Determinação da energia de ativação de uma reação iônica

Determinação da energia de ativação de uma reação iônica

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1 - Introdução

1.1 Energia de ativação

A ocorrência de uma reação química está relacionada com o contato entre as moléculas reagentes e a uma energia mínima necessária - a energia de ativação - para que ocorra a reação e a formação de produtos, em termos de potencial em um passo intermediário da reação necessário para que ocorra a transformação dos reagentes em produtos. A formação dos produtos a partir dos reagentes é um processo gradual em que as ligações dos reagentes são quebradas e ocorre a formação dos produtos.

Esse estado de formação é chamado de complexo ativado, sendo possível formular a velocidade de reação em termos de propriedades dos reagentes e do estado de transição, no qual as moléculas integrantes formam o complexo ativado, sendo a velocidade da reação o número de complexos ativados que passam por segundo sobre o topo da barreira potencial com uma energia mínima para a ocorrência da reação. Por exemplo, uma reação exotérmica binária A + B = AB, o complexo ativado pode ser representado por AB*.

Sendo o complexo ativado superior à energia dos reagentes, a diferença entre a energia dos reagentes e da energia do complexo ativado é denominada energia de ativação (ΔH*).

Para uma reação exotérmica onde se é fornecida energia para que seja superada a energia de ativação e ocorra formação de produtos, o caminho da reação e sua energia de ativação são demonstrados graficamente como no exemplo da figura abaixo:

Figura 1 - Representação gráfica de uma reação exotérmica demonstrando a energia de ativação para essa reação.

Quando uma reação é endotérmica, liberando energia para a formação dos produtos, seu comportamento no caminho da reação é demonstrado de forma graficamente contrária à reação exotérmica, fornecendo menos energia que o necessário para formação de produtos.

Figura 2 - Representação gráfica de uma reação endotérmica demonstrando a energia de ativação para essa reação.

Os catalisadores influenciam na velocidade de uma reação porque alteram a energia envolvida na ocorrência da mesma; a energia de ativação necessária para que haja a formação do complexo ativado a partir dos reagentes diminui, porque a presença do catalisador oferece um caminho alternativo e menos energético para que a reação ocorra, e isto faz com que a reação ocorra com maior velocidade.

Assim, a representação gráfica para uma comparação entre uma reação exotérmica catalisada e a mesma reação não catalisada:

Figura 3 -Gráfico demonstrando a comparação energética entre uma reação exotérmica catalisada e uma reação exotérmica não-catalisada.

A energia de ativação pode também ser aumentada com a adição de inibidores, que são substâncias que diminuem a velocidade de reação. Um inibidor desvia um dos reagentes para uma reação alternativa, de menor energia de ativação, sendo consumido preferencialmente nesta reação do que na reação que ocorreria sem a presença do inibidor.

1.2 – Determinação da energia de ativação da reação

A constante cinética k de uma reação química depende da temperatura, sendo envolvida com outras duas constantes, entre elas a energia de ativação. Segundo Arrhenius:

Onde é outra constante chamada de fator pré-exponencial, a constante dos gases e T a temperatura absoluta.

Determinando experimentalmente a energia de ativação da reação:

S2O8-2 + 2 I- = 2 SO4-2 + I2

Sendo que a reação será executada de tal forma que o íon do iodeto estará em excesso. Já que a reação é de 1ª ordem com relação ao íon persulfato, sendo usada a equação cinética correspondente a essa ordem.

In[S2O8-2]0 . ln [S2O8-2]t = k.t

Dessa forma, o mecanismo da reação pode ser compreendido para determinar a constante cinética da energia de ativação.

2 - Objetivos

Determinar, a partir de dados experimentais, o valor da energia de ativação a partir de uma reação entre S2O8-2 e I-.

3 - Procedimento experimental

3.1 - Materiais

- Solução amido 1%;

- Solução de iodeto de potássio 0,5 mol.L-1 ;

- Solução de persulfato de potássio0,002 mol.L-1 ;

- Solução de tiossulfato de potássio0,001 mol.L-1 ;

- Cuba de gelo;

- gelo;

- 2 termômetros;

- 2 erlenmeyers de 250 ml;

- 1 pipeta volumétrica de 10 ml;

- 2 pipetas volumétrica de 20 ml;

- 1 relógio para contagem do tempo.

