Cinética Química - EcivilUFES | O blog da Engenharia …©tica Química Profa. Geisamanda Pedrini...
Transcript of Cinética Química - EcivilUFES | O blog da Engenharia …©tica Química Profa. Geisamanda Pedrini...
CinCinéética Qutica Quíímicamica
ProfProfaa. Geisamanda Pedrini Brandão Athayde. Geisamanda Pedrini Brandão Athayde
Química Aplicada à Engenharia CivilCinCinéética Qutica Quíímicamica
CinCinéética Qutica Quíímicamica
O conhecimento e o estudo da velocidade das reaçõessão muito importantes em termos industriais, e também
estão relacionados ao nosso dia-a-dia, como porexemplo, quando colocamos um alimento na panela de
pressão para acelerar seu cozimento.
CinCinéética Qutica Quíímicamica
No foguete quando o combustível é oxidado na câmara de combustão, libera-se calor aumentando a energia cinética de suas
moléculas. Assim que os gases quentes são expelidos pelo escapamento, essa energia é
utilizada para lançar o projétil.
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 como:
CinCinéética Qutica Quíímicamica CinCinéética Qutica Quíímicamica
Velocidade de uma reaVelocidade de uma reaççãoão
A velocidade de uma reaA velocidade de uma reaçção ão éé definida como a definida como a
variavariaçção da concentraão da concentraçção de produtos ou de ão de produtos ou de
reagentes que ocorrem por unidade de tempo.reagentes que ocorrem por unidade de tempo.
DeterminaDetermina--se medindo a diminuise medindo a diminuiçção da ão da
concentraconcentraçção dos reagentes ou o aumento da ão dos reagentes ou o aumento da
concentraconcentraçção dos produtos. ão dos produtos.
Velocidade média de uma reação
Consideremos a reaConsideremos a reaçção:ão:
Br2(aq) + HCOOH (aq) → 2Br-(aq) + 2H+(aq) + CO2 (g)
[ ] [ ] [ ]∆tBr∆
ttBrBr
média velocidade 2
inicialfinal
inicial2final2 =−−
−=
8
A diminuição da concentração de bromo à medida que o tempo passa manifesta-se por uma perda de cor da solução.
Velocidade de uma reação
tempo
A → B
o Para t = 0 (início da reação) há 1,00 mol de A (100 esferas pretas) e B
não está presente.
Para t = 20 min, existem 0,54 mol A e 0,46 mol B
Para t = 40 min, existem 0,20 mol A e 0,80 mol B
A velocidade média da reação depois de 20 e de 40 min será
Supondo a reação:
/min0,02320
0)-(0,4620
1,00)-(0,54 tmédiaVelocidade 20 mol==−=
Velocidade média de uma reação
A A velocidadevelocidade mméédiadia diminuidiminui com o tempocom o tempo
A → B
/min0,02040
0)-(0,8040
1,00)-(0,20 tmédiaVelocidade 40 mol==−=
Velocidade instantânea
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq)
A velocidade da reação num determinado instante (velocidade instantânea) é o declive da tangente à curva do gráfico concentração vs. tempo nesse instante.
A velocidade instantânea é diferente da velocidade média.
Estequiometria e velocidade de reação
Consideremos a seguinte reacção:2 A → B
Consomem-se duas moles de A por cada mole de B que se forma, ou seja, a velocidade com que A se consome é o dobro da velocidade de formação de B. Escrevemos a velocidade da reacção como:
tAvelocidade∆∆
−=][
21
tBvelocidade∆∆
=][
ou
Velocidade de uma reaVelocidade de uma reaççãoão
aA + bB cC + dD
∆[C]———∆t
vmédia de formação de C =
−∆[A]———∆t
vmédia de consumo de A =
∆[D]———d·∆t
=∆[C]
———c·∆t
=−∆[B]———b·∆t
=−∆[A]———a·∆t
vmédia da reação =
NH4+
(aq) + NO2-
(aq) → N2 (g) + 2 H2O (ℓ)
Consideremos a reação:
Equação de velocidade ou Lei cinética de uma reacão
Verifica-se que
o quando a [NH4+] duplica, mantendo a [NO2
-] constante, a velocidadeduplica;
o quando a [NO2-] duplica mantendo a [NH4
+] constante, a velocidadetambém duplica;
Logo, v ∝ [NH4+][NO2
-]
Equação de velocidade ou Lei cinética da reacção:
onde k é a constante de velocidade da reação.
]NO][NH[Rate 24−+= kv
Equação de velocidade ouLei cinética de uma reacção
Utilidade das equações cinéticas
1- Calcular a velocidade de uma reação a partir do conhecimento da constante de velocidade e das concentrações de reagentes;
2- Calcular a concentração de reagentes em qualquer instante durante o decorrer de uma reacção.
Ordem de reaçãoConsideremos a reaConsideremos a reaçção geral:ão geral:
aAaA + + bBbB →→ cC + cC + dDdD
A equaA equaçção da velocidade assume a forma:ão da velocidade assume a forma:
Velocidade = Velocidade = kk[A][A]xx[B][B]yy
x,y,kx,y,k –– determinados experimentalmentedeterminados experimentalmentex e y x e y –– ordem de uma ordem de uma reacreacççãoão; ; xx éé a ordem de a ordem de AA e e yy éé a a
ordem de ordem de BB..
