Cinética Química

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Universidade Federal de Campina Grande C e n t r o d e C i ê n c i a s e Te c n o l o g i a U n i d a d e A c a d ê m i c a E n g e n h a r i a Q u í m i c a Componente Curricular: Química Experimental Nome da Experiência: Estudo da Velocidade de uma Reação Química. Aluna: Dannyelle Alves dos Santos Data de Realização da prática: 26 de maio de 2009. Data de entrega do Relatório: 08 de junho de 2009. ____________________________________________________________________ Universidade Federal de Campina Grande C e n t r o d e C i ê n c i a s e Te c n o l o g i a U n i d a d e A c a d ê m i c a E n g e n h a r i a Q u í m i c a Recebi o relatório referente à prática número 05 (Estudo da Velocidade de uma Reação Química) da aluna Dannyelle Alves dos Santos, em 08 de junho de 2009. _______________________________ Professor (a) Centro de Ciências e Tecnologia Unidade Acadêmica Engenharia de Materiais Relatório Nº 5 Estudo da Velocidade de uma Reação Química Aluna: Dannyelle Alves dos Santos Matrícula: 20911595 Comp. Curricular: Laboratório de Química Geral Campina Grande, Junho de 2009. 1. INTRODUÇÃO As reações químicas têm permitido à humanidade resolver muitas das questões que a desafiam. No entanto, para que isso fosse possível, foi necessário aprender como alterar a velocidade das reações: seja acelerando as excessivamente lentas ou retardando as muito rápidas. Alguns fatores alteram a freqüência de colisões entre os reagentes de uma reação química, aumentando ou diminuindo a velocidade com que ela ocorre. Tais fatores podem ser: temperatura, pressão, concentração de reagentes, superfície de contato, catalisadores ou inibidores. Assim, algumas reações são extremamente rápidas como a reação de combustão instantânea entre os gases hidrogênio e oxigênio (gases utilizados como propulsores no lançamento de ônibus espaciais, por exemplo); enquanto que outras, extremamente lentas, como fermentação do suco de uva para a produção do vinho, o que pode demorar meses para ocorrer. 2. OBJETIVO Estudo da velocidade das reações químicas e mostrar quantitativamente como alguns fatores influenciam no tempo necessário para que a reação ocorra. Destacando-se entre eles a influência da concentração e da temperatura. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Existe um ramo na ciência que estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que a influenciam, é a chamada Cinética Química. Podemos 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 O conhecimento e o estudo das reações, além de ser muito importante em termos industriais, também estão relacionados ao nosso cotidiano. Por exemplo, quando guardamos alimentos na geladeira para retardar a decomposição ou usamos uma panela de pressão para aumentar a velocidade de cozimento dos alimentos. Uma reação química é um rearranjo de átomos provocado pelas colisões (choques) entre as partículas dos reagentes. Para que ocorra uma reação química duas condições são necessárias: haver afinidade química entre as substâncias e haver colisões entre as moléculas dos reagentes que levem a quebra de suas ligações para formação de novas ligações (rearranjo dos átomos dos reagentes para formação dos produtos). Em alguns casos, as reações são resultado de colisões entre íons e moléculas; íons e íons; e íons e átomos neutros. A velocidade de uma reação é a rapidez com que os reagentes são consumidos ou rapidez com que os produtos são formados. A combustão de uma vela e a formação de ferrugem são exemplos de reações lentas. Na dinamite, a decomposição da nitroglicerina é uma reação rápida. As velocidades das reações químicas são determinadas através de leis empíricas, chamadas leis da velocidade, deduzidas a partir do efeito da concentração dos reagentes e produtos na velocidade da reação. 