3.2 – Procedimento experimental

Em um erlenmeyer foram transferidos 20 ml de solução de iodeto de potássio e ao mesmo erlenmeyer foram adicionados 10 ml de solução de tiossulfato de potássio.

Em um segundo erlenmeyer foram adicionados 20 ml de solução de persulfato de potássio e 5 gotas de solução de amido.

Os dois erlenmeyers foram levados ao banho de gelo, até atingir o equilíbrio a temperatura de 10º C, ao atingir a temperatura em equilíbrio misturava uma solução a outra instantaneamente e imediatamente marcava o tempo com o cronometro sempre agitando a mistura até que ocorre se a reação anotando seu tempo final.

O procedimento foi repetido às temperaturas de 15, 20, 30 e 35º C.

4 - Resultados e discussão

Os resultados obtidos neste experimento estão expressos na seguinte tabela:

T (K)

t (s)

T-1 (K-1)

ln t

283

370

0,00353

5,913

288

305

0,00347

5,720

293

215

0,00341

5,371

303

160

0,00330

5,075

308

75

0,00325

4,317

Estes resultados forneceram as coordenadas para a construção do gráfico de ln t em função de T-1, que possibilita o cálculo da energia de ativação, já que o coeficiente angular da melhor reta descrita, calculada por regressão linear a partir dos pontos experimentais, corresponde a Ea/ R, onde R é a constante universal dos gases, 8,314 J K-1 mol-1.

O gráfico obtido a partir dos dados experimentais foi o seguinte:

Gráfico 1 - Pontos experimentais que permitem o cálculo da energia de ativação para a reação a partir de ln t em função do inverso da temperatura.

Aplicando-se o método de mínimos quadrados (regressão linear), encontra-se o valor de Ea/R, e, sendo R uma constante, calcula-se diretamente o valor de Ea:

5 - Conclusão

Os dados experimentais permitiram determinar o valor de 42,34 kJ mol-1 para a energia de ativação desta reação. O gráfico permite concluir que este valor está bastante próximo do valor real de energia de ativação, já que o coeficiente de correlação apresenta o valor de 0,915, que é bastante satisfatório, já que está bastante próximo de 1.

6 - Questões

a) Discuta os erros experimentais.

O erro experimental mais notável é a medição do tempo, já que a mudança de coloração é muito rápida, o que torna difícil a determinação do momento exato em que a mudança ocorre. Além do tempo, a temperatura também é um fator de erro, já que foi possível observar que era difícil manter as soluções à mesma temperatura antes de misturá-las.

b) Qual o sentido físico da energia de ativação?

A energia de ativação é a energia que deve ser fornecida aos reagentes para que a reação possa ser iniciada. Em um sentido físico, também pode ser considerada em termos do grau de agitação que as partículas dos reagentes precisam ter para que suas colisões possam ser mais efetivas e possam dar origem aos produtos.

c) Deduza a equação usada no tratamento dos dados experimentais.

d) Quais os fatores que influenciam o valor da energia de ativação?

A temperatura em que a reação ocorre e o uso de catalisadores / inibidores.

e) Discuta os efeitos de um catalisador na velocidade de uma reação e na energia de ativação da mesma.

Quando se utiliza um catalisador (considerando como catalisador apenas as substâncias que aceleram a reação, desconsiderando-se os inibidores, que também são classificados como catalisadores, apesar de terem efeito retardatário na velocidade da reação), aumenta-se a velocidade da reação. Já a energia de ativação é diminuída pelo uso de um catalisador. Isto porque o catalisador oferece um caminho alternativo para a reação, formando intermediários que requerem menor energia para se formarem e também para a formação dos produtos, e que, portanto, se formam e dão origem aos produtos mais rapidamente.

7 - Referências

ATKINS, P. Físico-química. Tradução de Edilson Clemente da Silva. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

MOORE, Walter Jonh. Físico-química. Vol. 1. Tradução de Helena Li Chun. São Paulo: Edgard Bluncher, 1976.

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