Controle da velocidade das reações químicas

Química Geral
Aplicada a
Engenharia
1º. Sem./2011
Engenharias

© Prof. Nelson Virgilio Aula 13

•Velocidade •Fatores •Presença de
das reções que catalisadores
afetam


Cinética Química

• O que é Cinética Química ?
• Para que serve a Cinética
Química ?
• Qual a sua importância para os
processos químicos e físicos ?
• Por que o controle das
velocidades das reações é vital
para o ser humano ?
• Quais as aplicações no dia a dia
e na engenharia ?


Cinética Química


Cinética Química

Rápidas Lentas


• 2 NaN3 (s)  3 Na (s) + 3 N2 (g)

Cinética Química

H2 (g) + I2 (g)  2 HI (g)
t0 1 mol 1 mol 0
t1 (1-x1) (1-x1) 2.x1
t1/2 (1-0,5) (1-0,5) 1 mol

t 0 0 2 mols


Cinética Química
Q (mol)
I2 + H2
(2 mols)

(1 mols)

2 HI
(0 mol)
t0 t1 t1/2 t tempo
• Velocidade de consumo  v  [reagentes]
• Velocidade de formação  v  [produtos]

Cinética Química
Velocidade média (vm)
é a variação na quantidade de um reagente ou
um produto num intervalo de tempo.

m n V C
vm  ou ou ou
t t t t
• m = massa, n = no mols, V = volume, C = concentração
molar
• onde, C = [ ] (mols/L)
• ∆t → ano, mês, dia, hora, min, seg, etc

Cinética Química

• Reação A  B:

• reagente consumido (∆n de A / unidade de tempo)
• produto formado (∆n de B / unidade de tempo)

∆[B]
Velocidade média em relação a B =
∆t

Cinética Química
Velocidade média (vm)
Para cada substância existe um valor
numérico para Vm.

H2 (g) + I2 (g)  2 HI (g)
• No intervalo de ∆t = 10 min
• ∆H2 = 1 mol ↔ 2 g  Vm = 2g/10min = 0,2 g/min
• ∆I2 = 1 mol ↔ 254 g  Vm = 254g/10min = 25,4 g/min
• ∆HI = 2 mols ↔ 256 g  Vm = 256g/10min = 25,6 g/min


Cinética Química

1) A combustão completa do etanol é representada pela
equação: C2H5OH (l) + 3 O2 (g)  2 CO2 (g) + 3 H2O (l).
Sabendo que em 30 min são consumidos 15 mols de
álcool, conclui-se que a velocidade da reação em mols
desse combustível por minuto é:
a) 1,0 mol/min • Etanol
b) 2,0 mol/min • n = 15 mols
c) 0,5 mol/min • t = 30 min
d) 3,0 mol/min • Vm (etanol) = n/t = 15/30 = 0,5 mol/min
e) 4,0 mol/min
RESPOSTA


Cinética Química

2) Em determinada experiência, a reação de formação da
água esta ocorrendo com consumo de 4 mols de oxigênio
por minuto. Consequentemente, a velocidade de consumo
de hidrogênio é de:
a) 2,0 mol/min • 2 H2 + O2  2H2O
• Oxigênio - O2
b) 4,0 mol/min
• n = 4 mols
RESPOSTA

c) 8,0 mol/min
• t = 1 min
d) 12,0 mol/min • 2 mol H  1 mol O
2 2
e) 16,0 mol/min • t = 1 min: nO2 = 4 mol e nH2 = 8 mol


Cinética Química

• Variação da concentração com o tempo
• Considere:

• C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)
• Cloreto de butila + água  butanol + ácido clorídrico

• Podemos expressar a velocidade desta reação em função
do consumo do reagente (cloreto de butila)
• Vm = - [C4H9Cl] / t (mol/L s)


Cinética Química

• Como está variando a concentração com o tempo ?
• Como está variando a Vm com o tempo ?

Cinética Química
• Velocidade instântânea (velocidade)
• Pela inclinação da tangente (coeficiente angular):
• Seja y = a.x, onde a é o coef. Angular, temos
• a = y / x, ou seja Vinst. = -  [C4H9Cl] / t, logo:
• Para t = 600 s
• Vinst = - (0,017 – 0,042) mol/L / (800 – 400) s
• Vinst. = 6,2 x 10-5 mol L-1 s-1
• Para t = 0 s
• Vinst = - (0,060 – 0,100) mol/L / (200 – 0) s
• Vinst. = 2,0 x 10-4 mol L-1 s-1


Cinética Química

• Variação da concentração com o tempo
• Vm = - [C4H9Cl] / t (mol/L s)
• A velocidade instantânea (Vinst. ou V) é a inclinação
da tangente da curva.

k é f(T) e  é
v = k.[Reagente] experimental


Cinética Química

3) Usando o gráfico da reação do cloreto de butila com
água, calcule a velocidade instantânea de desaparecimento
de C4H9Cl no tempo de 300 s.:


Cinética Química
• [C4H9Cl] = (0,031 – 0,075)

t = 300 s

•  t = (500 – 100)
RESPOSTA

Cinética Química

3) Resposta :

• Traçar uma reta tangente no ponto para t = 300 s
• Calcular o x ou  t = (500 – 100) = 400
• Calcular o y ou  [C4H9Cl] = (0,031 – 0,075) = …
• V = - (0,031 – 0,075) mol/L / (500 – 100) s
• V = 1,1 x 10-4 mol L-1 s-1


Cinética Química

Para que serve
controlar a
rapidez das
reações?


