Cinética Química
Rafael Pereira Siqueira Monti - 15880
Renan Ferreira Perez - 15886
Engenharia Mecânica 2008
Introdução
A cinética química está preocupada com as
velocidades, ou grau de velocidade, das reações
químicas.
Exemplos de sua importância no nosso cotidiano:
• Rapidez com que o medicamento age no nosso
corpo;
• Velocidade de deterioração dos alimentos;
• Velocidade de corrosão de materiais;
• Funcionamento de conversores catalíticos.
Fatores que afetam as
velocidades de reações
O estado físico dos reagentes:
• Para que as reações ocorram é
necessário contato entre os
reagentes. Portanto quanto maior a
área de contato, maior será a
velocidade da reação.
Exemplo: Remédios em forma de comprimido
e pó fino.
Fatores que afetam as
velocidades de reações
A concentração dos reagentes:
• A maioria das reações químicas aumentam
sua velocidade com o aumento da
concentração de um ou mais de seus
reagentes
Exemplo: Abertura da janela do bico de Bunsen.
Fatores que afetam as
velocidades de reações
A temperatura na qual a reação ocorre:
• O aumento da temperatura faz aumentar a
energia cinética das moléculas,
conseqüentemente haverá um incremento no
número de colisões entre elas.
Exemplo: Refrigeração de alimentos perecíveis.
Fatores que afetam as
velocidades de reações
Presença de um catalisador:
• Os catalisadores afetam a mecânica das
colisões entre as moléculas, contudo
permanecem inalterados após o término da
reação.
Exemplo: Catalisadores de automóveis.
Velocidades de reações
A velocidade de uma reação, ou sua taxa de reação,
é a variação na concentração (mol/L) dos reagentes
ou produtos por unidade de tempo (s).
variação da concentração
Velocidade média =
variação no tempo
Δ[ ]
=
Δt
Velocidades de reações
H2(g) + I2(g)
<V> reagentes =
<V> produtos =
2 HI(g)
0 - 10
= -0,33 mol/L.s
30 - 0
20 - 0 = 0,66 mol/L.s
30 - 0
t (s)
[H2] e [I2]
(mol/L)
[HI] (mol/L)
0
10
0
30
0
20
Concentração e Velocidade
aA + bB
cC+dD
V = k [A]n . [B]m
Onde:
k = constante de velocidade a uma dada temperatura
n = ordem da reação em relação a A
m = ordem da reação em relação a B
OBS.: Os valores de m e n são obtidos experimentalmente,
mas em reações elementares, n = a e m = b.
Método Espectroscópico para
medição de velocidades de reação
O espectrômetro é acertado para monitorar a
concentração de um reagente ou produto durante
uma reação através da absorção de um
comprimento de onda característico.
Espectrômetro
de Absorção
Variação da concentração
com o tempo
Uma reação de primeira ordem é aquela cuja velocidade
depende da concentração de um único reagente elevado à
primeira potência.
A  produtos
Velocidade = [A] = k[A]
t
Variação da concentração
com o tempo
Uma reação de segunda ordem é aquela cuja
velocidade depende da concentração do reagente
elevado à segunda potência ou da concentração de
dois reagentes diferentes, cada um elevado à
primeira potência.
Como regra, a ordem de uma reação vem dada
pela soma dos expoentes dos reagentes
Variação da concentração
com o tempo
Para reações de ordem dois temos:
A  produtos
ou
A + B  produtos
Velocidade = [A] = k[A]2
t
Com o uso do cálculo, essa lei de velocidade pode ser
usada para derivar a seguinte equação:
1 = kt + 1
[A]0
[A]t
Variação da concentração
com o tempo
Gráfico da
velocidade da
reação de primeira
ordem
Gráfico da
velocidade da
reação de segunda
ordem
Variação da concentração
com o tempo
A meia-vida de uma reação é o tempo necessário para que
a concentração de um reagente caia para a metade de seu
valor inicial.
OBS.: A concentração inicial dos reagentes não afeta
a meia-vida de uma reação de primeira ordem.
Temperatura e velocidade
A temperatura está intimamente ligada à
velocidade, na grande maioria das reações
químicas a velocidade aumenta com o aumento
da temperatura.
Temperatura e velocidade
Modelo de colisão:
• Para que haja uma reação é preciso que as
moléculas se choquem.
Por exemplo: Numa mistura de H2 e I2, a
temperatura e pressão ordinárias, ocorrem
aproximadamente 1010 colisões por segundo,
mas apenas uma em cada 1013 colisões
produz uma reação.
• Mas colidir simplesmente não basta, é
necessário levar em consideração o fator
orientação.
Mas o que é o fator orientação??
Temperatura e velocidade
Fator Orientação:
As moléculas devem estar orientadas de uma maneira
eficiente para que a reação ocorra.
H2 + I2  2 HI

