9788522107544_QUÍMICA GERAL E REAÇÕES QUÍMICAS_2 (1).pdf

John C. Kotz Paul M. Treichel Gabriela C. Weaver

2

 Tradução  Tradução da 6a edição norte-americana Vol. 2

Sumário Geral

Volume 1 Prefácio Prefácio aos Estudantes – Uma Introdução à Química Parte 1 As Ferramentas Básicas da Química 1 Matéria e Medição 2 Átomos e Elementos 3 Moléculas, Íons e seus Compostos 4 Equações Químicas e Estequiometria 5 Reações em Solução Aquosa 6 Princípios de Reatividade: Energia e Reações Químicas ENTRECAPÍTULO: ENTRECAPÍTULO: A Química dos Combustíveis e Fontes de Energia Energi a Parte 2 A Estrutura dos Átomos e das Moléculas 7 Estrutura Atômica 8 Configurações Eletrônicas dos Átomos e Periodicidade Química 9 Ligações e Estrutura Molecular: Conceitos Fundamentais 10 Ligações e Estrutura Molecular: Hibridização Hibridizaçã o de Orbitais e Orbitais Moleculares 11 Carbono: mais do que Apenas mais um Elemento ENTRECAPÍTULO: ENTRECAPÍTULO: A Química da Vida: Bioquímica Parte 3 Os Estados da Matéria 12 Os Gases e suas Propriedades 13 Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos ENTRECAPÍTULO: ENTRECAPÍTULO: A Química dos Materiais Modernos 14 As Soluções e seu Comportamento Apêndices A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas B. Alguns Conceitos Físicos Importantes C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis D. Constantes Físicas Físic as E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos F. Valores das Energias Energi as de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Tempera Temperaturas turas H. Constantes de Ionização Ionização de Ácidos Fracos Fracos a 25 °C I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

VI

J. Constantes de Produto Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Compostos Inorgânicos a 25 °C K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos Complexos em Solução Aquosa L. Valores Termodinâmicos ermodin âmicos Selecionados Seleci onados M. Potenciais-padrão Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 25 °C Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, www.cengage.com.br, na página do livro: N. Respostas dos Exercícios O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas P. Respostas de Questões de Estudo Estudo Selecionadas Selecionadas dos dos Entrecapítulos Entrecapítulos Volume 2 Parte 4 O Controle das Reações Químicas

15 Princípios de Reatividade: Cinética Química 16 Princípios de Reatividade: Equilíbrio Químico 17 Princípios de Reatividade: A Química de Ácidos e Bases 18 Princípios de Reatividade: Outros Aspectos do Equilíbrio Aquoso 19 Princípios de Reatividade: Entropia e Energia Livre 20 Princípios de Reatividade: Reações de Transferência de Elétrons ENTRECAPÍTULO: A Química do Meio Ambiente Parte 5 A Química dos Elementos

21 22 23

A Química dos Elementos do Grupo Principal A Química dos Elementos de Transição Química Nuclear

Apêndices

A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas B. Alguns Conceitos Físicos Importantes C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis D. Constantes Físicas E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos F. Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos Elementos G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Tempera Temperaturas turas H. Constantes de Ionização Ionização de Ácidos Fracos Fracos a 25 °C I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C J. Constantes de Produto Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Compostos Inorgânicos a 25 °C K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos Complexos em Solução Aquosa L. Valores Termodinâmicos ermodin âmicos Selecionados Seleci onados M. Potenciais-padrão Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 25 °C Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, www.cengage.com.br, na página do livro: N. Respostas dos Exercícios O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas P. Respostas de Questões de Estudo Estudo Selecionadas Selecionadas dos dos Entrecapítulos Entrecapítulos

Sumário

Prefácio ...........................................................................................XIII Prefácio aos Estudantes .................................................................XXI

Parte 4 15

O Controle de Reações Químicas

Princípios de Reatividade: Cinética Química ................... ....................... .... 613 Cada Vez Mais e Mais Rápido .................. .................................. ................................. .................................. .......................614 ......614 15.1

Velocidades das Reações Químicas Químicas............................... ................................................ .......................616 ......616

15.2

Condições de Reação Reação e Velocidade ..................... ...................................... .................................619 ................619

15.3

Efeito da Concentração na Velocidade de de Reação ..............................621 ..............................621 Equações de Velocidade ...................... ....................... ....................... ...... 622 Ordem Geral da Reação ....................... ....................... ....................... .... 622 Constante de Velocidade, k .................... ....................... ....................... ..623 .. 623 Determinando uma Equação de Velocidade ....................... .................. 624

15.4

Relações Concentração-Tempo: Concentração-Tempo: Leis de de Velocidade Integradas ........ 626 Reações de Primeira Ordem ..................... ....................... ....................... 627 Reações de Segunda Ordem ...................... ....................... ...................... 629 Reações de Ordem Zero .................... ....................... ....................... ........ 630 Métodos Gráficos de Determinação da Ordem da Reação e a Constante de Velocidade Velocidade .................... ....................... ....................... ..630 .. 630 Meia-vida e Reações de Primeira Ordem ....................... ....................... . 632

15.5

Uma Visão Microscópica das Velocidades de Reação ......................... ......................... 635 Concentração, Velocidade de Reação e Teoria das Colisões .................. 635 Temperatura, Velocidade de Reação e Energia de Ativação .................. 636 Efeito da Orientação Molecular na Velocidade de Reação ................... 637 A Equação de Arrhenius....................... ....................... ....................... ..... 638 Um Exame Mais Detalhado: Diagramas de Coordenadas de Reação...... 638 Efeito de Catalisadores sobre a Velocidade de Reação ...................... ..... 641 Um Exame Mais Detalhado: Enzimas, os Catalisadores da Natureza..... 643

15.6

Mecanismos de Reação Reação ................................ ................................................. .................................. ........................ ....... 644 Molecularidade de Etapas Elementares ....................... ....................... .... 644 Equações de Velocidade para Etapas Elementares ..................... ............ 645 Molecularidade e Ordem de Reação.................... ....................... ............ 645 Mecanismos de Reação e Equações de Velocidade ..................... ........... 647 Revisão dos Objetivos do Capítulo................................ Capítulo................................................. ...................... ..... 651 Equações-chave ................................ ................................................. .................................. .................................. ................... 652 Questões de Estudo................................. .................................................. ................................. ............................ ............653 653

16

Princípios de Reatividade: Equilíbrio Químico .................. .................... 663 Fertilizantes e Gás Venenoso Venenoso................. .................................. .................................. ................................. ........................ ........ 664 16.1

A Natureza Natureza do Estado Estado de Equilíbrio ................................ ................................................ .................... .... 666

16.2

O Quociente de Reação Reação e a Constante Constante de de Equilíbrio .......................... ..........................668 668 Escrevendo Expressões da Constante de Equilíbrio ...................... ........ 669 Um Exame Mais Detalhado: Expressões da Constante de Equilíbrio  para Gases — Kp e Kc ....................... ....................... ....................... .........671 671

