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Cinética Química

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Cinética Química

  1. 1. Prof. Nunes Cinética QuímicaCinética Química Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Geral e Orgânica DQOI - UFC Cinética QuímicaCinética Química Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.com 1
  2. 2. Prof. Nunes Cinética QuímicaCinética Química ÉÉ oo estudoestudo dasdas velocidadesvelocidades dede reaçõesreações químicasquímicas. AplicaçõesAplicações dada CinéticaCinética QuímicaQuímica??????  monitorar a atmosfera (efeitos dos poluentes)  desenvolvimento de catalisadores  biologia e medicina DQOI - UFC2  biologia e medicina  saúdesaúde representa um balanço entre um grande número de reações (metabolismo).  doençadoença frequentemente é um sinal que a velocidade de reações importantes biologicamente mudaram muito.
  3. 3. Prof. Nunes  A velocidadevelocidade dede umauma reaçãoreação descreve como reagentesreagentes sãosão consumidosconsumidos e os produtosprodutos sãosão formadosformados.  CinéticaCinética químicaquímica é o estudo das taxas de reações químicas, os fatores que afetam a velocidades de reação, e os mecanismos (série de etapas), pelos quais as reações ocorrem. DefiniçõesDefinições DQOI - UFC3  As reações químicas ocorrem com velocidades muito diferentes.  Por exemplo, reaçõesreações dede combustãocombustão, tais como a queima do metano,metano, CHCH44 (presente no gás natural) e a combustão de isooctanoisooctano,, CC88HH1818, (presente na gasolina), ocorrem muito rapidamente, às vezes explosivamente.
  4. 4. Prof. Nunes Velocidade de ReaçõesVelocidade de Reações  As velocidadevelocidade dasdas reaçõesreações são geralmente expressasexpressas emem unidadesunidades de molesmoles porpor litrolitro porpor unidadeunidade dede tempotempo.  Se nós conhecemos a equação química de uma reação, sua velocidadevelocidade podepode serser determinadadeterminada seguindo a variaçãovariação nana concentraçãoconcentração de qualquer produtoproduto ou reagentereagente que podepode serser detectadadetectada quantitativamentequantitativamente. DQOI - UFC4 V = -  (concentração do reagente)  (tempo) V =  (concentração do produto)  (tempo) o sinal negativo torna a velocidade positiva.
  5. 5. Prof. Nunes Velocidade de ReaçõesVelocidade de Reações Vamos estudar a reação: 2 HIVamos estudar a reação: 2 HI(g)(g) HH2(g)2(g) + I+ I2(g)2(g) Verifica-se que durante um intervalo de 100s, a concentração molar de HI decresceu de 4,00M para 3,50M. Se a velocidade da reação anterior é 5,0 x 10-3, qual é a velocidade da reação em termos de [H2]? DQOI - UFC5 V = - ( 3,5 - 4,0 ) 100s V = 5,0 x 10-3 mol (HI) L.s 2 moles HI são consumidos 1 mol H2 é formado V = 2,5 x 10-3 mol (H2) L.s
  6. 6. Prof. Nunes  Considere como um exemplo a reação em fase gasosa que ocorre quando misturamos 1,000 mol de hidrogênio e 2,000 moles de cloreto de iodo a 230 °C em um frasco lacrado de 1 litro. Velocidade de ReaçõesVelocidade de Reações VelocidadeVelocidade DQOI - UFC6 VelocidadeVelocidade da reaçãoda reação
  7. 7. Prof. Nunes Velocidade de ReaçõesVelocidade de Reações VelocidadeVelocidade da reaçãoda reação DQOI - UFC7
  8. 8. Prof. Nunes Velocidade de ReaçõesVelocidade de Reações VelocidadeVelocidade da reaçãoda reação DQOI - UFC8
  9. 9. Prof. Nunes  A velocidadevelocidade instantâneainstantânea de reação no tempo t (2,0 segundos, por exemplo) é o negativo da inclinaçãoinclinação dada tangentetangente da curva no tempo t. VelocidadeVelocidade InstantâneaInstantânea de Reaçõesde Reações DQOI - UFC  Vemos que a velocidadevelocidade dada reaçãoreação diminuidiminui comcom oo tempotempo.. 9
