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Um relatório de aula prática sobre os fatores que influenciam a velocidade das reações químicas, incluindo a presença de catalisadores e a superfície de contato dos reagentes. O objetivo do estudo foi investigar experimentalmente o efeito do catalisador, da superfície de contato e da concentração na velocidade das reações químicas, utilizando reações envolvendo zinco, ácido sulfúrico, ferro em pó, fio de ferro, ácido clorídrico e outras soluções. O documento detalha os procedimentos experimentais realizados, as observações qualitativas e os cálculos envolvidos. Além disso, discute-se a influência da temperatura na velocidade das reações. Os resultados obtidos confirmam que catalisadores e a superfície de contato são fatores cruciais que influenciam a velocidade das reações químicas, com implicações importantes para a compreensão de processos químicos em ambientes laboratoriais e industriais.
Tipologia: Notas de estudo
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Universidade do Estado do Rio Grande do Norte – UERN Faculdade de Ciências Exatas e Naturais – FANAT Departamento de Química – DQ Campus Universitário Central Componente Curricular: Cinética Brenda Santos de Sousa Ruth Batista de Andrade Relatório de Aula Prática I Fatores que Influenciam na Velocidade da Reação Mossoró 2024
Brenda Santos de Sousa Ruth Batista de Andrade Relatório de Aula Prática I Fatores que Influenciam na Velocidade da Reação Relatório apresentado como parte das exigências do componente curricular Cinética, ministrada pelo Prof.ª Dr.ª Crislania Carla de Oliveira Morais no curso de Licenciatura em Química da Universidade do Estado do Rio Grande do Norte. Mossoró 2024
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A cinética química é uma área fundamental da química que estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que a influenciam. Compreender os fatores que podem acelerar ou retardar uma reação é essencial para o desenvolvimento de processos industriais mais eficientes e seguros, bem como para a compreensão de fenômenos naturais e biológicos. Entre os principais fatores que influenciam a velocidade das reações estão a concentração dos reagentes, a temperatura, a presença de catalisadores e a superfície de contato dos reagentes sólidos (BROWN; LEMAY; BURSTEN, 2015). Os catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade de uma reação sem serem consumidas no processo. Eles atuam diminuindo a energia de ativação necessária para a reação ocorrer, permitindo que mais moléculas de reagente tenham energia suficiente para reagir em uma determinada temperatura. A importância dos catalisadores na indústria química é inegável, pois eles são utilizados em processos de síntese de produtos químicos, refino de petróleo, e em muitas outras aplicações (ATKINS; DE PAULA, 2014). Outro fator crucial que influencia a velocidade das reações é a superfície de contato dos reagentes sólidos. Quando a superfície de contato é maior, a área disponível para as moléculas dos reagentes colidirem aumenta, resultando em uma maior taxa de reação. Este fenômeno é particularmente relevante em reações heterogêneas, onde um reagente sólido reage com um líquido ou gás. Estudos mostram que a pulverização de sólidos aumenta significativamente a velocidade das reações em comparação com a utilização de blocos ou fios dos mesmos materiais (MAHAN; MYERS, 2013). Este trabalho tem como objetivo investigar experimentalmente o efeito do catalisador, da superfície de contato e da concentração na velocidade das reações químicas. Utilizando-se de zinco e ácido sulfúrico para o estudo do efeito do catalisador, e de ferro em pó e fio de ferro para a análise do efeito da superfície de contato, busca-se verificar como esses fatores alteram a velocidade das reações e compreender melhor os mecanismos subjacentes. No experimento, observou-se que o tubo de ensaio contendo zinco e H 2 SO 4 1 M, com a adição de um cristal de KNO 3 , apresentou uma reação acelerada com liberação intensa de bolhas de H₂, visto que o KNO 3 atuou como um catalisador na reação. No estudo da superfície de contato, a reação entre ferro em pó e HCl 6 M foi rápida e intensa, com formação intensa de bolhas e aquecimento, enquanto a reação com um fio de ferro da mesma massa foi visivelmente mais lenta, o que
mostra que a superfície de contato aumentada do ferro em pó acelerou a reação (SILVA; PEREIRA, 2017).
Investigar experimentalmente os fatores que influenciam na velocidade das reações químicas, incluindo a presença de catalisadores e a superfície de contato dos reagentes.
EXPERIMENTO 1: Determinação Qualitativa. Parte A: Efeito do Catalisador na Velocidade da Reação
Para explorar o efeito da superfície de contato na velocidade da reação, adicionamos 0, mL de HCl 6 M em dois tubos de ensaio. Em um tubo, adicionamos 0,5026 g de ferro em pó, enquanto no outro colocamos um fio de ferro com a mesma massa. Agitamos os tubos e observamos as reações com cuidado. Parte C: Para investigar o efeito da concentração de um dos reagentes sobre o tempo da reação, preparamos 7 béqueres contendo concentrações diferentes da solução A (tabela 1). Em outros 7 tubos, foram adicionados 5 ml da solução B em cada um deles, como apresenta a tabela 1. Quadro 1: Preparação das soluções A e B em diferentes concentrações Após preparar cada tubo com as soluções, a solução do tubo #1A foi derramada sobre a solução de número #1B e disparado o cronômetro, o tubo estava sendo agitado constantemente até ser observada qualquer mudança. O mesmo procedimento foi realizado nas soluções restantes, onde os tempos em que cada alteração aconteceu foi anotado. Parte D: Tubos A Numeração dos tubos V (mL). Sol A. V (mL). H 2 O #1A 2,50 0, #2A 2,00 0, #3A 1,50 1, #4A 1,25 1, #5A 1,00 1, #6A 0,75 1, #7A 0,50 2, Tubos B Numeração dos tubos V (mL). Sol B. #1B 5, #2B 5, #3B 5,
#5B 5, #6B 5, #7B 5,
Para ser identificada a influência da temperatura das reações químicas, preparamos 4 conjuntos de tubos iguais aos presentes na tabela 1 do experimento anterior, dos números #3A e # 3 B. A figura 1 abaixo mostra em detalhes como deve ser montado cada conjunto: Logo após a montagem dos conjuntos, preparamos um banho maria em temperatura de 50°C, acionamos a esse banho um dos conjuntos de tubos até que eles atinjam a temperatura de 50°C. Ao atingir a temperatura desejada, o tubo com a solução A foi despejado no tubo contendo a solução B, o cronometro foi disparado assim que as duas soluções entraram em contato, realizados movimentos circulares até que houvesse mudança na coloração. O procedimento foi repetido com as temperaturas 15°C, 5°C e 0°C, como apresentado na figura 1; o tempo de cada procedimento foi anotado.