VIII

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

O Significado da Constante de Equilíbrio, K ..672 O Quociente de Reação Q ................................673 16.3 Determinação de uma Constante de Equilíbrio....675 16.4 Usando Constantes de Equilíbrio em Cálculos .....678 Cálculos em que a Solução é uma Expressão Quadrática ........................................................679 16.5 Mais sobre Equações Balanceadas e Constantes de Equilíbrio .............................................. ...................................................682 .....682 16.6 Perturbando um Equilíbrio Químico ...........685 Efeito da Temperatura sobre a Composição no Equilíbrio ..........................................................685 Efeito da Adição ou Remoção de um Reagente ou Produto ........................................................687 Efeito de Variações de Volume em Equilíbrios em Fase Gasosa .................................................689 16 16.7 .7 Aplicando os Conceitos de Equilíbrio Químico ...690 O Processo Haber-Bosch.................................. ..................... .............690 690 Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................691 Capítulo...........................691 Equações-chave Equações-chave ................................ ................................................. ..........................692 .........692 Questões de Estudo ................................. ..................................................692 .................692

17 Princípios de Reatividade: A Química de Ácidos e Bases ...................... ............................... ................... .................. ........ 701 Ácidos da Natureza ..................... ...................................... ...............................702 ..............702 17.1 Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio ......703 17.2 O Conceito de Brønsted-Lowry Brønsted-Lowry de Ácidos e Bases ............................... ................................................ ..............................704 .............704 Pares Ácido-Base Ácido-Base Conjugados..........................706 Conjugados..........................706 17.3 Água e a Escala de pH ................................. .....................................707 ....707 Autoionização Autoionização da Água e a Constante de Ionização da Água, K w ............................................. ....................... ..........................707 ....707 A Escala de pH .............................................. ....................... ...........................709 ....709 Determinando e Calculando o pH ..................709 .................. 709 17.4 Constantes de Equilíbrio de Ácidos e Bases..710 Soluções Aquosas de Sais ................................. ..................... ............714 714 Uma Escala Logarítmica de Força Relativa de Ácidos, pK a ........................................................716 Relacionando as Constantes de Ionização de um Ácido e sua Base Conjugada ............................716 17.5 Constantes de Equilíbrio e Reações Ácido-Base Ácido-Base................. .................................. .................................. ....................717 ...717 Prevendo a Direção de Reações Ácido-Base Ácido-Base ....717 17.6 Tipos de Reação Ácido-Base Ácido-Base ..........................719 ..........................719 Reação de um Ácido Forte com uma Base Forte ...719 ... 719 Reação de um Ácido Fraco com uma Base Forte...720 Forte... 720 Reação de um Ácido Forte com uma Base Fraca ...720 ... 720 Reação de um Ácido Fraco com uma Base Fraca ..720 .. 720 17.7 Cálculos com Constantes de Equilíbrio ........721

 

Determinando K  a  a Partir de Concentrações Iniciais e Valores Valores de pH ....................................721 ................................ ....721 Qual É o pH de uma Solução de Ácido Fraco ou Base Fraca? ........................................................723 Qual É o pH da Solução Após uma Reação Ácido-Base? Ácido-Base? .......................................................727 17.8 Ácidos e Bases Polipróticos............................728 ............................728 17.9 O Conceito Conceito de Lewis de Ácidos Ácidos e Bases .........730 Ácidos de Lewis Catiônicos..............................731 ..................... .........731 Ácidos de Lewis Moleculares ...........................732 ....................... ....732 17.10 Estrutura Molecular, Molecular, Ligações e Comportamento Ácido-Base.............. Ácido-Base............................... .................................. ........................733 .......733 Por que o HF É um Ácido Fraco e o HCl É um Ácido Forte? ......................................................733 Perspectivas em Química: Bases de Lewis e Brønsted: Adrenalina e Serotonina  .................734

Por que o HNO 2 É um Ácido Fraco e o HNO3 É um Ácido Forte? ............................................735 Por que os Ácidos Carboxílicos São Ácidos de Brønsted?...........................................................736 Brønsted?...........................................................736 Por que os Cátions Metálicos Hidratados São Ácidos de Brønsted? .........................................737 Por que os Ânions São Bases de Brønsted? .....738 Por que as Aminas Orgânicas São Bases de Brønsted e de Lewis?.........................................738 Lewis? .........................................738 Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................739 Capítulo...........................739 Equações-chave Equações-chave................................. .................................................. .........................739 ........739 Questões de Estudo ................................. ................................................. ..................740 ..740

18 Princípios de Reatividade: Outros Aspectos do Equilíbrio Equilíbrio Aquoso Aquoso .................. ............................ ................... ......... 745 Rosas São Vermelhas, Vermelhas, Violetas São Azuis e Hortênsias São Vermelhas ou Azuis ................................ ............................................746 ............746 18.1 O Efeito do Íon Comum .................................747 .................................747 18.2 Controlando o pH: Soluções-tampão Soluções-tampão ...........750 Expressões Gerais para Soluções-tampão Soluções-tampão .......752 Preparando Soluções-tampão Soluções-tampão ..........................754 ...................... ....754 Como uma solução-tampão mantém o pH? ..756 18.3 Titulações Ácido-Base Ácido-Base ............................... ....................................757 .....757 Titulação de um Ácido Forte com uma Base Forte..757 Perspectivas em Química: Os Tampões em Bioquímica.........................................................758

Titulação de um Ácido Fraco com uma Base Forte .760 Titulação de Ácidos Polipróticos Polipróticos Fracos .........762 ......... 762 Titulação de uma Base Fraca com um Ácido Forte..763 Indicadores de pH ............................................ ..................... ....................... 764 18.4 Solubilidade de Sais................................. ........................................766 .......766 Constante do Produto de Solubilidade, K ps .....767

Sumário

Relacionando Solubilidade e K ps ...................... 768 Um Exame Mais Detalhado: Cálculos de Solubilidade .......................................................770

Solubilidade e o Efeito do Íon Comum...........772 ........... 772 O Efeito de Ânions Básicos na Solubilidade de Sais ................................................................774 18.5 Reações de Precipitação .................................776 .................................776 K ps e o Quociente de Reação, Q ........................776 K ps, o Quociente de Reação e Reações de Precipitação............................................. ...................... .................................777 ..........777 18.6 Solubilidade e Íons Complexos .....................779 .....................779 18.7 Solubilidade, Separações de Íons e Análise Qualitativa ................................ ................................................. ......................781 .....781 Revisão dos Objetivos Objet ivos do Capítulo...........................783 Capítulo...........................783 Equações-chave Equações-chave............................... ................................................ ...........................783 ..........783 Questões de Estudo ............................... ................................................ ....................784 ...784

19 Princípios de Reatividade: Entropia e Energia Livre ........................ .................................. ................... ................. ........ 793 Máquinas de Moto-Contínuo Moto-Contínuo ................................ ...................................794 ...794 19.1 Mudança Espontânea e Equilíbrio ................795 19.2 Calor e Espontaneidade .................................795 .................................795 19.3 Dispersão de Energia e Matéria .....................797 .....................797 Dispersão de Energia ........................................ ..................... ................... 797 Dispersão de Matéria........................................ ...................... ..................798 798 Aplicações da Dispersão de Matéria ................800 ................ 800 A Equação de Boltzmann para Entropia .........801 Resumo: Dispersão de Matéria e Energia ........801 19.4 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica ... 802 Um Exame Mais Detalhado: Processos Reversíveis e Irreversíveis ...................................804

