Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Fonte: Laboratório do Dr. Neal Abrams — SUNY College of Environmental Science and Forestry
Todas as reações químicas têm uma taxa específica que define o progresso dos reagentes indo aos produtos. Essa taxa pode ser influenciada pela temperatura, concentração e as propriedades físicas dos reagentes. A taxa também inclui os intermediários e estados de transição que são formados, mas não são nem o reagente nem o produto. A lei de taxas define o papel de cada reagente em uma reação e pode ser usada para modelar matematicamente o tempo necessário para uma reação prosseguir. A forma geral de uma equação de taxa é mostrada abaixo:
onde A e B são concentrações de diferentes espécies moleculares, m e n são ordens de reação, e k é a constante de taxa. A taxa de quase todas as reações muda ao longo do tempo à medida que os reagentes são esgotados, tornando as colisões eficazes menos propensas a ocorrer. A constante de taxa, no entanto, é fixada para qualquer reação única a uma determinada temperatura. A ordem de reação ilustra o número de espécies moleculares envolvidas em uma reação. É muito importante conhecer a lei da taxa, incluindo taxa constante e ordem de reação, que só pode ser determinada experimentalmente. Neste experimento, exploraremos um método para determinar a lei da taxa e a usaremos para entender o progresso de uma reação química.
1. Preparação de H2O2 Diluições
Mesa 1. Soluções H2O2 utilizadas.
2. Preparando o vaso de reação
3. Medindo a evolução do oxigênio
4. Análise de dados
é. Tomar o logaritmo natural (ln) da equação produz uma equação linear 
, onde m, a inclinação, é a ordem da reação.Todas as reações químicas têm uma taxa específica, que define a rapidez com que os reagentes se transformam em produtos.
As reações químicas são regidas por dois fatores: cinética e termodinâmica. Fatores termodinâmicos explicam se uma reação ocorrerá ou não, e se absorve ou emite energia durante o processo.
Cinética refere-se à taxa de uma reação química, e quão rápido o sistema atinge o equilíbrio. A cinética de uma reação é descrita pela lei da taxa cinética, que define a taxa com base em uma constante taxa de reação, a concentração de componentes e a ordem da reação.
Este vídeo introduzirá cinética de reação usando a equação da lei de taxas, e demonstrará como determinar a lei de taxa para uma determinada reação em laboratório.
Para uma reação geral, a taxa de reação é igual à taxa constante vezes as concentrações dos reagentes, cada uma elevada a uma ordem de reação. A constante de taxa, k, é fixada para uma reação a uma determinada temperatura.
As ordens de reação são independentes dos coeficientes estequiométricos. Em vez disso, dependem do mecanismo de reação e ilustram como a taxa está relacionada à concentração de reagentes. Por exemplo, se a taxa de reação é inalterada quando a concentração de "A" dobra, então a reação não depende da concentração, e a ordem é zero.
Se a taxa dobra quando a concentração de "A" reacionante dobra, então a reação é de primeira ordem em relação a "A". O mesmo comportamento é verdadeiro para o "B" reativo. A ordem geral de uma reação é a soma das ordens de reação individuais para cada reagente.
Durante uma reação, a concentração de reagentes muda com o tempo. Observe que a equação da taxa básica não inclui o tempo como variável, e só pode relacionar taxa e concentração em um ponto de tempo específico. No entanto, a taxa muda à medida que a reação prossegue e à medida que os reagentes são esgotados. O uso de uma lei de alíquota diferencial pode relacionar a mudança de concentração ao tempo.
A lei de taxa para uma reação deve ser determinada experimentalmente, onde uma reação química é cuidadosamente controlada a uma temperatura constante, e a concentração dos reagentes ou produtos medidos em intervalos de tempo específicos. Uma vez que as medidas de concentração são feitas em pontos de tempo discretos, a lei de alíquota diferencial é difícil de se correlacionar com dados experimentais.