  10. 10. Prof. Nunes VelocidadeVelocidade InstantâneaInstantânea de Reaçõesde Reações OutroOutro ExemploExemplo:: Concentração da PenicilinaPenicilina armazenada a 25 oC. DQOI - UFC10
  11. 11. Prof. Nunes  QuatroQuatro 44 fatoresfatores têm efeitosefeitos marcantesmarcantes sobre as velocidades das reações químicas. 1) a natureza dos reagentes, 2) concentrações dos reagentes, 3) temperatura, e 4) presença de um catalisador. Fatores que InfluenciamFatores que Influenciam a Velocidade de Reaçõesa Velocidade de Reações DQOI - UFC  OO entendimentosentendimentos destesdestes efeitosefeitos podepode nosnos ajudarajudar aa controlarcontrolar asas velocidadesvelocidades dasdas reaçõesreações.. 11
  12. 12. Prof. Nunes  Os estadosestados físicosfísicos das substâncias reagentes sãosão importantesimportantes na determinação da sua reatividade.  Uma poça de gasolinagasolina líquidalíquida pode queimar sem problemas, mas os vaporesvapores dede gasolinagasolina pode queimar explosivamente.  Dois líquidoslíquidos imiscíveisimiscíveis podempodem reagirreagir lentamentelentamente em sua interface, mas se NaturezaNatureza dos Reagentesdos Reagentes DQOI - UFC  Dois líquidoslíquidos imiscíveisimiscíveis podempodem reagirreagir lentamentelentamente em sua interface, mas se eles estão intimamenteintimamente misturadosmisturados para proporcionar um melhor contato, a reaçãoreação aceleraacelera. 12
  13. 13. Prof. Nunes  O fósforofósforo brancobranco e o fósforofósforo vermelhovermelho são diferentes formas sólidas (alótropos) de fósforo elementar.  O fósforofósforo brancobranco inflama quando exposto ao oxigênio no ar.  Por outro lado, o fósforofósforo vermelhovermelho pode ser mantida em aberto recipientes para longos períodos de tempo sem reação perceptível. NaturezaNatureza dos Reagentesdos Reagentes DQOI - UFC13
  14. 14. Prof. Nunes  GizGiz emem pópó (CaCO3) reage rapidamente com ácido clorídrico diluído, pois tem uma grande área de superfície total.  Um bastãobastão dede gizgiz tem uma área muito menor, assim que reage muito mais lentamente. NaturezaNatureza dos Reagentesdos Reagentes DQOI - UFC14
  15. 15. Prof. Nunes  Como as concentrações de reagentes mudam a temperatura constante, a velocidade de reação varia.  A expressão da leilei dede velocidadevelocidade para uma reação descrevedescreve comocomo suasua velocidadevelocidade dependedepende dasdas concentraçõesconcentrações, isto é, a lei de velocidade é deduzidadeduzida experimentalmenteexperimentalmente parapara cadacada reaçãoreação em estudo. ConcentraçãoConcentração dos Reagentesdos Reagentes DQOI - UFC  A leilei dede velocidadevelocidade para uma reação na qual A e B são reagentes é expressa da seguinte forma:  A constanteconstante kk é chamada de constanteconstante dede velocidadevelocidade específicaespecífica (ou apenas a constanteconstante dede velocidadevelocidade) para a reação a uma temperatura particular. 15 VV
  16. 16. Prof. Nunes  Os valoresvalores dosdos expoentes,expoentes, xx ee yy, e da constanteconstante dede velocidade,velocidade, kk não têm qualquer relação necessária com os coeficientes estequiométricos na equação química balanceada da reação global, e devemdevem serser determinadosdeterminados experimentalmenteexperimentalmente.  As grandezas com que as concentrações são elevadas, xx ee yy, são: ConcentraçãoConcentração dos Reagentesdos Reagentes VV DQOI - UFC  As grandezas com que as concentrações são elevadas, xx ee yy, são:  geralmente números inteiros, ou  zero, mas  ocasionalmente são fracionários ou  mesmo negativo.  xx == 22 significa que o velocidade é diretamente proporcional ao quadrado da concentração.  XX == 00 significa que a velocidade não depende da concentração desse reagente. 16
