Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti
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- Outros fatores que influenciam a rapidez de uma reação química
- Procedimento 1
- Responda em seu caderno 1
- Conclusões 1
- Sistema Solução de HCl diluído (mL) Objetos feitos de ferro Temperatura (°C)
- TEMA 3 Catalisadores
- Catalisadores e a rapidez de uma reação
- Catálise homogênea: a depleção da camada de ozônio
- Características dos tipos de radiação ultravioleta Tipo de radiação UV Comprimento de onda ( λ)
- Tempo de residência de alguns CFCs na atmosfera Nome do CFC Fórmula estrutural
Página 186 Cabe destacar que, em um diagrama de energia de uma reação, como os apresentados anteriormente, o eixo das abscissas (x) que representa o progresso da reação também pode receber o nome de coordenada de reação ou caminho de reação. Algumas reações do cotidiano são tão rápidas que se processam em frações de segundo, como a combustão do gás de cozinha, que se inicia tão logo se aproxime uma fonte de calor. Outras são demoradas, como algumas das envolvidas na formação do petróleo, que levaram muitos milhões de anos para se completar. É possível estabelecer uma relação entre a rapidez de uma reação e a energia de ativação: se a energia de ativação de uma reação é baixa, as colisões não precisam ocorrer com grande energia para ultrapassar a energia mínima necessária e serem efetivas. Assim, a probabilidade de choques efetivos é alta. Resultado: reação rápida. Seguindo raciocínio semelhante, se a energia de ativação for alta, a reação será lenta. Porém, outros fatores também afetam a taxa de uma transformação química. Atividade prática Outros fatores que influenciam a rapidez de uma reação química Consulte o infográfico Segurança no laboratório antes de iniciar a atividade. Nesta atividade prática serão discutidas as influências da temperatura e da superfície de contato na rapidez das reações químicas.
Água de torneira à temperatura ambiente e de torneira elétrica ou de chuveiro Um congelador doméstico Dois copos idênticos de plástico transparente de 300 mL Quatro comprimidos efervescentes (de qualquer tipo) Cronômetro Uma colher de sopa
Perguntas Responda em seu caderno 1 Na primeira etapa da atividade prática, em qual dos copos a liberação de gás pela efervescência foi mais rápida? 2 Na segunda etapa da atividade prática, em qual dos copos a liberação de gás pela efervescência foi mais rápida? 3 Considere um cubo de metal com um centímetro de aresta e massa igual a 8g. Pode-se calcular a área da superfície do cubo pela equação 6 ⋅ a2, em que a é a medida de sua aresta. Imagine que esse cubo tenha sido cortado na horizontal e na vertical, gerando 8 novos cubos, cada um com 0,5 cm de aresta. Responda: a) A operação de cortar o cubo original em cubos menores altera a massa total do material? b) O que acontece com a área total do material quando dividimos o cubo original em cubos menores? 
Adilson Secco Página 187 Descarte de resíduos As soluções de comprimidos efervescentes podem ser descartadas diretamente na pia. Os copos e a colher devem ser lavados e guardados para serem reaproveitados em outras atividades práticas. Conclusões 1 Entre as opções a seguir, quais proporcionariam maior tempo de conservação da carne? Indique-as em seu caderno. a) dentro da geladeira b) em pedaços c) em temperatura ambiente d) peça inteira 2 Considere os resultados experimentais que um químico obteve ao reagir massas iguais de ferro com ácido clorídrico.
Em qual dos sistemas a reação foi mais rápida? Justifique. 3 Conforme orientações do professor, organize as conclusões obtidas e compare-as com as dos colegas. Como visto, o aspecto central da teoria das colisões apresentada é que a rapidez de uma reação é proporcional ao número de colisões efetivas por unidade de tempo entre as moléculas reagentes. Assim, qualquer fator que aumente a probabilidade de ocorrência de colisões efetivas deve aumentar a rapidez da reação. Dois requisitos para que uma colisão efetiva ocorra são orientação adequada e certa energia cinética mínima. O aumento da temperatura corresponde ao aumento da energia cinética média das partículas. Em um sistema reacional, nem todas as moléculas apresentam a mesma energia cinética. Observe a distribuição de energia cinética de um conjunto de moléculas em duas temperaturas distintas, T1 e T2.
