Velocidade constante

Qual é a velocidade constante?

O velocidade constante É uma constante de proporcionalidade da lei de velocidade da cinética química, que estabelece uma relação entre a concentração molar dos reagentes e a velocidade da reação.

Como os reagentes, as velocidades de reação consomem, também diminuem. É por isso que nos cálculos da constante de velocidade, representados pelo símbolo 'K', as velocidades iniciais são levadas em consideração, para ter um ponto de comparação entre vários experimentos.

A cinética química indica que essa constante depende das ordens de reação dos reagentes, cujas concentrações estarão alterando a velocidade da reação.  Por outro lado, de acordo com a equação de Arrhenius, K também depende da temperatura e energia de ativação para a reação.

É por isso que se diz que a constante de velocidade não é uma constante verdadeira, pois varia com a temperatura e também com a presença de catalisadores que modificam a energia de ativação. Portanto, não há muitas tabelas onde elas vêm para reações (e condições) específicas.

Por exemplo, para uma reação em que A e B reagem, cada um com uma ordem de reação de 1, a constante relatou k a 25 ° C e, com a adição de uma certa quantidade de catalisador, não será o mesmo se a reação é feito a uma temperatura de 26 ou 27 ºC. A menor variação afetará o valor de k, que é apenas constante durante as condições estabelecidas para experimentos.

Como calcular a velocidade constante?

Experimentação

A determinação do valor da constante de velocidade de uma reação é feita experimentalmente. Se, por exemplo, você deseja determinar o valor da constante de velocidade para uma reação do formulário:

A +B → C

Para o estabelecimento do valor de K, três reações podem ser feitas, com as seguintes diferenças: na reação 2 a concentração inicial de reagente A é constante, [a], mas é dobrada, por exemplo, a concentração de reagente B, [ B].

Enquanto isso, na reação 3 [a] é dobrada em comparação com a reação 1, mantendo constante [b].

Assim, será construída uma tabela de concentrações que servirá para comparar as velocidades iniciais entre várias experiências. Isso com o objetivo de determinar ordens de reação e consecutivamente calcular a constante de velocidade.

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Ordens de reação

Primeiro cálculo

Para a reação anterior, sua velocidade é expressa pela equação:

Velocidade da reação = k · [a]^x· [B]^e

Onde 'x' e 'e' correspondem às ordens de reação para os reagentes A e B, respectivamente.

Para determinar os valores das ordens de reação, uma comparação entre a reação 2 e 1, bem como entre a reação 3 e 1 deve ser feita.

Ao comparar a reação 1 com o 2, pode -se observar, por exemplo, que, duplicando [b], há uma duplicação da velocidade da reação.

Então: a proporção de [b] entre as reações 2 e 1 é 2, bem como a proporção entre as velocidades das reações. Em seguida, o valor da ordem da reação pode ser obtido em relação a B (expoente e), através da seguinte abordagem:

Cálculo da ordem da reação 'e'. Fonte: Gabriel Bolívar.

A velocidade do experimento 2 é duas vezes mais rápida que a velocidade do experimento 1. Assim, dividindo as duas equações acima, teremos:

2 = 2^e

Portanto, 'e' Vale 1, sendo capaz de concluir que a ordem da reação em relação ao reagente B é da primeira ordem.

Segundo cálculo

Da mesma maneira, prosseguimos com o reagente A para o cálculo de 'x':

Cálculo da ordem de reação 'x'. Fonte: Gabriel Bolívar.

A velocidade do experimento ou reação 3 é quatro vezes maior que o experimento ou reação 1. Portanto:

4 = 2^x

QUALQUER

2² = 2^x

E o valor de x é 2, então a reação é a segunda ordem em relação ao reagente a.

Compensação final

Então, o valor da constante de velocidade com base em qualquer uma das reações pode ser estabelecida:

Velocidade da reação = k · [a]²· [B]

O suficiente para introduzir valores experimentais e claro k:

K = velocidade de reação / ([a]²· [B])

Exemplos

Os exemplos a seguir servem como uma introdução antes dos exercícios resolvidos a partir da seção a seguir.

Exemplo 1

Em uma reação química:

a) Se a concentração inicial de um reagente for dobrada a velocidade da reação: qual é a ordem da reação em relação a este reagente?

b) Se o aumento da concentração do reagente causar um aumento na velocidade em um fator de 8, qual seria a ordem de reação então?

c) Se a concentração do reagente experimenta uma mudança e a velocidade permanecer a mesma: qual é a ordem da reação em relação ao reagente?

Pode atendê -lo: Cycopropano (C3H6)

Em a) a proporção de velocidades de reação é a mesma e a proporção de concentrações de reagentes é igual a 2^x,

2 = 2^x

Portanto, x = 1 e a ordem da reação em relação ao reagente é 1.

Em b) a proporção da velocidade de reação é a mesma 8 (2³) e a proporção de concentrações de reagente é igual a 2^x,

2³ = 2^x

Portanto, x = 3 e a ordem da reação em relação ao reagente é 3-

Enquanto em c) a velocidade da reação é independente da concentração do reagente, portanto a ordem da reação em relação ao reagente é zero.

