CINÉTICA QUÍMICA 2

LEI DA VELOCIDADE

A velocidade de uma reação química é diretamente proporcional ao produto das concentrações dos reagentes, sendo estas concentrações elevada a ordem da reação em relação à cada um dos reagentes.

Além disso, a velocidade também está relacionada à uma constante, k, chamada constante de proporcionalidade, que é específica para cada reação química e depende apenas da temperatura.

De forma geral, a lei da velocidade para a reação A + B → C + D pode ser expressa por

v = k ⋅ [A]x ⋅ [B]y

Onde
v = velocidade da reação
k = constante da proporcionalidade
[ ] = concentração dos reagentes (mol/L)
x e y = expoentes determinados experimentalmente.

ORDEM DA REAÇÃO

Determinada experimentalmente, as reações químicas podem ser de primeira ordem ou de segunda ordem. A ordem da reação é determinada sempre em relação à um reagente.

Ordem zero: quando a velocidade não sofre alteração coma variação da concentração de um reagente. Isto quer dizer que o reagente em questão não interfere na velocidade da reação.

Primeira ordem: quando a velocidade é diretamente proporcional à concentração. Logo, o expoente é igual a 1. Uma reação ser de primeira ordem em relação à um determinado reagente quer dizer por exemplo, que se dobrarmos a concentração desse reagente, a velocidade da reação também irá dobrar.

Segunda ordem: quando a velocidade é diretamente proporcional ao quadrado da concentração. Logo, o expoente é igual a 2. Uma reação ser de segunda ordem em relação à um determinado reagente quer dizer por exemplo, que se dobrarmos a concentração desse reagente, a velocidade da reação também irá quadruplicar.

Além disso, pode-se determinar a ordem da reação, que é determinada pela soma dos expoentes dos reagentes.

REAÇÕES ELEMENTARES E NÃO ELEMENTARES

As reações podem ser classificadas como elementares e não elementares.

Reações elementares: ocorrem em uma única etapa. A ordem da reação em relação a cada reagente é numericamente igual aos coeficientes estequiométricos da reação.

Exemplo: 

H²(g) + I²(g) → 2 HI(g) Etapa única

v = k[H²]¹ ⋅ [I²]

Reações não elementares: ocorrem em mais de uma etapa, sendo a etapa lenta a determinante da velocidade. A ordem da reação em relação aos reagentes é determinada experimentalmente.

Exemplo:

Os dados experimentais a seguir se referem à reação 2 A + B → C + D:

Para determinar a ordem de cada reagente, é feita a comparação entre dois experimentos, onde a concentração do reagente que se deseja determinar a ordem varia de um experimento para outro, enquanto a concentração dos demais reagentes permanece constante. Deve-se realizar este procedimento com todos os reagentes da reação: enquanto o que se deseja analisar deve ter sua concentração alterada, a dos demais devem permanecer constante. Assim, será possível verificar qual a influencia de cada um dos reagentes sobre a velocidade da reação.

Experimento 2 e 3: [A] se mantém constante, enquanto a [B] dobra. Como a velocidade também dobra, a ordem de [B] é igual a 1.

Experimento 1 e 2: [B] se mantém constante, enquanto [A] dobra. Como a velocidade quadriplica, a ordem de [A] é igual a 2.

Expressão da velocidade para a reação A + 2 B → C + D:

v = k[A]² ⋅ [B]¹

Ordem global da reação = 2 + 1 = 3

EXPRESSÃO DA VELOCIDADE PARA SISTEMAS HETEROGÊNEOS

Em reações em que os reagentes se encontram em estados de agregação distintos, a expressão da velocidade é descrita em função dos reagentes que apresentam maior grau de liberdade.

Grau de liberdade das moléculas:

gasoso > líquido > sólido

Nos casos onde o reagente for aquoso, considera-se que este apresenta grau de liberdade semelhante ao estado gasoso.

Exemplo:

2 X(l) + Y(g) → Z(g), v = k ⋅ [Y]¹

2 X(l) + Y(s) → Z(g), v = k ⋅ [X]²

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 

01. (IFSUL) Os veículos emitem óxidos de nitrogênio que destroem a camada de ozônio. A reação em fase gasosa ocorre em duas etapas:

1ᵃ etapa: O³ + NO² ➝ O² + NO³ (lenta)

2ᵃ etapa: NO² + NO³ ➝ N²O⁵ (rápida) 

A lei de velocidade para a reação é

a) v = k[O³][NO²]

b) v = k[NO²][NO³]

c) v = k[O²][NO³]

d) v = k[N²O⁵]

Resolução: A

Quando a reação é não elementar, ou seja, quando ocorre em mais de uma etapa, os coeficientes da expressão da velocidade são determinados pelos coeficientes estequiométricos dos reagentes da etapa lenta.

Assim:

1 O³ + 1 NO² ➞ 1 O² + 1 NO³

v = k[O³]¹ . [NO²]¹

02. (UEPA) De um modo geral, a ordem de uma reação é importante para prever a dependência de sua velocidade em relação aos seus reagentes, o que pode influenciar ou até mesmo inviabilizar a obtenção de um determinado composto.

Sendo assim, os dados da tabela abaixo mostram uma situação hipotética da obtenção do composto “C”, a partir dos reagentes “A” e “B”.

A partir dos dados da tabela acima, é correto afirmar que a reação: A + B → C, é de:

a) 2ª ordem em relação a “A” e de ordem zero em relação a “B”

b) 1ª ordem em relação a “A” e de ordem zero em relação a “B”

c) 2ª ordem em relação a “B” e de ordem zero em relação a “A”

d) 1ª ordem em relação a “B” e de ordem zero em relação a “A”

e) 1ª ordem em relação a “A” e de 1ª ordem em relação a “B”

Resolução: A

Para determinar a ordem de reação em relação a A, analisa-se os experimentos 1 e 3, pois neles a concentração de B é constante. Assim, qualquer alteração na velocidade neste intervalo será em função de A.

Note que neste intervalo (1-3), a concentração de A dobra, enquanto a velocidade quadruplica. Sendo assim, a ordem da reação em relação a A é igual a 2.

Para determinar a ordem da reação em relação a B, analisa-se os experimentos 1 e 3, pois neles a concentração de A é constante, enquanto a de B varia.

Note que neste intervalo (1-2), a concentração de B dobra, enquanto a velocidade permanece constante, ou seja, não sofre alteração. Isso significa que a ordem da reação em relação a B é igual a 0.

A expressão da velocidade para esta reação é: v = k [A]² ⋅ [B]⁰, ou seja, v = k [A]². Assim, pode-se concluir que a reação é de 2ª ordem em relação a “A” e de ordem zero em relação a “B”.