Integrar a lei de alíquotas diferenciais resulta em uma equação mais simples, chamada de lei de alíquota integrada. A lei de alíquota integrada compara as concentrações reagentes no início da reação e em um momento especificado.
A equação da lei da taxa integrada varia dependendo da ordem da reação. Estas equações podem tomar a forma linear y=mx+b. Assim, um enredo de concentração vs tempo produz uma parcela linear para uma equação de ordem zero, um enredo do registro natural de concentração versus tempo produz um enredo linear para uma equação de primeira ordem, e assim por diante. Ao encaixar dados experimentais nessas equações, a ordem de uma reação pode ser facilmente determinada. A taxa constante, k, pode então ser determinada usando a inclinação da linha. Finalmente, as unidades de k variam dependendo da ordem da reação. Para uma reação de ordem zero, as unidades são moles por litro por segundo, para uma reação de primeira ordem, as unidades são inversas segundos e para uma reação de segunda ordem as unidades são litro por toupeira por segundo.
Agora que o básico das leis de taxa cinética foram explicados, vamos dar uma olhada em como determinar experimentalmente a lei de taxa para a decomposição do peróxido de hidrogênio à água e oxigênio.
Neste experimento, a decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio sobre um catalisador de platina é explorada.
Primeiro, prepare 5 diluições de peróxido de hidrogênio, como mostrado na tabela. Neste caso, as concentrações variam de 0,882 a 0,176 M, utilizando uma solução de estoque de 3% ou 0,882 M. Permita que as soluções se equilibrem até a temperatura ambiente.
Em seguida, prepare o recipiente de reação usando um tubo de ensaio. Primeiro determine o volume preenchendo um grande tubo de ensaio até o topo com água. Em seguida, insira uma rolha de borracha de 1 orifício até ficar apertada e a água sair do orifício através da parte superior.
Remova a rolha e despeje a água em um cilindro graduado para medir o volume exato. Este é o volume da nave de reação.
Em seguida, despeje 50 mL da primeira solução de peróxido de hidrogênio no tubo de ensaio e, em seguida, coloque o tubo no banho de água de 25 °C. Uma vez equilibrado, adicione um disco de reação revestido de platina e sele o sistema com uma rolha conectada a um sensor de pressão de gás.
Como um dos produtos é gás oxigênio, o aumento da pressão no sistema é usado para medir o aumento do oxigênio. Configure o sensor de pressão para adquirir dados a 2 pontos por s e execute o experimento por 120 s. Bolhas devem ser visíveis à medida que o peróxido se decompõe ao gás de oxigênio e à água.
Quando o período de reação acabar, libere a pressão e elimine a solução de peróxido. Enxágüe o tubo e encha o tubo com a próxima solução de peróxido de hidrogênio. Repita a medição da pressão do gás para todas as soluções.
Plote os dados de pressão versus tempo para cada solução. A pressão do oxigênio evoluído é diretamente proporcional às verrugas de oxigênio formadas de acordo com a lei do gás ideal. Após a reação química, as toupeiras de oxigênio formada podem ser usadas para calcular as toupeiras de peróxido de hidrogênio decomposto. Primeiro, assumir que a concentração de peróxido de hidrogênio não mudou significativamente durante a curta duração do experimento. Assim, os dados plotados representam apenas a região inicial do experimento cinético.
Determine a inclinação de cada conjunto de dados usando uma regressão linear. A inclinação é igual à taxa de reação inicial em unidades de pressão de oxigênio por segundo.
Em seguida, o gráfico do registro natural da taxa de reação inicial versus o registro natural da concentração inicial de peróxido. A inclinação é igual à ordem de reação, m, e é aproximadamente igual a uma. Portanto, a reação é de primeira ordem.
A taxa para cada ensaio está em unidades de pressão em Torr, por segundo. Para determinar a taxa constante, primeiro converta a taxa em unidades de atmosferas por segundo. Como as bolhas evoluíram na solução aquosa, subtraia a pressão de vapor da pressão do sistema para cada ensaio. A nova taxa, então, só reflete a pressão devido à evolução do oxigênio.