A reaA reaçção tem ordem global x+yão tem ordem global x+yChama-se ordem de uma reacção (ordem global) à soma dos valores das potências a que
as concentrações de reagentes se encontram elevadas a equação cinética da reação
A reação pode ser de ordem zero, 1 (1.ª ordem), 2 (2.ª ordem), ...
o ordem zero em relação a um reagente se a alteração daconcentração desse reagente não causa alteração à suavelocidade.
o primeira ordem em relação a um reagente se, duplicar a concentração, duplica a velocidade da reacção também.
o é de ordem n em relação a um reagente se, duplicar a concentração aumenta de 2n a velocidade da reacção.
Uma reação é de:
Ordem de reação e concentração
Reações de ordem zero
ReaReaçções de ordem zero são raras.ões de ordem zero são raras.
A velocidade de uma A velocidade de uma reacreacççãoão de ordem zero de ordem zero éé
constante e independente das concentraconstante e independente das concentraçções de ões de
reagentes.reagentes.
A equaA equaçção cinão cinéética tica éé:: velocidade = k[A]velocidade = k[A]00=k=k
A equaA equaçção de concentraão de concentraçção pelo tempo ão pelo tempo éé::
[ ] kdtAd
=− [A] = [A]0 – k t
Reações de ordem zero
Gráfico da concentração [A] em função do tempo
para uma reação de ordem zero.
Tempo de de meia-vida (t1/2): é o tempo necessário para que a concentração de uma reagente diminua para metade do seu valor inicial.
t½ =[A]0
2k
Reações de 1ª ordem
Uma reação de primeira ordem é uma reação
cuja velocidade depende da concentração do
reagente elevada à potência unitária.
21
Comportamentos característicos de uma reação de primeira ordem
22
a) Diminuição da concentração do reagente com o tempo.
b) Utilização da representação gráfica da relação linear de ln[A] em função do tempo para calcular a constante de velocidade.
Reações de 1ª ordem
[ ]
[ ][ ] [ ] [ ]
[ ][ ][ ] [ ] [ ]
[ ] [ ]0
00
1
lnln
lnlnln
)(1
AktA
ktAAktA
A
stA
AkAktA
AkvelocidadetAvelocidade
+−=⇔
=−⇔=⇔
∆×
∆−=⇔=
∆∆
−
=∆
∆−=
−
23
A A →→ produtoproduto
Tempo de meia-vida
[ ][ ] k
tk
tA
Ak
t 693,02ln12/
ln12/12/1
0
02/1 =⇔=⇔=
Tempo de meiaTempo de meia--vida (tvida (t1/21/2):):
Variação da concentração de um reagente com o número de tempos de semi-transformação para uma reação de primeira ordem
][][ln1 0
AA
kt =
Por definição de tempo de meia-vida, quando t=t1/2,
[A] = [A]0/2
Reações de 2ª ordem
ÉÉ a reaa reaçção cuja velocidade depende da ão cuja velocidade depende da
concentraconcentraçção de reagente elevada ao quadrado ou ão de reagente elevada ao quadrado ou
de concentrade concentraçções de dois reagentes diferentes, ões de dois reagentes diferentes,
cada um deles elevada cada um deles elevada àà unidade. unidade.
11ºº Caso:Caso: A A →→ produtoproduto
22ºº Caso: Caso: A + B A + B →→ produtoproduto
25
Tempo de meia-vida (t1/2) na reação de 2ª ordem
[ ] [ ] [ ]02/12/100
112/
1Ak
tktAA
=⇔+=
Podemos obter uma equação para o tempo de meia-vida da reação de 2ªordem, se fizermos [A] = [A]0/2 na equação:
ktAA
+=0][
1][
1
Obtém-se
11ºº Caso:Caso: A A →→ produtoproduto
[ ]
[ ][ ] [ ]
[ ][ ] ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∆×
∆−=
=∆
∆−
=∆
∆−=
MstAAk
AktA
AkvelocidadetAvelocidade
112
2
2
27
Reações de 2ª ordem22ºº Caso: Caso: A + B A + B →→ produtoproduto
[ ] [ ]
[ ][ ][ ] [ ] [ ][ ]
[ ] [ ] ktAA
BAktB
tA
BAkvelocidadetB
tAvelocidade
+=
=∆
∆−=
∆∆
−
=∆
∆−=
∆∆
−=
0
11
28
Reações de 2ª ordem
Ordem Equação cinéticaEquação
concentração-tempoTempo de meia-vida
0
1
2
Velocidade =k
Velocidade = k [A]
Velocidade = k [A]2
ln[A] = ln[A]0 - kt
1
[A]=
1
[A]0
+ kt
[A] = [A]0 - kt
t½ln2
k=
t½ =[A]0
2k
t½ =1
k[A]0
Resumo da cinética de reações de ordem zero, 1ª ordem e 2ª ordem
Para a maioria das reações, a
velocidade aumenta com um
aumento da temperatura.
Efeito da temperatura na velocidade de reação