Velocidade de Reação

Velocidade de Reação

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA

CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS

DISCIPLINA: FÍSICO – QUÍMICA I

PROFESSORA: VÂNIA RASTELLY

Velocidade da Reação

Feira de Santana-Ba

Março / 2009

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA

CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS

DISCIPLINA: FÍSICO – QUÍMICA I

PROFESSORA: VÂNIA RASTELLY

Relatório requerido pela docente Carla Mendes que ministra a disciplina EXA 411 Química Orgânica II, do Departamento de Ciências Exatas. Elaborado por: Danilo Freitas, Isabela Carvalho e Thiara Marçal que cursam Engenharia de Alimentos nesta universidade.

Feira de Santana-Ba

Março / 2009

INTRODUÇÃO

É muito importante saber-se com que velocidade certos processos químicos ocorrem. O ramo da ciência que trata desta área importante é a cinética química (do grego “movimento”).

A cinética química tem importância sob diversos aspectos. De uma parte ela é a fonte mais útil de informação de como as reações químicas ocorrem – isto é, os mecanismos das reações químicas – que é um dos problemas mais interessantes da química moderna. Por outro lado, um conhecimento das velocidades das reações é essencial para o sucesso de muitos processos químicos industriais; ele permite ao químico selecionar as condições de uma reação de modo a obter a velocidade ótima nas condições mais econômicas.

Além disso, a cinética química é importante na biologia e na medicina, porque a saúde representa um balanço entre um grande número de reações que ocorrem em nosso organismo. O desenvolvimento de catalisadores, que são substâncias que fazem com que as reações ocorram mais rapidamente, é um ramo da cinética química que é crucial para a solução de problemas importantes, tais como a fome no mundo e o desenvolvimento de novos combustíveis.

A velocidade de uma reação é, geralmente, definida como a velocidade com que os reagentes são transformados nos produtos em qualquer instante selecionado, sob um dado conjunto de condições experimentais. Ou seja, a velocidade de uma reação é a velocidade da conversão líquida dos reagentes nos produtos.

A velocidade de uma reação depende geralmente da(s) concentração(ões) de um ou mais reagentes e, às vezes, de um ou mais produtos. Portanto, no estudo da cinética de uma reação, uma primeira etapa consiste em determinar quais são os reagentes e produtos cujas concentrações influem na velocidade da reação a uma dada temperatura. A etapa seguinte é estabelecer como a velocidade da reação depende da concentração dessas espécies envolvidas – isto é, a assim ”dependência velocidade /concentração”. A expressão algébrica que relaciona a concentração e a velocidade é denominada lei de velocidade de reação. É importante entender que a lei de velocidade não pode ser determinada a partir da equação simplificada da reação, mas deve ser obtida a partir de medidas experimentais de velocidade de reação. Considere, por exemplo, a seguinte reação hipotética e homogênea:

aA + bB cC + dD.

A lei de velocidade dessa reação é:

v = k[A]m[B]p

onde k é a constante de velocidade da reação, que é típica de cada reação e varia com a temperatura. Os expoentes m e p são determinados experimentalmente e não são necessariamente iguais aos coeficientes estequiométricos da reação.

Após a determinação da dependência velocidade/ concentração de uma reação sob um dado conjunto de condições experimentais, a próxima etapa é determinar como a velocidade da reação é influenciada pelas mudanças nas condições experimentais, como a temperatura, a pressão, o tamanho de partícula dos reagentes sólidos e a presença de catalisador.

A relação entre temperatura e velocidade das reações químicas afeta muita situações do cotidiano. O aumento da temperatura tende a elevar a velocidade de uma reação, porque quanto maior for a temperatura maior será a proporção de moléculas que terão energia suficiente para reagir.

Aumentando-se a concentração dos reagentes aumentam-se os números de colisões das moléculas, e conseqüentemente, aumenta a velocidade da reação. Portanto, a velocidade é diretamente proporcional a concentração dos reagentes.

Quanto maior a superfície de contato, maior o número de choques efetivos entre as partículas dos reagentes e, portanto, maior será a velocidade da reação.

Catalisadores são substâncias que aceleram uma reação, mas não sofre, no processo, modificação da sua natureza química. A sua função é diminuir a energia de ativação da reação.

OBJETIVO

Estudar os fatores que influem na velocidade de uma reação.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiais e reagentes:

  • Ácido Oxálico (H2C2O4) 0,5 M;

  • Batata;

  • Béquer de 100mL;

  • Cronômetro;

  • Espátula;

  • Fígado;

  • Limalha de ferro;

  • Óxido de manganês (MnO2);

  • Permanganato de Potássio (KMnO4) 0,04M;

  • Permanganato de Potássio (KMnO4) 0,004M;

  • Permanganato de Potássio (KMnO4) 0,0004M;

  • Peróxido de hidrogênio (H2O2);

  • Pregos;

  • Solução 2M de HCl;

  • Termômetro;

  • Tubos de ensaio.