Aplique a lei de gás ideal para converter a taxa de atmosferas em si para mols por s para cada ensaio. Duas vezes as verrugas de oxigênio produzidas são iguais às verrugas de peróxido de hidrogênio decompostas, de acordo com a reação química estequiometria. Em seguida, use o volume de reação para converter as unidades da taxa em molaridade por segundo.
Determine as constantes de taxa para cada ensaio dividindo a taxa de molaridade por s pela concentração inicial. Neste experimento, a taxa média constante, k, é de aproximadamente 1,48 x 10-4 por s. A reação é de primeira ordem, conhecida a partir do log natural - gráfico de registro natural mostrado anteriormente. Portanto, a lei da taxa pode ser escrita como mostrado.
Agora que você analisou como determinar a lei de taxa para uma reação química, vamos olhar para algumas áreas onde este conceito é aplicado.
Reações químicas são usadas na síntese de compostos e materiais utilizados em uma ampla gama de aplicações científicas. É importante entender a taxa de reação nessas etapas de síntese, a fim de controlar o progresso de uma reação.
Por exemplo, a síntese de nanocristais de selenida de cádmio e nanorods prossegue através de uma série de reações químicas. Cada reação tem sua própria taxa de reação discreta e, portanto, a etapa de síntese é cuidadosamente controlada com base na velocidade de conhecimento da reação; alguns lento e alguns muito rápido.
A lei da taxa de reação também pode ser usada para descrever a decadência radioativa, e determinar a meia-vida do material radioativo. Meia-vida refere-se à quantidade de tempo necessária para que a concentração de um material caia para metade de sua concentração inicial.
A radioatividade segue cinética de primeira ordem, o que significa que o tempo necessário para que o material radioativo decaia a um nível seguro possa ser muito bem caracterizado, permitindo o transporte e o armazenamento adequados de material radioativo e resíduos radioativos.
Semelhante aos materiais radioativos, as drogas também têm meia-vida e degradam-se no corpo. Por exemplo, algumas drogas têm constantes de alta taxa, o que significa que elas se degradam rapidamente, e devem ser tomadas com frequência. O conhecimento dessa taxa de degradação permite a determinação do método adequado de dosagem, uso e entrega.
Você acabou de assistir a introdução do JoVE às taxas de reação. Você deve agora entender as diferentes ordens de reações químicas, como elas se relacionam com as taxas de reação química, e como determinar a lei de taxa para uma dada reação química em laboratório.
Obrigado por assistir!
Todas as reações químicas têm uma taxa específica, que define a rapidez com que os reagentes se transformam em produtos.
As reações químicas são governadas por dois fatores: cinética e termodinâmica. Os fatores termodinâmicos são responsáveis pela ocorrência ou não de uma reação e se ela absorve ou libera energia durante o processo.
A cinética refere-se à taxa de uma reação química e à rapidez com que o sistema atinge o equilíbrio. A cinética de uma reação é descrita pela lei da taxa cinética, que define a taxa com base em uma constante de taxa de reação, a concentração de componentes e a ordem da reação.
Este vídeo apresentará a cinética de reação usando a equação da lei de taxa e demonstrará como determinar a lei de taxa para uma determinada reação em laboratório.
Para uma reação geral, a taxa de reação é igual à taxa constante vezes as concentrações dos reagentes, cada uma elevada a uma ordem de reação. A constante de taxa, k, é fixada para uma reação a uma dada temperatura.
As ordens de reação são independentes dos coeficientes estequiométricos. Em vez disso, eles dependem do mecanismo de reação e ilustram como a taxa está relacionada à concentração de reagentes. Por exemplo, se a taxa de reação permanece inalterada quando a concentração de "A" dobra, então a reação não depende da concentração e a ordem é zero.
Se a taxa dobra quando a concentração do reagente "A" dobra, então a reação é de primeira ordem em relação a "A". O mesmo comportamento é verdadeiro para o reagente "B". A ordem geral de uma reação é a soma das ordens de reação individuais para cada reagente.