As áreas coloridas no gráfico representam a fração de moléculas com energia cinética (Ec) suficiente para a reação ocorrer, ou seja, com energia igual ou superior à energia de ativação (Ea). Note que, quando a temperatura do meio reacional aumenta, a fração de moléculas com energia superior à de ativação também aumenta. É importante ressaltar que, de maneira geral, a temperatura não altera o valor da energia de ativação da reação. Página 188 Na atividade prática, foi proposta uma reação cujos reagentes não se encontravam na mesma fase: o comprimido é um sólido e a água é um líquido nas temperaturas estudadas. Embora esse tipo de reação seja frequente no cotidiano, o estudo da rapidez das reações em sistemas desse tipo é mais complexo, pois a capacidade de colidir dos reagentes depende da área de contato entre eles, a qual, por sua vez, é controlada pelo tamanho das partículas. Uma discussão mais aprofundada sobre esse tópico está fora do escopo do Ensino Médio. Questões para fechamento do tema
Representação sem escala; cores fantasia. Sabendo que as esferas verde, azul e vermelha representam, respectivamente, os átomos dos elementos químicos cloro, nitrogênio e oxigênio, que o gás cloro apresenta coloração esverdeada e que o monóxido de nitrogênio é incolor, faça o que se pede.
Um pedaço de palha de aço queimando em ambiente aberto (A) e em um frasco contendo inicialmente gás oxigênio puro (B). Interpretando as imagens, explique, com base na teoria das colisões, os resultados obtidos.
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William Silver/Shutterstock Réptil crocodiliano paralisado no meio de uma estrada na Flórida, nos Estados Unidos, 2010. Isso acontece porque eles são animais ectotérmicos, ou seja, utilizam fontes externas de calor para regular a temperatura corporal, diferentemente dos endotérmicos, que utilizam o calor liberado em seu próprio metabolismo para manter a temperatura corporal relativamente constante. Por que o réptil retratado na imagem só consegue voltar a se mover depois do surgimento dos primeiros raios de Sol?
As esferas pretas, vermelhas e azuis representam átomos dos elementos químicos carbono, oxigênio e nitrogênio, respectivamente. Representação sem escala; cores fantasia. Qual das duas colisões apresenta a orientação mais favorável para possibilitar a formação de dióxido de carbono e monóxido de nitrogênio nessa reação? Justifique sua resposta e equacione a reação referida.
Representação sem escala; cores fantasia. Página 190 TEMA 3 Catalisadores 
Corepics VOF/Shutterstock Os catalisadores automotivos, localizados na parte inferior do veículo, entre o motor e o escapamento, são fundamentais para a diminuição de emissões de determinados poluentes atmosféricos. No tema anterior, foram abordados os efeitos da concentração, da superfície de contato e da temperatura na rapidez das reações. Neste tema, será analisado um quarto fator que pode alterar a taxa de uma reação e que está muito presente na indústria química e nos seres vivos: os catalisadores.
O catalisador é uma substância ou mistura capaz de acelerar uma reação química, participando em alguma fase dela, mas que ao final da reação é regenerado, isto é, não tem sua natureza química modificada. Assim, geralmente basta uma pequena quantidade do catalisador para aumentar de forma significativa a taxa de uma reação. No entanto, na prática, os catalisadores não apresentam utilização infinita. Mas como age um catalisador? Resumidamente, pode-se dizer que o catalisador é capaz de diminuir a energia de ativação da reação por meio da modificação do mecanismo original dessa reação. Diminuindo essa energia, em razão de a reação ocorrer por meio de outro mecanismo, a reação fica mais rápida, pois mais partículas reagentes terão a energia necessária para que suas colisões sejam efetivas. A ação do catalisador dá-se sobre a rapidez da reação, mas não sobre o rendimento dela nem sobre a quantidade de energia liberada ou absorvida. As quantidades de produto e de variação de entalpia de reações com e sem catalisador são sempre iguais. Para melhor compreender essas características dos catalisadores, observe os diagramas de energia esquemáticos de reações catalisadas e não catalisadas. 