  17. 17. Prof. Nunes  O valorvalor dede xx é dito ser a ordemordem dada reaçãoreação comcom respeitorespeito aa AA e yy éé aa ordemordem dada reaçãoreação comcom relaçãorelação aa BB.  A ordemordem globalglobal dada reaçãoreação é x+yx+y. Exemplos de leis taxa observada para algumas reações seguir. ConcentraçãoConcentração dos Reagentesdos Reagentes VV DQOI - UFC17 VV VV VV VV
  18. 18. Prof. Nunes  Plotando as velocidadesvelocidades iniciaisiniciais como uma função da [[NN22OO55]] - ddáá umauma retareta Reações deReações de 1ª Ordem1ª Ordem 2 N2 N22OO5 (g)5 (g)  4 NO4 NO22 (g)(g) + O+ O22 (g)(g) VV = K . [N= K . [N22OO55]] DQOI - UFC18 [[NN22OO55]]
  19. 19. Prof. Nunes  Plotando as velocidadesvelocidades iniciaisiniciais como uma função da [NO[NO22]] - nãonão dádá umauma retareta Reações deReações de 2ª Ordem2ª Ordem 2 NO2 NO2 (g)2 (g)  2 NO2 NO (g)(g) + O+ O22 (g)(g)  Plotando as velocidadesvelocidades iniciaisiniciais como uma função das [[NONO22]]22 - ddáá umauma retareta. DQOI - UFC19 [NO[NO22]]22
  20. 20. Prof. Nunes  Embora a maioria das reações sejam de 1a ou 2a ordem, existemexistem reaçõesreações comcom outrasoutras ordensordens... Reações deReações de Ordem ZeroOrdem Zero ... 2 NH2 NH33 (g)(g)  NN22 (g)(g) + 3 H+ 3 H22 (g)(g) DQOI - UFC  A velocidadevelocidade queque nãonão dependedepende dada concentraçãoconcentração é tida como de ordemordem zerozero.. 20 V = K
  21. 21. Prof. Nunes 1) Uma vez que as ordensordens dede reaçãoreação sãosão conhecidosconhecidos, os dadosdados experimentaisexperimentais devemdevem serser usadosusados ​​​​parapara determinardeterminar oo valorvalor dede kk para uma reação em condições adequadas. 2) O valorvalor dede kk queque determinamosdeterminamos éé dede umauma reaçãoreação específicaespecífica, representado por uma equação balanceada. Constante KConstante K –– Pontos ImportantesPontos Importantes DQOI - UFC 3) As unidadesunidades dede kk dependemdependem dada ordemordem globalglobal dada reaçãoreação. 4) O valor de kk nãonão variavaria comcom asas concentraçõesconcentrações dede reagentesreagentes ouou ouou produtosprodutos. 21
  22. 22. Prof. Nunes 5) O valor de kk nãonão mudamuda comcom oo tempotempo. 6) O valorvalor dede kk refere-se a uma reação a uma temperatura específica e variavaria somentesomente sese aa temperaturatemperatura variarvariar. Constante KConstante K –– Pontos ImportantesPontos Importantes DQOI - UFC 7) O valorvalor dede kk éé dependentedependente do fato de um catalisadorcatalisador estáestá presentepresente ouou nãonão. 22
  23. 23. Prof. Nunes  Podemos usar o métodométodo dasdas velocidadesvelocidades iniciaisiniciais parapara deduzirdeduzir aa leilei dede velocidadevelocidade experimentalmenteexperimentalmente..  Normalmente conhecemos as concentrações de todos os reagentes no início da reação. PodemosPodemos, então, medirmedir aa velocidadevelocidade inicialinicial dada reaçãoreação correspondente a estas concentrações iniciais. Constante KConstante K –– Determinação ExperimentalDeterminação Experimental DQOI - UFC23 V = K [A]V = K [A]xx . [B]. [B]yy V = K [A]V = K [A]xx . [B]. [B]11
  24. 24. Prof. Nunes  Podemos usar o métodométodo dasdas velocidadesvelocidades iniciaisiniciais parapara deduzirdeduzir aa leilei dede velocidadevelocidade experimentalmenteexperimentalmente..  Normalmente conhecemos as concentrações de todos os reagentes no início da reação. PodemosPodemos, então, medirmedir aa velocidadevelocidade inicialinicial dada reaçãoreação correspondente a estas concentrações iniciais. Constante KConstante K –– Determinação ExperimentalDeterminação Experimental DQOI - UFC24 V = K [A]V = K [A]xx . [B]. [B]11 V = K [A]V = K [A]11 . [B]. [B]11
