A experiência mostra que a decomposição homogênca de ozönio ocorre com a seguinte taxa:
(a) Qual é a ordem global da reação?
(b) Sugira um mecanismo com duas etapas para explicar essa taxa e estábeleça como você testaria esse mecanismo.
(b) Sugira um mecanismo com duas etapas para explicar essa taxa e estábeleça como você testaria esse mecanismo.
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada nesse exercício sobre a decomposição do ozônio. A gente tem uma equação que mostra como a taxa de decomposição do ozônio depende das concentrações de ozônio (
) e oxigênio (
). Vamos precisar entender um pouco sobre cinética química, especialmente como determinar a ordem de uma reação e como propor mecanismos de reação que expliquem essa taxa.
Passo 2
Primeiro, vamos resolver a parte (a): Qual é a ordem global da reação?
A taxa da reação é dada por:
A ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações dos reagentes na expressão da taxa. Então, vamos identificar os expoentes:
- Para
, o expoente é 2. - Para
, o expoente é -1.
Somando esses expoentes:
Portanto, a ordem global da reação é 1.
Passo 3
Agora, vamos para a parte (b): Sugira um mecanismo com duas etapas para explicar essa taxa e estabeleça como você testaria esse mecanismo.
Primeiro, precisamos propor um mecanismo de reação que seja consistente com a expressão da taxa fornecida. Um mecanismo em duas etapas pode ser dividido em uma etapa rápida de equilíbrio seguida por uma etapa lenta, que geralmente determina a taxa da reação.
Mecanismo Proposto:
-
Etapa 1 (Rápida, Estabelece o Equilíbrio):Aqui, o ozônio (
) reage com oxigênio ( ) para formar uma espécie intermediária ( ). -
Etapa 2 (Lenta, Determina a Taxa):A espécie intermediária (
) se decompõe para formar duas moléculas de oxigênio ( ).
Justificando o Mecanismo com a Taxa Observada:
A taxa da reação é determinada pela etapa lenta. A etapa lenta é
, mas precisamos relacionar isso com as concentrações dos reagentes. Usando o estado de equilíbrio da primeira etapa, podemos expressar
em termos de
e
.
Expressando a Concentração do Intermediário:
No equilíbrio da Etapa 1:
No equilíbrio da Etapa 1:
Então:
Substituindo na Etapa Lenta:
A taxa da Etapa 2 é:
A taxa da Etapa 2 é:
Comparando com a taxa observada:
Para que as duas expressões coincidam, precisamos ajustar os mecanismos ou reconsiderar as etapas. Uma alternativa é propor que o intermediário reaja de forma a gerar a expressão de taxa dada.
Ajustando o Mecanismo:
-
Etapa 1:(Formação de um estado excitado ou complexo)
-
Etapa 2:
Neste caso, a taxa seria proporcional a
, alinhando-se com a taxa observada.
Como Testar o Mecanismo:
Para verificar se o mecanismo proposto está correto, podemos:
-
Determinar a Expressão da Taxa do Mecanismo e Comparar com a Observada:
Certificar-se de que ao derivar a expressão da taxa a partir do mecanismo proposto, ela coincida com a taxa experimental fornecida. -
Realizar Experimentos de Ordem de Reação:
Variações nas concentrações dee e observar como isso afeta a velocidade da reação. As ordens de reação observadas devem corresponder aos expoentes na expressão da taxa. -
Identificar Intermediários:
Utilizar técnicas espectroscópicas para detectar a presença do intermediárioou quaisquer outros intermediários propostos no mecanismo.
Resposta
(a) A ordem global da reação é 1.
(b) Um mecanismo possível em duas etapas é:
-
(etapa rápida de equilíbrio) -
(etapa lenta)
Para testar esse mecanismo, podemos comparar a expressão derivada da taxa a partir do mecanismo com a taxa experimental e realizar experimentos que verifiquem as ordens de reação e a existência do intermediário
.