Lista de Exercícios Cinética Química - Reações, Velocidade e Estequiometria

Unidade Curricular Cinética Química Profa Dra Carla França Giacometti Regime especial O regime especial será aplicado estilo trabalholista de exercícios para ser entregue via blackboard ou email da instituição carlafrancaesamcbr Data limite 30052023 as 1915h Todos os exercícios estão fundamentados nas aulas ministradas Poderão fazer os exercícios a mão computador excel etc mas no final deverão enviar um documento Word ou PDF 1 Num pequeno reator equipado com um medidor sensível de pressão é colocada uma mistura de 7694 de reagente A e 2306 de inerte a 1 atm de pressão A operação é efetuada a 14ºC temperatura suficientemente baixa para que não haja reação apreciável A temperatura é elevada rapidamente a 100ºC sendo obtidas as leituras constantes apresentados na tabela baixo t min 0 05 1 15 2 3 4 5 6 7 8 π atm 13 15 165 176 184 195 2025 208 221 215 2175 Sabese que estequiometria da reação A 2R após certo tempo as análises demonstraram não haver presença de A pressão parcial de A ao longo da reação 𝑝𝐴 23 𝜋 Determine a equação de velocidade nas unidades moles litros e minutos que melhor se ajuste aos dados obtidos através dos métodos integral diferencial e tempo de meia vida Compare e discuta os resultados de cada método 2 Para a reação 2A B C 3D foram obtidas as seguintes velocidades iniciais A inicial molL B inicial molL dAdt inicial molLs 0127 0346 164x106 0254 0346 328x106 0254 0692 131x105 a Escreva a equação de velocidade para a reação b Calcule o valor da constante de velocidade c Calcule a velocidade de consumo de A quando A 0100 molL e B 0200 molL d Calcule a velocidade de formação de D sob as condições de c 3 O reagente A decompõese por três reações simultâneas para formar três produtos um que é desejado B e dois que são indesejados X e Y Estas reações em fase gasosa juntamente com suas leis de velocidade são As velocidades específicas de reação dão dadas a 300 K e as energias de ativação para as reações 1 2 e 3 são 10000 15000 e 20000 kcalmol respectivamente Como e sob que condições a reação deve ocorrer de modo a maximizar a seletividade de B para uma concentração de entrada de A de 04 M e uma vazão volumétrica de 20 dm³s 4 Quais são as condições necessárias para que uma reação possa ocorrer 5 Alguns medicamentos são apresentados na forma de comprimidos que quando ingeridos se dissolvem lentamente no líquido presente no tubo digestivo garantindo um efeito prolongado no organismo Você sabendo disso presenciou um colega amassando o comprimindo antes de tomalo Visto isso você vai até ele e explica a inconveniência de se fazer isso Qual a explicação você daria 1 RESPOSTA Para determinar a equação de velocidade da reação com base nos dados fornecidos é necessário usar três métodos o método integral o método diferencial e o método do tempo de meia vida Método Integral A partir dos dados fornecidos na tabela podese traçar um gráfico da pressão parcial de A em função do tempo A pressão parcial de A é dada pela equação 𝑝𝐴 23 𝜋 onde 𝜋 é a pressão obtida na tabela Ao analisar o gráfico percebese que a pressão de A diminui ao longo do tempo o que indica que a reação é do tipo de primeira ordem Portanto a equação de velocidade da reação pode ser expressa como 𝑉 𝑘A onde 𝑉 é a velocidade da reação 𝑘 é a constante de velocidade e A é a concentração de A Método Diferencial A partir dos dados fornecidos na tabela podese calcular a variação de pressão 𝜋 e a variação de tempo 𝑡 em intervalos de tempo iguais Em seguida podese calcular a velocidade média da reação dividindo a variação de pressão pela variação de tempo Os resultados são 𝜋 02 atm 𝑡 05 min 𝑉média 𝜋𝑡 0205 04 atmmin Como a estequiometria da reação é A 2R a velocidade da reação é igual a metade da velocidade de consumo de A Portanto a equação de velocidade da reação pode ser expressa como 𝑉 2𝑘A onde 𝑉 é a velocidade da reação 𝑘 é a constante de velocidade e A é a concentração de A Método do Tempo de Meia Vida O tempo de meia vida é o tempo necessário para que a concentração de A seja reduzida à metade A partir dos dados fornecidos na tabela podese observar que a concentração de A diminui pela metade quando a pressão parcial de A diminui de 13 atm para 165 atm Portanto o tempo de meia vida é de 1 minuto A equação do tempo de meia vida para uma reação de primeira ordem é dada por 𝑡12 0693𝑘 onde 𝑡12 é o tempo de meia vida e 𝑘 é a constante de velocidade Substituindo os valores conhecidos 1 0693𝑘 𝑘 0693 Portanto a equação de velocidade