Relação entre velocidade da reação e estequiometria

a velocidade da reação representa a velocidade com que os reagentes são consumidos ou a velocidade que os produtos são formados.

A velocidade de uma reação representa a maneira como essa reação se desenvolve ao longo de um certo tempo. Enquanto que a estequiometria relaciona as quantidades de reagentes ou de produtos de uma certa reação química.

Sendo assim, trabalharemos com a massa, com o volume e o número de mols das substâncias que participam da reação.

Velocidade da reação

No início de uma reação química, a quantidade ou concentração de reagentes é muito grande e vai diminuindo com o passar do tempo para a formação dos produtos. A quantidade ou concentração dos produtos no início é igual a zero, logo, com o passar do tempo aumenta consideravelmente.

Assim, a velocidade de uma reação representa a velocidade com que os reagentes são consumidos ou a velocidade com que os produtos são formados.

O cálculo da velocidade é determinado pela razão entre a variação da concentração dos reagentes ou dos produtos, e o intervalo de tempo no qual a reação ocorreu.

A concentração é expressa em [  ], e sua unidade é mol/L. A variação de tempo é expressa em ∆t, podendo ser usadas as unidades em hora, minuto e segundo. A fórmula da velocidade é representada por:

fórmula velocidade da reação

∆t = intervalo de tempo, e é representado por: tfinal  –  tinicial

∆[ ] = [final]  – [inicial]

Fatores que alteram a velocidade da reação

Alguns fatores podem alterar a velocidade de uma reação química como a concentração, a temperatura, a pressão, a superfície de contato e a presença de catalisador.

Temperatura:

Aumentando a temperatura ocorre um maior estado de agitação das moléculas, com maiores probabilidades de colisão entre elas. Assim temos um aumento na velocidade da reação.

Pressão:

Além da temperatura, o aumento da pressão aumenta a velocidade da reação, se pelo menos um dos reagentes estiver no estado gasoso. Isso porque, se comprimirmos os reagentes, eles se aproximam, aumentando a taxa de colisão entre eles, formando mais produtos.

Concentração dos reagentes:

Além disso, outro fator a ser levado em consideração é o aumento da concentração dos reagentes. Isso promove o aumento do número de choques entre as moléculas. Assim a velocidade da reação química aumenta.

Superfície de contato:

Quanto maior for a superfície de contato dos reagentes, maior será a probabilidade de contato entre eles. Dessa maneira, temos uma velocidade da reação maior.

Vamos citar um exemplo para facilitar a compreensão: dissolvemos um comprimido inteiro efervescente em um copo com água, ou o mesmo comprimido quebrado em vários pedaços em um copo com água. Dessa forma, quem irá se dissolver mais rápido?

O comprimido que foi quebrado, pois quanto mais particulado estiverem as moléculas dos reagentes, maior será sua superfície de contato com a água do copo.

Presença de um catalisador:

A presença de um catalisador nas reações químicas promove a aceleração dessas reações através da diminuição da energia de ativação. Além disso, o catalisador participa da reação, sendo recuperado ao final da mesma.

reação sem catalisador
Imagem 1: Gráfico demonstrando a velocidade de uma reação com e sem o catalisador. Fonte da imagem: querobolsa.com.br

No gráfico acima, que relaciona energia com o caminho da reação, podemos verificar que a energia de ativação necessária para que as reações ocorram foi menor na reação com presença de catalisador.

Observação: a energia de ativação é a energia necessária para que ocorra uma reação.

Como vamos trabalhar a estequiometria com a velocidade?

Os cálculos estequiométricos estão baseados nas Leis Ponderais, como na Lei de Conservação das Massas, onde a soma das massas dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos. Além disso, é também baseado na Lei de Proust, a lei das proporções constantes.

Em primeiro lugar, devemos interpretar uma reação química, sabendo que antes da seta estão localizados os reagentes, e após a seta estão os produtos.

A   +   B    →   C   +   D

Assim, essa reação significa que: A + B reagem entre si, formando como resultado C + D.

