câoírulô 3
c€tárise 159
Copfrulo3
CoÍdlrse Conceifos Calalisadot é s espécìequímica que, ju tamente com as moléculasreagentes,faz com que e\tí.tsreajam cc,m uma velocidademaior A decomposiçâo do peróxidode hidro. sênio (H:Ot prodüz água (H,O) e oxisênio (O:). Em determinadas condiçôes,essa reaçãoocorrecom veÌocidadeV, EnÍetanto, sejuntâmentecom o peró xido de hidrogêniocolocarmosions ferÍosos (Fe:*), a decomposiçãoocoÍÍerá com uma velocidadeV' maior.
v'> v
NessascoÍÌdições,dizemosque a espéciequímicaFel* ê catalisadorda Íeaçãode decomposiçãodo peróxidode hidrogênio,e essaÍeâçãode decomposição na presençado cataÌisadoÍÍecebeo nome de cdlálise.
r' O int€ressepelos catalisâdores começoua existirno iníciodo séculopassado, atÍavésde cientistas famosos como Jôns Jâkob telzelir8 e wìl}relm Ostwald.
A oçõodocofolisodoÍ Os quimicos são unânimes eú aceitaÍ o fato de q\e os cataT\sadoÍes abaixam a energia de atfuação da reacão. veja: ErEgit
DoncslalisadoÍ tq - eneqia dearieaÉo tq - eneqia dearieaÉ!sencalalbador
,, lJ1Ì l: aummrâ
dininui ll
rit
Ì 160
Unidade 3
cinéiicaqüimicâ
Note queapresençado catalisadordiminui aenergiadeativaçãode E.?paÍa E.,, isto é, diminui a "montanha de energia" que as molécuÌasdevemvenceÌpâra que ocorta â rea â veìocidadeda Íeação ção. Assim, mais molécülaspodem reagir e, em conseqüência, uma analogiacom um carro que,diÍigindo sea um determinadolu Vamosestabelecer gar, dispõede dois caminhos:
'tslâlÌsado" iácil. 0 Éminho émais Mas, como agem os csíalisadorcs? é bastânt€complexoe nâo estáaindaperfeiÌâO mecanismode açãodos catalisadores menteescÌarecido. Entr€tanto,podemosdizer qu . O cataÌisadorparticipaativamentedaÍeação,sendo,no entanto,devolvìdo"intacto" no final do proc€sso. do peróxidode hidrogênio(HrOr, quesabeAnalisemos,por exemplo,a decomposiçào mos serbastanterápida na presençade íons Fe2': 2H'O, -::-
2H,O + 01
(reaçãoráPida)
Fe": cataÌisâdor Veja o qüe ocorre: .f."eldpd: O catalisadorFe':*secombinafacilmentecom o reagenteHrOr: H,O: + 2Fe':*+ 2Ii.*' 2Fe3*+ zH,O 2: etapa.O ion Fe3' formado secombinafaciÌmentecom o reagenteH:O:: 2Fe'* + H,o, - 2Fe:* + o, + 2Hr SomaÌrdoas duasetapasobtemosa equaçãodo processo: H)O) 2Fe" )lê: rH.o ,Hp:
2H -
-
2fe - 2HrO )fe' o, r2É ,HO-O
Note que o catalisador reagiu na 1! etapa e íoi regenerudoiníegtu[mente na 2! etapa. Com isso, ele lÌão apareceüna equaçãoquimica finaÌ, mas aumentoua velocidadeda reação. . O catalisador"não paÍicipa" ativamenteda reação. Analisemos,por exemplo,â reaçãode ÍbÌmaçãoda água: 2Hr(s)+ ozc) 2Hro (?) .ì
c"piuro 3 - câràh6 161 A simplesmistura de hidrogênioe oxigênio,à temperaruraambienre,píaticamentenãu produz água.Enlretanto,na presençade platina, os gasess€combinamrapidamente: 2H,(*) + O:("r----
2H1O (reaçâorápida)
Pt: catâlisâdor Nestecâso,admitese que os gas€sreagemna superfíciedo meralplatina:
H, , & ,
,
+ tlarina ' .,
As moléculasde hidrogêniose ligâm à superfïcie da platim e a Ìigaçãofica enfrâ-
As moléculasde oxigênio,colidindocom as molécuÌâsd€ hìdrogêniode ligaçãoenfraquecida,reagemmüito mais facilmente.