LUIZ RUBIO Note que, tanto em uma reação endotérmica como em uma exotérmica, a função do catalisador é acelerar a reação. Para isso, ele altera a energia de ativação da reação, o que pode ser percebido pela indicação de x, que corresponde à diferença entre as energias de ativação das reações catalisadas (curva azul) e não catalisadas (curva vermelha). A variação de entalpia (ΔH), porém, permanece a mesma em ambas a reações. Conforme visto no Capítulo 2, o ΔH não depende do mecanismo da reação, mas apenas dos estados inicial e final do processo. Em alguns casos, tanto a reação direta como a inversa são favorecidas pela ação do catalisador, ou seja, tanto no sentido direto como no sentido inverso a energia de ativação é menor com a presença do catalisador. Página 191 Catálise homogênea: a depleção da camada de ozônio Conforme citado no Tema 1, o ozônio na troposfera pode prejudicar o sistema respiratório dos seres humanos, mas a falta de ozônio na estratosfera leva a um aumento na incidência da radiação ultravioleta B (UV-B), que, em excesso, pode causar câncer de pele, mau funcionamento do sistema imunológico e doenças oculares, como a catarata. Veja na tabela a seguir os três principais tipos de radiação ultravioleta (UV) e algumas de suas características.
Fonte: BAXTER, R. Sun alert! ChemMatters, p. 4-6, abr. 1998. O ozônio estratosférico que constitui a camada de ozônio (ozonosfera) se forma quando a radiação solar quebra as ligações interatômicas nas moléculas de O2, originando átomos de oxigênio excitados, que, em seguida, reagem com novas moléculas de O2, formando o ozônio. Estado excitado: refere-se a determinada configuração eletrônica de um átomo, íon ou molécula em que a energia se encontra mais elevada que a do estado fundamental. Para representar essa condição, utiliza-se um asterisco à direita da fórmula da espécie química. O2(g) 2 O*(g) + 2 O2(g) ⇌ 2 O3(g) Mas o ozônio também é naturalmente decomposto na estratosfera, e essa transformação envolve a absorção de mais radiação solar: O3(g) Portanto, ao mesmo tempo que o ozônio é sintetizado, ele também é decomposto na estratosfera. O resultado final desses eventos é que essas reações absorvem grande parte da radiação ultravioleta, que, assim, não nos atinge tão intensamente aqui na superfície. Enquanto isso, a concentração de ozônio se mantém constante na ozonosfera. O ser humano, contudo, afetou esse equilíbrio entre a síntese e a degradação das moléculas de ozônio. Desde a década de 1930, compostos à base de cloro, flúor e carbono (CFCs) passaram a ser muito utilizados em compressores de aparelhos de ar condicionado e geladeiras e como gases propelentes em sprays, como inseticidas e desodorantes. Por serem baratos, inodoros, atóxicos e não inflamáveis, eles foram um grande sucesso. Em 1986, atingiu-se a marca de 250 gramas de CFCs produzidos anualmente para cada habitante do nosso planeta. O engenheiro mecânico e químico estadunidense Thomas Midgley Jr. (1889-1944) foi um dos cientistas que desenvolveram os gases CFCs. Para mostrá-los ao mundo, fez, em 1941, uma inusitada apresentação durante uma reunião da Sociedade Americana de Química, nos Estados Unidos: colocou um pouco de CFC líquido em um recipiente a temperatura e pressão ambientes; imediatamente a substância começou a vaporizar. Ele, então, inalou os vapores e, logo em seguida, os expirou em direção a uma vela acesa, que logo apagou. Ele havia demonstrado para a plateia, de uma só vez, duas importantes características dessa classe de substâncias observadas em laboratório: não eram tóxicas nem inflamáveis. O que não se sabia à época é que os gases CFCs causavam a depleção do ozônio estratosférico. Por serem insolúveis em água (e, portanto, não removíveis do ar pela chuva) e muito pouco reativos, suas moléculas alcançavam a distante camada de ozônio – percurso que pode levar décadas. Uma vez nela, permanecem por décadas, sendo eventualmente atingidas pela radiação UV, o que leva à ruptura da ligação C–Cl, conforme representa a ilustração a seguir.
Esquema da quebra da ligação C–Cl pela radiação UV proveniente do Sol. Representação sem escala; cores fantasia. Página 192 O modelo de ligação covalente é caracterizado pelo compartilhamento de pares de elétrons. Na formação de um radical livre, nesse caso, há quebra homolítica da ligação covalente, na qual cada átomo participante fica com um elétron. A maior parte das espécies com número ímpar de elétrons de valência é bastante instável, sendo altamente reativa. Na quebra heterolítica das ligações covalentes, por outro lado, há formação de íons, como no caso da ionização do HCl em água. O átomo de cloro fica com os dois elétrons participantes da ligação, adquirindo carga negativa. Radical livre: átomo ou grupo de átomos que apresenta um elétron não pareado. O átomo de cloro livre formado, altamente reativo, chamado de radical (Cl⋅), participa de uma série de reações com o ozônio. Observe um mecanismo possível de reação entre o radical cloro e o ozônio: 1ª etapa: Cl• + O3 ⇌ ClO• + O2 2ª etapa: ClO• + O* ⇌ Cl• + O2 Equação global: O3(g) + O*(g) ⇌ 2 O2(g) Note que o ClO• não aparece na equação global: ele é produzido na primeira etapa, mas é consumido na segunda. Ele é chamado intermediário da reação. A interação do átomo de cloro livre com o ozônio pode ser representada pelo esquema a seguir.
