Cinética Química

Notas de Aula

1. Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciéncias

Departamento de Química Orgánica e Inorgánica
Química Geral e Orgánica

Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
[email protected]

2. Cinética Quimica

É o estudo das velocidades de reagóes químicas.

monitorar a atmosfera (efeitos dos poluentes)

desenvolvimento de catalisadores

biologia e medicina
saúde representa um balango entre um grande número de
reacöes (metabolismo).
doenga frequentemente é um sinal que a velocidade de reagöes
importantes biologicamente mudaram muito.

3. Definicóes

Prot. Nunes

> Avelocidade de uma reaçäo descreve como reagentes sao consumidos e os

> Cinética química é o estudo das taxas de reaçôes químicas, os fatores que
afetam a velocidades de reacáo, e os mecanismos (série de etapas), pelos
quals as reacóes ocorrem.

> As reaçôes químicas ocorrem com velocidades muito diferentes.
> Por exemplo, reagöes de combustáo, tais como a queima do
(presente no gas natural) e a combustáo de isooctano, C¿H;g,
(presente na gasolina) ocorrem muito rapidamente, ás vezes
explosivamente.

CH,(g) + 20,(@) — CO,(g) + 2H,0(g)
2C Hy g(g) + 250,(g) — 16CO,(g) + 18H,0(g)

4. Velocidade de Reacöes

Prof. Nunes

> As velocidade das reagöes säo geralmente expressas em unidades de
moles por litro por unidade de tempo.

> Se nds conhecemos a equagäo química de uma reaçäo, sua
seguindo a variagäo na concentragäo de qualquer produto
ou reagente que pode ser detectada quantitativamente.

V = - A (concentragäo do reagente)
A (tempo)

o sinal negativo torna a velocidade positiva.

5. Velocidade de Reacóes

Vamos estudar a reacáo: 2 Hig) — Haq) + lag)

Se a velocidade da reagáo anterior é
5,0 x 10%, qual é a velocidade da
reaçäo em termos de [H,]?

2 moles HI
säo consumidos

1molH,

é formado

V= 25x109_Mol(H) _
LS

6. Velocidade de Reacóes

> Considere como um exemplo a reacáo em fase gasosa que ocorre quando
misturamos 1,000 mol de hidrogénio e 2,000 moles de cloreto de iodo a 230 °C
em um frasco lacrado de 1 litro.

H,(g) + 21Cl(g) — L(g) + 2HCIg)

/ A[H)] / ATIC /Al[T,] \

1 /AIHCN\
| Ar

IT, ere a)”

7. Velocidade de Reacöes

LL (a) + 21C > L(g) + 211CKg)

A[ICI] )-

Velocidade
da reagäo Ar

1/
7

Comsensracion e

1.000 M Hy

11:1
(awit)

1.000

0.556
0,586

0.520
0484

8. Velocidade de Reacóes

lg) + 21CKig) —> L(g) + 211CKg)

(at | _

= | \ Ar /

/ ATH.) 1 (auc) L
\ Ar 2 ar |

2000 4

2
E

Time (s)

9. Velocidade Instantánea de Reaçôes

> A de reaçäo no tempo t (2,0 segundos, por exemplo)
€ o negativo da inclinagäo da tangente da curva no tempo t.

> ~slope = initial rate

1.000 44

Lime (s)

> Vemos que a velocidade da reaçäo com o tempo.

10. Velocidade Instantánea de Reacóes

Outro Exemplo: Concentraçäo da

armazenada a 25 °C.

consortraçäo
molar ImelL)

2.1

0.076 moi.
Osemanes

OmollL.
\ 12 semanas

x

0,045 mou.
Osemanas

10 semanas

/ OmolL
17semanes

a
10 20

tempo (semanas)

11. Fatores que Influenciam a Velocidade de Reacóes

Prof, Nunes

tém efeitos marcantes sobre as velocidades das reaçôes
químicas.

1) a natureza dos reagentes,
2) concentracóes dos reagentes,
3) temperatura, e
4)

presença de um catalisador.

O entendimentos destes efeitos pode nos ajudar a controlar as velocidades das
reacóes

12. Natureza dos Reagentes

Os estados físicos das substäncias reagentes sao importantes na
determinaçäo da sua reatividade.

Uma poga de gasolina pode queimar sem problemas, mas os
de gasolina pode queimar explosivamente.

Dois liquidos imisciveis podem reagir lentamente em sua interface, mas se
eles estäo para proporcionar um melhor contato, a

13. Natureza dos Reagentes

O fósforo branco e o sáo diferentes formas sólidas
(alótropos) de fósforo elementar.