Termimda a reaçãocom a formâção de moléculasde ágüa, o catalisadoÍplatina deixade participardo processo.
Obs€rvâção: Sabemosqueo catalisadornão sofrealteraçàopermanentenâ suacomposiçãoquímica e na quantidade.Entretânto,pode sofÍer alteraçãoquanto à sua naturezafisica. Veja: A decomposição do clorato de potássio(KClOl) é catalisadapelo bióxido de marganès(MnO,): 2KClOr -------; 2KCl + 3O2 SeusarmosMnOrem fragmentosgmndes,verificar€mosqu€,apósaÌeaçâo,eleapareceÌá na forma de um pó baslantefino, Isso servecomo prova de que o catalisadortoma parteinÌermedìarìamente na reação,mas seÍegenerano finaÌ.
ilii;ï ExercÍclos de oprcndizogern EA30) Dado o gÌáircoabaixo, reieEnteà EaÉo
A + B - C+ D, r es p o n d a l
iíiiiriÍlllijlÍÍiÍiiliili'ijiiiiiiÍÍiriiiijillilliiiílii:ìï a) Quala eneaiaabbdida pelareação? b) Quala eneÍ8ja deatvãçãosemcaLÌisado c) Quala energadeativação con €taìisadoÌl prcvod) Quala dimìiüiçãodacneÌcia dealivâção e) Qüal a dininuiÉo da edersiaabsoridapela Ìaçao con a pÌsmça do catâlisâdor? at' do complexo I Quala dimiÍuigãoda enersia vadocoÌnâ pre$n9ãdo slaliedor?
162
unidads3 - cinéticaqulmica
o úfrco: xfir) Considere a) Quâìa ene4iade aljva9ão semeraÌisadorda E açãoA + 8+ A B ? b) Quala eDeryia dc alivaçãocoÌncâralisado! da sçãoA + B ìA l ? c) Quala eneÌsiadealivaçãocome sen câtalisâ dor da rcaÉoAB A + B? pelareação d) Quaìa enelgiaabsonida A B -A + B ? e) Qüãla eieqiì libeadapelareagâo A + Ì* A B ?
Colúlise Como você.jásabe,câtáÌiseé adenominaçãodadaà reaçãoqueocorrecom a presença de um catalisador, De âcordocom o sistemaformado pelo cataÌisadore os reagentes, a catális€pode ser homogênea or heíeroqênea. ,.: :, :: É a catáliseem que o catalisadore os rea gentesconslituemuma única fase, Exemplo:
2so,(,)+ o,G)1914 2so,c) reasenÌes -
Iso')gasoso LUrgasoso catalisador {No gasoso O sistemâformadopelamisturaSOr, Or€ NO é monofásico(uma fase:gás).
Ë a catáliseem que o catalisadore os r€agentesconstituemmais de uma fase, f,x€mplo: 250,E) +
2SOr(s)
reaqenres -
[lo,easoso LUr garoso catalisador {Pr sólido O sistemaformadopelamisturaSOr, Ore Pt é difásico(duasfases:gáse sólido).
Inibidor Inibidot ê toda espêciequimica que, juntamente com as moÌécuÌasreagentes,faz com queesLa\reajamcom uma!elocidade menor. A decomposição do peróxidode hidrogênio (H:O:) produz ágüa e oxigêüio, e zn;o, --f- ?H,o f o, ocorre, em d€t€rminadasccndições,com l . I uma velocidadev.
caprtuto s c.tá k.
Entretanto,adicionandoa espéciequi mica H'(ácido) às Ìnoléculasdo peróxido, a decomposição ocorrecom uma velocida-
163
2H:o:+ 2q,o+ o:
Nessascondições,dizemosqüe a espéciequímicaH+ é um inibidor da rcação de decomposiçãodo peróxidode hidroeênio. As soÌuçõesaquosasde peróxido de hidrogêniosão conhecidascomo água oÌigenada. Nessassoluçõescostumase adicionarum ácido (HjPOa) para inibir a decomposição do H!O,.
