Planejativo

Cinética química: Velocidade média e Lei da velocidade

Entalpia

Lei de Hess

Entalpia de Ligação

Soluções: classificação e solubilidade

Unidades de concentração

Diluição de soluções

Mistura de soluções

Cinética química: Visão geral

Noções e cálculos de equilíbrio químico

Deslocamento de equilíbrio

Equilíbrio iônico da água, pH e pOH

Hidrólise de sais

Equilíbrio iônico e Produto de Solubilidade (Kps)

Soluções tampão e Titulação

Número de oxidação (NOX)

Reações e Balanceamento por oxirredução

Pilhas

Eletrólise ígnea

Eletrólise aquosa

Eletrólise com eletrodos reativos

Estequiometria da eletrólise

Propriedades coligativas

Coloides

Alguns pontos-chave dessa matéria para o ENEM que devem ser levados em conta ao estudarmos são:

 A velocidade média é a taxa de mudança na concentração de um reagente ou produto durante um período de tempo. É um conceito fundamental em cinética química, já que permite que entendamos e prevejamos o ritmo de uma reação.

 O cálculo da velocidade média envolve a aplicação das leis básicas de cinética, normalmente através da equação v = Δ[concentração] / Δt. Compreender como calcular a velocidade média permite que avaliemos a progressão de uma reação ao longo do tempo e é uma habilidade essencial em muitos problemas de cinética química.

 A velocidade de consumo se refere à taxa de consumo de reagentes numa reação. Ela nos permite entender o quão rapidamente os reagentes estão sendo consumidos e, portanto, quão rapidamente a reação está progredindo.

 A velocidade de produção se refere à taxa de formação de produtos numa reação. Ela nos dá uma ideia da rapidez com que a reação está produzindo produtos, o que é fundamental para entender a eficiência e a utilidade de uma reação.

 A Lei da Velocidade expressa a velocidade de uma reação em termos da concentração dos reagentes. Ela nos ajuda a modelar o comportamento de uma reação sob diferentes condições e a prever como mudanças nas concentrações de reagentes afetarão a velocidade da reação. Compreender a Lei da Velocidade é crucial para entender a cinética química e para prever o comportamento de reações químicas.

Primeiramente, é importante entender o que é a cinética química. A cinética química é o estudo da velocidade das reações químicas, ou seja, o quanto rápido os reagentes se transformam em produtos.

Dentro da cinética química, a velocidade média de uma reação química é uma medida do desaparecimento médio dos reagentes ou do aparecimento médio dos produtos por unidade de tempo. Vamos pensar em uma reação simples:

Os coeficientes a, b, c e d representam o número de moles de cada substância envolvida na reação.

Podemos definir a velocidade média (v) de uma reação química como a mudança na concentração de qualquer reagente ou produto dividida pelo intervalo de tempo durante o qual essa mudança ocorre. Para o reagente A, a fórmula seria:

Aqui, [A] e [C] representam as concentrações molares dos reagentes A e produtos C, respectivamente, e Δ significa 'mudança em'. Nota-se que a velocidade média é expressa em termos de concentração (mol/L) dividida pelo tempo (s), ou seja, mol/(L.s).

Repare que a velocidade da reação é expressa com um sinal negativo para os reagentes e positivo para os produtos. Isso ocorre porque a concentração dos reagentes diminui com o tempo (pois estão sendo consumidos na reação), enquanto a concentração dos produtos aumenta (pois estão sendo formados).

Vamos utilizar uma reação de decomposição simples para ilustrar a velocidade média. Considere a reação:

Nesta reação, 2 moles de N₂O₅ se decompõem para formar 4 moles de NO₂ e 1 mol de O₂.

Suponha que realizamos esta reação em um recipiente fechado e observamos que a concentração de N₂O₅ diminuiu de 0,05 mol/L para 0,03 mol/L em 20 segundos.

A velocidade média de desaparecimento de N₂O₅ durante esse intervalo de tempo é calculada usando a fórmula da velocidade média:

O sinal negativo indica que a concentração de N₂O₅ está diminuindo.

v = - (0,03 mol/L - 0,05 mol/L) / 20 s v = 0,001 mol/(L.s)

Note que o valor da velocidade é positivo, porque a fórmula já leva em conta a direção da mudança ao incluir o sinal negativo.

Agora, digamos que também medimos a concentração de NO₂ e descobrimos que aumentou de 0 mol/L para 0,04 mol/L no mesmo intervalo de tempo.

Podemos calcular a velocidade média de formação de NO₂:

v = (0,04 mol/L - 0 mol/L) / 20 s v = 0,002 mol/(L.s)

Aqui, a velocidade é duas vezes a velocidade da decomposição do N₂O₅, porque para cada 1 mol de N₂O₅ que se decompõe, 2 moles de NO₂ são formados, de acordo com a equação da reação química.

Este exemplo mostra como a velocidade média pode ser utilizada para rastrear as mudanças na concentração dos reagentes e produtos durante uma reação química.

Outras formas de calcular a velocidade média

A velocidade média de uma reação química pode ser expressa de várias maneiras, dependendo das informações que temos disponíveis e do que estamos tentando determinar. Além de ser expressa em termos de concentração (mol/L) por tempo, como vimos anteriormente, a velocidade também pode ser expressa em termos de massa por tempo ou número de moles por tempo.