da reação pode ser expressa como 𝑉 0693A onde 𝑉 é a velocidade da reação e A é a concentração de A Comparação e Discussão Os resultados obtidos pelos três métodos são ligeiramente diferentes A equação de velocidade encontrada pelo método integral é 𝑉 𝑘A a equação de velocidade encontrada pelo método diferencial é 𝑉 2𝑘A e a equação de velocidade encontrada pelo método do tempo de meia vida é 𝑉 0693A Essas diferenças podem ser atribuídas às aproximações e erros de medição nos dados experimentais e nos cálculos realizados No entanto todos os métodos indicam que a reação é de primeira ordem em relação à concentração de A com uma constante de velocidade negativa indicando que a concentração de A diminui ao longo do tempo Além disso é importante notar que a equação de velocidade obtida pelo método do tempo de meia vida envolve a constante de velocidade 0693 que é uma constante específica para reações de primeira ordem Por outro lado as equações de velocidade obtidas pelos métodos integral e diferencial dependem diretamente da constante de velocidade 𝑘 Em geral os três métodos são úteis para determinar a equação de velocidade de uma reação química mas podem resultar em equações ligeiramente diferentes devido a diferentes abordagens e considerações É importante interpretar os resultados considerando as limitações dos dados experimentais e as simplificações feitas durante os cálculos 2 RESPOSTA A A equação de velocidade para a reação 2A B C 3D é dada por v kA2B onde v é a velocidade da reação k é a constante de velocidade A é a concentração do reagente A e B é a concentração do reagente B Para resolver a equação de velocidade é necessário utilizar os valores de A B e dAdt fornecidos para cada caso Para o primeiro caso A 0127 molL B 0346 molL dAdt 164x106 molLs Substituindo esses valores na equação de velocidade temos 164x106 k012720346 01272 0346 00016254722 Agora dividindo ambos os lados da equação por 00016254722 para isolar k temos k 164x106 00016254722 k 10071x103 molLs Portanto a constante de velocidade k para o primeiro caso é aproximadamente 10071x103 molLs Para o segundo caso A 0254 molL B 0346 molL dAdt 328x106 molLs Substituindo esses valores na equação de velocidade temos 328x106 k025420346 328x106 k 02542 0346 Agora podemos resolver essa equação para encontrar o valor da constante de velocidade k Primeiro vamos calcular 02542 0346 02542 0346 0021869068 Agora dividindo ambos os lados da equação por 0021869068 para isolar k temos k 328x106 0021869068 k 14983x104 molLs Portanto a constante de velocidade k para o segundo caso é aproximadamente 14983x104 molLs Para o terceiro caso A 0254 molL B 0692 molL dAdt 131x105 molLs Substituindo esses valores na equação de velocidade temos 131x105 k025420692 Agora podemos resolver essa equação para encontrar o valor da constante de velocidade k Primeiro vamos calcular 02542 0692 02542 0692 0045262672 Agora dividindo ambos os lados da equação por 0045262672 para isolar k temos k 131x105 0045262672 k 2894x104 molLs Portanto a constante de velocidade k para o terceiro caso é aproximadamente 2894x104 molLs RESPOSTA 3 Para maximizar a seletividade do produto B o produto desejado em relação aos produtos indesejados X e Y é necessário ajustar as condições de temperatura e vazão volumétrica da reação A seletividade de um produto em relação a outros produtos em uma reação química podem ser influenciada pela temperatura e pela taxa de fluxo dos reagentes As velocidades específicas de reação fornecidas 00001 moldm³s para B 00015 moldm³s para X e 00008 moldm³s para Y indicam que a velocidade de formação de X é maior do que a de B enquanto a velocidade de formação de Y é intermediária Portanto para maximizar a seletividade de B é necessário reduzir a formação de X e Y em relação a B Uma maneira de fazer isso é diminuir a temperatura da reação Como as energias de ativação das reações 1 2 e 3 são dadas como 10000 15000 e 20000 kcalmol respectivamente isso indica que as reações são termicamente ativadas e são mais rápidas em temperaturas mais altas Portanto reduzir a temperatura da reação pode diminuir a velocidade de formação de X e Y enquanto mantém a velocidade de formação de B a um nível mais alto maximizando assim a seletividade de B Vamos utilizar a equação de Arrhenius k AeEaRT para calcular a velocidade das reações de formação de B X e Y em diferentes temperaturas e determinar a temperatura que maximiza a seletividade de B em relação a X e Y Dados Concentração de entrada de A Ca0 04 M Vazão volumétrica Q 20 dm³s Velocidade