Variações de Entropia em Processos Físicos e Químicos ..........................................................805 19.5 Variações de Entropia e Espontaneidade ......807 Cálculo de ∆S°sissis, a Variação Variação de Entropia do Sistema ..807 .. 807 Cálculo de ∆S°viz, a Variação de Entropia da Vizinhança ...................................................808 Cálculo de ∆S°univ , a Variação Total de Entropia do Sistema e da Vizinhança ..............................808 ..................... .........808 Resumo: Espontânea ou Não? .........................809 ...................... ...809 19.6 A Energia Livre de Gibbs................................811 ................................811 ∆G° e Espontaneidade ......................................811 O Que É Energia “Livre”?................................. ...................... ...........812 812 Cálculo de ∆G°reação, a Variação Variação de Energia Livre para uma Reação ..............................................812 Energia Livre de Formação Padrão.................. 813 Energia Livre e Temperatura ............................814 ..................... .......814 19.7 ∆G°, K  e  e Favorabilidade de Produtos ................816

IX

Energia Livre, Quociente de Reação e Constante de Equilíbrio .....................................................817 Usando a Relação entre ∆G°reação e K ................. ................. 817 19.8 Termodinâmica, ermodi nâmica, o Tempo e a Vida ................ ........ ........819 819 Perspectivas em Química: A Termodinâmica e a Especulação sobre a Origem da Vida ................ 819 

Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................820 Capítulo...........................820 Equações-chave Equações-chave................................. .................................................. .........................821 ........821 Questões de Estudo ................................ ................................................. ...................822 ..822

20 Princípios de Reatividade: Reações de Transferênciade Elétrons ............................... .............. ................. 827 Gases no Sangue ................................. .................................................. .......................828 ......828 20.1 Reações de Oxirredução.................................830 .................................830 Balanceamento de Equações de Oxirredução .830 20.2 Células Voltaicas Simples ...............................836 ...............................836 Célula Voltaica com Eletrodos Inertes .............839 ............. 839 Convenções Convenções em Células Eletroquímicas ..........840 .......... 840 20.3 Células Voltaicas de Uso Comercial...............840 Comercial...............840 Perspectivas em Química: Rãs e Bateria s Voltaicas oltaicas ..................................................... ....................................................... 841

Baterias Primárias: Pilhas Secas e Baterias de Mercúrio ......................................................842 Baterias Secundárias ou Recarregáveis ............843 ............ 843 Células a Combustível ...................................... .................... ..................844 844 Perspectivas em Química: Seu Próximo Carro? . .....845 20.4 Potenciais Eletroquímicos Padrão ................846 Força Eletromotriz ........................................... ....................... .................... 847 Determinação de Potenciais Potenciais Padrão ................847 ................ 847 Potenciais Potenciais de Redução Padrão .........................849 ...................... ...849 Um Exame Mais Detalhado: FEM, Potencial de Célula e Voltagem Voltagem ........................................ ......849

Tabelas de Potenciais Potenciais de Redução Padrão .......850 Uso das Tabelas de Potenciais Potenciais de Redução Padrão..852 20.5 Células Eletroquímicas Fora das Condições Padrão ................................ ................................................. ................................. .......................857 .......857 A Equação de Nernst ........................................ ....................... .................857 857 Perspectivas em Química: Uma Dor de Dentes Eletroquímica! ...................................................857

20.6 Eletroquímica e Termodinâmica ...................860 ...................860 Trabalho e Energia Livre .................................. ..................... .............860 860 E ° e a Constante de Equilíbrio .........................861 Perspectivas Históricas: Eletroquímica e Michael Faraday ............................................................863 863

20.7 Eletrólise: Mudança Química Utilizando Energia Elétrica................................... Elétrica...............................................864 ............864 Eletrólise de Sais Fundidos...............................864 ...................... .........864 Eletrólise de Soluções Aquosas ........................865 ....................... .865

X

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

20.8 Contando Elétrons ................................ .........................................868 .........868 Revisão dos Objetivos Ob jetivos do Capítulo...........................870 Capítulo...........................870 Equações-chave Equações-chave................................ ................................................. ..........................870 .........870 Questões de Estudo ............................... ................................................ ....................871 ...871

ENTRECAPÍTULO A Química do Meio Ambiente Ambiente ...................... ........................ 877 Água, Água, por Todos Todos os Lados ....................................... .......................... .............878 878 Remoção de Partículas Suspensas da Água....................... 879 Água Dura ..........................................................................881 Filtração ..............................................................................882 Desinfecção da Água .........................................................883 Ar: Ora Você Você o Vê, Ora Não Não ............................................. ...................... ....................... 884 Composição da Atmosfera ................................................884 Material Particulado ..........................................................885 O Índice de MP .................................................................886 Material Particulado e Visibilidade ...................................886 Poluição do Ar por Particulados .......................................887 Química Verde Verde............................................. ...................... .............................................. ....................... 888 DDT: Diclorodifeniltricloroetano..................................... ....................... ..............889 889 CFCs: Clorofluorocarbonos .............................................890 Regulamentação de Poluentes Poluentes ........................................... .................... ....................... 891 A Redução de Poluentes por Meio da Química Verde Verde .....892 Questões de Estudo ................................ ................................................. .........................893 ........893

Parte 5 A Química dos Elementos 21 A Química dos Elementos do Grupo Principal Principal ................... ............................. ................... ................... ................... ........... 895 Química Relacionada ao Enxofre e a Vida no Limite ................................ ................................................. .................................. ........................896 .......896 21.1 A Abundância dos Elementos ........................898 ........................898 21.2 A Tabela Tabela Periódica: Periódica: Um Guia dos Elementos Elementos...898 Elétrons de Valência.......................................... ...................... .................... 898 Compostos Iônicos de Elementos do Grupo Principal ............................................................899 Compostos Moleculares de Elementos do Grupo Principal ............................................................901 21.3 Hidrogênio................................ ................................................. ......................903 .....903 Propriedades Físicas e Químicas do Hidrogênio .903 Um Exame Mais Detalhado: Hidrogênio, Hidrogênio, Hélio e Balões ..............................................................904 904

Preparação do Hidrogênio...............................905 ....................... ........905 21.4 Os Metais Alcalinos, Grupo 1 ........................906 ........................906 Preparação do Sódio e do Potássio ..................907 .................. 907 Propriedades do Sódio e do Potássio...............907 ............... 907 Compostos Importantes de Lítio, Sódio e Potássio............................................ ..................... ...................................... ...............908 908

Um Exame Mais Detalhado: A Capacidade de Redução dos Metais Alcalinos..................... .......909

21.5 Os Elementos Alcalino-Terrosos: Alcalino-Terrosos: Grupo 2....911 Propriedades do Cálcio e do Magnésio ...........911 ........... 911 Metalurgia do Magnésio .................................. ...................... ............912 912 Minerais de Cálcio e suas Aplicações...............912 ............... 912 Perspectivas em Química: Metais Alcalino-Terrosos -Terrosos e Biologia....................... .....................913

