A experiência mostra que a decomposição homogênca de ozönio ocorre com a seguinte taxa:
-rO3=k[O3]^2[O2]^-1
(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.

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:
-rO3 = k[O3]^2[O2]^-1
A ordem de uma reação é a soma dos expoentes das concentrações dos reagentes na expressão da taxa. Então, vamos identificar os expoentes:
  • Para 2 + (-1) = 1 , 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:
  1. Etapa 1 (Rápida, Estabelece o Equilíbrio):
    O3 + O2 rightarrow O4
    Aqui, o ozônio ( O4 2,O2 ) reage com oxigênio ( K = [O4][O3][O2] ) para formar uma espécie intermediária ( [O4] = K [O3] [O2] ).
  2. Etapa 2 (Lenta, Determina a Taxa):
    Taxa = ketapa 2 [O4] = ketapa 2 K [O3] [O2]
    A espécie intermediária ( -rO3 = k[O3]^2[O2]^-1 ) se decompõe para formar duas moléculas de oxigênio ( O3 rightarrow O3^* ).
Justificando o Mecanismo com a Taxa Observada:
A taxa da reação é determinada pela etapa lenta. A etapa lenta é O3^* + O2 2,O2 , 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:
Então:
Substituindo na Etapa Lenta:
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:
  1. Etapa 1:
    (Formação de um estado excitado ou complexo)
  2. 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 de e 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 intermediário ou quaisquer outros intermediários propostos no mecanismo.

Resposta

(a) A ordem global da reação é 1.
(b) Um mecanismo possível em duas etapas é:
  1. (etapa rápida de equilíbrio)
  2. (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 .

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