  25. 25. Prof. Nunes Considerando os dados a seguir, determinedetermine aa expressãoexpressão dada leilei dede velocidadevelocidade e o valor da constanteconstante dede velocidadevelocidade para a reação Constante KConstante K –– Determinação ExperimentalDeterminação Experimental DQOI - UFC25 V = K [A]V = K [A]22 . [B]. [B]00 .. [C][C]11 KK = 3.0= 3.0 x 10x 10--44 MM--22 minmin--11
  26. 26. Prof. Nunes  Quanto ozônio estará presente em uma região da atmosfera em dezembro?  Quanto SO3 pode ser produzido em uma hora?  Estas questões podem ser respondidas usando a LeiLei dede VelocidadeVelocidade IntegradaIntegrada  umauma fórmulafórmula queque dádá aa concentraçãoconcentração dede reagentesreagentes (ou(ou produtos)produtos) emem Concentração versusConcentração versus TempoTempo DQOI - UFC  umauma fórmulafórmula queque dádá aa concentraçãoconcentração dede reagentesreagentes (ou(ou produtos)produtos) emem qualquerqualquer tempotempo apósapós oo inícioinício dada reaçãoreação..  ssee aa concentraçãoconcentração inicialinicial dede reagentesreagentes éé conhecida,conhecida, podemospodemos predizerpredizer aa concentraçãoconcentração dodo reagentereagente remanescenteremanescente apósapós umum dadodado tempotempo. 26
  27. 27. Prof. Nunes Para reaçõesreações dede 11aa ordemordem, aa concentraçãoconcentração dodo reagentereagente remanescenteremanescente apósapós umum dadodado intervalointervalo dede tempotempo podepode serser obtidaobtida pelapela seguinteseguinte equaçãoequação:: Velocidade Integrada de 1ª OrdemVelocidade Integrada de 1ª Ordem [A][A]tt == [A][A]00 .. ee -- k . tk . t DQOI - UFC27 [A]t = concentração molar de A no tempo t [A]0 = concentração molar inicial de A K = constante da reação t = tempo de reação
  28. 28. Prof. Nunes Velocidade Integrada de 1ª OrdemVelocidade Integrada de 1ª Ordem [A][A]tt == [A][A]00 .. ee -- k . tk . t Note que quantoNote que quanto maior Kmaior K  maismais rápido o decaimentorápido o decaimento.. DQOI - UFC28
  29. 29. Prof. Nunes Propriedades LogarítmicasPropriedades Logarítmicas ln aa . bb = lnln aa + lnln bb ln aa / bb = lnln aa - lnln bb DQOI - UFC29 ln eexx = xx ln XX--yy = -- yy . lnln XX
  30. 30. Prof. Nunes Lei de Velocidade IntegradaLei de Velocidade Integrada [A]t = [A]0 . e- k. t lnln [A]t = lnln [A]0 + lnln (e(e-- k . tk . t)) lnln [A] = lnln [A] + ((-- k . t )k . t ) lnlnlnln DQOI - UFC30 lnln [A]t = lnln [A]0 + ((-- k . t )k . t ) lnln [A]t = lnln [A]0 -- kk . t equação de uma retaequação de uma reta y = ax + b coeficiente angular da retacoeficiente angular da reta
  31. 31. Prof. Nunes Medindo uma Constante de VelocidadeMedindo uma Constante de Velocidade Quando o ciclopropano é aquecido a 500 oC, ele converte-se em propeno. Os seguintes dados foram obtidos experimentalmente. DetermineDetermine aa contantecontante dede velocidadevelocidade dada reaçãoreação.. tempo [C2H6] 0 1,50 x 10-3 5 1,24 x 10-3 ln [C2H6] - 6,50 - 6,69 DQOI - UFC31 5 1,24 x 10 10 1,00 x 10-3 15 0,83 x 10-3 - 6,69 - 6,91 - 7,09 CoefCoef. da reta = K. da reta = K = (= ( -- 7,02)7,02) –– (( -- 6,56)6,56) = 13,3= 13,3 –– 1,71,7 KK = 0,040= 0,040 1/min1/min
  32. 32. Prof. Nunes Tempo de MeiaTempo de Meia--VidaVida É o tempotempo necessário para sua concentraçãoconcentração caircair aa metademetade dede seuseu valorvalor inicialinicial. DQOI - UFC32 t ½ Hgt ½ Hg++++ no sangue humano é de 6 dias6 dias antes de ser excretado.
