Relatório Cinética Química

Relatório da aula experimental de cinética química

Leonardo Soares Fernandes

Universidade Federal Fluminense

         IUUniversidade Federal Fluminense

Niterói, primeiro de julho de dois mil e dez

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Relatório da aula de cinética química referente à disciplina de Química Geral Experimental do primeiro período do curso de Engenharia Química da Universidade Federal Fluminense, orientado pelo professor Antônio e realizado pelo aluno Leonardo Soares Fernandes.

Niterói, 01/07/2010

                                Introdução

        Existem diferentes conceitos relacionados a produtos e reagentes na química. A entropia, entalpia e a variação de energia livre de Gibbs são consideradas funções de estados, pois dependem apenas de seu estado inicial e final, sendo indiferente o caminho da reação. Diferentemente dessas grandezas, a cinética estuda o que ocorre entre o estado inicial e o final, ou seja, entre os reagentes e os produtos. A cinética mede, portanto, a velocidade com a qual determinada reação química ocorre.

Como é de se esperar, diferentes reações ocorrem a diferentes velocidades. Algumas reações, como a de formação da água a partir do hidrogênio molecular e do oxigênio molecular, são tão lerdas que em condições ambientes praticamente nenhuma transformação apreciável é observada durante anos. Porém, se uma faísca elétrica for solta na mistura gasosa,a reação ocorre quase que imediatamente e de maneira violentíssima. A faísca acelera a velocidade da reação. Alguns compostos e diversas mudanças no sistema tem o poder de mudar a velocidade da reação.  

O cálculo da velocidade média da reação: A velocidade média de reações da química é semelhante a definição física, sendo, a única diferença, que não é a variação do espaço que ocorre, mas sim, a variação da concentração molar. Segue abaixo sua forma genérica de cálculo:

Reação química:  aA + bB → cC + dD

        Vm = -Δ[A] / aΔt  =  - Δ [B]/ bΔt  =  Δ [C]/ cΔt =  Δ [D]/ dΔt

        O sinal negativo nas 2 primeiras equações é justificado pois as mesmas representam consumo do reagente, logo, a concentração final é menor que a inicial, o sinal negativo faz com que a velocidade média apra todos os termos seja positiva. Ao mesmo tempo, a divisão pelo coeficiente, compensa possíveis erros no cálculo devido a proporções estequiométricas diferentes de 1:1.

        Para reações químicas que ocorrem em mais de uma etapa, leva-se em consideração no calculo da velocidade de reação, apenas a etapa mais lenta.

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        Figura 1: O gráfico ilustra como diminui a concentração do reagente A com o tempo. Como na teoria, nenhuma reação se completa 100%, a reta Ox é assíntota ao gráfico.

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Figura 2: O gráfico ilustra como aumenta a concentração do produto C com o tempo. O instante t = 0 foi o instante no qual os reagentes foram colocados em contato, indicando o início da reação.

Fatores que influenciam nas velocidades das reações: São diversos os fatores que podem influenciar na velocidade das reações químicas, com intensidades diferentes, são eles:

- Superfície de contato: Como regra geral, quanto maior for a superfície de contato entre os reagentes, maior será a velocidade da reação. Se adicionarmos por exemplo, zinco metálico de mesma massa em formato de cubo e em formato de esfera, a diferentes frascos contendo HCl, a produção de gás cloro no frasco contendo o zinco em formato de cubo será maior, pois a geometria euclidiana garantes que a superfície do cubo é maior que a da esfera.

- Temperatura: De acordo com a teoria das colisões, para que uma reação química ocorra, deverá haver colisões entre as partículas de modo a quebrar suas ligações químicas e quanto maior for o número de colisões, mais rápida será a reação química. Com o aumento de temperatura, ocorre necessariamente o aumento da energia cinética das partículas e, consequentemente, um maior número de colisões. Por essa maneira, um aumento de temperatura aumenta a velocidade da reação tanto para reações endotérmicas quanto para exotérmicas.

- Pressão: Um aumento de pressão também contribui para um aumento de choques entre compostos gasosos. Por esse motivo, um aumento de pressão contribui para um aumento da velocidade da reação químicas.

- Concentração: Pela lei de Guldberg-Waage ou “Lei da ação de massas”, quanto maior forem as massas ativas dos reagentes, maior será a velocidade da reação química. Dessa maneira, um aumento na concentração de determinado composto irá favorecer um aumento da velocidade das reações químicas.

- Catalisador: Algumas substâncias têm a capacidade de acelerar ou diminuir a velocidade de uma reação química. Essas substâncias não são consumidas nem produzidas, mas utilizadas em reações intermediárias que conseguem mudar a velocidade de determinadas reações. Tais substâncias são denominadas catalisadores, que podem ser de catálise positiva (aumenta a velocidade da reação) ou de catálise negativa (diminui a velocidade da reação). Em alguns casos, ocorre a autocatálise. Nesses casos, a reação química produz o seu próprio catalisador e a reação começa devagar e fica mais rápido com o passar do tempo.

        Velocidade instantânea: Novamente, assim como na física, pode-se definir o conceito de velocidade instantânea de uma reação química. Na física, tal velocidade é definida como sendo o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico espaço x tempo. Um conceito semelhante é utilizado na química, com a única diferença que a variante y não é o espaço, mas a concentração molar.

        Dessa maneira, a velocidade instantânea para uma determinada reação química é a derivada da função em um determinado ponto e é definida por d[A] / dt. Se A for um reagente, deve-se colocar um sinal negativo antes da derivada. Após a efetuação do cálculo da derivada, é demonstrado que a velocidade instantânea de uma reação química pode ser dada pela equação abaixo:

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