Alivodor oupÍomolor Athlador otrpromolorê a espéciequimicâque,iuntamenlecom o catalisadore asmoÌéculasreagentes, faz com que€stasreajamcom uma velocidadeaindamaior do queseesrjvessemsomentecom o cataÌisâdor, A sintesedo amoniaco(NHr), a partir d€ seuselementos,ocorre, em d€terminadascondições,com uma veÌocidadeV. Entrelanto,adicionandoa espócjequf mica Fe (íerro) às moÌéculasreagentes, a reação ocorÌe com uma veÌocidade V'
N, + 3n' -J-
25111,
N, + lH, -+- 2NH, Fe é ur caÌalisador.
Se, agora, adicionarmosas espécies Alror e KrO juÌrtamentecom as moléculas reagentes e o cataÌisador,a reaçãoocorrerá com uma velocidadeVr mâior que V'.
r.t,+ : u,I-3{l-l{
:un.
AlrOr e K:O sãoalivadores.
É importarte saber,no entânto,que o arivadorsema presençado calalìsadornão tem nenhumâacãosobrea velocidadeda reacão.
Veneno I/e,?eno éaespéciequimicaque,juntamenlecom o caraÌisador easÍnoléculasreagentes, laz com que estasrea.jamcom uma v€locìdademenordo que seestivessem somentecom o catalisador. Vocêviu, no jtem anterior,que a espécieFe (ferro) aluacomo catàlisadorna síni€sedo amoniaco.Adicionandoa espécieAs (arsênio)juntamentecom as moléculasreaeent€s eo catalisador,notamosqLÌea reaçãoocorrecom uma velocidademenor. Assim:
N, + 3H, -+
2NHr
Nr + 3H,
2N H 3
164
unidade3
cinércaqulmicã
Obs€rvações: l) Existemreações,chamadasde autocatólises, em que um dos produtosfuncionacomo catalisador. Um exemplotipico é a reaçãoentrecobremetáljcoe ácido njtrico: 3Cu + sHNOr *
3Cu(NO:)r + 2iNól+ aH,O
InicialmenÌe,a reaçãoé lenta;porém,aos.poucos, torna semaisrápida.chegandoa ser uma reaçáoviolenia.lsso porqueo monóxjdode nnrosênio(NO), lormado nâ reação, alua como cataÌisadordâ mesma. 2) Existemreaçõesem que um dos produtosatua como inibidorUm ex€mplotípico é a reaçàode hidróÌisedo ácidobromo propanójco: H
H,C
I C
I BÍ
H
c4 o
* ts .o olt -
H.C
I
C I OH
c (o OH
* iHa ,
Avelocidadeda reaçãodiminui com o passardo tempoporqueo bromidrero(HBr), formado na reação,atua como inibidor da mesma.
quedeslroem Reo@es cotolíticos o comodo deozônio Os CFCS gasesclorofluorocarbonetose os halôrios substânciâsde carbonoc cloro que tambémcontêmbÍomo , ao atingirem altitudessuperiorcsà da camadade ozônio (enfte 15 e 30 km, dependeÌrdo da latitude), sãodecompostos (fotolizados)pelârâdiâção uìtravioÌetâ, liberandoátomosde cloÌo,flúor Então,os átomosde cloÍo ljberâdospodempaÌticipâr em cjclos de reâçõescatalíticas quedestÌoemozônio,como,por exemplo:
cl+ or --+ clo + o: cÌo+o ,-> cl+o, resultâdolíquido: Or+O --+ 2Oz Comonesseciclo o átomode cloro inicial atacantedo ozônio é regenerado,ele pode destruircentenâsde milhaíesde molécuÌasde ozônio(um poderdestrutívelrerriveÌ).Esse ciclo do monóxidode cloro (ClO) só pode oconer em grandesaÌtitudes,ondeexisteulÌìa quantidadesuficientede átomosisoladosde oxigêniopârapeímitirque a segundareâ9ão do ciclo ocorra.AtuaÌmert€há dadossufi-
cientesmostrandoquepequenas quantidades de ozôniovêm sendodestruídas por essetipo de mecanismoem âltitudesemtomo de 40 km. Já a drâmáticadestruiçâosâzonâlde ozônioâusÍâÌ, conhecidacomo "buracode ozóniodaAntártida",ocoÌrenümaépocado âno num local onde não existem átomos isoladosde oxigênio.Nesse caso, o ciclo prcdominantede destruiçãoenvolvea regenerâçãodosátomosde cloro (Cl) p€lareâção de monóxìdo de cÌoro (ClO) consisoprópio: 2(Cl +O3 --> CIO + Or)