1. Velocidade média em termos de massa por tempo

Se tivermos a informação da massa dos reagentes ou produtos e o tempo, podemos expressar a velocidade média da reação em termos de massa por tempo. Isto é especialmente útil quando estamos trabalhando com reações em sistemas onde a massa é mais fácil de medir do que a concentração.

A fórmula para a velocidade média em termos de massa seria algo como:

Onde m é a massa do reagente ou produto, e Δ indica uma mudança. Como antes, usamos um sinal negativo para os reagentes (porque a massa está diminuindo com o tempo) e um sinal positivo para os produtos (porque a massa está aumentando).

2. Velocidade média em termos de número de moles por tempo

Se soubermos o número de moles de reagentes ou produtos e o tempo, podemos expressar a velocidade média da reação em termos de número de moles por tempo. Isso pode ser útil quando sabemos o número de moles, mas não a concentração.

A fórmula para a velocidade média em termos de número de moles seria:

Onde n é o número de moles do reagente ou produto. Novamente, usamos um sinal negativo para os reagentes e um sinal positivo para os produtos.

Em todos esses casos, o objetivo é o mesmo: entender o quão rápido os reagentes estão sendo consumidos e os produtos estão sendo formados em uma reação química. Dependendo das informações disponíveis e das condições do sistema, pode ser mais útil usar uma fórmula do que outra.

A velocidade de consumo se refere à velocidade com que os reagentes são consumidos em uma reação química. Para um reagente específico, é medida como a variação da concentração (ou da massa, ou do número de moles, dependendo das informações que temos disponíveis) desse reagente ao longo do tempo.

A velocidade de consumo de A, vA, é dada por:

Onde [A] é a concentração de A, e Δt é a variação do tempo. O sinal negativo reflete o fato de que a concentração de A está diminuindo ao longo do tempo (pois A está sendo consumido). Para considerar o coeficiente estequiométrico (a), dividimos a equação por 'a':

A velocidade de produção se refere à velocidade com que os produtos são formados em uma reação química. Para um produto específico, é medida como a variação da concentração (ou da massa, ou do número de moles, dependendo das informações que temos disponíveis) desse produto ao longo do tempo.

Usando a mesma reação acima, a velocidade de produção de C, vC, é dada por:

Onde [C] é a concentração de C. Não há sinal negativo aqui porque a concentração de C está aumentando ao longo do tempo (C está sendo formado). Para considerar o coeficiente estequiométrico (c), dividimos a equação por 'c':

Em uma reação química, a taxa de consumo de cada reagente e a taxa de formação de cada produto são relacionadas. Para a nossa reação exemplo, em condições ideais, a velocidade média de consumo de A deve ser igual à velocidade média de produção de C:

A cinética química usa esses conceitos para modelar e prever o progresso de reações químicas em uma variedade de condições.

A Lei da Velocidade é um conceito fundamental em cinética química. Ela expressa a velocidade de uma reação em termos da concentração dos reagentes. Para uma reação química geral:

A Lei da Velocidade seria expressa da seguinte maneira:

Os expoentes x e y representam como a velocidade da reação muda em resposta à mudança na concentração dos reagentes. Por exemplo, se x = 1, então a velocidade da reação é diretamente proporcional à concentração de A. Se x = 2, então a velocidade da reação é proporcional ao quadrado da concentração de A.

Vamos considerar a reação de decomposição do peróxido de hidrogênio:

Suponha que, experimentalmente, foi determinado que a velocidade desta reação é proporcional à concentração de peróxido de hidrogênio ao quadrado. Isso pode ser expresso com a seguinte Lei da Velocidade:

Ou seja, se a concentração de peróxido de hidrogênio for dobrada, a velocidade da reação aumentará por um fator de 4 (2²), indicando que a reação é de segunda ordem com relação ao peróxido de hidrogênio.

A Lei da Velocidade é uma ferramenta importante para prever como a velocidade de uma reação química mudará em resposta às mudanças nas concentrações de reagentes.

Imagine que estamos estudando a seguinte reação:

Nós conduzimos experimentos variando a concentração inicial de A e medimos a velocidade inicial da reação. Os resultados podem ser resumidos na seguinte tabela:

Podemos usar esses dados para determinar a Lei da Velocidade para a reação.

Primeiramente, percebemos que a velocidade inicial da reação aumenta quando a concentração inicial de A aumenta. Isso sugere que a velocidade da reação é dependente da concentração de A.

Podemos ver que, ao dobrar a concentração inicial de A (de 0.5 mol/L para 1.0 mol/L, por exemplo), a velocidade da reação quadruplica (de 0.02 mol/L.s para 0.08 mol/L.s). Isso sugere que a reação é de segunda ordem com relação a A.

Assim, a Lei da Velocidade para esta reação é:

Para encontrar o valor de k, podemos escolher qualquer um dos experimentos e substituir os valores na Lei da Velocidade. Se escolhermos o Experimento 1:

k = 0.02 mol/L.s / (0.5 mol/L)² = 0.08 L/(mol.s)

Portanto, a Lei da Velocidade completa para esta reação é:

A Lei da Velocidade nos permite prever a velocidade da reação para qualquer concentração de A. Por exemplo, se quisermos saber a velocidade quando [A] é 0.8 mol/L, substituímos esse valor na Lei da Velocidade: