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quarta-feira, 8 de novembro de 2017

"Somos Físicos" Simulado Cinética Química (Resumão)

O que é cinética química mesmo?

Cinética química é a parte da química que estuda as velocidades das reações e os fatores que a influenciam.

Relembre: Pode se definir reações químicas como sendo um conjunto de fenômenos nos quais duas ou mais substâncias reagem entre si, dando origem a diferentes compostos. Equação química é a representação gráfica de uma reação química, onde os reagentes aparecem no primeiro membro e os produtos, no segundo.

A + B                             C + D
Reagentes                   Produtos

Classificação das reações químicas

Para entender melhor o que é cinética é preciso que você saiba que as reações químicas podem ser classificadas em:

Rápidas:

Como por exemplo uma reação de neutralização:

HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)

Ou ainda uma reação de precipitação:

Ag+(aq) + Cl–(aq) → AgCl (s)

Lentas:
Pode ser uma fermentação (açúcar à álcool): Essa é uma transformação química provocada por uma levedura. Um processo enzimático.

No exemplo citado acima, o produto final desejado (etanol combustível, vinho, massa, etc) determina a escolha da levedura e da matéria prima.

As reações podem ocorrer num sistema homogêneo ou heterogêneo. Em muitos casos as reações homogêneas são mais rápidas, devido ao melhor estado de contato entre os reagentes.

Já quando falamos de interações, nas reações químicas elas podem acontecer entre:

1. Íons:
Via de regra, ocorrem rapidamente, pois quando íons de cargas opostas se aproximam e reagem entre si, não existe qualquer orientação prévia preferencial, pois os íons originam um campo elétrico ao seu redor uniforme em todas as direções.

2. Moléculas ou grupos covalentes:

Essas interações ocorrem mais lentamente pois,deve ocorrer o rompimento de ligação covalente;
formação de novas ligações covalentes.
Para isso, as partículas devem colidir com energia suficiente e orientação adequadas.

Fatores que Afetam a Velocidade das Reações Químicas
a) Natureza química dos reagentes: a velocidade da reação química depende de características intrínsecas de seus reagentes, acarretando assim uma ampla faixa de velocidades. Cada reação química é caracterizada por uma constante cinética (k), a qual depende da temperatura.

b) Superfície de contato: em solução ou em fase gasosa, as partículas reagentes são capazes de se misturar completamente e colidir entre si facilmente (reação homogênea).
o-que-e-cinetica


Mas em reações heterogêneas os reagentes só fazem contato na interface. Neste caso, a velocidade das reações depende da área de contato entre as fases.

c) Concentração dos reagentes: as velocidades das reações homogêneas e heterogêneas são afetadas pelas concentrações dos reagentes. Na maioria das vezes, a velocidade aumenta quando a concentração dos reagentes aumenta (ou pressão, no caso de reagentes gasosos).

 o-que-e-cinetica-1


Exemplo: Madeira queima rápido ao ar (20% oxigênio), mas queimaria extremamente rápido em oxigênio puro. Foi estimado que se o ar fosse composto por 30% de oxigênio, não seria possível apagar o incêndio de uma floresta.

d) Temperatura: em geral a velocidade das reações aumenta com o aumento da temperatura.

Por exemplo: é mais rápido cozinhar um ovo ao nível do mar do que no alto de uma montanha, onde a água ferve a uma temperatura mais baixa.

e) Pressão: Ocorre em sistema gasoso. O aumento da pressão causa uma diminuição do volume ocupado, aumentando o número de choques entre os reagentes, que aumentam sua velocidade.

o-que-e-cinetica-2

f) Presença de agentes externos: são substâncias que afetam a velocidade das reações químicas, sem serem consumidos no processo global, permanecendo inalterados após a reação.

Catalisadores: aumentam a velocidade das reações químicas;
Inibidores: diminuem a velocidade das reações químicas
Os químicos, geralmente, estão mais interessados em acelerar os processos, portanto os catalisadores são muito investigados. No entanto, existem várias reações que ocorrem na natureza e que são indesejáveis, como por exemplo a corrosão de metais. Este tipo de reação não pode ser impedida, mas inibidores podem retardá-las.

Podemos analisar o gráfico e comparar a velocidade da reação com catalisador e sem catalisador:
Gráfico comparativo de uma reação com catalisador e uma sem catalisador.
o-que-e-cinetica-3

Informações importantes sobre os catalisadores:
O catalisador altera o mecanismo da reação;
O catalisador diminui a energia de ativação, mas não altera o delta H;
O catalisador aumenta a velocidade da reação química;
O catalisador não é consumido durante a reação química;
O catalisador não altera o rendimento da reação química.

