0,024

a) Qual a velocidade média desta reação em relação ao HBr, no intervalo de 0 a 5 minutos?

b) Qual a velocidade média dessa reação, no intervalo citado anteriormente, em relação ao gás hidrogênio?

c) Determine a velocidade média dessa reação para o HBr e para o Br₂, no intervalo de 10 a 15 min.

6. Foi misturado 2 mols de gás hidrogênio com 3 mols de gás cloro num recipiente fechado. Suponha que do início da mistura até 15s, a reação H₂ + Cl₂ à 2HCl ocorra conforme os dados da tabela.

Tempo (s)	Quantidade de matéria (em mols) de H2 existente	Quantidade de matéria (em mols) de Cl2 existente	Quantidade de matéria (em mols) de HCl existente
0	2,0	3,0	0
1	1,75	2,75	0,5
3	1,5	2,5	1,0
6	1,25	2,25	1,5
10	1,0	2,0	2,0
15	0,75	1,75	2,5

a) Calcule a velocidade em relação a cada participante e a velocidade média da reação no intervalo de 10 a 15s.

b) Usando papel milimetrado, construa no mesmo sistema de coordenadas o gráfico que mostra a variação da quantidade existente (em mol) de cada participante em função do tempo. Represente a quantidade em mol na ordenada e o tempo na abcissa.

7. (Unicamp-SP) Amostras de magnésio foram colocadas em soluções de ácido clorídrico a diversas concentrações e temperaturas havendo total "dissolução" do metal e desprendimento de gás hidrogênio . Observaram-se os seguintes resultados:

Amostra	Massa de magnésio "dissolvida"	Tempo para dissolver
I	2,0g	10 min
II	0,40g	2,0 min
III	0,40g	1,0 min
IV	0,50g	1,0 min

a) Em qual caso a velocidade média da reação foi maior?

b) Em qual caso desprendeu-se maior quantidade de hidrogênio?

8. (PUC-PR) A revelação de uma imagem fotográfica em um filme é um processo controlado pela cinética química da redução do halogeneto de prata por um revelador. A tabela abaixo mostra o tempo de revelação de determinado filme usando um revelador D-76.

Quantidade existente do revelador (mol)	Tempo de revelação (min)
24	6
22	7
21	8
20	9
18	10

            A velocidade média de revelação no intervalo de tempo de 7 min a 10 min é, em mol/min:

a) 3,14

b) 2,62

c) 1,80

d) 1,33

e) 0,70

9. (UFPE) Considere a reação: 2N₂O à 4NO₂ + O₂. Admita que a formação de gás oxigênio tem uma velocidade média constante e igual a 0,05 mol/s. A massa de NO₂ formada em 1 min é:

a) 96g

b) 55,2g

c) 12g

d) 552g

e) 5,52g

10. (PUC-MG) A poluição pelo NO₂ é uma das causas de destruição da camada de ozônio. Uma das reações que pode ocorrer no ar poluído é a reação do dióxido de nitrogênio com o ozônio: 2NO₂ + O₃ ß à N₂O₅ + O₂. Admita que a formação do O₂ tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol.L /s. A massa de ozônio consumida em 1 min é, em gramas:

a) 2,40

b) 144

c) 1,60

d) 96

e) 48

11. (UFPE) O gráfico a seguir representa a variação de concentração das espécies A, B e C com o tempo. Qual das alternativas a seguir contém a equação química que melhor descreve a reação representada pelo gráfico?

a) 2A + B à C

b) A à 2B + C

c) B + 2C à A

d) 2B + C à A

e) B + C à A

12. (PUC-MG) Considere a equação: 2NO₂ + 4CO à N₂ + 4CO₂. Admita que a formação do gás nitrogênio tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol/L.min. Qual a massa, em gramas, de gás carbônico formada em uma hora?

13. (Mack-SP) Numa certa experiência, a síntese do cloreto de hidrogênio ocorre com o consumo de 3 mols de gás hidrogênio por minuto. Qual a velocidade de formação do cloreto de hidrogênio?

14. (FEI-SP) Um prego de ferro, em presença de umidade, reage com o oxigênio do ar produzindo óxido de ferro III hidratado e liberando hidrogênio. A reação acontece até consumir todo o prego. Dos gráficos abaixo, o que melhor representa a velocidade (v) dessa reação em função do tempo (t) é:

15. (Faap-SP) Num dado meio onde ocorre a reação N₂O₅ à N₂O₄ + ½ O₂, observou-se a seguinte variação na concentração de N₂O₅ em função do tempo:

N2O5 (mol/L)	0,233	0,200	0,180	0,165	0,155
Tempo (s)	0	180	300	540	840

        Calcule a velocidade média da reação no intervalo de 3 a 5 min.

        Resposta: 0,01 mol/L.min

16. (Fesp-SP) A reação de decomposição do amoníaco (NH₃) produz 8,40g/min de gás nitrogênio. Qual a velocidade dessa reação em mols de NH₃ por hora?

17. (Unisinos-RS) A combustão completa do etanol ocorre pela equação:

C₂H₅OH + 3 O₂ à 2CO₂ + 3H₂O

Considerando que em uma hora foram produzidos 2640g de gás carbônico, qual a velocidade da reação , expressa em número de mols de etanol consumidos por minuto?

18. (Fuvest-SP) Para uma dada reação química, expressa como A à B, sabe-se que a concentração de A se reduz à metade em cada intervalo de tempo de 30 min. Se a concentração inicial de A for de 1M, após quanto tempo ela atingirá o valor de 0,125M?

      

19. (UESC) A água oxigenada – H₂O₂ – se decompõe, produzindo água e gás oxigênio, de acordo com a equação: H₂O₂ à H₂O + ½ O₂. O gráfico abaixo foi construído a partir de dados experimentais e mostra a variação da concentração de água oxigenada em função do tempo.

      

        Qual será a velocidade média de decomposição da água oxigenada nos intervalos I, II e III?

       

Gabarito:

01

a)2 mol/min

b)Vm_10-20= 1,5 mol/min; Vm_20-30= 1,0 mol/min; Vm_30-40= 0,5 mol/min; Vm_40-50= 0,2 mol/min.

02 

a)V SO₂= 0,5; V O₂= 0,25; V SO₃= 0,5; Vm=0,25

b)V SO₂= 0,7; V O₂= 0,35; V SO₃= 0,7; Vm=0,35

c)V SO₂= 0,2; V O₂= 0,10; V SO₃= 0,2; Vm=0,10

d)V SO₂= 0,4; V O₂= 0,20; V SO₃= 0,4; Vm=0,20

03 4 mol/s
04 0,06M

05

a) 0,005

b) 0,0025

c) 0,006 (HBr) e 0,003 (Br2)

06

a) V H₂= 0,025; V Cl₂= 0,025; V HCl= 0,05; Vm=0,025 mol/s

b)

07 

a) V I= 0,2g/min; V Il= 0,2g/min; V lII= 0,4g/min; V IV=0,5g/min. A velocidade maior é 0,5g/min, ou seja, a amostra IV.

b)Quanto maior a massa de magnésio consumida, maior a quantidade de hidrogênio desprendida. Então, a amostra IV desprende mais hidrogênio.

08 d
09 d
10 b
11 C
12 528g
13 6 mol/min.
14 a
15 0,01 mol/L.min
16 36 mol/h
17 0,5
18 90 min.
19 0,03 M/min; 0,02 M/min e 0,01 M/min