Procedimentos

Parte I

Procedeu da seguinte forma, inicialmente colocou um prego de ferro num tubo de ensaio, após adicionou uma solução de acido clorídrico 20%.Procedendo da mesma forma com a limalha de ferro, que em seguida foi observado o que aconteceu.

Parte II

Colocou-se no tubo de ensaio água oxigenada e adicionou alguns cristais de MnO2. Com isso observou a reação de decomposição da água oxigenada.

Parte II-b

Pegou-se quatro béqueres, enumerando-os de 1 a 4. No primeiro colocou-se um pedaço de batata crua e peróxido de hidrogênio, no segundo adicionou um pedaço de fígado cru e peróxido de hidrogênio. No terceiro e quarto colocou-se, respectivamente, pedaços de batata cozida e pedaços de fígado cozido e adicionou peróxido de hidrogênio e observou os resultados nas 4 amostras.

Parte III

Adicionou em um erlenmeyer 10 mL de ácido clorídrico (HCl) 2M e 6 mL de ácido oxálico 0,5M, deixou a mistura em repouso marcando o tempo de descoramento, repita o procedimento usando agora uma solução de KMNO4 a 0,004M e outra usando uma solução de KMNO4 0,0004M. Observando o tempo de descoramento para cada solução.

Parte IV

Inicialmente procedeu-se da seguinte forma, encheu-se um béquer com água gelada, a qual foi aferida a temperatura, adicionou-se nesta um comprimido efervescente, anotando o tempo de dissolução completa. Procedeu da mesma maneira usando água à temperatura ambiente e água quente. Observando e anotando o tempo de dissolução de cada caso.

RESULTADOS

Parte I

Influência da superfície de contato

Quando adicionou a solução de ácido clorídrico 20 % no tubo de ensaio contendo um prego de ferro (ferro maciço), observou-se que a reação se processou de forma moderada, ou seja, não ocorreu de forma instantânea. Ao contrário, observou-se que quando se adicionou ácido clorídrico no tubo de ensaio contendo limalha de ferro (ferro em pó), a reação ocorreu com uma maior velocidade quando comparada com o tubo que continha o prego de ferro.

Parte II

Influência do catalisador

Quando adicionou cristais de óxido de magnésio (MnO2) no tubo de ensaio contendo peróxido de hidrogênio (H2O2), observou-se que a reação se processou de maneira muito veloz, havendo desprendimento de gás.

Parte II-b

Ao adicionar peróxido de hidrogênio (H2O2) nos béqueres contendo a batata crua e o fígado cru, percebeu-se que a reação ocorreu com uma alta velocidade. Quando se adicionou o peróxido de hidrogênio nos béqueres nos quais continham a batata cozida e o fígado cozido, observou-se que a reação ocorreu de maneira sutil, ou seja, mais lenta do que o ocorrido com a batata crua e com o fígado cru.

Quando se comparou as reações ocorridas nos béqueres do fígado e da batata, verificou-se que a reação processada com o fígado foi mais rápida do que a reação com a batata.

Parte III

Influência da concentração

Ao adicionar o Permanganato de Potássio nos erlenmeyer, observou-se que a descoração se processou mais rapidamente no erlenmeyer que continha o permanganato de potássio de menor concentração (KMnO4 0,0004 M).

Parte IV

Influência da temperatura

Ao adicionar o comprimido efervescente nos béqueres contendo água gelada, água a temperatura ambiente e água quente, nas quais se encontravam a temperaturas de 18ºC, 27ºC, 50ºC, respectivamente, verificou-se que a dissolução completa do comprimido ocorreu de forma mais rápida no béquer que continha água quente (50ºC), gastando pouco tempo pra o comprimido se dissolver completamente. No béquer contendo água a temperatura ambiente (27ºC), a dissolução ocorreu com uma velocidade moderada. E no béquer contendo água gelada (18ºC), a dissolução completa do comprimido se processou de forma lenta, gastando um maior tempo pra se dissolver completamente.

DISCUSSÃO

Parte I-Influência da superfície de contato:

O experimento realizado expressa a influência da superfície de contato na velocidade da reação. Para ocorrer uma reação química é necessária que as espécies reagentes colidam entre si numa orientação favorável e com energia suficiente para romper as ligações dos reagentes e a formação das ligações dos produtos.

Assim quanto maior for a superfície de contato entre os reagentes a possibilidade de um maior número de choques efetivos ocorrer aumenta, essa maior superfície de contato aumenta a velocidade da reação. Isso foi comprovado no experimento através da visualização direta da reação, pois imediatamente ao reagirmos limalha de ferro (ferro em pó) com ácido clorídrico 20% a reação foi instantânea com uma velocidade alta favorecida pela enorme superfície de contato entre os reagentes. Já na reação do prego (ferro maciço) com ácido clorídrico 20% a reação foi bem mais lenta, pois a dificuldade das colisões efetivas ocorrerem diminuíram consideravelmente pela diminuição da superfície de contato, diminuindo assim a velocidade da reação.