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 Figura 1 fatores como: Concentração de reagentes, superfície de contato, pressão, temperatura e catalisadores. Concentração de Reagentes: Quanto maior a concentração dos reagentes maior será a velocidade da reação. Para que aconteça uma reação entre duas ou mais substâncias é necessário que as moléculas se choquem, de modo que haja quebra das ligações com conseqüente formação de outras novas. O número de colisões irá depender das concentrações de A e B. Conforme exemplifica a Figura 1, as moléculas se colidem com maior freqüência se aumentarmos o número de moléculas reagentes. É fácil perceber que devido a uma maior concentração haverá aumento das colisões entre as moléculas. Superfície de Contato: O aumento da superfície de contato aumenta a velocidade da reação. Um exemplo é quando dissolvemos um comprimido de Sonrisal® triturado, ele se dissolve mais rapidamente do que se estivesse inteiro, porque aumentamos a superfície de contato que reage com a água. Figura 2 Pressão: Quando se aumenta a pressão de um sistema gasoso, aumenta-se a velocidade da reação. Um aumento na pressão de P1 para P 2 reduziu o volume de V1 para V1/2, acelerando a reação devido à aproximação das moléculas. Percebemos na Figura 2, pois com a diminuição do volume no segundo recipiente, haverá um aumento da pressão intensificando as colisões das moléculas e em conseqüência ocorrerá um aumento na velocidade da reação. Temperatura: Quando se aumenta a temperatura de um sistema, ocorre também um aumento na velocidade da reação. Aumentar a temperatura significa aumentar a energia cinética das moléculas. No nosso dia-a-dia podemos observar esse fator quando estamos cozinhando e aumentamos a chama do fogão para que o alimento atinja o grau de cozimento mais rápido. Catalisadores: Os catalisadores são substâncias que aceleram o mecanismo sem sofrerem alteração permanente, isto é, durante a reação eles não são consumidos. Os catalisadores permitem que a reação tome um caminho alternativo, que exige menor energia de ativação, fazendo com que a reação se processe mais rapidamente. É importante lembrar que um catalisador acelera a reação, mas não aumenta o rendimento, ou seja, ele produz a mesma quantidade de produto, mas num período de menor tempo. 4. MATERIAIS Materiais: Béckers; Rolhas; Bico de Bunsen; Suporte para Tubos de Ensaio; Bureta; Suporte Universal; Cronômetro; Tela Metálica com Amianto; Mufa; Termômetro; Pinças para Buretas; Tripé; Pisseta; Tubos de Ensaio.. Reagentes: Tiossulfato de Sódio 0,1M (Na2S2O3 ). Ácido Sulfúrico 0,2M (H2SO4). 5. METODOLOGIA 5.1 – Influência da Concentração de Reagentes Três buretas foram preenchidas (com o auxílio de béckers e de uma pisseta) com água, solução de tiossulfato de sódio e solução de ácido sulfúrico, respectivamente. Em seguida, foram separados e numerados 3 conjuntos de tubos de ensaios, cada um contendo 5 tubos numerados, que foram preenchidos com a substância de cada bureta, de acordo com a Tabela 1. Após o preenchimento, cada bureta foi zerada, escoando o excesso do reagente, que ultrapassa a marca do zero na bureta, nos béckers. Tubo de Ensaio Kit 1 Vol. Na2S2O3 Kit 2 Vol. H2O Kit 3 Vol. H2S2O4 1 6 mL 0 mL 4 mL 2 4 mL 2 mL 4 mL 3 3 mL 3 mL 4 mL 5 2 mL 4 mL 4 mL 6 1 mL 5 mL 4 mL Primeiramente, misturaram-se os volumes dos tubos de ensaio do Kit 1 ao seu respectivo no Kit 2 (Tubo de Ensaio 1 do Kit 1, no Tubo de Ensaio 2 do Kit 2), havendo então a diluição e conseqüentemente a diminuição da concentração de Na2S2O3 .Em seguida, faz-se faz reagir o conteúdo de cada um dos tubos de ensaio contendo solução 0,1M de H2SO4 (Kit 3) com as concentrações diferentes de Na2S2O3, contidos nos tubos enumerados do Kit 1, um a um; tampando-os e agitando imediatamente após a mistura dos líquidos, acionando então o cronômetro até que houvesse o início do turvamento da solução, tomando nota do tempo. Repetindo a operação com os demais tubos. 