+
Colisão I:
Colisão II:

Não favorável
 
Complexo
ativado

Temperatura e velocidade
Energia de ativação:
• Existe uma energia mínima que as moléculas
devem possuir para que uma reação ocorra.
• Essa energia vem da energia cinética das
moléculas que colidem, e ela é chamada de
energia de ativação, Ea.
• A fórmula que determina a fração das
moléculas com E ≥ Ea vem dada por:
Onde:
f=
e-Ea/RT
• R é a constante dos gases
(8,314 J/mol.K)
• T é a temperatura absoluta
Temperatura e velocidade
O arranjo específico dos átomos quando a energia de
ativação for máxima é chamado de complexo ativado.
Temperatura e velocidade
Equação de Arrhenius
Arrhenius observou que, para a grande
maioria das reações, o aumento na
velocidade com o aumento da temperatura
é não-linear:
Onde:
• k é a constante da velocidade
k = Ae-Ea/RT
• Ea é a energia de ativação
• R é a constante dos gases
(8,314 J/mol.K)
• A é uma “constante”
relacionada com a freqüência
das colisões
Temperatura e velocidade
Pode-se também utilizar a equação de Arrhenius,
quando se tem a constante k de velocidade de uma
reação em duas temperaturas:
ln k1 = - Ea + ln A
RT1
ln k2 - ln k1 = -Ea
R
e
1 T2
ln k2 = - Ea + ln A
RT2
1
T1
Mecanismos de reação
Mecanismo de reação descreve a maneira com que as
reações ocorrem. Portanto, as reações podem ser
dividias em uma ou mais etapas elementares.
Se soubermos que uma reação é elementar,
saberemos sua lei de velocidade.
OBS.: Estudos experimentais podem mostrar que
uma reação pode ter uma lei de velocidade muito
diferente que a apresentada através das etapas
elementares.
Mecanismos de reação
O número de moléculas que participam como
reagentes em uma etapa elementar define a
molecularidade da etapa:
• Unimolecular: Reação que envolve uma única
molécula;
• Bimolecular: Reação envolvendo colisão de
duas moléculas de reagente
• Termoleculares: Reação de envolve a colisão
simultânea de três moléculas (são reações
raramente encontradas).
OBS.: Em uma reação envolvendo mais de uma
etapa, a reação mais lenta é a determinante da
velocidade da reação.
Mecanismos de reação
Molecularidade
Etapa elementar
Lei de velocidade
Unimolecular
A → produtos
Velocidade = k[A]
Bimolecular
A + A → produtos
Velocidade = k[A]2
Bimolecular
A + B → produtos
Velocidade = k[A][B]
Termolecular
A + A + A → produtos
Velocidade = k[A]3
Termolecular
A + A +B → produtos
Velocidade = k[A]2[B]
Termolecular
A + B + C → produtos Velocidade = k[A][B][C]
Catálise
Catalisador é uma substância que acelera uma
reação diminuindo sua energia de ativação, mas
apesar disso não sofre modificação química
permanente:
• Catálise homogênea: Um catalisador
homogêneo é aquele que está presente na
mesma fase que as moléculas do reagente;
• Catálise heterogênea: Um catalisador
heterogêneo existe em fase diferente das
moléculas do reagente.
Catálise
Catálise
Conversor catalítico usado em automóveis.
Catálise
Um excelente exemplo de reações catalíticas
muito eficientes são as reações envolvendo
enzimas em nosso corpo:
As enzimas são muito seletivas e aceleram
drasticamente processos específicos no
nosso organismo, as reações envolvendo
enzimas podem ser melhor explicadas
utilizando o modelo da chave e fechadura:
Referências Bibliográficas
• Química : Ciência Central – Brown, Lemay e Bursten; 9ª ed.
• www.wikipedia.org