Fe(prego) + HCl(aq) FeCl2(aq) + H2(g)

Fe(limalha) + HCl(aq) FeCl2(aq) + H2(g)

Parte II (a)- Influência do catalisador

O catalisador é uma substância (no experimento o óxido de manganês) que aumenta a velocidade de uma reação, porque ele diminui a quantidade de energia que as moléculas necessitam atingir (energia de ativação Ea) para a realização de choques efetivos, o catalisador atua no mecanismo da reação na etapa lenta, justamente a etapa que determina a velocidade da reação, criando uma nova rota para a reação muito mais favorável. Na prática realizada temos uma catálise heterogênea, onde o catalisador é um óxido sólido e o reagente é um liquido (o peróxido de hidrogenio). O catalisador nessa como em qualquer reação permanece inalterado qualitativa e quantitativamente após a reação se processar não participando da formação dos produtos.

A decomposição do peróxido de hidrogênio sem a presença de um catalisador se efetua espontaneamente, mas a velocidade dessa reação é muito baixa, quando comparada essa reação ocorrendo na presença do catalisador (óxido de manganês) que oferece uma nova rota para essa reação, pois propicia à reação a necessidade de uma menor energia de ativação, então um maior número de moléculas vão ter energia suficiente para se colidirem de forma efetiva, consequentemente a velocidade da reação irá aumentar.

MnO2

2 H2O2(aq)    2 H2O(aq) + O2(g)

Parte II(b)-Catálise enzimática

No experimento realizado com a batata e o fígado, uma enzima (catalase, um tipo de peroxidase) presente em ambos funciona como catalisador (numa catalise enzimática) da reação de decomposição da água oxigenada.

Essa enzima é uma proteína que atua como catalisador em reações biológicas, por conter um sítio ativo específico para o substrato, transformando o reagente em produto, o sítio ativo como em qualquer outro catalisador retorna a seu estado original depois que os produtos são formados. A catalase apresenta temperatura ótima de atividade ao redor dosa 37ºC, mas a temperatura ambiente tem um bom funcionamento catalítico.

No experimento realizado com a batata sem cozimento prévio a decomposição da água oxigenada na reação foi a uma velocidade média, quando comparamos com a velocidade da decomposição do fígado cru na mesma temperatura ambiente que teve uma velocidade bem mais elevada de decomposição, esse fato deve-se a maior concentração de catalase no fígado com relação à batata.

A estabilidade e o funcionamento de uma enzima (proteína) decrescem ou ela é desativada quando trabalhamos com temperaturas elevadas ( como a 60 graus) tendo sua atividade catalítica das reações desativada. Na realização do experimento onde a batata e o fígado foram colocados em um béquer com água e postos para uma fervura previa, estávamos na verdade desnaturando a catalase, impedindo que elas realizassem o seu poder catalítico.Assim quando colocamos a batata e o fígado em contato com a água oxigenada para reagir essa reação na ocorreu devido a enzima ter sido desnaturada e onde essa enzima só atua na temperatura ambiente e a temperatura estava em 55 ºC,

O nome do gás constituinte das bolhas é o gás oxigênio.

Parte III – Influência da concentração

O aumento da concentração dos reagentes promove o aumento do número de colisões entre as moléculas. Isso faz com que a probabilidade de colisões efetivas acontecerem para a formação do complexo ativado seja maior. Logo, quanto maior a concentração dos reagentes, maior será a velocidade da reação.

Porém o experimento realizado não foi coerente com a teoria pois a reação ocorreu mais rapidamente com o Permanganato de Potássio de menor concentração.

V=d[A]/dt

V1 = 0, 04 / 361

V1 = 0, 0001108 Mol / seg.

V2 = 0, 004 / 262

V2 = 0, 0000153 Mol / seg.

V3 = 0,0004 / 77

V3 = 0, 00000519 Mol / seg.

Média das velocidades

Vm = (V1 + V2 + V3) / 3

Vm = (0, 0001108 + 0, 0000153 + 0, 00000519) / 3

Vm = 0, 00004376 Mol / seg.

Parte IV- Influência da temperatura

Um aumento da temperatura do meio onde a reação se processa provoca um aumento na energia cinética das moléculas, que consequentemente aumenta a taxa de choques num intervalo de tempo, assim o número de choques efetivos aumenta , elevando a velocidade da reação.

Experimentos realizados a temperaturas elevadas tendem a ser mais rápidos. Fato que foi comprovado na pratica onde três pedaços iguais do comprimido efervescente (bicarbonato de sódio e carbonato se sódio) foram postos para reagir em temperaturas distintas.

CONCLUSÃO

Sendo assim, com estes experimentos, discutiu-se sobre a importância da cinética química, e disto a necessidade de conhecerem-se os fatores que influem na velocidade de uma reação química.

E vimos em um dos experimentos que o mesmo não foi condizente com a teoria.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ATKINS, P. W; PAULA, Julio de. Fisico-quimica. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC Ed, c2004. v.3

ATKINS, P.W.(Peter William); JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001.

RUSSELL, John B. Quimica geral. 2. ed Sao Paulo: MAKRON Books, c1994. 2 v ISBN 8534601925 v.1

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