Velocidade média

Quando falamos sobre o que é cinético, é essencial entender bem a velocidade média de uma reação (Vm). Assim como na física, a velocidade da reação é calculada pela expressão:

Vm = Δconcentração
Δtempo                                ou     Vm = Δmassa
                                                               Δtempo

ou
Vm = Δnúmero de mols
          Δtempo

A velocidade pode ser calculada a partir da Δconcentração dos reagentes ou produtos pela Δtempo.

A velocidade de uma reação depende:

número de choques entre as moléculas dos reagentes;
energia com que as moléculas colidem entre si (Eat).

Lei da velocidade reação elementar:
o-que-e-cinetica-4

Gráfico de velocidade de uma reação

Dada a Reação elementar abaixo:

aA + bB → cC + dD

A lei de velocidade será dada por:

V = K[A]a . [B]b , onde a e b são os expoentes de A e B, que correspondem aos coeficientes estequiométricos da reação.

A lei de velocidade das reações (ou lei de Guldberg –Waage) foi proposta em 1867 pelos cientistas noruegueses Cato Maximilian Guldberg (1836-1902) e Peter Waage (1833-1900).

o-que-e-cinetica-5

Para fixar: A reação elementar tem como características:ocorre em uma única etapa;
não há formação de intermediários; os  produtos se formam diretamente da colisão dos reagentes;
a  lei de velocidade apresenta os expoentes iguais aos coeficientes da reação.

Curiosidades:
Regra de Vant’Hoff
Um aumento de 10ºC faz com que a velocidade da reação dobre.

Temperatura
5ºC     15ºC       25ºC

Velocidade

V         2V           4V

Fonte: Descomplica

Exercicios:

01- (MAUÁ) Por que o catalisador altera velocidade de uma reação?
 Resposta: Porque diminui a energia de ativação dos reagentes.

02- Uma reação ocorre quando há colisão efetiva entre as moléculas reagentes, numa orientação apropriada.
Resposta:CERTA, a reação ocorre quando moléculas ativadas energicamente chocam-se numa orientação apropriada, isto é, que possibilite a quebra de ligações nos reagentes.

03-(OSEC) Em uma reação, o complexo ativado:
a) possui mais energia que os reagentes ou os produtos.
b) age como catalisador.
c) sempre forma produtos.
d) é composto estável.
e) possui  menos energia que os reagentes ou os produtos
04-(FEI) É incorreto dizer-se que um catalisador,
01.  altera a energia de ativação de uma reação
02.  altera a velocidade de uma reação
04.  altera o DH da reação
05 -A sabedoria popular indica que, para cozinhar batatas, é indicado cortá-las em pedaços. Em condições reacionais idênticas e utilizando massas iguais de batata, mas algumas inteiras e outras cortadas, verifica-se que a cortada cozinha em maior velocidade. O fator determinante para essa maior velocidade da reação é o aumento da:
a) pressão   b) temperatura  c) concentração  d) superfície de contato e) natureza dos reagentes
Resposta: A resposta é a letra d) porque, quando cortamos uma batata em pedaços menores e colocamos para cozinhar, estamos fazendo com que a ação do calor seja realizada em uma área maior, isto é, estamos aumentando a superfície de contato.
06-O mel contém uma mistura complexa de carboidratos, enzimas, aminoácidos, ácidos orgânicos, minerais etc. O teor de carboidratos é de cerca de 70% da sua massa, sendo a glicose e a frutose os açúcares em maior proporção. A sua acidez é atribuída à ação da enzima glucose oxidase, que transforma a glicose em ácido glucônico e H2O2.
Abaixo temos a equação química de decomposição do peróxido de hidrogênio, na qual temos a formação de água líquida e oxigênio gasoso. Utilizando os dados da tabela fornecida, calcule a velocidade média de decomposição do peróxido de hidrogênio entre 0 e 10 minutos.
H2O2(aq) → H2O(l) + 1/2 O2(g)
a) 2.10-4 mol.L–1.s–1
b) 3.10-4 mol.L–1.s–1
c) 4.10-4 mol.L–1.s–1
d) 5.10-4 mol.L–1.s–1
e) 3.10-2 mol.L–1.s–1
Resposta:Letra d) Para realizar o cálculo da velocidade de composição do peróxido de hidrogênio, é necessário inicialmente converter o tempo que está em minutos para segundos multiplicando por 60:
10 minutos . 60 = 600 segundos.
Em seguida, basta utilizar a fórmula que relaciona a variação da concentração com a variação do tempo:
v = Δ[]
     Δt
v = 0,5 – 0,8
       600-0
v = -0,3
      600
v = |-5.10-4| mol.L–1.s–1