  33. 33. Prof. Nunes Tempo de MeiaTempo de Meia--VidaVida DQOI - UFC33
  34. 34. Prof. Nunes Tempo de MeiaTempo de Meia--VidaVida A meia vidameia vida de uma reação de 1reação de 1aa ordemordem está relacionada a Krelacionada a K. Quanto maior for K DQOI - UFC34 Mais rápido o consumo do reagente Mais curto o t ½
  35. 35. Prof. Nunes Tempo de MeiaTempo de Meia--VidaVida lnln [A]t = lnln [A]0 - k . t lnln [A]t - lnln [A]0 = - k . t lnln [A]t / [A]0 = - k . t t1/2 = ln 2 DQOI - UFC35 Quando t = t ½ [A]t1/2 = [A]0 / 2 [A]t1/2 / [A]0 = 1/2 lnln ½ = - k . t1/2 lnln 2 = k . t1/2 t1/2 = ln 2 K KK tt1/21/2
  36. 36. Prof. Nunes ExercitandoExercitando Um composto A decompõe-se para formar B e C em uma reação que é de primeira ordem com relação a A e de primeira ordem global. A 25 °C, a velocidade específica constante para a reação é 0,0450 s-1. Qual é o tempo de meia-vida de A a 25 °C? DQOI - UFC36
  37. 37. Prof. Nunes ExercitandoExercitando A reação 22 NN22OO55(g)(g)  22 NN22OO44(g)(g) ++ OO22(g(g)) obedece a lei de velocidade = kk [N[N22OO55]], em que a constante de velocidade específica é 00,,0084000840 ss--11 a uma determinada temperatura. a) Se 2,50 moles de N2O5 foram colocados em um recipiente de 5,00 litros a essa temperatura, quantos moles de N2O5 permaneceram após 1,00 minutos? b) Quanto tempo seria necessário para que 90% do N2O5 reaja? DQOI - UFC37 b) Quanto tempo seria necessário para que 90% do N2O5 reaja?
  38. 38. Prof. Nunes ExercitandoExercitando 22 NN22OO55(g)(g)  22 NN22OO44(g)(g) ++ OO22(g(g)) V= kk [N[N22OO55]] K = 00,,0084000840 ss--11 DQOI - UFC38
  39. 39. Prof. Nunes ExercitandoExercitando 22 NN22OO55(g)(g)  22 NN22OO44(g)(g) ++ OO22(g(g)) V= kk [N[N22OO55]] K = 00,,0084000840 ss--11 DQOI - UFC39
  40. 40. Prof. Nunes ExercícioExercício Um poluentepoluente escapou em um local para piquenique. Estudos mostraram que o poluente decai por uma reação de primeira ordem com K = 3,8 x 10-3 /h. DQOI - UFC40 a) Calcule o tempo necessário para a concentração cair à metade do valor inicial. b) Calcule o tempo necessário para a concentração cair à 1/4 do valor inicial.
  41. 41. Olá colegas professores e caros estudantes, este aplicativo computacional pode ser acessado gratuitamente no endereço: http://www.quimica.ufc.br/cinética Peço-lhes a gentileza de avaliarem o aplicativo respondendo a um questionário objetivo com apenas poucas questões. Vossa opinião será fundamentalVossa opinião será fundamental para a melhoria do aplicativo e para a criação de outros títulos. Outros títulos são disponibilizados gratuitamente em: http://www.quimica.ufc.br/gdfceq Prof. NunesProf. Nunes

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