O fósforo branco inflama quando exposto ao oxigénio no ar.

Por outro lado, o pode ser mantida em aberto
recipientes para longos períodos de tempo sem reacáo perceptivel.

14. dos Reagentes

Prot. Nunes

> Giz em pó (CaCO,) reage rapidamente com ácido cloridrico diluído, pois tem
uma grande área de superfície total.

> Um bastáo de giz tem uma área muito menor, assim que reage muito mais

jes

lentamente.

15. Concentracáo dos Reagentes

Como as concentracóes de reagentes mudam a temperatura constante, a
velocidade de reacáo varia.

A expressáo da para uma reacáo descreve como sua
velocidade depende das concentraçôes, isto é, a lei de velocidade é
deduzida experimentalmente para cada reaçäo em estudo

A para uma reacáo na qual A e B sáo reagentes é expressa
da seguinte forma:

= kA} BP’...
A constante k é chamada de constante de velocidade específica (ou

apenas a constante de velocidade) para a reacáo a uma temperatura
particular.

16. Os valores dos expoentes, x e y, e da nao tém
qualquer relagáo necessária com os coeficientes estequiométricos na
equaçäo química balanceada da reaçäo global, e devem ser determinados
experimentalmente.

= AAP BP...

As grandezas com que as concentracóes sao elevadas, x e y, sao:
geralmente números inteiros, ou
zero, mas
ocasionalmente sáo fracionários ou
mesmo negativo.

x = 2 significa que o velocidade é diretamente proporcional ao quadrado da
concentraçäo.

X = 0 significa que a velocidade nao depende da concentragäo desse reagente

17. Concentracáo dos Reagentes

O valor de x é dito ser a ordem da reagäo com respeito a Ae

A ordem global da reaçäo é x+y. Exemplos de leis taxa observada para
algumas reagées seguir.

3NO(g) —> N,O(g) + NO,(g) = [NO]?
2NO,(g) + F,(g) —> 2NO,K(g) = KINO, [8]

2NO;(g) — 2NO(g) + Od = HNO,

H,O,{aq) + 317 (aq) = 2H (aq) — 2H20(0) + Llao = &[H,O,)-]

18. Plotando as

Reacóes de 1? Ordem

2 N¿Os (g, > 4 NO, (g, + Oz (9)

como uma funçäo da

V = K. [N,0,]

- dá uma reta

\ sa

19. Reacóes de 27 Ordem

| 2 NOz(g, > 2NO (g, + Oz (g) |

Plotando as como uma funçäo da

Plotando as velocidades iniciais como uma fungáo das [NO,]? - dá uma reta

20. Reacóes de Ordem Zero

2 NH (9 > Na + 3 Ho |

Embora a maioria das reacóes sejam de 12 ou 22 ordem, existem reagöes com
outras ordens..

Reacuioa rats —

Time >

é tida como de

21. Constante K - Pontos Importantes

Uma vez que as , os dados experimentais
devem ser usados para determinar o valor de k para uma reaçäo em
condicöes adequadas.

O valor de k que determinamos é de uma reagáo específica, representado
por uma equagáo balanceada.

As unidades de k dependem da ordem global da reacáo.

O valor de

22. Constante K - Pontos Importantes

O valor de k náo muda com o tempo.

e) refere-se a uma reacáo a uma temperatura específica e

Temperatura, K Contante de Velocidade

— 4NOz + 02 £[N20s] 298 37 x 10551
318 51104
328 1,7 103
336 5,2 x 10%

O valor de k é dependente do fato de um catalisador está presente ou náo.

23. nte K — Determinacáo Experimental

Podemos usar o método das velocidades iniciais para deduzir a lei de
velocidade experimentalmente.

Normalmente conhecemos as concentragöes de todos os reagentes no inicio
da reaçäo. , entáo,
correspondente a estas concentragöes iniciais

A+2B >C

Initial Initial Initial Rate of
Experiment [A] [B] Formation of C

1.0 x 10-7 M 10-7 M 1076 Mes“!
1.0 x 10-2M 10-2 M 1076 Mes“!
2.0 x 10-2 M 1.0 x 102 M 6.0 X 1076 Mest!

V=K IAF. [By

V=K IAF. [By

24. nte K — Determinacáo Experimental

Podemos usar o método das velocidades iniciais para deduzir a lei de

velocidade experimentalmente.