21.6 Boro, Alumínio e Elementos do Grupo 13 ....914 A Química Geral dos Elementos do Grupo 13 ..914 .. 914 Perspectivas em Química: Sobre Romanos, Calcário e Champanhe ...................... ................915

Os Minerais de Boro e a Produção do Elemento ....916 Alumínio Metálico e sua Produção ................. 916 Compostos de Boro .......................................... ..................... ..................... 918 Compostos de Alumínio .................................. ...................... ............920 920 21.7 Silício e os Elementos do Grupo 14 ..............921 Silício ........................................... .................... ............................................ ..................... 921 Dióxido de Silício ............................................. ....................... ...................... 922 Minerais de Silicato com Estruturas em Cadeia e Fita .....................................................................923 Silicatos com Estrutura Lamelar e Aluminossilicatos ...............................................................924 Polímeros Polímeros de Silício .......................................... .................... ...................... 925 Perspectivas em Química: Poluição Poluição pelo Chumbo,  Antiga e Nova Nova .................... ....................... .........926

21.8 Nitrogênio, Fósforo e os Elementos do Grupo 15 ................................ ................................................. ....................927 ...927 Propriedades do Nitrogênio e do Fósforo ......927 Compostos de Nitrogênio................................ .................... ............928 928 Perspectivas em Química: Preparação do Fósforo ...............................................................928

Compostos Formados por Hidrogênio, Hidrogênio, Fósforo e Outros Elementos do Grupo 15 ................... ....... ............932 932 Sulfetos e Óxidos de Fósforo............................932 ....................... .....932 Oxiácidos de Fósforo e Seus Sais ..................... 933 21.9 Oxigênio e Enxofre e os Elementos do Grupo 16 ................................. .................................................. ........................935 .......935 Preparação e Propriedades dos Elementos......935 Compostos de Enxofre ..................................... ....................... ..............937 937 21.1 21.100 Os Halogênios, Halogênio s, Grupo 17 ................... ......... ................... ............9 ...938 38 Preparação dos Elementos ...............................938 ...................... .........938 Compostos de Flúor ......................................... .................... ..................... 940 Compostos de Cloro......................................... ....................... ..................941 941 Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................943 Capítulo...........................943 Questões de Estudo ................................. ................................................. ..................943 ..943

Sumário

22 A Química dos Elementos de Transição ....949 Os Metais “com Memória” Memória” ........................................950 ........................................950 22.1 Propriedades dos Elementos de Transição ...951 Configurações Eletrônicas ...................... .........952 Tendências endênci as Periódicas Periódic as no Bloco d: Tamanho, Densidade, Ponto de Fusão ...................... ........954

Um Exame Mais Detalhado: A Busca por Novos Elementos......................................................... Elementos.........................................................1003 23.6 Fissão Nuclear................................ ...............................................1004 ...............1004 23.7 Fusão Nuclear ............................... ...............................................1006 ................1006 23.8 Radiação: Segurança e Efeitos Efeitos Sobre Sobre a Saúde Saúde ....1007 ....1007 Unidades de Medida de Radiação.................. 1007 Radiação: Doses e Efeitos ..................... ..........1007

Perspectivas em Química: Corrosão do Ferro ....955 22.2 Metalurgia................................. .................................................. ......................957 .....957

23.9 Aplicações da Química Nuclear...................1009 ...................1009

Pirometalurgia: Produção de Ferro ................. 957

Medicina Nuclear: Imagens em Medicina.....1009

Hidrometalurgia: Produção do Cobre.............959 Cobre.............959

Um Exame Mais Detalhado: O Que É uma Exposição Segura? ....................................................1009

22.3 Compostos de Coordenação ..........................960 ..........................960 Complexos e Ligantes....................... ................ 962 Fórmulas dos Compostos de Coordenação ....963

Um Exame Mais Detalhado: Hemoglobina ......965 Nomenclatura de Compostos de Coordenação .....................................................966

22.4 Estruturas dos Compostos de Coordenação...967 Coordenação...967 Geometrias de Coordenação Comuns ............ 967 Isomeria ..................... ....................... ................ 967

22.5 Ligações em Compostos de Coordenação.....971 Os Orbitais d: Teoria do Campo Ligante ........972 Configurações Eletrônicas e Propriedades Magnéticas ........................................................973

22.6 As Cores Cores dos Compostos Compostos de de Transição Transição ..........976 Cor.................... ....................... ....................... ...976 A Série Espectroquímica ....................... ........... 977

Um Exame Mais Detalhado: Um Espectrofotômetro Espectrofotômetro .978 978 Revisão dos Objetivos Objet ivos do Capítulo...........................980 Capítulo...........................980 Questões de Estudo ............................... ................................................ ....................981 ...981

23 Química Química Nuclear Nuclear.................. ............................ ................... ......... 985 Medicina Nuclear................ Nuclear................................. .................................. ......................986 .....986 23.1 Radioatividade Natural................................ ..................................987 ..987 23.2 Reações Nucleares e Decaimento Radioativo ...988 ... 988 Equações de Reações Nucleares ...................... .988 Séries de Decaimento Radioativo .................... 989 Outros Tipos de Decaimento Radioativo........991

23.3 Estabilidade dos Núcleos Atômicos ..............992 A Faixa de Estabilidade e o Decaimento Radioativo...993 Radioativo...993 Energia de Ligação Nuclear...................... ........995

23.4 Taxas de Decaimento Nuclear........................997 ........................997  

XI

Meia-vida Meia-vida ..........................................................997 Cinética do Decaimento Radioativo................ 998

Medicina Nuclear: Radioterapia .................... 1010 Métodos Analíticos: O Uso de Isótopos Radioativos como Traçadores Traçadores ..................................... .1011 Métodos Analíticos: Diluição Isotópica ........1011 ........ 1011

Um Exame Mais Detalhado: Tecnécio-99m ecnécio-99m ....1012 Ciência Espacial: Análise das Rochas Lunares por Ativação Neutrônica ..................... ........... 1013 Ciência Alimentar: A Irradiação nos Alimentos. 1013

Revisão dos Objetivos do Capítulo.........................1014 Capítulo.........................1014 Equações-chave Equações-chave................................. .................................................. .......................1015 ......1015 Questões de Estudo ................................ .................................................1015 .................1015

Apêndices A Usando Logaritmos e a Equações Quadráticas .....A-2 ..... A-2 B Alguns Conceitos Físicos Importantes ..............A-6 C Abreviaturas e Fatores Fatores de Conversão Conversão Úteis .......A-9 D Constantes Físicas ............................... ............................................A-13 .............A-13 E Nomenclatura de Compostos Orgânicos.........A-16 F Valores das Energias de Ionização Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos ................................... ......................................A-19 ...A-19 G Pressão de Vapor da Água em Várias Temperaturas ................................ ...............................................A-20 ...............A-20 H Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C.............................. °C.............................................. .................A-22 .A-22 I Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C ......................... .......................................... ........................A-24 .......A-24 J Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C .................A-25 K Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa ..............................A-27 ..............................A-27 L Valores Termodinâmicos ermodi nâmicos Selecionados Selecio nados ............ ......... ...A-29 A-29 M Potenciais-padrão Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25°C ............................................. ..........................................................A-35 .............A-35

Datação com Radiocarbono ....................... ...1000

23.5 Reações Nucleares Artificiais .......................1002 .......................1002

Glossário/Índice .................................. ................................................... .............................I-1 ............I-1

O Controle de Reações Químicas

15 Princípios de Reatividade: Cinética Química

Objetivos do Capítulo 









Compreender as velocidades das reações e as condições que as afetam. Derivar a equação de velocidade, a constante de velocidade e a ordem de reação a partir de dados experimentais. Utilizar as leis de velocidade integradas. Compreender a teoria das colisões das velocidades de reação e o papel da energia de ativação. Relacionar os mecanismos e as leis de velocidade.

