Trabalho de Cinética Química

Trabalho de Cinética Química

(Parte 1 de 3)

Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ Campus Francisco Negrão de Lima FEN – Faculdade de Engenharia

André Marques

E outros.

x@hotmail.com Matrícula: x

Rio de Janeiro 2011

Cinética Química

1. Introdução

Pensando fisicamente, a cinética está relacionada a “movimento. No entanto, nas reações químicas, não há movimento, mas sim mudanças de concentração.

Cinética química é a parte da química onde é estudada a velocidade das reações e os fatores que podem alterá-la, contribuindo para que seja mais rápida ou mais devagar.

Para melhor compreender este trabalho, vale a pena definir o que são as reações químicas. Uma reação química é uma alteração química onde matéria (um reagente ou vários reagentes) se converte em uma nova substância ou substâncias (um produto ou vários produtos).

Em relação à quantidade de participantes numa reação, temos a molecularidade, que nada mais é que o número de espécies químicas reagentes que participam da etapa determinante da reação. A molecularidade é sempre um número inteiro, pequeno e diferente de zero. Reações “unimolecular” ou “bimolecular” designam reações cuja molecularidade é, respectivamente, um e dois.

Algumas reações precisam de agentes externos para que aconteçam, outras acontecem espontaneamente. Umas são visíveis a olho nu, outras não podem sem percebidas nem mesmo com um microscópio. Umas acontecem em segundo e outras em milhões de anos.

A velocidade das reações deve ser conhecida para prever, por exemplo, em quanto tempo os medicamentos agem no nosso corpo, o tempo de oxidação de um material, a velocidade da reação para obtenção de energia em processos industriais e em muitas outras aplicações.

Para que uma reação ocorra efetivamente é necessário que os reagentes estejam em contato e que haja afinidade química entre eles. Assim, as moléculas colidem entre si, conforme será tratado mais detalhadamente quando falarmos de Teoria da Colisão.

A velocidade das reações está intimamente ligada ao conceito de equilíbrio químico. Após atingido o equilíbrio, temos a sensação macroscópica de que a reação terminou, mas a nível microscópico ela continua, só que as concentrações não se modificam mais. Isso acontece quando é atingido o equilíbrio dinâmico, as velocidades das reações de formação de reagente e de produto se igualam.

De modo geral, a velocidade de reação é a relação entre a variação da quantidade de reagentes ou produtos, expressa em massa, mols, moléculas, etc., pela variação de tempo.

aA + bB → cC + dReagentes → Produtos

Equação 01 – Velocidade média de uma reação

Normalmente, a concentração é indicada em mol/L, e representada por colchetes ([ ]), como na Equação 01, e o tempo em minutos ou segundos. Quando calculamos a variação da concentração dos reagentes, notamos que esta é negativa, pois a concentração final é menor que a inicial. Então, para que a velocidade calculada seja positiva trabalhamos a concentração dos reagentes em módulo, pois não existe velocidade negativa.

Equação 02 - Velocidade média de uma reação em módulo

A velocidade média de uma reação pode ser dada também pela relação entre a velocidade média de consumo de reagentes ou pela velocidade de formação de produtos pelos seus respectivos coeficientes na equação balanceada.

Ex.: N2 + 3H2 → 2NH3

Equação 03 – Velocidade média de uma reação calculada pelos seus respectivos coeficientes

A velocidade instantânea representa a variação na quantidade de um reagente ou produto num instante (menor intervalo de tempo que se possa imaginar) e é determinada pela inclinação da tangente à curva no ponto de interesse em um gráfico de concentração versus tempo, conforme podemos observar no Gráfico 01.

Gráfico 01 – Velocidade instantânea

As velocidades das reações químicas são determinadas através de leis empíricas, chamadas leis da velocidade, deduzidas a partir do efeito da concentração dos reagentes e produtos na velocidade da reação. As reações químicas ocorrem com velocidades diferentes e estas podem ser alteradas, porque além da concentração de reagentes e produtos, as velocidades das reações dependem também de outros fatores conforme será abordado a seguir.

2. Fatores que influenciam na velocidade das reações

Energia de ativação

A ocorrência de uma reação química está obrigatoriamente relacionada com o contato entre as moléculas reagentes e a uma energia mínima necessária. Esta energia mínima para a ocorrência da reação é chamada de energia de ativação.

A formação dos produtos a partir dos reagentes é um processo gradual em que as ligações dos reagentes são quebradas em paralelo com a formação das ligações dos produtos. Este estado intermediário em que algumas ligações estão semi-quebradas e outras semi-formadas é conhecido como complexo ativado. O complexo ativado é uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos, com ligações intermediárias entre as dos reagentes e as dos produtos.

Outra exigência para a formação do complexo ativado é que as moléculas reagentes colidam com orientação favorável à formação do mesmo. Colisões com energia e orientação adequadas à formação do complexo ativado são chamadas de colisões efetivas.

A energia de ativação da reação corresponde à energia necessária para que a reação se efetive menos a energia dos reagentes. Quanto mais baixa for à energia de ativação de uma reação, mais elevada será a velocidade da mesma.

· Uma reação é chamada de exotérmica quando fornece para o meio uma energia mais alta que a necessária para se atingir o complexo ativado.

· Quando uma reação é endotérmica, ela fornece para o meio uma energia mais baixa que a necessária para se atingir o complexo ativado.

Experimentalmente, sabemos que reações diferentes apresentam energias de ativação diferentes e que as reações exigem menor energia de ativação ocorrem mais facilmente, ou seja, com maior velocidade.

Concentração

A variação da concentração dos reagentes numa solução, influência o número de colisões e, em conseqüência, a velocidade (V) da reação.

Essa velocidade está diretamente relacionada a mudança da concentração ([X]), reagente ou produto, dividido pelo intervalo de tempo (t) no qual a mudança ocorre.

Ou seja:

V = d[X] / dt

No caso hipotético de termos reagentes em quantidade infinita, ou constantemente repostos, de tal forma que a variação de suas concentrações seja nula d[X]/dt=0, a velocidade da reação é constante. Num sistema fechado não é possível repor os reagentes e a reação tende, de fato, para o equilíbrio químico no qual as concentrações dos produtos e dos reagentes ficam macroscopicamente inalteradas. Antes de atingir o equilíbrio, devemos considerar estados intermediários e identificar as leis segundo as quais a velocidade da reação varia.

De maneira geral a velocidade é uma função da concentração, V=f([X]). O que, matematicamente, pode se expressa pela relação conhecida como Lei de velocidade da reação:

V= -k[X] n

Onde k é uma constante de proporcionalidade e n é um expoente que indica a ordem da reação, sendo k e n obtidos experimentalmente. O sinal negativo indica que a concentração dos reagentes decai em função do tempo. Quanto à constante k (também chamada de coeficiente de velocidade) é uma função da temperatura. Podendo ser obtida a partir da expressão, abaixo, conhecida como Eq. de Arrhenius:

k(T)= α exp (-Ea / RT)

Em que α é o chamado fator pré-exponencial, Ea é a energia de ativação e R é a constante dos gases ideais.

Suponha a reação genérica:

A + B à Produtos

Obtemos a lei de velocidade da reação através da equação que mostra a influência da concentração molar de todos os reagentes, com relação à velocidade do processo químico. Dessa maneira, a equação geral pode ser Expressa da seguinte forma:

V = k [A]m [B]p

Em que m e p são os expoentes obtidos experimentalmente, os quais não se relacionam necessariamente com os coeficientes da equação química.

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