clo + clo --+ cl:oz ClzO:+ luz + CI+CÌOO CÌOO -+ CÌ + Oz resultadolíquidor2Or+luz --> 3O2 Mais umavez os átomosde cloro sãoÍe geÌrerados em outrasreaçõesdo ciclo, permitindo que destuam centenasde milharesde moléculas deozônio. No casodo bumcode oónio daAntáÌlida, o que suÌpreendeuos cientistâsé o modo, im-
capítuló3
prcvisto, como átomos de cloro podem ser formados em grandequantidade,quântidade que semaÌìtém inaÌterada. A causadisso sào asatipicasnuvensestratosféricas fomâdas durânte o invemo austrâI. E nâ superfìcie das partículâsdessasnuvensque ocorremr€ações (heterogêneas, portanto),que sâoa chavepara o bumcode oónio daAntáúida. As r€açõesheterogên€as convefi€m o cloreto de hidrosênio (HCl) e o relativamente inerte nitÌato de cloÍo (ClO\, pÍovenientede reâçãoentÌeo óxido de clorc e o dióxido de nitrogênio,produtodos gasesde €scâpâmento de automóveise aviões)em espéciesmais rôativas cloro moleculfi (Clt e ácidohipocloroso (HOCI), rcspectivâmente: HCÌ + CÌONO, CIr+HNOI + H2O CIONO' > HOCÌ+ HNO: O cloro molecular(Cl2)e o ácjdohipocloÌoso (HOCD são facilmentefotolizados mesmopor frâcâ radiâçãosolar pâraproduziÌ átomosde €loro quepodemcatâlisara desfirlição de ozónio. Jáo ácido nítrico (HNO' produzido por essasreaçõesh€terogêneas fica imobilìzado naspaÌ1ícuÌasdasnuvens,impedindo que a fâmília de compostosde niÍogênio rcâja com o clorc ativo paÍa voltâr a formaro nitratode cloro (ClNOt.Ao longo
do inveÌno, algunas partículas das nuvens tomâm-semaiorese acabamcaindoparaaltitüdesmenores.Esseprocessode desnitrificaçãoretiÍa o ácidonitrjco dâsvizinìânças do cÌom e permiteque estestenhamÌrm longo tempo de vida, destruindo quantidadesenormesde ozônio.Assim,em setembrc,quando o soÌ nascee acabacom a Ìongânoite polar, ludo coÌrspúapara que o cloro destÌuao ozônio. A luz solar fotolizâ as moléculasque contêmcloro e que atacamo ozônio, de acordo com o cicio âcimaexposto. O bromode haÌôniose o brometode metila destroemo ozôniosobrea AìtáÍìda. O bÌomo é bemmenosâbündante na atmosfera que o cloro, mâs é mais reativo e acabasendo por uma fraçãosignifìcativada respoÌrsáveÌ destruìçãodo ozônio. No ÁÍico, um desastreigual ao alaAnáÍpoíque âí â tida só não vinha acontecendo ocorrênciade nuvens€siÌâtosféÍicas é muito Ìara (só em invemosmuito rigorosos).EÍtretanto, isso pâreceter ocorridono início de 1995, apósum dosinvernosádicos mais fíios dos últimos trinta ânos,pois foi detectada djminujçãode até40% m concentrâção boreal de ozônio. Extraido de: Bomeu C. Rocha Filho. Revisré Auímica Nova na Escold, n! 2, nov,1995.
HRExercíclosde oprendizogern ffffiWWìffiW qunnicas f,432) Dadarasequações e âsEìaús mtreasveldidâdes, Ì€sponda àsqLreíõcs: I) 2SO, + o,--2sor III) 3c'H2--l+ C6H6
2so1+ o,Ìï?
2so,
2so:+o:ffi2so,
lcrHr ìi--:-ir. c"H" Qual; tunçãodo féro (F4?
a) Quala tuDção daplatina(Pt)? b) Quala tunçãodo alsênio(At? II) c:Hr + Hz--Ì-
c,ü4+ H,dï
crH6
c?H6
Quâla fungãodo niqüel(Ì,{i)?
caráìise 165
ID A + B--ï..-AB
A lB r ? n A B Quala rüÍÉoder}?