5.2 – Influência da Temperatura de Reagentes Desta vez, foram utilizados 2 kits de tubos de ensaios, cada um contendo 4 tubos numerados. Cada tubo do Kit 4, foi preenchido com 2mL da solução de tiossulfato de sódio e 4mL de água e os tubos do Kit 5, foram preenchidos com 4mL da solução de ácido sulfúrico. Misturou-se o volume de um tubo de ensaio do Kit 4, com um do Kit 5, a temperatura ambiente, cronometrando o tempo desde a agitação da solução, até o início do turvamento. Tomou-se nota do tempo gasto (Tabela 2). Tubo de Ensaio Temperatura 6 25°C 7 35°C 8 45°C 9 55°C Temperatura Ambiente: 25°C Em seguida, colocou-se água em um bécker, para que pudesse ser levado a banho-maria; então, dentro do bécker, colocou-se um tubo de ensaio de cada Kit, para que estes fossem aquecidos, medindo a temperatura de cada volume do tubo, com um termômetro. Alcançandose então, a temperatura ideal (35°C, neste caso) misturou-se os volumes dos tubos, repetindo o que foi feito na primeira etapa, cronometrando o tempo desde a agitação da solução, até o início do turvamento. Para acelerar o aquecimento da água, utilizou-se o bico de Bunsen e, com o auxílio de um tripé e uma tela de amianto, para o aquecimento das substâncias no bécker. Analogamente, ao feito nos dois primeiros pares de tubos de ensaio, colocando-os no béquer, até que estes atinjam a temperatura necessária (10°C, maior que a anterior), agitando-os e cronometrando o tempo, até o início do turvamento. Repetiu-se o procedimento com o tubo restante. 6. TRATAMENTO DO RESULTADO 6.1 - Influência da Concentração de Reagentes 6.1.1 – A concentração de tiossulfato de sódio na solução inicial é 0,5. Calcular as suas concentrações em cada uma das soluções diluídas preparadas levando em consideração o volume total da solução em cada tubo de ensaio (a + b). A concentração (molar) é dada pelo quociente do nº de mols (n) pelo volume da solução (V); e que inicialmente a concentração da solução de tiossulfato de sódio era 0,1 M, temos então: · Na primeira solução permanece a concentração de 0,1 M, pois esta não foi diluída em água. · Na segunda solução foram utilizados 4 mL (0,004L) de solução do Na2S2O3 e 2 mL (0,002 L) de água, obtendo um nº de mols de: n n C= v Þ 0,1 = 0,004 Þ n = 0,0004 Temos então que a nova concentração será: n’ 0,0004 C’ = v’ Þ C’ = 0,006 Þ C’ = 0,066M · Na terceira solução foram utilizados 3 mL (0,003L) de solução do Na2S2O3 e 3 mL (0,003L) de água, obtendo um nº de mols de: n n C= v Þ 0,1 = 0,003 Þ n = 0,0003 Temos então que a nova concentração será: n’ 0,0003 C’ = v’ Þ C’ = 0,006 Þ C’ = 0,050M · Na quarta solução foram utilizados 2 mL (0,002L) de solução do Na2S2O3 e 4mL (0,004L) de água, obtendo um nº de mols de: n n C= v Þ 0,1 = 0,002 Þ n = 0,0002 Temos então que a nova concentração será : n’ 0,0002 C’ = v’ Þ C’ = 0,006 Þ C’ = 0,033M · Na quinta solução foram utilizados 1 mL (0,001L) de solução do Na2S2O3 e 5 mL (0,005L) de água, obtendo um nº de mols de: n n C= v Þ 0,1 = 0,001 Þ n = 0,0001 Temos então que a nova concentração será: n’ 0,0001 C’ = v’ Þ C’ = 0,006 Þ C’ = 0,016M 6.1.2 – Porque é importante que o volume total para todas as diluições seja de 10 mL? Porque nos capacita a preparar soluções de concentrações diferentes aumentando a participação da água num volume constante de mistura (solução) da água com a substância (Na2S2O3). 