CINÉTICA QUÍMICA

É a parte da Química que faz o estudo da velocidade das reações, de como a velocidade varia em função das diferentes condições e quais os mecanismos de desenvolvimento de uma reação. Para isso devemos também criar outros conceitos que serão necessários no nosso estudo. Vejamos:

Velocidade de uma reação química: é a relação entre a quantidade consumida ou produzida e o intervalo de tempo gasto para que isso ocorra.

Imagine uma reação genérica A + B à C + D. Podemos calcular a velocidade de desaparecimento de qualquer reagente (A ou B) ou então a velocidade de aparecimento de qualquer produto (C ou D).

 

Utiliza-se o módulo para evitar valores negativos de velocidade, o que ocorreria no caso dos reagentes, para os quais a quantidade final é menor que a inicial.

Essas quantidades são normalmente expressa em mols.

A medida do tempo é também expressa em qualquer unidade que se ajuste à determinada reação.

Chamamos essa velocidade de velocidade média (Vm). A quantidade da substância pode ser expressa em:

Antes que uma reação tenha início, a quantidade de reagentes é máxima e a quantidade de produtos é zero. A medida que a reação se desenvolve, os reagentes vão sendo consumidos e, portanto, a quantidade de reagentes vai diminuindo até se tornar mínima (ou eventualmente zero). Ao mesmo tempo, os produtos vão sendo formados. Logo, a quantidade de produtos, que no início é baixa, começa a aumentar até que, no final da reação, se torna máxima.

Expressando esse fato em um gráfico da concentração em quantidade de matéria de reagentes e produtos, em função do tempo, veremos que apresentam certas características. Observe:

Gráfico de reagentes

A curva decrescente indica que o reagente A é consumido com o passar do tempo.


Gráfico de produtos

A curva crescente indica que o produto C é produzido com o passar do tempo.


Analisemos, então, o que ocorre com a reação C2H2 + 2H2 à C2H6. Um químico, medindo a quantidade de matéria de etano (C2H6) em função do tempo e nas condições em que a reação se processa, obteve os seguintes resultados:

Tempo (min)

Quantidade de matéria (em mols) de etano formada

0

0

4

12

6

15

10

20

Teríamos então o gráfico da quantidade de matéria de etano em função do tempo.

Poderíamos também calcular a velocidade média dessa reação em qualquer intervalo de tempo:

Analisando o primeiro resultado (3 mol/min): A cada minuto formam-se, em média, 3 mols de moléculas de etano.

Imagine agora que tenhamos os valores dos reagentes e a seguinte tabela:

Tempo (min)

Quantidade de matéria (em mols) de C2H2 consumida

Quantidade de matéria (em mols) de H2 consumida

Quantidade de matéria (em mols) de etano formada

0

50

60

0

4

38

36

12

6

35

30

15

10

30

20

20

Teríamos então o gráfico da reação em quantidade de matéria de etano em função do tempo.

Se calcularmos a velocidade média da reação em função de C2H2, nos intervalos, teremos:

Encontramos os mesmos resultados do etano e, caso não utilizássemos o módulo, teríamos resultados negativos, o que seria justificado em função de estar sendo consumido (reagente).

Se calcularmos a velocidade média da reação em função de H2, nos intervalos, teremos:

Note que os resultados foram o dobro dos valores encontrados no C2H2 e no C2H6, porque, observando a equação, percebemos que a proporção estequiométrica entre esses dois reagentes é 1:2. Se dividirmos as velocidades médias de consumo ou formação pelos respectivos coeficientes, teremos sempre o mesmo valor, que é a velocidade média da reação.

Dessa forma, podemos criar o seguinte raciocínio, para uma reação genérica:


Velocidade instantânea: é o limite para o qual tende a velocidade média, quando os intervalos de tempo vão se tornando cada vez menores, ou seja, a variação do tempo (D t) tende a zero.

Considere a reação entre zinco com ácido clorídrico formando cloreto de Zinco e liberando gás hidrogênio, conforme a reação: Zn + HCl à ZnCl2 + H2.

A medida que decorre o tempo, a concentração de ácido clorídrico vai diminuindo conforme o gráfico a seguir:

Como calcular a rapidez (velocidade) da reação nesse instante (tempo t)?

Primeiramente, trace uma tangente à curva pelo ponto P, conforme o desenho a seguir:

Escolha, sobre a tangente, dois pontos A e B. No triângulo retângulo ABC, a tangente trigonométrica do ângulo a é dado por:

A tangente do ângulo a (inclinação da curva) expressa a velocidade da reação no instante t.

O volume de gás hidrogênio formado aumenta com o passar do tempo. A velocidade no instante t em termos de variação do volume de gás hidrogênio formado com o tempo pode ser calculado pelo mesmo processo. Veja a figura:

Veja a aplicação dessa teoria em um exercício da Fuvest-SP

O 2-bromobutano (líquido) reage com hidróxido de potássio (em solução de água e álcool) formando o 2-buteno (gasoso) e, em menor proporção, o 1-buteno (gasoso):

C4H9Br + KOH à C4H8 + KBr + H2O.

Numa experiência, 137g de 2-bromobuteno e excesso de KOH foram aquecidos a 80O C. A cada 50s o volume da mistura de buteno foi determinado, nas condições ambientais, obtendo-se o gráfico a seguir:

Observando-se o gráfico acima, o que se pode afirmar sobre a velocidade da reação quando se comparam seus volumes médios ao redor de 100, 250 e 400 segundos? Justifique utilizando o gráfico.

Resolução: Podemos determinar a velocidade instantânea nos instantes solicitados, ou seja, 100, 250 e 400s através do ângulo de inclinação da tangente da curva em cada ponto.

Aproximadamente, calculemos a velocidade da reação ao redor dos valores solicitados:

A medida que decorre o tempo, a velocidade da reação diminui.

 

Exercícios Resolvidos

§ (FEI-SP) Seja a decomposição de água oxigenada: 2H2O2 à 2H2O + O2.Em dois minutos, observa-se uma perda de 3,4g de água oxigenada. Qual a velocidade média dessa reação em relação ao gás oxigênio em mol/min?


§ (E.E.Mauá-SP) A concentração [A], expressa em mol/L de uma substância A que, em meio homogêneo, reage com outra B, segundo a equação A + B à C + D, varia com o tempo t segundo a lei: [A]= 5 – 0,2t – 0,1t2, com t medido em horas. Qual a velocidade média dessa reação entre os instantes t1 = 1h e t2 = 2h?


§ (Unificado Cesgranrio) Numa experiência envolvendo o processo: N2 + 3H2 à 2NH3, a velocidade da reação foi expressa como Considerando a não-ocorrência de reações secundárias, qual a expressão dessa mesma velocidade, em termos de concentração de gás hidrogênio?


§ A figura abaixo indica a variação da quantidade de reagente em função do tempo (t), num sistema em reação química. Calcule a velocidade dessa reação nos intervalos de tempo:

a)de 0 a 2min;

b)de 2 a 4min;

 


§ (PUC-SP) Na reação de solução de ácido clorídrico com zinco metálico, o gráfico que melhor representa o comportamento das espécies em solução é:


§ (Faap-SP) A reação de decomposição de iodidreto é representada pela equação química

2HI ß à I2 + H2

O controle da concentração de iodidreto presente no sistema, em função do tempo (em temperatura constante) forneceu os seguintes dados:

Iodidreto(mol/L)

1

0,625

0,375

0,200

0,120

Tempo (min)

0

10

20

30

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