Parte A: Cálculos para Preparação das Soluções: Solução de H₂SO₄ 1 M: Dissolver 98 g de H₂SO₄ em água para completar 1 L de solução. Reações Químicas Envolvidas: No primeiro momento, ao adicionar um granulo de zinco e o H 2 SO 4 em cada tubo: 𝑍𝑛(𝑠) + 𝐻 2 𝑆𝑂 4 (𝑎𝑞) → 𝑍𝑛𝑆𝑂 4 (𝑎𝑞) + 𝐻 2 (𝑔) Ao adicionar gotas de KMnO 4 : Fig 1: Desenho esquemático da etapa experimental em 4 diferentes temperaturas: a) temperatura de 50ºC; b) temperatura em torno de 15 ºC (mistura de água gelada com água da torneira); c) temperatura da água gelada ~5 º C (água gelada); d) ~ 0 º C (mistura de água gelada com cubos de gelos).
Reação inicial envolvida na solução A e na reação após a mistura das duas soluções; Dissociação do Iodeto de Potássio: 𝐾𝐼𝑂 3 (𝑎𝑞) → 𝐾(^ +𝑎𝑞^ )+ 𝐼𝑂 3 − (𝑎𝑞) Reação final: 𝐼𝑂 3 − (^ 𝑎𝑞)+ 5 𝐼(^ −𝑎𝑞^ )+ 6 𝐻(^ +𝑎𝑞^ )→ 3 𝐼 2 (𝑠) + 3 𝐻 2 𝑂(𝑙) Solução A reagindo com solução B: 𝐼𝑂 3 − (^ 𝑎𝑞)+ 3 𝐻𝑆𝑂 3 − (^ 𝑎𝑞)→ 𝐼(^ −𝑎𝑞^ )+ 3 𝑆𝑂 42 (−𝑎𝑞^ )+ 3 𝐻(^ +𝑎𝑞) Tabela com os tempos (s) de reação, quando foi realizado a mistura das soluções A e B em diferentes concentrações: V (mL). Sol A. / H 2 O V (mL). Sol B. Tempo (s) 2,50 / 0,00 5,00 10,00s 2,00 / 0,50 5,00 16,03s 1,50, / 1,00 5,00 30,52s 1,25 / 1,25 5,00 40,50s 1,00 / 1,50 5,00 1min 13s 0,75 / 1,75 5,00 2min 22s 0,50 / 2,00 5,00 7min 10s Gráfico com esses resultados (tempo no eixo x e concentração no eixo y) e discussão de como a concentração influenciou na velocidade da reação:
Influência da temperatura na velocidade da reação: Com a diminuição da temperatura nos experimentos, as reações demoram mais a acontecer, isso porque, quando ocorre o aumento da temperatura, acontece o aumento da energia cinética das moléculas, fazendo com que essas moléculas se movam mais rapidamente, isso aumenta a frequência de colisões entre as moléculas, o que faz com que as moléculas atinjam mais rapidamente a energia de ativação necessária para a reação ocorrer. Quando as temperaturas foram reduzidas no experimento, ocorre o contrário. Portanto, a velocidade da reação aumenta significativamente com a temperatura, e à medida que a velocidade temperatura diminui, a velocidade da reação também diminui.
A prática confirmou que catalisadores e a superfície de contato são fatores cruciais que influenciam a velocidade das reações químicas. O KNO₃ atuou como catalisador, aumentando a velocidade da reação entre zinco e ácido sulfúrico. O ferro em pó, devido à sua maior superfície de contato, reagiu mais rapidamente com ácido clorídrico em comparação ao fio de ferro. Esses resultados são importantes para a compreensão de processos químicos tanto em ambientes laboratoriais quanto industriais, onde o controle da velocidade de reação é essencial para a eficiência e segurança dos processos (SILVA; PEREIRA, 2017). 0 10 20 30 40 50 60 17,18s 33,44s 33,46s 37,95s Temperatura ( °C) Tempo (s)
ATKINS, P.; DE PAULA, J. Físico-química. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. BROWN, T. L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química: A Ciência Central. 12. ed. São Paulo: Pearson, 2015. MAHAN, B. H.; MYERS, R. J. Química: Um Curso Universitário. 3. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2013. SILVA, A. R.; PEREIRA, M. L. Cinética Química: Fundamentos e Aplicações. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2017.