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

614

Cada Vez Mais e Mais Rápido Determinados alimentos, como feijão, repolho e brócolis, contêm açúcares complexos, conhecidos como oligossacarídeos. Embora esses compostos sejam transformados em açúcares simples durante o processo de digestão, algumas pessoas têm problemas em transformá-los transformá-los completamente. Essa dificuldade pode levar a uma condição conhecida educadamente como flatulência, uma vez que o material não digerido eventualmente é fermentado por organismos anaeróbicos no cólon produzindo gases como CO2, H2, CH4, e pequenas quantidades de compostos que apresentam mau cheiro.

  s   r   e    t   n    i    W  .    D   s   e    l   r   a    h    C

Alimentos difíceis de serem digeridos.  digeridos. Alimentos como feijão, repolho e brócolis são conhecidos por causarem flatulência em algumas pessoas, em razão da digestão incompleta de açúcares complexos. Contudo, uma enzima, quando inserida nesses alimentos, pode ajudar a quebrar esses açúcares complexos e evitar “problemas com gases”.

Para ajudar as pessoas que têm esse problema, foi desenvolvido um produto comercial denominado Beano. O material de propaganda do fabricante desse produto afirma que o Beano “é uma enzima alimentar obtida de fonte natural, que decompõe os açúcares complexos em alimentos que produzem gás, tornando-os tornando-os mais digestíveis”.

Como você aprenderá neste capítulo, que descreve os fatores que afetam a velocidade das reações reações químicas, enzimas são catalisadores biológicos. Seu papel é acelerar as reações químicas. Uma das enzimas no Beano, a galactosidase, galactosidase, acelera a quebra dos oligossacarídeos de determinados alimentos nos açúcares simples galactose e glucose. g lucose. Oligossacarídeo

galactosidade

H2O ————— gala galact ctos osee

glu glucose cose

A anidrase carbônica é uma das muitas enzimas que representam um importante papel em processos biológicos (página 643). O dióxido de carbono se dissolve em e m água, em uma proporção pequena, para produzir ácido carbônico, carbônico, que se ioniza em íons H + – e HCO3 . CO2 (g) — CO2 (aq) CO2 (aq)

(1)

H2O ( ) — H2CO 3 (aq)

H2CO3 (aq) — H (aq)

HCO3

(2)

(aq)

(3)

  s   r   e    t   n    i    W  .    D   s   e    l   r   a    h    C   :   s   o    t   o    F

(a )

t 

0

(b)

t 

9 seg

(c)

t 

28 seg

(d)

t 

34 seg

(e)

t 

37 seg

Figura A CO2 em água. (a) Uma (a) Uma solução fria de CO 2 em água. (b) Algumas (b) Algumas gotas de um corante (azul de bromotimol) são adicionadas à solução fria. A cor amarela do corante indica uma solução ácida. (c) Uma (c) Uma quantidade menor que a estequiométrica de hidróxido de sódio é acrescentada, convertendo H 2CO3 em HCO3– (e CO32–). (d) A (d) A cor azul do corante indica uma solução básica. (e) A cor azul começa a desaparecer, depois de alguns segundos, à medida que o CO 2 lentamente forma mais H2CO3. A quantidade de H2CO3 que se forma no final é suficiente para consumir o NaOH adicionado, e a solução novamente se torna ácida. (continua)

Capítulo 15

Princípios de Reatividade: Cinética Química

615

(continuação) continuação)

A anidrase carbônica acelera as reações (1) e (2). Muitos dos íons H + produzidos pela ionização do H2CO3 (reação 3) são capturados pela hemoglobina no sangue, à medida que a hemoglobina perde O2. Os íons HCO3– resultantes são transportados de volta para os pulmões. Quando a hemoglobina novamente capta O2, ela libera íons H +. Esses íons e o HCO3– formam novamente o H2CO3, a partir do qual o CO 2 é liberado e exalado. Um experimento simples ilustra o efeito da anidrase carbônica. Primeiro, adicione uma pequena quantidade de NaOH a uma solução fria, aquosa, de CO2 (Figura A). Imediatamente, a solução se torna básica, porque não existe H2CO3 suficiente na solução para eliminar o NaOH. Entretanto, depois de alguns segundos, o CO2 lentamente produz mais H2CO3, que consome o NaOH, e a solução novamente se torna ácida. Agora, faça o experimento mais uma vez, desta vez, acrescentando algumas gotas de sangue na solução (Figur a B). A anidrase carbônica no sangue acelera as reações 1 e 2 por um fator de cerca de 10 7, como fica evidenciado pela reação mais rápida que ocorre nessas condições. Para aprender mais sobre Beano e enzimas, veja J. R. Hardee, T. M. Montgomery e W. H. Jones:  Journal of Chemical Education, tion, v. 77, p. 498, 2000. Para uma abordagem mais detalhada da taxa de conversão do CO 2 aquoso para H2CO3 e HCO 3–, veja J. Bell: Journal Bell: Journal of Chemical Education, Education , v. 77, p. 1098, 2000.

  s   r   e    t   n    i    W  .    D   s   e    l   r   a    h    C   :   s   o    t   o    F

a)

t 

0

(b)

t 

3 seg

(c)

t 

15 seg

(d)

t 

17 seg

(e)

t 

21 seg

Figura B Ação da anidrase carbônica. (a) Algumas gotas de sangue são adicionadas a uma solução fria de CO 2 em água. (b) O reagente indica uma solução ácida. (c, d) Uma quantidade estequiométrica menor de hidróxido de sódio é acrescentada, convertendo H 2CO3 em HCO3– (e CO32–). A cor azul do reagente indica uma solução básica. (e) A cor azul começa a desaparecer, depois de alguns segundos, à medida que mais H 2CO3 se forma, e a solução novamente novamente se torna ácida. A formação do H2CO3 é mais rápida na presença de uma enzima.

PARA REVER ANTES

DE INICIAR



Reveja a estequiometria das reações (Capítulos 4 e 5).



Entenda a distribuição de energias moleculares em um gás (Figura 12.14) e em um líquido (Figura 13.14).

A

o realizar uma reação química, os químicos preocupam-se preocupam-se com dois fatores: a velocidade com que a reação se dá e a extensão em que a reação é produto-favo produto -favorecida. recida. No Capítulo 6 (vol. 1), começamos a abordar a segunda questão, e nos capítulos 16 e 19 desenvolveremos esse tópico detalhadamente. Aqui, nos voltamos para a outra parte do nosso tema, a cinética química, química, o estudo das velocidades das reações químicas.