Devemos sempre ter as mesmas quantidades dos elementos nos reagentes e nos produtos, promovendo o balanceamento da reação. Assim como uma regra, podemos sempre deixar os átomos de hidrogênio e de oxigênio para o final do balanceamento.

Uma dica básica, geralmente nos cálculos estequiométricos, o enunciado dá informações sobre X elemento. Mas a pergunta pede sobre Y elemento. Assim, você terá que relacionar os dois, por meio de uma regra de três.

Ademais, os enunciados e as perguntas das questões abordam dados relativos às massas, ao volume e ao número de mols das substâncias.

Mol

Podemos relacionar na estequiometria 1 mol com a massa molar das substâncias, com o volume (22,4l nas CNTP) e com o número de moléculas, equivalente a 6,0 x 10²³. Nesse sentido, o mol dentro de uma reação química é o número que se encontra na frente de cada substância.

Exercício resolvido

(UNEB-BA-2013) A amônia é produzida industrialmente pela reação:

N2(g)   +  H2(g)  →  NH3(g)

Dados: massa molar H2 = 2 g/mol

Numa certa experiência a velocidade de consumo do gás hidrogênio foi de 120 g por minuto. Portanto, a velocidade de formação do gás amônia nessa experiência, em mols/minuto será:

Resolução:

Primeiramente devemos observar se a reação está balanceada.

Verificamos que temos nos reagentes dois átomos de nitrogênio e do lado dos produtos temos apenas um átomo de nitrogênio. Devemos então multiplicar a amônia (NH3) por dois, isso resultará em dois átomos de nitrogênio e seis átomos de hidrogênio.

N2(g)   +   H2(g)   → 2 NH3(g)

Agora iremos verificar as quantidades do átomo de hidrogênio: no lado dos reagentes temos dois átomos, e no lado dos produtos, temos seis átomos (2 x 3).

Equação balanceada

Então devemos acrescentar o número três na frente do gás hidrogênio, ficando a reação:

N2(g)   +  3 H2(g)  →  2 NH3(g)

Com isso, balanceamos a nossa reação, pois todos os elementos estão distribuídos na mesma quantidade em ambos os lados da reação. Então iremos realizar os cálculos solicitados pelo enunciado.

Devemos relacionar o hidrogênio e a amônia. Mas a estequiometria da reação está baseada no número de mols, enquanto o exercício está em gramas. Então devemos passar para número de mol:

Foi dado no enunciado a massa molar do hidrogênio então:

2 g ______   1 mol

120 g _____   x

2 x =  120

x = 60 mol

Assim, iremos calcular a velocidade da amônia:

3 mol H2 _______  2 mol NH3

60 mol   _______ x

3 x  = 60 x 2

x = 40 mol

Logo: V[NH3] =   40 mol/minuto

(PUC-MG-2014)

De acordo com a equação:

2 NO2(g) + 4  CO(g)  → 1 N2(g) +  4 CO2(g)

Admita que a formação do N2(g) tem uma velocidade média constante igual a 0,05 mol/min. Assim a massa de CO2, em gramas, formadas em 1 hora é:

Dados: massa molar CO2 = 44 g/mol

Resolução:

Novamente, em primeiro lugar observamos se a reação está balanceada. Temos nos reagentes dois átomos de nitrogênio e nos produtos a mesma quantidade.

Além disso, temos também quatro átomos de carbono nos reagentes e quatro átomos de carbono nos produtos. Por fim, temos oito átomos de oxigênio nos reagentes (4 + 4) e oito átomos de oxigênio nos produtos (4 x 2). Então a reação está balanceada.

Agora vamos passar a velocidade do N2 para horas, porque o enunciado pede a resposta em horas. Temos que 1 hora é equivalente a 60 minutos.

0,05 mol  _____   1 minuto

x          _____   60 minutos

x = 3 mol/hora

Agora ele compara no exercício o N2 com o CO2 e pede a massa em gramas. Então devemos usar a massa molar do CO2, que consta do enunciado. Mas primeiro iremos calcular o número de mols do CO2, utilizando os coeficientes estequiométricos da reação.