166
unidade3 cinética
vlÌA+B--l..-Al
v ) À + B - - l- A B
A+B\:ïAB
À + B \ : iA B À + Bí1â
A+ B#AB
AB
a) Quâla tuaçãodec? b) Quala tulgeodeD?
a) Quala lunçaodeC? b) Qüala tunçãodeDl
f,Al|3) Classifique ar catáli*semhonoeêftase heteÌogênss:
a)e* + rr-&!
er,
jsL o n,0,,"" n,o* 10,
b)A6 + r,e-!-
a3,
eì 2H rO)1" { ra
oH;",
2H ,O+ Or
c)uu,ou""I!1J zs,o+ o,
W ExercícioscomplemenlorcsffiW 1) (FEI-SP)Acombustão do gás decozìnha é uma re6çãoexotérmica,pofémsó se inicia ao recèbèrener sir externô como, porexemplo, a da chômâ de um palilo detósforo. AenêrsiaÍornecida pelo palito é
2) (UniÍãp) ConsiderãndoosráÍicoque representaodiagrama dêônersiãdeuma reâçãoquímica
l) ll) lll) lV)
X represenrâa enêrgiâdeâìivâçãosemcatalisador Yreprêsenta o abãixamentodã ênë.siã dê ãlivaçãopëlãâdiçãôdo câtã!isador A reaçãoé endotérmica. Z Íêprêsentãã vaÌiaçãodeenta pia.
EsráocoÍêtas, somãntê,as ãÍirmaçóês: d) l, lle lll,
câpnulo3 Catalrse 167
3) (UFOP-Í\,lG)Obsôrue06 dâdos rêÍerêntêsà combustãodo etanol,a 298 K,contidosno diâgrâmãábáixo
Assìnalea aherMtiva coiieta. a) b) c) d) ê)
O câlor de combusláodo etanolvale-326,6 kcãÌ. O câlor de combuíáo do etanolvãle-393 kcôlAreação libêrá423,4kcalde calor para o anbÌente Âenêrgiâ de ãtivaçãovale 36,0kcal. A6n6rgia d€Íivâção da reáçãoinvêÉa vale 36,0 kcal.
4l (UFOPMG) Obserueodiagrama e os dados abaixo a 294 K:
'Hu = -200kcal . CA --> complexoôtiv6do a) dá reáçáoa 29aK b) a^Ho energìadeâtivaçáona mêsmaÉmp6rarura.
5) (PUC MG) A poluição pelo NO2(s)é uma das causâs da d€struição da câhadâ de ozônio, Uma das reaçóesque pode ocorer no a Í poluido é â rêaçáodo dióxido dë nitrogênio com o ozônio; 2NO2ts)+O3(s)=
N2O5(s)+Oze).
Admitá que a foimação do Orlo)tem uma velocidad€médiã cônstãnteìguala 0.05 moyL,s, A massâ de O3{srconsumìdaèm I mÌn ó, em gramas: dì 96,00.