O estudo da cinética é dividido em duas partes. A primeira delas corresponde ao nível macroscópico, macroscópico , que se refere à velocidade das reações: o que significa a velocidade da reação, como determiná-la determiná -la experimentalmente e como fatores como a temperatura e as concentrações dos reagentes influenciam a velocidade. A segunda considera as reações químicas no nível particulado particu lado.. Aqui, o interesse é no mecanismo da reação, reação, o caminho detalhado percorrido por átomos e moléculas enquanto uma reação acontece. O objetivo é reconciliar os dados do mundo macroscópico da química com a compreensão de como e por que as reações químicas ocorrem no nível particulado e, então, aplicar essa informação no controle das reações importantes.

616

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

15.1 Velocidades Velocidades das Reações Químicas O conceito de velocidade é encontrado em muitas circunstâncias não químicas. Exemplos comuns são a velocidade de um automóvel em relação à distância percorrida por unidade u nidade de tempo (por exemplo, quilômetros por hora), e a velocidade do escoamento escoamento da água de uma torneira em relação ao volume por unidade de tempo (litros por minuto). Em cada caso, uma variação é medida em um intervalo do tempo. A  velocidade de uma u ma reação química refere-se refere-se à variação na concentração de uma substância por unidade de tempo. Velocidade elocid ade da reação = variação na concentração mudança no tempo Uma maneira fácil de calcular a velocidade de um automóvel é medir a distância distância que ele percorre durante determinado intervalo de tempo. Duas medidas são feitas: a distância percorrida e o tempo decorrido. A velocidade velocidade é a distância percorrida dividida d ividida pelo ∆ ∆ tempo decorrido, ou (distância)/ (tempo). Se um automóvel percorre 3,9 km em 4,5 minutos (0,075 h), sua velocidade média é (3,9 km/0,075 h), ou 51,5 km/h. As velocidades das reações químicas são determinadas de maneira similar. É preciso medir duas quantidades, concentração e tempo. A velocidade da reação pode, então, ser descrita como a mudança na concentração de um reagente ou um produto por unidade de tempo – ou seja, se ja, ∆(concentração)/∆(tempo). Para um estudo da velocidade, a concentração concentração de uma substância que sofre a reação pode ser determinada por inúmeros métodos. Algumas vezes, as concentrações podem ser medidas diretamente, utilizando-se utilizando-se um medidor de pH. Por exemplo, as concentrações podem ser obtidas medindo-se medindo -se uma propriedade como a absorção de luz que é relacionada à concentração con centração (Figura 15.1). Durante uma reação química, as quantidades dos reagentes diminuem com o passar do tempo, e as quantidades dos produtos aumentam. É possível descrever a velocidade da reação com base no aumento da concentração de um produto ou na diminuição da concentração de um reagente, por unidade de tempo. Considere a decomposição de N 2O5 em um solvente. Essa reação ocorre de acordo com a seguinte equação: 2 N2O5

4 NO2 + O2

Seu progresso pode ser seguido de diversas maneiras, incluindo a monitoração do aumento aumento da pressão de O2. A quantidade de O2 formada (calculada a partir dos valores medidos de P , V e T ) é relacionada à quantidade de N2O5 que se decompôs: para cada 1 mol de O 2 formado, 2 mols de N 2O5 são decompostos. A concentração de N 2O5 na solução solução em determinado instante é igual à concentração inicial de N 2O5 menos a quantidade decomposta. (Se o volume da solução for conhecido, a concentração concentração pode ser determinada a partir dessa quantidade.) Os dados para uma experiência típica realizada a 30,0 °C são apresentados na forma de um gráfico da concentração de N 2O5 em função do tempo (Figura 15.2).

  s   r   e    t   n    i    W  .    D   s   e    l   r   a    h    C

(a )

( b)

(c)

Figura 15.1 Um experimento para medir a velocidade de uma reação. (a) Adicionaram-se Adicionaram-se à água algumas gotas de corante de alimentos azul e, em seguida, uma solução do alvejante. No início, a concentração do corante era aproximadamente aproximadamente 3,4 × 10–5 M, e a concentração do alvejante (NaOCl) era aproximadamente 0,034 M. (b e c) O corante se desvaneceu à medida que reagiu com o alvejante. A absorção da solução pode ser medida em vários momentos usando -se um espectrofotômetro, e esses valores podem ser usados para determinar a concentração de corante.

Capítulo 15

Princípios de Reatividade: Cinética Química

617

A velocidade dessa reação em qualquer intervalo de tempo pode ser expressa como a variação na concentração de N 2O5 dividida pela variação no tempo:    

variação em [N2O5]

Velocidade da reação

∆ [N

O] 2 5

muda no tempo

Lembre-se Lembre-se de que os colchetes em torno de uma fórmula indicam sua concentração em mols por litro (Seção 5.8, Capítulo 5, vol. 1).

∆t

O sinal negativo é necessário porque a concentração de N2O5 diminui com o tempo, e a velocidade é expressa sempre como uma quantidade positiva. A velocidade poderia também ser expressa nos termos da velocidade da formação de NO 2 ou a velocidade da formação de O2. Velocidades Velocidades assim expressas terão sinal positivo, porque a concentração está aumentando. Além disso, a velocidade de formafor mação de NO2 é duas vezes a velocidade de decomposição de N2O5, porque a equação química balanceada balanceada mostra que 2 mols de NO2 são formados quando 1 mol de N 2O5 se decompõe. A velocidade de formação de O2 é metade da velocidade de decomposição de N2O5, porque 1 mol de O 2 é formado por 2 mols de N2O5 decompostos. Por exemplo, a velocidade de desaparecimento de N2O5 entre 40 minutos e 55 minutos (Figura 15.2) é dada por:  [N2O5]

(1,10 mol/ L )

(1,22 mol/ L )

55 min

 t 

0,0080

  

0,12 mol/ L

40 min

Lembre-se Lembre-se de que, quando calculamos uma mudança em uma quantidade, sempre sem pre o fazemos subtraindo a quantidade inicial da quantidade final: ∆X = X final – X inicial. Então, ∆X será negativo para o desaparecimento de um reagente.

15 min

mol N2O5 consumidos min

L

A expressão da velocidade quanto a velocidade de aparecimento de NO 2 leva a uma velocidade que é duas vezes a velocidade de desaparecimento de N2O5:  [NO

]

2

Velocidade

 t 

 

0,016

0,0080 mo l N2O5 consumidos

2 mol N2O5 consumidos

L min mol NO2 f ormados L

4 mol NO2 f ormados

min

Quanto a velocidade em que o O2 é formado, a velocidade da reação é: Velocidade  

∆ [O

]

2

∆ t 

0,0040

0,0080 mol N2O5 consumidos

1 mol O2 formados 2 mol N2O5 consumidos

L mi n mol O2 formados

      Observe que as unidades usadas para descrever velocidades de reação são mol/L  tempo. 