07-(Unimontes) Considere a reação a seguir:
C4H9Cl(aq) + H2O(l) → C4H9OH(aq) + HCl(aq)
Em um laboratório, a concentração de cloreto de butila foi medida conforme a reação se processava, como apresentado na tabela:
À medida que a reação se processa, pode-se afirmar que a taxa ou a velocidade média dessa reação:
a) aumenta.
b) não se altera.
c) duplica.
d) diminui.
e) nda.
Resposta:Letra d). A melhor forma de comprovar que a velocidade de uma reação está diminuindo ou aumentando é por meio do cálculo da velocidade em intervalos de tempo diferentes. No caso da reação, percebemos que a diminuição da velocidade é:
Entre 0 e 150 segundos:
v = 0,07 – 0,1000
            150-0
v = -0,03
     150-0
v = 2.10-4 mol.L–1.s–1
Entre 300 e 800 segundos:
v = 0,02 – 0,05
        800-300
v = -0,03
       500
v = 6. 10-5 mol.L–1.s–1
08-A velocidade média da reação 1 N2 + 3 H2 → 2 NH3 é 0,5 mols/min. A velocidade média em função do nitrogênio (N2) vale:
a) 6 mols / min.
b) 3 mols / min.
c) 2 mols / min.
d) 0,5 mols / min.
e) 5 mols / min
Resposta:Letra d). Como o exercício já nos forneceu a velocidade da reação, para determinar a velocidade de consumo do nitrogênio (vN2), basta multiplicar a velocidade da reação (Vr) pelo coeficiente estequiométrico (1) do nitrogênio na equação:
vN2 = Vr.1
vN2 = 0,5.1
vN2 = 0,5 mols / min
9-Dada a equação abaixo:
X → Y + Z
A variação na concentração de X em função do tempo é proposta na tabela:
Qual será a velocidade média da reação no intervalo de 2 a 5 minutos?
a) 0,3 mol/L.min.
b) 0,1 mol/L.min.
c) 0,5 mol/L.min.
d) 1,0 mol/L.min.
e) 1,5 mol/L.min.
Resposta:Letra b). Antes de determinar a velocidade da reação, é necessário determinar a variação da concentração e a variação do tempo entre 2 (que corresponde a 120 segundos) e 5 minutos (que corresponde a 300 s) utilizando os dados do participante X. Devemos sempre subtrair o final (=300 s) pelo inicial (120 s):
- Variação da concentração: será calculada em módulo porque o resultado final da velocidade não pode ser negativo.
Δ[] = |0,4-0,7|
Δ[] = |-0,3|
Δ[] = |0,3| mol.L-1
- Variação do tempo:
Δt = 5-2
Δt = 3 min
Por fim, basta utilizar os valores encontrados na fórmula da velocidade (variação da concentração dividida pela variação do tempo), já que nesse exercício a velocidade de consumo de X é igual à velocidade da reação, pois o coeficiente de X na equação é 1:
v = Δ[]
     Δt
v = |0,3|
       3
v = 0,1 mol/L.min
10-Abaixo temos a representação do processo de decomposição da amônia gasosa:
2 NH3 → N2 + 3 H2
A tabela abaixo indica a variação na concentração do reagente em função do tempo:
Qual será o valor da velocidade média de consumo do reagente nas três primeiras horas de reação?
a) 4,0 mol.L-1.h-1
b) 2,0 mol.L-1.h-1
c) 10 km.h-1
d) 1,0 mol.L-1.h-1
e) 2,3 mol.L-1.h-1
Resposta:Letra e). Antes determinar a velocidade de consumo do NH3, é necessário determinar a variação da concentração e a variação do tempo entre as três primeiras horas. Lembrando que devemos sempre subtrair o final (terceira hora) pelo inicial (0 hora):
- Variação da concentração: será calculada em módulo porque o resultado final da velocidade não pode ser negativo.
Δ[] = |1-8|
Δ[] = |-7|
Δ[] = |7| mol.L-1
- Variação do tempo:
Δt = 3-0
Δt = 3 h
Por fim, basta utilizar os valores encontrados na fórmula da velocidade (variação da concentração dividida pela variação do tempo):
v = Δ[]
     Δt
v = |7|
      3
v = 2,33 mol.L-1.h-1

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