A corrosão é um processo crítico que afeta a durabilidade e a segurança de equipamentos mecânicos. A formação de um dos componentes da ferrugem
é fundamental para entender a degradação de materiais metálicos em estruturas, componentes de máquinas e veículos. Os dados cinéticos abaixo referem-se à reação de ferro ( Fe ) com molécula de oxigênio
a 295 K . Utilize os dados da tabela para responder os questionamentos:
Experimento |
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velocidade
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1 |
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2 |
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3 |
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a) Escreva a equação balanceada que representa a reação.
b) Encontre a ordem da reação em relação ao e em relação ao Fe . Qual a lei de velocidade e a ordem global da reação?
c) Calcule o valor da constante de velocidade ( k ) a temperatura de 295 K .
d) Defina o tempo de meia vida. Encontre a equação do tempo de meia vida que represente A reação formando o óxido de Ferro - (as formas integradas estão ao final da questão.)
e) Qual tempo de meia vida considerando que a concentração inicial do 1
f) Considere que houve um aumento da temperatura da reação para 350 K . O que deve acontecer com a constante de velocidade? Explique o porquê.
g) Defina catalisador. O que deve ocorrer se for adicionado um catalisador nessa reação? Explique o porquê.
b) Encontre a ordem da reação em relação ao
c) Calcule o valor da constante de velocidade ( k ) a temperatura de 295 K .
d) Defina o tempo de meia vida. Encontre a equação do tempo de meia vida que represente A reação formando o óxido de Ferro - (as formas integradas estão ao final da questão.)
e) Qual tempo de meia vida considerando que a concentração inicial do
f) Considere que houve um aumento da temperatura da reação para 350 K . O que deve acontecer com a constante de velocidade? Explique o porquê.
g) Defina catalisador. O que deve ocorrer se for adicionado um catalisador nessa reação? Explique o porquê.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre corrosão, que é quando materiais metálicos, como o ferro, se degradam por causa de reações químicas com o ambiente, formando ferrugem (
). Temos uma tabela com dados de experimentos que mostram as concentrações de ferro (
) e oxigênio (
) e a velocidade da reação a 295 K. Vamos usar esses dados para responder às perguntas sobre a cinética dessa reação, ou seja, como a reação acontece no tempo.
Passo 2
a) Escreva a equação balanceada que representa a reação.
Primeiro, precisamos balancear a equação química da reação entre ferro e oxigênio para formar óxido de ferro (
).
A equação preliminar é:
Agora, balanceamos os átomos:
- Ferro (Fe): 2 átomos de Fe no , então precisamos de 2 Fe no lado dos reagentes.
- Oxigênio (O): 3 átomos de O no e O2 tem 2 átomos, então precisamos de 3/2 moléculas de O2. Para evitar frações, multiplicamos todos os coeficientes por 2:
Passo 3
b) Encontre a ordem da reação em relação ao
e em relação ao Fe. Qual a lei de velocidade e a ordem global da reação?
Para descobrir a ordem da reação em relação a cada reagente, usamos os dados dos experimentos. A lei de velocidade geral tem a forma:
onde
e
são as ordens em relação a Fe e
, respectivamente.
Vamos comparar os experimentos para encontrar
e
.
Encontrando a ordem em relação a Fe (
):
Comparando Experimento 1 e 2:
-
aumenta de para (triplicando). -
permanece o mesmo. - Velocidade aumenta de
para (quadruplicando).
A variação na velocidade quando Fe triplica é:
Tomando logaritmo:
Portanto,
, indicando que a reação é de primeira ordem em relação ao Fe.
Encontrando a ordem em relação a
(
):
Comparando Experimento 1 e 3:
-
permanece o mesmo. -
permanece o mesmo. - Velocidade permanece o mesmo.
Isso indica que a ordem em relação a
é zero, já que mudar
não afeta a velocidade.
Lei de velocidade:
Ordem global da reação:
A soma das ordens individuais: .
A soma das ordens individuais:
Passo 4
c) Calcule o valor da constante de velocidade (k) à temperatura de 295 K.
Usando a lei de velocidade que encontramos:
Podemos rearranjar para encontrar
:
Vamos usar o Experimento 1:
- Velocidade =
-
Passo 5
d) Defina o tempo de meia-vida. Encontre a equação do tempo de meia-vida que represente a reação formando o óxido de Ferro - (as formas integradas estão ao final da questão.)
O tempo de meia-vida é o tempo necessário para que a concentração de um reagente reduza pela metade.
Para uma reação de primeira ordem, a equação do tempo de meia-vida é:
Mas nossa reação segue a lei:
Esta é uma reação de primeira ordem em relação ao Fe, então a equação do tempo de meia-vida para primeira ordem é adequada.
Passo 6
e) Qual tempo de meia-vida considerando que a concentração inicial do
?
Usando a equação do tempo de meia-vida para primeira ordem:
Já calculamos
.
Portanto, o tempo de meia-vida é aproximadamente 17,33 segundos.
Passo 7
f) Considere que houve um aumento da temperatura da reação para 350 K. O que deve acontecer com a constante de velocidade? Explique o porquê.
Quando a temperatura de uma reação aumenta, as moléculas têm mais energia cinética. Isso leva a um aumento na frequência de colisões eficazes entre os reagentes.
Consequentemente, a constante de velocidade (
) geralmente aumenta com o aumento da temperatura. Isso acontece porque mais moléculas possuem energia suficiente para superar a barreira de ativação da reação, acelerando o processo.
Passo 8
g) Defina catalisador. O que deve ocorrer se for adicionado um catalisador nessa reação? Explique o porquê.
Um catalisador é uma substância que acelera a velocidade de uma reação química sem ser consumida no processo. Ele age diminuindo a energia de ativação necessária para a reação ocorrer.
Se adicionarmos um catalisador à reação entre Fe e
, a velocidade da reação aumentará. Isso acontece porque o catalisador fornece um caminho alternativo com menor energia de ativação, permitindo que mais moléculas reagem em menos tempo, sem alterar a própria reação ou consumir-se durante o processo.
Resposta
A reação entre ferro e oxigênio é de primeira ordem em relação ao ferro (
) e zero ordem em relação ao oxigênio (
), com a lei de velocidade sendo
e ordem global igual a 1. A constante de velocidade a 295 K é
, o tempo de meia-vida é aproximadamente 17,33 segundos. O aumento da temperatura para 350 K fará com que a constante de velocidade aumente devido ao aumento da energia cinética das moléculas. A adição de um catalisador acelerará a reação ao reduzir a energia de ativação necessária, sem ser consumido no processo.