Cinética Química
Então, o que é
necessário para
aumentar ou
diminuir a
rapidez de uma
reação
Aumentar

Aumentar Reduzir a
os choques energia de

Diminuir
entre as ativação
partículas


Cinética Química

Fatores que influenciam a Rapidez

Concentração
Temperatura
Pressão (reações com gases)
Superfície de contato
Presença de Catalisadores


Cinética Química
Quanto maior a
Concentração dos Concentração
reagentes

Maior o número de
partículas disponíveis
para colisão

Maior o no. choques
entre as partículas

Maior a rapidez da C (s) + O2 (g)  CO2 (g)
reação


Cinética Química

Concentração dos reagentes Cato
Peter Gulberg
Waage

A velocidade é proporcional à concentração
dos reagentes. “LEI DA AÇÃO DAS
MASSAS” ou “LEI CINÉTICA”
Matematicamente: v = k [reagentes]
k = constante da reação (depende da Temp.)
[reagente] = concentrações molares
 = ordem da reação (dado experimental)


Cinética Química
Processo Haber-Bosch

N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g)
Experimento N2 H2 Veloc. Inicial

1 0,1 0,1 2
2 0,2 0,1 4
3 0,1 0,2 8
• Do Exp. 1 e 2: • Do Exp. 1 e 3:
• [H2] não mudou • [N2] não mudou
• [N2] dobrou • [H2] dobrou
• Veloc. 2x • Veloc. 4x

Cinética Química

N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g)
V= k.[N2]1.[H2] 2

• A ordem de uma reação é dada pelo expoente !!!
• A ordem da reação em relação ao N2 = 1
• A ordem da reação em relação ao H2 = 2
• A ordem total da reação = 3 (1 + 2)


Cinética Química

Complexas

Elementares


Cinética Química
 Reação Elementar : são reações químicas que ocorrem
em uma única etapa !
H2 + I2  2 HI
 O que significa isso em relação a velocidade da reação
?
 V = k. [H2] 1.[I2]1
 Os expoentes (ordem da reação) correspondem
exatamente aos coeficientes da reação química
balanceada


Cinética Química
 Complexas : ocorrem em duas ou mais etapas.
N2 (g) + 3H2 (g)  2 NH3 (g)

1a etapa (lenta) : N2 (g) + 2H2 (g)  N2H4 (g)
2a etapa (rápida) : N2H4 (g) + H2 (g)  2 NH3 (g)
reação global : N2 (g) + 3H2 (g)  2 NH3 (g)

 Suponha que a etapa lenta dure 1 h e a etapa
rápida 1 min. Qual o tempo total da reação ?
1 hora

Cinética Química

 “A etapa determinante para a velocidade de uma
reação é a etapa lenta”

1a etapa (lenta) : N2 (g) + 2H2 (g)  N2H4 (g)

 E na equação da velocidade só podem estar
presentes as substâncias que influenciam na
velocidade, portanto:
 Para reação da amônia:

Cinética Química
4) Os dados abaixo foram medidos em 5 experimentos feitos com a
reação: (CH3)3CBr + OH-  (CH3)3COH + Br -, à temperatura de
300 oC. Qual a equação da velocidade da reação ?
Conc. Inicial – Mol/L V. inic. • Do Exp. 1 e 2:
Exp.
(CH3)3CBr OH- (CH3)3CBr • [OH-] não mudou
1 0,10 0,10 0,001
• [(CH3)3CBr] dobrou
• Veloc. 2x
2 0,20 0,10 0,002
3 0,30 0,10 0,003 • Do Exp. 1 e 4:
4 0,10 0,20 0,001
• [(CH3)3CBr] igual
• [OH-] dobrou
5 0,10 0,30 0,001
• Veloc. Não mudou
 Como uma substância participante
de uma reação não influencia na V= k.[CH3)3CBr]1
velocidade da mesma ?
© Prof. Nelson Virgilio Resp.: Ela participa de uma etapa rápida !!! Aula 13