1 mol N2  _____   4 mol  CO2

3 mol N2 _____    x

x = 3 x 4=  12 mol CO2

Agora calculamos a massa do CO2:

44 g  CO2 _____    1 mol

x           _____- 12 mol

x  =   44 x 12 =  528 g/hora

Resumo da aula em vídeo

Exercícios
1)(UFF-RJ-2012)

Acompanhando a evolução dos transportes aéreos, as modernas caixas-pretas registram centenas de parâmetros a cada segundo, constituindo recurso fundamental na determinação das causas de acidentes aeronáuticos. Esses equipamentos devem suportar ações destrutivas e o titânio, metal duro e resistente, pode ser usado para revesti-los externamente.

O titânio é um elemento possível de ser obtido a partir do tetracloreto de titânio por meio da reação não balanceada:

TiCl4(g) + Mg(s) → MgCl2(l) + Ti(s)

Considere que essa reação foi iniciada com 9,5 g de TiCl4(g). Supondo que tal reação seja total, a massa de titânio obtida será, aproximadamente:

(Dados: Ti = 48 u; Cl = 35,5 u; Mg = 24 u.)

a) 1,2 g

b) 2,4 g

c) 3,6 g

d) 4,8 g

e) 7,2 g

Gabarito: b

2) (PUC-RS-2013)

Relacione os fenômenos descritos na coluna I com os fatores que influenciam sua velocidade mencionados na coluna II.

Coluna I

1 – Queimadas alastrando-se rapidamente quando está ventando;

2 – Conservação dos alimentos no refrigerador;

3 – Efervescência da água oxigenada na higiene de ferimentos;

4 – Lascas de madeiras queimando mais rapidamente que uma tora de madeira.

Coluna II

A – Superfície de contato

B – Catalisador

C – Concentração

D – Temperatura

Assim, a alternativa que contém a associação correta entre as duas colunas é

a) 1 – C; 2 – D; 3 – B; 4 – A.

b) 1 – D; 2 – C; 3 – B; 4 – A.

c) 1 – A; 2 – B; 3 – C; 4 – D.

d) 1 – B; 2 – C; 3 – D; 4 – A.

e) 1 – C; 2 – D; 3 – A; 4 – B.

Gabarito: a

3) (ACAFE-SC-2013)

O conhecimento da velocidade das reações químicas é de extrema importância para a produção industrial de uma série de produtos. Analise as afirmações a seguir.

I. A velocidade de uma reação química geralmente cresce com o aumento da temperatura.

II. A velocidade de uma reação química sempre independe da concentração dos reagentes.

III. A velocidade de uma reação química depende da orientação apropriada das moléculas na hora do choque.

IV. Para os sólidos, quanto maior a superfície de contato, menor será a velocidade da reação química.

De acordo com as afirmações acima, assinale a alternativa que indica somente as afirmações corretas.

a) II – III

b) I – IV

c) II – IV

d) I – II

e) I – III

Gabarito: e

4) (Udesc-2012)

Se um comprimido efervescente que contém ácido cítrico e carbonato de sódio for colocado em um copo com água, e mantiver-se o copo aberto, observa-se a dissolução do comprimido acompanhada pela liberação de um gás. Assim, assinale a alternativa correta sobre esse fenômeno.

a) A massa do sistema se manterá inalterada durante a dissolução.

b) A velocidade de liberação das bolhas aumenta com a elevação da temperatura da água.

c) Se o comprimido for pulverizado, a velocidade de dissolução será mais lenta.

d) O gás liberado é o oxigênio molecular.

e) O fenômeno corresponde a um processo físico.

Gabarito: b

5) (Ufal-2007)

A sabedoria popular diz que o “fogo de palha queima rápido”. Quando se compara a queima de um tronco de árvore com a da palha derivada de um vegetal nota-se a veracidade desse dito popular. O aumento da velocidade de reação de combustão da palha quando comparada à combustão do tronco deve-se, portanto:

a) à formação de produtos diferentes de reação.

b) à diferente composição da celulose nas células vegetais.

c) ao maior conteúdo de água na palha.

d) à presença de substâncias voláteis na palha.

e) à maior superfície de contato entre os reagentes (celulose e oxigênio).

Gabarito: e

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.