e) 48,00
6ì {FEISPì Um prêgo de ferÌo, em presençade u m idade,reâgêcom o oxigênio do ar produzindoóxido de fero (lll) hidrãtadô e libêrãndo hidrogênio,A reaçáoaconteceató consumirtodo o prego. Dos gráficos abaixo,o què melhor rêprêsântãa velocidâdê(vi dêssa Íeaçãoem lunçáo dotempo (t)é: d)
e)
168
Unid âd ê3 -ci néÌ ic aqu, m , c ã
7) (Vun€sp-SP)Explique,cienÌiÍcamente,ãsseguintesobservaçóes eÌperimentais. a ) Uma b aÍa dê Í êÍ o aquec idaem um a c ham a b r ã n d a n ã o a t t e r a m u i r o o s e u a s p e c r ov i s u a t . Contudô, se sobre osta mesma chama sê atirâ limalha de fêro, veriÍicã se que as pártícutã5oa limalhá se tornam incandescentes. b ) Aâd Ìçã ô de níquelm êt álic o,Í inam ent ediv idido a, ! m ê n Ì ã a v ë l o c i d â d ed ã r e a c ã oe n t r eC _ H . . s Hr.s,pà râpío du/ i' C- Fb, e, . a) Nunãsp-SP) ExpliqueosseguintesÍãtos€xperimentaisi a) Limalhade ÍeÍo dissolves m6is rôpidamenteemácidoc oídrico seã misturâíofsubmeridaà agitâçãc. b) AhidÍólise alcalinade acetatode etila é mais rápida a 90oCdo que à rêmperârurã ambiente, 9Ì (FEISP) Doisrê c ipient es AeBc ont êm um ã s oluç á o d ê C u S O a n am s e s m â sc o n di ç ó e sd e t e mp e r a r u ra, pressãoeconcenlrãçáo,Adicionase umá bâÍa deJero,com massah, no ÌecipiêntêA êa mesma mâssâ de limãlha de lero no recipiente B. Com Ì6lação às velocÌdâdesde reaçóes nos dois recrPientes,Podemosafirmar q ue: a) vÀ=vs, po.que asconcentraçóesdos reâgèntessão iguais. b) va>vB, porque ofeffotemiorhã diferêntê. c ) va < vB, porque em B ã superÍíciede contaÌoentre os reágentêsé mâior d) va= vB,porque a velocidadeindependeda loÍma dos feasentes. e) va>vB, porque emA a superfíciêdecontâtoentÌê os Ìêãgentesé môioL 1Ol (UniÍôrcE) Considerea reaçãoentredois €âgemêssasosos,num sÌsremâtuchado, Denrrêãsárëraçóes: l) d:miru içâ odd lFm per at u. c. ll) adiçáode uúcata isador lll) âd içá odo u ms olv ent e lV) aumento dovolumedo Íëcipientê prÔvocaaumento na ve ocidádedâ reáção,ãpenas: aì L
b ) ll.
c ) Ì ll.
d) l e l v
e) lllelv
11) (Fuvêst SP) Para remover uma manchâ de um prato dê porcelana fez se o seguinÌe: cobriL-se a mãnchacom meiocopo de ásuaÍria, adicionaram-se alg u mas gotas de vinãgre e deixou,sê por uma roite. No diá sêguintea manchãhavia clereadolevemênre. Usandoapenâságua evinasre, sugÍa duas âlteraçóesno procediÒenro,de râ modo que ô remoção dã mãnchapossa ocoÍerèm mênortêmpo. Justifiquecadâuma das âlterêçóesproposras. 12) (Vunêsp-SPlO peroxido de h id rogènio, F20r. com umente cham ãdo de ásua oxigenadâ,pode reagrr com ionr l-êm soluçãodquo\ã, segundoumã reacáoquê se pro.essaem duas elápãs: + | - - - > H2O + |O {1rê tap á,lê nrâ ) H2o, (2 retã pãróp , ida ) H2O 2+ lO - > H2O + 02+ l â) Côm basenestasetapas,pode seáÍnmáÍque a rôaçãoécêtalisãde?Justifiquesuaresposrã. b) EscrevãaêqlaçãoquímÌca balanceádádâ.êãçáoslobã queocorreenrre peróxido de hidrôgênioê íons I em solução. 13) (FuvestSP) NaHSOT+CH3COONa---> CH3COOH + NarSOa Areação representadapelaequâçãoacihã é rêãlizãdasegundodois procedimentos: ll TriÍunndo os rcagentes sólidos. llì Misturando sotuções aquosas concenttudas dÒs reasêntes. Utilizándomosma quantidadedê NáHSO.e mesmãq uãntidadede CN3COONã nessesprocedimenros, ; mêsmaÌem oe'arurâ. d Ío mãçaodo drido ácetrco: a) b) c) d) e)
é mais rápidaen llporque em soluçãoâfÍëqüência de colisóesentÍe os fëasentesé maioí é mâis rápidãêm lporque no estadosólidoa concenrraçãodos rêãsêntesémaior. por queos r e â g e n t e s s ã Ò oms e s m o ' ocoÍe em le llc om igualv eloc idade é mais rápidâem I porquê o ácido acéticoé liberadonaiorma devâpoÍ. é mâis Íápidâem llpofque oécido acéticosedissolve na água.
I