6.1.3 – Construa um gráfico com o tempo no eixo vertical (ordenada) e a concentração de Na2S2O3 no eixo horizontal (abscissa). Tempo X Concentração 140 123,89 120 100 Tempo 80 69,75 60 48,33 40 20 35,44 13,8 0 0,1 0,06 0,05 0,033 0,016 Concentração 6.1.4 – Que generalização pode você estabelecer a respeito da influência que tem a variação da concentração sobre o tempo de reação? Quanto maior a concentração menor o tempo de reação. 6.1.5 – Que relação existe entre o tempo de reação e a velocidade de reação? Quanto menor o tempo de reação, maior a velocidade de reação. 6.2 - Influência da Temperatura de Reagentes 6.2.6 – Construa um gráfico, colocando a temperatura no eixo Tempo (s) horizontal (abscissa) e o tempo no eixo vertical (ordenada); 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Tempo (Turvamento) X Temperatura 76,44 47,56 23,33 12,77 25 Temperatura (°C) 35 45 55 6.2.7 – Que relações gerais você pode deduzir do gráfico obtido? Que aumentando-se a temperatura, a velocidade de reação também aumenta. 6.2.8 – Faça uma previsão de tempo de reação a 15°C e a 50°C. · Para 15° C · Para 50° C 25°C Þ 76,4 25°C Þ 76,44 s 15°C Þ x 50°C Þ x Grandezas Inversamente Proporcionais 25 = X 50 76,4 25 = X 15 76,4 x = 127,333 s x = 38,2 s 7. RESOLUÇÃO DAS QUESTÕES PROPOSTAS 7.1 Construa um gráfico apresentando o inverso do tempo, em função da temperatura. Que tipo de função você obtém? Inverso do Tempo X Temperatura 60 Temperatura (°C) 55 50 45 40 30 35 25 20 10 0 0,013 0,021 Inverso do Tempo (1/T) (s) 0,042 0,078 8. CONCLUSÃO A partir deste experimento, concluímos que podemos acelerar um processo de reação, desde que conheçamos fatores que influenciam na velocidade de reação. Sabemos portanto, que o aumento de concentração aumenta a velocidade de reação; assim também, como o aumento de temperatura, o que foi comprovado com este experimento, conforme dados das tabelas a seguir: Tabela 3 – Dados obtidos no experimento – Concentração x Tempo Tubo de Ensaio Kit 1 Vol. Na2S2O3 Kit 2 Vol. H2O Kit 3 Vol. H2S2O4 Tempo (Turvamento) 1 6 mL 0 mL 4 mL 13,8s 2 4 mL 2 mL 4 mL 35,44s 3 3 mL 3 mL 4 mL 48,33s 5 2 mL 4 mL 4 mL 69,75s 6 1 mL 5 mL 4 mL 123,89 Tabela 4 – Dados obtidos no experimento - Temperatura x Tempo Tubo de Ensaio Temperatura Tempo 6 25°C 76,44 s 7 35°C 47,56 s 8 45°C 23,33 s 9 55°C 12,77 s Temperatura Ambiente: 25°C Dispondo os dados obtidos na experiência em gráfico, chega-se a conclusão de que podemos prever o tempo a ser gasto numa reação, sem alterar algum fator que influencie na velocidade de reação. Foi o que aconteceu ao prevermos que a 15°C gastaríamos 127,33s para chegar ao produto da reação e que a 50°C gastaríamos 38,23s. Porém muito provavelmente houve erro na determinação do tempo de reação; isto se deve em grande parte à dificuldade de identificar com precisão o início da turvação causada pelo enxofre formado. O que não influi na nossa conclusão dos fatores que alteram e como alteram a velocidade da reação. 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Peruzzo, Tito Miragaia, 1947 – Química: na abordagem do Cotidiano, volume único / Tito Niragaia Peruzzo, Eduardo Leite do Canto – 1ª Ed – São Paulo; Ed. Moderna, 1996. SILVA, V. J. Apostila de Físico-Química Experimental II. Disponível online em: http://paginas.terra.com.br/educacao/ademir/. Universidade Estadual de Goiás: Anápolis, Brasil. 2004. LEAL, R. Apostila da Química Experimental I. Goiás: Universidade Estadual de Goiás, 2003.