Aula 13 © Prof. Nelson Virgilio Química Geral Aplicada a Engenharia 1º. Sem./2011 Engenharias
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Química Geral Aplicada a Engenharia
1º. Sem./2011
Engenharias
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•Velocidade das reções
•Fatores que
afetam
•Presença de catalisadores
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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 ?
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Cinética Química
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Cinética Química
Rápidas Lentas
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• 2 NaN3 (s) 3 Na (s) + 3 N2 (g)
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Cinética Química
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Cinética Química
H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)
t0
t1
t1/2
t
1 mol
(1-x1)
(1-0,5)
0
1 mol
(1-x1)
(1-0,5)
0
0
2.x1
1 mol
2 mols
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Cinética Química
Q (mol)
tempo
I2 + H2 (2 mols)
2 HI (0 mol) t0 t1 t1/2 t
• Velocidade de consumo v [reagentes]
• Velocidade de formação v [produtos]
(1 mols)
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Velocidade média (vm)
é a variação na quantidade de um reagente ou um produto num intervalo de tempo.
t
Cou
t
Vou
t
nou
t
mvm
Cinética Química
• m = massa, n = no mols, V = volume, C = concentração molar
• onde, C = [ ] (mols/L)
• ∆t → ano, mês, dia, hora, min, seg, etc
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• Reação A B:
• reagente consumido (∆n de A / unidade de tempo)
• produto formado (∆n de B / unidade de tempo)
Cinética Química
∆[B]
∆t Velocidade média em relação a B =
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Velocidade média (vm)
Para cada substância existe um valor numérico para Vm.
Cinética Química
• 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
H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)
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Cinética Química
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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:
Cinética Química
a) 1,0 mol/min
b) 2,0 mol/min
c) 0,5 mol/min
d) 3,0 mol/min
e) 4,0 mol/min RESPOSTA
• Etanol
• n = 15 mols
• t = 30 min
• Vm (etanol) = n/t = 15/30 = 0,5 mol/min
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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:
Cinética Química
a) 2,0 mol/min
b) 4,0 mol/min
c) 8,0 mol/min
d) 12,0 mol/min
e) 16,0 mol/min
• 2 H2 + O2 2H2O
• Oxigênio - O2
• n = 4 mols
• t = 1 min
• 2 mol H2 1 mol O2
• t = 1 min: nO2 = 4 mol e nH2 = 8 mol
RESPOSTA
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• 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
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Cinética Química
• Como está variando a concentração com o tempo ?
• Como está variando a Vm com o tempo ?
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Cinética Química
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• 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
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• 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.
Cinética Química
v = k.[Reagente] k é f(T) e é
experimental
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Cinética Química
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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
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Cinética Química
t = 300 s
• t = (500 – 100) • [
C4H
9C
l] =
(0
,03
1 –
0,0
75
)
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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
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Para que serve
controlar a
rapidez das
reações?
Cinética Química
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Então, o que é
necessário para
aumentar ou
diminuir a
rapidez de uma
reação
Aumentar os choques entre as partículas
Reduzir a energia de ativação A
um
enta
r
Dim
inu
ir Cinética Química
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Fatores que influenciam a Rapidez
Concentração
Temperatura
Pressão (reações com gases)
Superfície de contato
Presença de Catalisadores
Cinética Química
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Quanto maior a Concentração dos
reagentes
Maior o número de partículas disponíveis
para colisão
Maior o no. choques entre as partículas
Maior a rapidez da reação
Cinética Química
Concentração
C (s) + O2 (g) CO2 (g)
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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)
Concentração dos reagentes
Cinética Química
Cato
Gulberg Peter
Waage
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N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
Cinética Química
Processo Haber-Bosch
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: • [H2] não mudou • [N2] dobrou • Veloc. 2x
• Do Exp. 1 e 3: • [N2] não mudou • [H2] dobrou • Veloc. 4x
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N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
Cinética Química
• 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)
V= k.[N2]1.[H2]
2
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Cinética Química
Elementares
Complexas
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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
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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
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Cinética Química
“A etapa determinante para a velocidade de uma reação é a etapa lenta”
E na equação da velocidade só podem estar presentes as substâncias que influenciam na velocidade, portanto:
Para reação da amônia:
1a etapa (lenta) : N2 (g) + 2H2 (g) N2H4 (g)
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Cinética Química
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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 ?
Cinética Química
Exp. Conc. Inicial – Mol/L V. inic.
(CH3)3CBr (CH3)3CBr OH-
1 0,10 0,10 0,001
2 0,20 0,10 0,002
3 0,30 0,10 0,003
4 0,10 0,20 0,001
5 0,10 0,30 0,001
• Do Exp. 1 e 2: • [OH-] não mudou • [(CH3)3CBr] dobrou • Veloc. 2x
• Do Exp. 1 e 4: • [(CH3)3CBr] igual • [OH-] dobrou • Veloc. Não mudou
V= k.[CH3)3CBr]1 Como uma substância participante
de uma reação não influencia na velocidade da mesma ?
Resp.: Ela participa de uma etapa rápida !!!
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Quanto pelo menos um dos reagentes é gás
Quanto maior a P menor o V
Quanto menor o V maior
num. colisões
Maior a rapidez da
reação
Cinética Química
Pressão
[ ] = n
V
Const.
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Quanto maior a Temperatura
Maior a Energia Cinética das partículas
Maior os choques entre as
partículas
Maior a rapidez da reação
Cinética Química
Temperatura
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Cinética Química
Temperatura
AT
EN
ÇÃ
O !
!!
• Todas as reações químicas para ocorrerem precisam absorver uma certa quantidade de energia (calor), para alcançar o estado chamado “complexo 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
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Cinética Química
Temperatura
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Quanto maior a área de contato
Maior a probabilidade de choque entre as
partículas
Maior os no. choques entre as partículas
Maior a rapidez da reação
Cinética Química
Superfície de contato
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Cinética Química
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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:
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Exp. Massa
CaCO3 Estado
Conc.
HCl
(mol/l)
Vol.
HCl
(ml)
Temp.
(oC)
1 1,0 Pó 1 20 25
2 1,0 Pedaço 1 20 25
3 1,0 Pó 0,1 20 25
4 1,0 Pó 1 20 60
Espera-se que a rapidez da reação seja maior nos experimentos:
• Por exclusão, resposta letra …
a) 1 e, depois 2
b) 1 e, depois 3
c) 2 e, depois 3
d) 3 e, depois 4
e) 4 e, depois 1
RESPOSTA
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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:
Cinética Química
RESPOSTA
• Resposta - Reação:
• Zn + HCl ZnCl2 + H2
• VA = kA. [H2] (raspa)
• VB = kB. [H2] (pó)
• VB > VA
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Facilitador das Reações
Diminui a energia de ativação
Não é consumido na
reação
Maior a rapidez da
reação
O catalisador diminui a necessidade de energia (ativação –
Ea) para formar o complexo ativado
Cinética Química
Presença de catalisador
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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
H ̶ H + I ̶ I H ̶ I + H ̶ I
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
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Cinética Química
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•60
N2, H2
NH3, N2, H2
N2, H2
NH3, N2, H2
NH3(l)
H2O(l)
H2O(g)
CATALISADOR
(Fe)
Processo Haber-Bosch
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H
CR
N2 + 3H2
2NH3
Sem catalisador
Com catalisador
H
Processo Haber-Bosch
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) + CALOR
Ea1
Ea2 Ea2 < Ea1
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Combustão
incompleta:
CO,
HnC2n+2,
NOx
Saída dos
gases:
CO2, N2,
H2O
CO, CxHy + O2 CO2 + H2O
NO, NO2 N2 + O2
Cinética Química
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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
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Cinética Química
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RESPOSTA
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
7) Considere o diagrama abaixo para a seguinte reação:
A entalpia da reação e a energia de ativação representadas são, respectivamente:
Cinética Química
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Conteúdo da Apresentação
• BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª. Edição) – Pearson – Cap. 14 – Cinética Química
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• Conteúdo baseado no Livro Texto
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