L min

1,40 1,30

Média de velocidade do período de 15 min mol  0,12 mol/L velocidade 0,0080 da reação L min 15 min

diminuição em 15 min [N2O5] de 1,22 a 1,10

1,20 1,10

Velocidade instantânea quando [N2O5]

1,00

Velocidade Instantânea

0,90

   L    /    l 0,80   o   m  ,    ] 0,70    5    O    2 0,60    N    [

0,50

0,20 0

t 

0,22 mol/L 0,42 mol/L (6,3 h 4,0 h) (60 min/h) mol   0,0014 L min

Velocidade no período 0,42

0,40 0,30

[N2O5]

0

6,5 a 9,0 h

Velocidade da mol   0,00080 reação L min

[N2O5] 0,22

0,34 M

t 

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0 6,0 Tempo (t ), ), horas

7,0

8,0

9,0

10

11

Figura 15.2 Gráfico da concentração de reagente em função do tempo para a decomposição do N 2O5. A velocidade média para um intervalo de 15 min de 40 min a 55 min é 0,0080 mol/L   min. A velocidade instantânea calculada quando [N2O5] = 0,34 M é 0,0014 mol/L  min. 



Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

618

      1 2

[N2O5]  t 

1 4

 [NO2]

 [O2]

 t 

 t 

para a reação 2 N 2O5 4 NO2  + O2. Para igualar as velocidades de desaparecimento desaparecimento ou aparecimento, dividimos ∆[reagente]/∆t  pelo   pelo coeficiente estequiométrico na equação balanceada.

O gráfico concentração versus tempo na Figura 15.2 não é uma linha li nha reta, porque a velocidade da reação muda durante a reação. A concentração de N2O5 diminui rapidamente no início da reação, porém muda mais lentamente perto do final. Podemos verificar isso comparando a velocidade de desaparecimento de N2O5 calculado anteriormente (a concentração diminuiu em 0,12 mol/L em 15 min) com a velocidade da reação calculada para o intervalo de tempo de 6,5 h a 9,0 h (quando a concentração cai em 0,12 mol/L em 2,5 h):

∆ [N2O5 ]

(0,1 mol/L) l/L)

(0,22 ,22 mol/L)

0,12 mol/L

540 min 390 min mol 0,00080 L mi n

∆ t 

 

150 min

A velocidade nesse estágio mais avançado da reação é apenas um décimo do valor anterior.  velocidade média média durante o intervalo de tempo O procedimento que usamos para calcular a velocidade da reação fornece a  velocidade  velocidade instantân instantânea ea em um único ponto no tempo. A velocidade instantânea escolhido. Também Também poderíamos perguntar p erguntar qual é a velocidade é determinada desenhando-se desenhando-se uma linha tangente à curva de concentração–tempo em determinado instante instan te (Figura 15.2) e obtendo a velocidade a partir do coeficiente angular dessa linha. Por exemplo, quando [N 2O5] = 0,34 mol/L e t = 5,0 h, a velocidade é:        A velocidade instantânea na Figura 15.2 pode ser obtida de uma análise do coeficiente angular de uma reta. Veja o Capítulo 1, vol. 1, para saber mais sobre a determinação sobre coeficiente angular de uma reta.

Velocidade quando [N2O5] é 0,34 M

∆ [N2O5]

0,20 mol/L

∆ t 

140 min

1,4

10

3

mol L mi n

Isso mostra que N2O5 é consumido, nesse momento específico do tempo ( t = 5,0 h), a       

A diferença entre a velocidade média e a velocidade instantânea tem analogia na velocidade de um automóvel. au tomóvel. Em um exemplo precedente, o carro viajou 3,9 km em 4,5 minutos, minutos, dando uma velocidade média de 51,5 km/h. Em qualquer instante no tempo, entretanto, o carro pode estar movendo -se muito mais lenta ou rapidamente. A velocidade instantânea a qualquer instante é indicada pelo velocímetro do carro. car ro.

Exemplo 15.1 Velocidades de Reação e Estequiometria   Dê as velocidades relativas ao desaparecimento dos reagentes e a formação dos produtos para a seguinte reação: 4 PH3(g)

P4(g) + 6 H 2(g)

  Nesta reação, o PH 3 desaparece e se formam P 4 e H2. Consequentemente, Consequentemente, o valor de ∆[PH3]/∆t  será  será negativo, ao passo que ∆[P4]/∆t  e  e ∆[H2] ∆/t  serão  serão positivos. Para Para igualar as velocidades, velocidades, dividimos ∆[reagente]/∆t pelo coeficiente estequiométrico da equação balanceada.   Como 4 mols de PH 3 desaparecem para cada mol de P4 formado, o valor numérico da velocidade da formação de P 4 pode somente ser um quarto da velocidade do desaparecimento de PH3. De modo semelhante, P 4 é formado a somente um sexto da velocidade com que H2 é formado: 1 4

    [PH3]       t 

 [P4 ]  t 

1 6

    [H2]     t 

Exemplo 15.2 Velocidade de uma Reação   Dados coletados sobre a concentração de corante em função do tempo (Figura 15.1) são mostrados no gráfico. Qual é a velocidade de mudança média da concentração do corante durante os primeiros 2 min? Qual é a mudança média da velocidade durante o quinto minuto (de t = 4 a t = 5)? Estime a velocidade instantânea em quatro minutos.

Capítulo 15

Princípios de Reatividade: Cinética Química

  Para encontrar a velocidade média, calcule a di ferença de concentração no início e no final de um período de tempo ( c = c final − c inicial) e divida pelo tempo decorrido. Para encontrar a velocidade instantânea em dado momento, desenhe uma reta tangente ao gráfico no tempo dado. O coeficiente angular da reta (Capítulo 1, vol. 1) é a velocidade instantânea.   A concentração do corante diminui de 3,4 × 10 −5 M, em t = 0 min, para 1,7 × 10−5 M, em t = 2,0 min. A velocidade média da reação nesse intervalo de tempo é ∆ [D y e]

(1,7

∆ t 

10 5 mo  mol/ L) (3,4 2,0 min

10 5 mol/L)

8,5

10 6 mol L min

3,50    )    L    /    l 3,00   o   m    (    ) 2,50    5    0    1    (   e    t   n   a   r   o   c   e    d   o    ã   ç   a   r    t   n   e   c   n   o    C

2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

A concentração do corante corante diminui de 0,90 × 10−5 M, em t = 4,0 min, para −5 0,60 × 10  M, em t = 5,0 min. A velocidade média da reação nesse intervalo de tempo é ∆ [D y e]

(0,60

∆ t 

10 5 mo  mol/ L) (0,90 1,0 min

10 5 mol/L)

3, 0

619

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Tempo (min)

10 6 mol L m in

Finalmente, o coeficiente angular da tangente em relação à curva, a velocidade instantânea, em quatro minutos é +3,5 × 10−6       Observe que a velocidade média da reação no intervalo 4 a 5 minutos é menos do que a metade do valor no primeiro minuto. Exercício 15.1

Velocidades de Reação e Estequiometria 0,05

Quais são as velocidades de aparecimento ou desaparecimento de cada produto e reagente na decomposição do cloreto de nitrosila, NOCl? 2 NOCl(g) Exercício 15.2

2 NO(g) + Cl2(g)

Velocidade de uma Reação

A sacarose decompõe-se decompõe-se em frutose e glicose em solução ácida. Uma curva da concentração de sacarose em função do tempo é dada ao lado. Qual é a velocidade da mudança da concentração de sacarose nas primeiras 2 horas? Qual é a velocidade da mudança nas últimas duas horas? Estime a velocidade instantânea em 4 horas.