Cinética Química
Quanto pelo
menos um dos Pressão
reagentes é gás

Quanto maior
[ ] = n Const.
a P menor o V
V
Quanto menor
o V maior
num. colisões

Maior a
rapidez da
reação


Cinética Química
Quanto maior a
Temperatura Temperatura

Maior a Energia
Cinética das
partículas

Maior os
choques entre as
partículas

Maior a rapidez
da reação


Cinética Química
Temperatura

• Todas as reações químicas para ocorrerem precisam
absorver uma certa quantidade de energia (calor),
para alcançar o estado chamado “complexo
ATENÇÃO !!!

ativado”.
• REAÇÃO EXOTÉRMICA (LIBERA)
• REAÇÃO ENDOTÉRMICA (ABSORVE)
• Quanto maior for a energia fornecida por unidade
de tempo (temperatura), maior será a veloc. da
reação, independentemente desta ser endotérmica
ou exotérmica

Cinética Química
Temperatura


Cinética Química
Quanto maior a área Superfície de contato
de contato

Maior a
probabilidade de
choque entre as
partículas

Maior os no. choques
entre as partículas

Maior a rapidez da
reação


Cinética Química
5) Estudando a influência de certos fatores na rapidez da reação
entre ácido clorídrico e carbonato de cálcio, foram realizados quatro
experimentos, cujos dados foram apresentados abaixo:

Massa
Conc. Vol.
Temp. Espera-se que a rapidez da
Exp. Estado HCl HCl reação seja maior nos
CaCO3 (oC)
(mol/l) (ml)
experimentos:
1 1,0 Pó 1 20 25
a) 1 e, depois 2
2 1,0 Pedaço 1 20 25
b) 1 e, depois 3
3 1,0 Pó 0,1 20 25
c) 2 e, depois 3
4 1,0 Pó 1 20 60
d) 3 e, depois 4
e) 4 e, depois 1
• Por exclusão, resposta letra … RESPOSTA


Cinética Química
6) O zinco reage com ácidos, ocorrendo liberação do gás hidrogênio.
Adicionam-se quantidades iguais de ácido em duas amostras de
mesma massa de zinco, uma delas em raspas (A) e outra em pó (B).
Para esta experiência, o gráfico que deve representar a produção de
hidrogênio em função do tempo de reação é:
• Resposta - Reação:
• Zn + HCl  ZnCl2 + H2
• VA = kA. [H2] (raspa)
• VB = kB. [H2] (pó)
• VB > VA

RESPOSTA


Cinética Química
Facilitador das Presença de catalisador
Reações

Diminui a
energia de
ativação

Não é
consumido na
reação
O catalisador diminui a
necessidade de energia (ativação –
Maior a Ea) para formar o complexo
rapidez da ativado
reação

Cinética Química
 Para enterder como age um catalisador é necessário
entender como funciona o caminho energético de uma
reação !!!
De novo: H2 + I2  2 HI
 Para entender o caminho energético temos que pensar na
fórmula estrutural de cada substância
 H̶H +I̶I H̶I +H̶I
 1º. Para promovermos a reação temos que quebrar as
ligações dos rragentes
 Para quebrar uma ligação temos que fornecer energia p/
reagentes, e a medida que as moléculas vão absorvendo
esta energia, vai aumentado as tensões das ligações

NH3, N2, H2
H2O(g)

H2O(l)
N2, H2
NH3, N2, H2

CATALISADOR
(Fe)

N2, H2 NH3(l)


N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) + CALOR

Sem catalisador
H
Ea1 Com catalisador
N2 + 3H2 Ea2 Ea2 < Ea1

H

2NH3
© Prof. Nelson Virgilio CR Aula 13

Cinética Química

Combustão
incompleta: Saída dos
CO, gases:
HnC2n+2, CO2, N2,
NOx H2O

CO, CxHy + O2 CO2 + H2O

© Prof. Nelson Virgilio
NO, NO2  N2 + O2 Aula 13

Cinética Química

Observações
• Um catalisador acelera a reação, mas não aumenta seu
rendimento, isto é, ele produz a mesma quantidade de
produto, mas num período de tempo menor.
• O catalisador não altera o ΔH da reação.
• Um catalisador acelera tanto a reação direta quanto a inversa,
pois diminui a energia de ativação de ambas.


Cinética Química
7) Considere o diagrama abaixo para a seguinte reação:
A entalpia da reação e a energia de ativação representadas são,
respectivamente:

a) 3 kcal/mol e 28 kcal/mol
b) 28 kcal/mol e 25 kcal/mol
c) 28 kcal/mol e 3 kcal/mol
d) 25 kcal/mol e 28 kcal/mol
e) 25 kcal/mol e 3 kcal/mol

RESPOSTA


Conteúdo da Apresentação

• Conteúdo baseado no
Livro Texto

• Click na imagem para
visitar o site do livro

• BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª. Edição) –
Pearson – Cap. 14 – Cinética Química


•Obrigado


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