Exemplo 2

A reação:

2 não₂  +  QUALQUER₂ → 2 não₂

Tem a expressão da seguinte lei de velocidade:

Velocidade de reação = k · [não₂]²·QUALQUER₂.

Qual é a ordem global da reação? Que unidades K teria?

A ordem da reação a respeito ou₂ É 1, e a ordem da reação em relação a não₂ É 2, então a ordem global da reação é a soma desses valores, ou seja, 2 + 1 = 3.

A velocidade da reação tem unidades m/s, e as concentrações dos reagentes são expressas em m. Fazendo uma análise das unidades que teremos:

k = velocidade de reação / (não₂]²·[QUALQUER₂]

= (M / s) / (M³)

= s^-1M^-2

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Os dados da reação a seguir foram obtidos a 25 ° C:

A +2 B → C +2 D

Qual é a expressão da lei de velocidade desta reação? Qual é o valor da sua velocidade constante?

Cálculos de ordens de reação

Os dados experimentais são:

Dados cinéticos do Exercício 1. Fonte: Gabriel Bolívar.

A comparação dos experimentos 1 e 3 permite tirar as seguintes conclusões:

Proporção entre as velocidades das reações 3 e 1:

3 x 10^-4 M · min^-1 / 3 x 10^-4 M · min^-1 = 1

Mas a proporção entre as concentrações B é:

(0.3 mol / l) / (0.1 mol/l) = 3

A velocidade da reação é independente da concentração de B, uma vez que seu aumento não o afeta. Portanto, a ordem da reação em relação ao reagente B é zero.

Por outro lado, a comparação das reações 4 e 1 permite as seguintes conclusões:

6 x 10^-4 M · min^-1 / 3 x 10^-4 M · min^-1 = 2

Enquanto isso, a proporção entre [a] de reações 4 e 1 é igual a:

Pode atendê -lo: 5 características de misturas homogêneas

(0.20 mol / l) / (0.10 mol/l) = 2^x

Então a relação entre as proporções será:

2 = 2^x

x = 1

Portanto, a expressão da lei de velocidade é:

Velocidade da reação = k · [a]

B não é levado porque sua ordem da reação é zero.

Cálculo de k

Podemos calcular a velocidade constante de qualquer um dos dados cinéticos. Vamos usar o experimento 1:

K = velocidade de reação / [a]

= 3 x 10^-4 M · min^-1 / 0.10 m

= 3 x 10^-3 ou 0.003 min^-1

Exercício 2

Os dados da velocidade de reação foram obtidos em uma determinada temperatura.

2 clo₂ (AC) +2 oh^- (AC) → CLO₃^- (AC) +CLO₂ (AC) +H₂Ou (l)

Cálculos de ordens de reação

Os dados experimentais são:

Dados cinéticos no Exercício 2. Fonte: Gabriel Bolívar.

A proporção entre as velocidades da reação 2 e a reação 1 é:

4.14 x 10^-4 M · min^-1 / 2.07 x 10^-4 M · min^-1 = 2

E a proporção de concentrações de OH^- Entre as reações 2 e 1 é igual a:

(0,024 mol/L)/(0,012 mol/L) = 2^x

O expoente 'x' representa a ordem da reação em relação ao reagente OH^-. A relação entre proporções calculadas pode ser representada da seguinte forma:

2 = 2^x

x = 1

Portanto, a ordem da reação em relação ao reagente OH^- é igual a 1.

Na reação 3, a concentração de clo é dobrada₂ da reação 1, enquanto a concentração de OH^- Permanece constante.

Proporção entre as velocidades das reações 3 e 1:

(8.28 x 10^-4 M · min^-1) / (2.07 x 10^-4 M · min^-1) = 4 (2²)

E a proporção de [CLO₂] entre as reações 3 e 1 é igual a:

(0,024 mol/L)/(0,012 mol/L) = 2^e

O expoente 'e' representa a ordem da reação em relação ao reagente CLO₂.

Comparando as proporções:

2² = 2^e

4 = 2^e

y = 2

Portanto, a reação é o segundo em relação ao reagente CLO₂.

A expressão da lei de velocidade será então:

Velocidade da reação = k · [clo₂]²· [Oh^-]

Cálculo de k

Novamente, podemos calcular k a partir da expressão anterior usando qualquer um dos dados cinéticos para os experimentos. Usaremos a Experiência 3:

K = (8.28 x 10^-4 M · min^-1) / (0.024 m)² (0.012 m)

= 119.79 min^-1· M^-2

Referências

1. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). Cengage Learning.
2. Wikipedia. (2020). Taxa de reação constante. Recuperado de: em.Wikipedia.org
3. Química Texas A&M University. (s.F.). Cinética: cálculos da taxa de amostragem. Recuperado de: química.Tamu.Edu
4. Keith J. Descontraído. (2020). Taxa de reação. Enciclopédia Britannica. Recuperado de: Britannica.com
5. Helmestine, Anne Marie, Ph.D. (25 de agosto de 2020). Qual é a taxa constante na química? Recuperado de: pensamento.com
6. Clark Jim. (2013). Constantes de taxa e a equação de Arrhenius. Recuperado de: Chemguide.co.Reino Unido