0,04

   )    L    /    l   o   m0,03    (   o    ã   ç   a   r 0,02    t   n   e   c   n 0,01   o    C

0,00 0

2

4 6 Tempo (horas)

8

Concentração versus tempo para a de com-

posição da sacarose. Veja o Exercício Exercício 15.2.

15.2 Condições de Reação e Velocidade Para que uma reação química ocorra, as moléculas dos reagentes devem se aproximar, de modo que os átomos possam ser trocados ou rearranjados. Os átomos e as moléculas são móveis na fase gasosa ou em solução e, portanto, as reações são realizadas frequentemente usando usando-se -se uma mistura de gases ou soluções dos reagentes. Nessas Nessas circunstâncias, diversos fatores – concentrações de reagentes, temperatura e presença de catalisadores – afetam a velocidade de uma reação. Se um reagente for um sólido, a área de superfície disponível para a reação também afetará a velocidade da reação. A “reação-relógio “reação-relógio do iodo”, na Figura 15.3, ilustra o efeito da concentração e da temperatura. A mistura em reação contém peróxido de hidrogênio H 2O2, íon iodeto (I–), vitamina C (ácido ascórbico) e amido (que é um indicador da presença do iodo, I 2). Uma sequência de reações tem início com a lenta oxidação do íon iodeto para I 2, por H2O2. H2O2(aq )

2 I (aq )

2 H (aq ) —  2 H 2O( ) —

Assim que o I2 é formado na solução, a vitamina C rapidamente o reduz para I –.

I2 (aq)

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Química Geral e Reações Químicas – Volume 2

(a) Experimento inicial. A cor azul do complexo amido-iodo aparece em 51 segundos.

(b) A concentração sofre alteração. A cor azul do complexo amido-iodo aparece em 1 minuto e 33 segundos, quando as soluções são menos concentradas do que no exemplo A.

A

(c) Variação da temperatura. A cor azul do complexo amido-iodo aparece em 56 segundos, quando a solução é menos concentrada do que em A, mas está em maior temperatura.

B

C Banho quente

São misturadas soluções contendo vitamina C, H2O2, I– e amido.

  s   r   e    t   n    i    W  .    D   s   e    l   r   a    h

Concentração menor de I– do que no experimento A.

Mesmas concentrações que as do Experimento B, mas em temperatura mais elevada.

         C

Figura 15.3 A reação-relógio reação-relógio do iodo. Esta reação ilustra os efeitos da concentração e da temperatura na velocidade da reação. (Você pode realizar experimentos por conta própria, utilizando reagentes disponíveis nos supermercados. Para obter mais detalhes, consulte S. W. Wright; Wright; “The vitamin C clock reaction”, Journal of Chemical Chemical Education, vol. 79, p. 41, 2002.)

        

I 2 (aq )

C6 H 8 O6 (aq ) — C6 H 6 O6 (aq )

2 H (aq )

2 I (aq )

Cozinhar envolve reações químicas, e uma temperatura elevada resulta no preparo mais rápido dos alimentos. Em laborátorio, as misturas em reação geralmente são aquecidas, para que as reações ocorram mais rapidamente

Quando toda a vitamina C tiver sido consumida, o I 2 permanece em solução e forma um complexo azul-escuro, azul-escuro, com amido. O tempo medido representa quanto tempo leva para que a quantidade dada de vitamina C reaja. Para a primeira experiência (A), o tempo necessário é de 51 segundos. Quando a concentração do íon iodeto é menor (B), o tempo requerido para a vitamina C ser consumida é maior, 1 minuto e 33 segundos. Por fim, quando as concentrações novamente são as mesmas no experimento B, mas a mistura da reação é aquecida, a reação ocorre mais rapidamente (56 segundos).

Os catalisadores são substâncias que aceleram as reações químicas, químicas, mas que não se transformam. tr ansformam. Por exemplo, exemplo, o peróxido de hidrogênio, H2O2, decompõe-se decompõe-se em água e oxigênio, 2 H2O2(aq)

O2(g) + 2 H2O( )

mas uma solução de H2O2 pode ser armazenada por muitos meses, porque a velocidade ve locidade da reação de decomposição é extremamente lenta. A adição de um sal de manganês, de um sal que contenha iodeto, ou uma substância biológ ica chamada enzima faz com que essa reação ocorra rapidamente, conforme mostrado pelo borbulhar vigoroso, à medida que o oxigênio gasoso escapa da solução (Figura 15.4). São misturadas soluções contendo vitamina C, H2O2, I– e amido. (a) Experimento inicial. A cor azul do complexo amido-iodo amido-iodo se desenvolve em 51 segundos. (b) A concentração sofre alteração. A cor azul do complexo amido-iodo amido-iodo se desenvolve em 1 minuto e 33 segundos, quando as soluções são menos concentradas do que no exemplo A. (3) Variação Variação da temperatura. A cor azul do complexo amido-iodo amido-iodo se desenvolve em 56 segundos, quando a solução é menos concentrada do que em A, mas está sob maior temperatura. Concentração menor de I – do que no experimento A. Mesmas concentrações que as do Experimento B, mas em temperatura mais elevada. A área superficial de um reagente sólido também pode afetar a velocidade da reação. Somente as moléculas da superfície de um sólido podem entrar em contato com outros reagentes. Quanto menores as partículas de um sólido, mais moléculas são

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2 O estudo da química sempre foi considerado pelos alunos uma tarefa árdua e complexa. Levando esse fator em consideração, Química Geral e Reações Químicas foi planejado com estrutura bastante didática. O livro, conta, por exemplo, com tópicos que possibilitam introduzir, tão cedo quanto possível, os conhecimentos necessários às experiências de laboratório  feitas em cursos de química geral. Os autores tiveram como objetivos principais interdependentes, portanto, elaborar uma obra que despertasse no aluno o gosto por sua leitura e que oferecesse, com razoável nível de rigor, química e princípios químicos em formato e organização típicos de cursos universitários. Embora esta sexta edição retenha a estrutura e os objetivos globais das cinco edições anteriores, foram feitas mudanças significativas: inclusões, como a introdução de material novo sobre teoria de orbitais moleculares e o estado sólido, e de quatro entrecapítulos que descrevem usos e aplicações da química: “A Química dos Combustíveis e Fontes de Energia”, “A Química da Vida: Bioquímica”, “A Química dos Materiais Modernos” e “A Química do Meio Ambiente”. O livro está dividido em dois volumes: Volume 1 (capítulos 1 a 14 e três entrecapítulos) e Volume 2 (capítulos 15 a 23 e um entrecapítulo). Este volume destaca o controle das reações químicas através dos princípios de reatividade: equilíbrio químico, termodinâmica química e eletroquímica, além de alguns aspectos da química dos elementos representativos e de transição. Exemplos e exercícios auxiliam a fixação do conteúdo.

Aplicações

Destina-se aos cursos de química em geral, graduação em Química, Biologia, Física, Engenharias, Geologia, Oceanografia, Ciências Ambientais, Farmácia, Medicina, entre outros.

ISBN 13

978-85-221-0754-4

ISBN 10

85-221-0754-8

9 7 8 85 2 2 1 07 5 44