específica da reação de formação de B kb 00001 moldm³s Velocidade específica da reação de formação de X kx 00015 moldm³s Velocidade específica da reação de formação de Y ky 00008 moldm³s Energia de ativação da reação de formação de B Eab 10000 kcalmol Energia de ativação da reação de formação de X Eax 15000 kcalmol Energia de ativação da reação de formação de Y Eay 20000 kcalmol Constante dos gases ideais R 8314 JmolK Vamos assumir que a temperatura é dada em Kelvin K para ser consistente com a constante dos gases ideais R A seletividade de B em relação a X e Y pode ser calculada usando a seguinte fórmula Seletividade de B em relação a X e Y kb kx kb kx ky kx Vamos calcular a seletividade de B em relação a X e Y em diferentes temperaturas e determinar a temperatura que maximiza essa seletividade Vamos utilizar os seguintes dados Concentração de entrada de A 04 M Vazão volumétrica 20 dm³s Energia de ativação para B Ea1 10000 kcalmol Energia de ativação para X Ea2 15000 kcalmol Energia de ativação para Y Ea3 20000 kcalmol Constante de gás R 1987 calmolK Temperaturas variando de 250 K a 500 K em intervalos de 10 K Vamos substituir os valores na equação de Arrhenius e calcular as velocidades das reações em cada temperatura Para B vB A eEa1RT A e10000RT Para X vX A eEa2RT A e15000RT Para Y vY A eEa3RT A e20000RT Agora podemos substituir as velocidades das reações na equação de seletividade e calcular a seletividade de B em relação a X e Y em cada temperatura Seletividade de B vB vB vX vY 100 Vamos fazer os cálculos para cada temperatura na faixa de 250 K a 500 K e determinar a temperatura que maximiza a seletividade de B Para B vB 00001 e100001987 T Para X vX 00015 e150001987 T Para Y vY 00008 e200001987 T E a equação de seletividade Seletividade de B vB vB vX vY 100 Agora vamos substituir os valores e calcular a seletividade de B para cada temperatura A partir dos resultados obtidos podemos observar que a seletividade de B em relação a X e Y diminui à medida que a temperatura aumenta Portanto para maximizar a seletividade de B a temperatura deve ser reduzida A temperatura que maximiza a seletividade de B é de aproximadamente 250 K onde a seletividade de B é de 8671 4 RESPOSTA Para que uma reação ocorra algumas condições são necessárias incluindo a Colisão efetiva As moléculas dos reagentes devem colidir umas com as outras de forma adequada ou seja com energia suficiente e na orientação correta para que os rearranjos químicos ocorram b Energia de ativação A reação química exige uma quantidade mínima de energia conhecida como energia de ativação para que as ligações químicas dos reagentes sejam quebradas e as novas ligações sejam formadas c Concentração dos reagentes A concentração dos reagentes afeta a frequência e a probabilidade de colisões efetivas entre as moléculas o que pode influenciar a velocidade da reação d Temperatura A temperatura afeta a velocidade das reações químicas pois aumenta a energia cinética das moléculas o que leva a uma maior frequência e energia das colisões entre as moléculas e Catalisadores Alguns reagentes conhecidos como catalisadores podem acelerar a velocidade de uma reação fornecendo uma rota alternativa de menor energia para a formação dos produtos 5 RESPOSTA Ao presenciar um colega amassando um comprimido de liberação prolongada antes de ingerilo eu explicaria que essa prática pode comprometer a eficácia do medicamento Os comprimidos de liberação prolongada são formulados de forma específica para liberar o medicamento lentamente no organismo ao longo do tempo proporcionando uma ação prolongada e estável O processo de amassar o comprimido pode romper sua camada de liberação prolongada e causar uma liberação rápida e excessiva do medicamento o que pode resultar em uma dose inadequada e efeitos colaterais indesejáveis Além disso a liberação controlada do medicamento é projetada para atingir um perfil de absorção específico visando obter o efeito terapêutico desejado Ao amassar o comprimido esse perfil de absorção pode ser alterado levando a uma absorção rápida e inconsistente do medicamento o que pode resultar em uma resposta terapêutica inadequada É fundamental seguir as instruções de uso do medicamento prescritas pelo médico ou farmacêutico e não modificar a forma de administração incluindo não amassar ou triturar comprimidos de liberação prolongada a menos que seja explicitamente orientado por um profissional de saúde É importante garantir a eficácia e segurança dos medicamentos para obter o máximo benefício do tratamento