Durante uma reação, a concentração de reagentes muda com o tempo. Observe que a equação básica da taxa não inclui o tempo como uma variável e só pode relacionar taxa e concentração em um ponto de tempo específico. No entanto, a taxa muda à medida que a reação prossegue e os reagentes se esgotam. O uso de uma lei de taxa diferencial pode relacionar a mudança na concentração ao tempo.
A lei de velocidade para uma reação deve ser determinada experimentalmente, onde uma reação química é cuidadosamente controlada a uma temperatura constante, e a concentração dos reagentes ou produtos medidos em intervalos de tempo específicos. Como as medições de concentração são feitas em pontos de tempo discretos, a lei da taxa diferencial é difícil de correlacionar com dados experimentais.
A integração da lei de taxa diferencial resulta em uma equação mais simples, chamada de lei de taxa integrada. A lei de taxa integrada compara as concentrações de reagentes no início da reação e em um tempo especificado.
A equação da lei de taxa integrada varia dependendo da ordem da reação. Essas equações podem assumir a forma linear y = mx + b. Assim, um gráfico de concentração versus tempo produz um gráfico linear para uma equação de ordem zero, um gráfico do log natural de concentração versus tempo produz um gráfico linear para uma equação de primeira ordem e assim por diante. Ao ajustar dados experimentais a essas equações, a ordem de uma reação pode ser facilmente determinada. A constante de taxa, k, pode então ser determinada usando a inclinação da linha. Finalmente, as unidades de k variam dependendo da ordem da reação. Para uma reação de ordem zero, as unidades são moles por litro por segundo, para uma reação de primeira ordem, as unidades são segundos inversos e para uma reação de segunda ordem as unidades são litro por mol por segundo.
Agora que os fundamentos das leis de taxa cinética foram explicados, vamos dar uma olhada em como determinar experimentalmente a lei de taxa para a decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio.
Neste experimento, a decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio sobre um catalisador de platina é explorada.
Primeiro, prepare 5 diluições de peróxido de hidrogênio, conforme mostrado na tabela. Neste caso, as concentrações variam de 0,882 ? 0,176 M, usando uma solução estoque de 3% ou 0,882 M. Deixe as soluções se equilibrarem à temperatura ambiente.
Em seguida, prepare o vaso de reação usando um tubo de ensaio. Primeiro determine o volume enchendo um grande tubo de ensaio até o topo com água. Em seguida, insira uma rolha de borracha de 1 orifício até que esteja apertada e a água saia do orifício pela parte superior.
Remova a rolha e despeje a água em um cilindro graduado para medir o volume exato. Este é o volume do vaso de reação.
Em seguida, despeje 50 mL da primeira solução de peróxido de hidrogênio no tubo de ensaio e, em seguida, coloque o tubo no 25?? C banho-maria. Uma vez equilibrado, adicione um disco de reação revestido de platina e sele o sistema com uma rolha conectada a um sensor de pressão de gás.
Como um dos produtos é o gás oxigênio, o aumento da pressão no sistema é usado para medir o aumento do oxigênio. Configure o sensor de pressão para adquirir dados a 2 pontos por s e, em seguida, execute o experimento por 120 s. As bolhas devem ser visíveis à medida que o peróxido se decompõe em gás oxigênio e água.
Quando o período de reação terminar, libere a pressão e descarte a solução de peróxido. Enxágue o tubo e, em seguida, encha-o com a próxima solução de peróxido de hidrogênio. Repita a medição da pressão do gás para todas as soluções.
Plote os dados de pressão versus tempo para cada solução. A pressão do oxigênio liberado é diretamente proporcional aos moles de oxigênio formados de acordo com a lei dos gases ideais. Após a reação química, os moles de oxigênio formados podem ser usados para calcular os moles de peróxido de hidrogênio decomposto. Primeiro, suponha que a concentração de peróxido de hidrogênio não tenha mudado significativamente durante a curta duração do experimento. Assim, os dados plotados representam apenas a região inicial do experimento cinético.