Normalmente conhecemos as concentragöes de todos os reagentes no inicio

da reaçäo. , entáo,
correspondente a estas concentragöes iniciais

A+ 2B >C

Initial Initial
Experiment [A] [B]

Initial Rate of
Formation of C

1.0 x 1072 M 1.0 x 1072 M
TOk 10-2? M 2.0 x 102 M
2.0 10-2 M 1.0 x 1072 M

1.5 X 1076 Mes“!
FUK 1076 Mes"!
6.0 K 1076 Ms”!

V=K [AF .[BJ'

V=K/Ay'. [By

25. nte K — Determinacáo Experimental

Considerando os dados a seguir, determine a expressáo da
o valor da constante de velocidade para a reaçäo

2A+B+C—>D+E

Initial Inicial Initial Initial Rate of
Experiment JAI IB] ICI Formacion of E

0.20 47 y 0.20 M 2.4 1076 M-min=!
0.40 M 0.30 2 0.20 M 9.6 x 107° M-min=!
0.20 47 0.20 4 2.4% 1076 Memin=!
0.20 44 0.60 AT 72x10 5 Memin 1

26. Concentracáo versus Tempo

Quanto ozónio estará presente em uma regiáo da atmosfera em dezembro?

Quanto SO, pode ser produzido em uma hora?

Estas questóes podem ser respondidas usando a

27. Velocidade Integrada de 1? Ordem

Para reagóes de 12 ordem,

pode ser obtida pela seguinte equaçäo:

[A], = concentragáo molar de A no tempo t
[A], = concentragäo molar inicial de A

K = constante da reaçäo

IL || Tb
10 20 30 t= tempo de reaçäo
‘tempo (semanas)

28. Velocidade Integrada de 1? Ordem

Note que quanto >

29. Propriedades Logaritmicas

Ina.b = Ina +

Ina/b = Ina -

30. Lei de Velocidade Integrada

In [A], = In

= In [A], + In

= In [A] +

In [Alo

_

equagäo de uma reta

31. Medindo uma Constante de Velocidade

Prot. Nunes

Quando o ciclopropano é aquecido a 500 °C, ele converte-se em propeno. Os
seguintes dados foram obtidos experimentalmente. Determine a contante de
velocidade da reaçäo.

In [CH]
1,50 x 103
1,24 x 103
1,00 x 103
0,83 x 103

Coef. dareta=K = (- 7,02) - ( - 6,56)
=13,3-1,7

K 40 1/min

32. Tempo de Meia-Vida

necessário para sua

Î

| Rergense A

no sangue humano é de antes de ser excretado.

33. Tempo de Meia-Vida

Prot. Nunes

0.0600 +

0.0000
0

34. Tempo de Meia-Vida

de uma reagáo de 12 ordem está

I

[Reagents A]

Ly cue

Quanto maior for K

Vv

Mais rápido o consumo do reagente

Vv

Mais curto o

35. Tempo de Meia-Vida
[A], = In [A], -k.t

[A], - In [Alp = -k.t

[A], / [Al = -k.t

Quandot=t ,,
[Alı2 = [Al /2

[Akı2 / [Al = 1/2

= -k.ti
= k.ti

36. Exercitando

Prot. Nunes

Um composto A decompée-se para formar B e C em uma reaçäo que é de
primeira ordem com relaçäo a A e de primeira ordem global. A 25 °C, a
velocidade específica constante para a reaçäo é 0,0450 s‘1. Qual é o tempo de
meia-vida de Aa 25 °C?

37. Exercitando

Prot. Nunes

Areacáo 2 N2Os(g, 2 N2O4(g) + Og) Obedece a lei de velocidade = , em

que a constante de velocidade específica é a uma determinada

temperatura.

a) Se 2,50 moles de N,O, foram colocados em um recipiente de 5,00 litros a
essa temperatura, quantos moles de NO; permaneceram após 1,00
minutos?

b) Quanto tempo seria necessário para que 90% do N,O; reaja?

38. Exercitando

V= k [NOs] K = 0,00840 s-'

In [NOs] = In [N,O5]q — akt
= In (0.500) — (2)(0.00840 s=1)(60.0 s) = —0.693 — 1.008

39. Exercitando

V= k [NOs] K = 0,00840 s-'

mol

0
2 mol NO, = 500 L x 2227 — 0910 mol NO,

40. Exercicio

Um poluente escapou em um local para piquenique. Estudos mostraram que o
poluente decai por uma reaçäo de primeira ordem com K = 3,8 x 10% /h.

b) Calcule o tempo necessário para a concentracáo cair á 1/4 do valor inicial.

41. D Avancar

F BAM seco e clique no botáo "Avangar“.

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