Esquema de um mecanismo de ação de um gás CFC na depleção da camada de ozônio. Representação sem escala; cores fantasia. Observe que os átomos de cloro não aparecem na equação global, pois eles não são efetivamente consumidos pelo processo descrito, uma vez que, para cada átomo consumido na primeira etapa, outro átomo de cloro é formado na segunda etapa. Essa é uma característica dos catalisadores: eles aparecem geralmente inalterados ao final da reação, disponíveis para uma nova catálise; eles podem até ser consumidos em alguma etapa do processo, mas são geralmente regenerados nas etapas seguintes. Como, nesse caso, o catalisador está na forma de gás, e a mistura reagente também é gasosa, tem-se um sistema homogêneo. Portanto, esse tipo de reação é chamado de catálise homogênea. Assim, a entrada dos átomos de cloro altamente reativos (formados a partir dos gases CFCs) no ciclo de síntese e degradação do ozônio na estratosfera fez com que a decomposição de ozônio fosse acelerada a ponto de se tornar superior à taxa com que a natureza consegue repor as moléculas de O3(g). O efeito global é a depleção do ozônio: o uso dos gases CFCs acabou ocasionando a lenta diminuição da ozonosfera. Acompanhe o diagrama de energia que representa a depleção do ozônio estratosférico na presença e na ausência dos radicais cloro.
Representação sem escala; cores fantasia. Note que a reação não catalisada (curva azul) tem maior energia de ativação que a reação catalisada (curva vermelha). Além disso, observe, pelo formato da curva da reação catalisada, a indicação da existência de dois estados de transição, o que confirma o mecanismo proposto para a decomposição do ozônio pelo radical cloro no qual há duas etapas, sendo que cada estado de transição está associado a uma delas. Estudos indicam que um único radical cloro é capaz de participar de 2 milhões de ciclos de decomposição do ozônio (50 ciclos diários) antes de ser inativado, isto é, cada átomo de cloro isoladamente pode levar à decomposição de até 2 milhões de moléculas de ozônio. Mesmo com a diminuição progressiva de emissões de CFCs desde 1987, depois do Protocolo de Montreal, ainda levará muitos anos até que a presença desses gases não seja mais detectada na atmosfera, conforme mostra a tabela a seguir.
Fonte: TRO, N. J. Chemistry: a molecular approach. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2011. p. 574. Página 194 Observe que o tempo de residência atmosférica média, ou seja, o tempo em que esses gases permanecem na atmosfera, pode variar de 45 a 1.700 anos. Portanto, os efeitos do uso de CFCs ainda estarão presentes por muitas gerações. A título de comparação, o tempo de residência médio do metano (CH4), um importante gás do efeito estufa, é de dez anos. Desde 1979, a depleção da camada de ozônio começou a ser monitorada via satélite. A imagem abaixo é de 2 de outubro de 2015, data em que foi registrada a maior área com baixo teor de ozônio: 28,2 milhões de quilômetros quadrados. Até então, a maior área com baixos níveis de ozônio registrada por satélite em um único dia foi de 29,9 milhões de quilômetros quadrados, em 9 de setembro de 2000. O fenômeno de depleção do ozônio é sazonal, começando cada ano durante a primavera antártica e com pico entre meados de setembro e início de outubro. O tamanho médio da área com menor teor de ozônio em setembro-outubro de 2015 foi de 25,6 milhões de quilômetros quadrados, o quarto maior desde o início do registro por satélite. A maior média em setembro-outubro registrada foi de 26,6 milhões de quilômetros quadrados, em 2006.
Imagem que representa a depleção da camada de ozônio em 2 de outubro de 2015: a área em azul-violeta corresponde a 28,2 milhões de km2. Fonte: NASA. Disponível em: Yüklə 3,69 Mb. Dostları ilə paylaş:
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2 O*(g)
O*(g) + O2(g)