Determine a inclinação de cada conjunto de dados usando uma regressão linear. A inclinação é igual à taxa de reação inicial em unidades de pressão de oxigênio por segundo.
Em seguida, plote o log natural da taxa de reação inicial versus o log natural da concentração inicial de peróxido. A inclinação é igual à ordem de reação, m, e é aproximadamente igual a um. Portanto, a reação é de primeira ordem.
A taxa para cada tentativa é em unidades de pressão em Torr, por segundo. Para determinar a constante de taxa, primeiro converta a taxa em unidades de atmosferas por segundo. Como as bolhas evoluíram na solução aquosa, subtraia a pressão de vapor da água da pressão do sistema para cada tentativa. A nova taxa reflete apenas a pressão devido à evolução do oxigênio.
Aplique a lei dos gases ideais para converter a taxa de atmosferas per se - para moles por s - para cada tentativa. Duas vezes os moles de oxigênio produzidos são iguais aos moles de peróxido de hidrogênio decompostos, de acordo com a estequiometria da reação química. Em seguida, use o volume de reação para converter as unidades da taxa em molaridade por segundo.
Determine as constantes de taxa para cada tentativa dividindo a taxa em molaridade por s?pela concentração inicial. Neste experimento, a constante de taxa média, k, é de aproximadamente 1,48 x 10-4?per?s. A reação é de primeira ordem, conhecida a partir do gráfico logarítmico natural mostrado anteriormente. Portanto, a lei da taxa pode ser escrita conforme mostrado.
Agora que você viu como determinar a lei de taxa para uma reação química, vamos ver algumas áreas em que esse conceito é aplicado.
As reações químicas são usadas na síntese de compostos e materiais usados em uma ampla gama de aplicações científicas. É importante entender a taxa de reação nessas etapas de síntese, a fim de controlar o progresso de uma reação.
Por exemplo, a síntese de nanocristais e nanobastões de seleneto de cádmio ocorre por meio de uma série de reações químicas. Cada reação tem sua própria taxa de reação discreta e, portanto, a etapa de síntese é cuidadosamente controlada com base na velocidade de conhecimento da reação; alguns lentos e outros muito rápidos.
A lei da taxa de reação também pode ser usada para descrever o decaimento radioativo e determinar a meia-vida do material radioativo. A meia-vida refere-se à quantidade de tempo necessária para que a concentração de um material caia para metade de sua concentração inicial.
A radioatividade segue a cinética de primeira ordem, o que significa que o tempo necessário para o decaimento do material radioativo a um nível seguro pode ser muito bem caracterizado, permitindo o transporte e armazenamento adequados de material radioativo e resíduos radioativos.
Semelhante aos materiais radioativos, as drogas também têm meia-vida e se degradam no corpo. Por exemplo, alguns medicamentos têm constantes de alta taxa, o que significa que se degradam rapidamente e devem ser tomados com frequência. O conhecimento dessa taxa de degradação permite a determinação da dosagem, uso e método de entrega apropriados.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE às taxas de reação. Agora você deve entender as diferentes ordens de reações químicas, como elas se relacionam com as taxas de reação química e como determinar a lei de taxa para uma determinada reação química no laboratório.
Obrigado por assistir!
General Chemistry
701.8K Visualizações
General Chemistry
289.3K Visualizações
General Chemistry
591.2K Visualizações
General Chemistry
389.0K Visualizações
General Chemistry
191.0K Visualizações
General Chemistry
149.8K Visualizações
General Chemistry
358.7K Visualizações
General Chemistry
445.2K Visualizações
General Chemistry
85.6K Visualizações
General Chemistry
165.8K Visualizações
General Chemistry
272.4K Visualizações
General Chemistry
165.3K Visualizações
General Chemistry
46.9K Visualizações
General Chemistry
96.0K Visualizações
