BIOENGENHARIA I PROF. MARCELO HENRIQUE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

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BIOENGENHARIA I

PROF. MARCELO HENRIQUE

ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Introdução à Cinética das reações

químicas

 O termo “cinética” está relacionado a “movimento” quando se pensa nele a partir de seu conceito físico. Entretanto, nas reações químicas, não há movimento, mas sim mudanças de composição do meio reacional, ao longo da reação. A Termodinâmica Química estuda os sistemas químicos de uma forma geral, tendo ou não ocorrido uma reação química. Por outro lado, a Cinética Química estuda a forma como ocorrem as reações químicas e a sua velocidade, através de um estudo quantitativo das variações de concentração com o tempo. As principais diferenças entre a TDQ e CQ (Cinética Química) são:

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químicas

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Termodinâmica Química Cinética Química

Estuda o sistema do ponto de vista macroscópico (do ponto de vista de um “Observador externo”)

Estuda o sistema do ponto de vista microscópico (do ponto de vista de um “Observador Interno”)

Estuda as condições em que uma reação é realizável (∆G – energia livre de Gibbs).

Estuda se uma reação atinge o grau máximo de avanço e permite calcular qual é esse valor.

Estuda a duração de uma reação química.

Estuda o comportamento do meio reacional ao longo do tempo. Estuda os fatores que podem vencer a Inércia Química .

Introdução à Cinética das reações

químicas

O objetivo principal da “cinética” é o estudo da velocidade das reações químicas, tendo como objetivos secundários: a) O desenvolvimento de métodos experimentais que permitam medir as velocidades das

reações, desde as mais lentas até as mais explosivas;

b) O estudo dos fatores que influenciam nas velocidades das reações;

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Velocidade da reação

 A velocidade de uma reação é definida como sendo a diminuição da concentração de um dos reagentes na unidade de tempo. As concentrações são normalmente expressas em mol por litro (mol/L) e o tempo em minutos (min) ou segundos (s). A maneira mais usual de se medir a velocidade de uma reação química é a relação entre a concentração de um dos reagentes do meio reacional e o tempo. A velocidade instantânea de uma reação é usualmente calculada a partir da evolução da Concentração ao longo do tempo.

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Velocidade da reação

 Representando a concentração do reagente A como 𝐶𝐴 e

por 𝑡 como tempo, a velocidade de uma reação química qualquer é definida como sendo:

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = −𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡

O sinal negativo quer dizer que a concentração do reagente diminui em função do tempo.

Normalmente, a velocidade de uma reação química é representada pela letra 𝑟 (que vem do inglês rate). Portanto, a forma mais comum é:

−𝑟𝐴= −𝑑𝐶_𝑑𝑡𝐴

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 A taxa de reação também pode ser apresentada de outras formas, dependendo das informações disponíveis:

𝑟𝑖=1_𝑉∙𝑑𝑁_𝑑𝑡𝑖=_{(𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜)(𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜)}𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖 𝑟_𝑖′₌ 1 𝑊∙ 𝑑𝑁_𝑖 𝑑𝑡 = 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖 (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜)(𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜) 𝑟_𝑖′′₌1 𝑆∙ 𝑑𝑁𝑖 𝑑𝑡 = 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖 (á𝑟𝑒𝑎)(𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜) 𝑟_𝑖′′′₌ 1 𝑉_𝑟∙ 𝑑𝑁𝑖 𝑑𝑡 = 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖 (𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟)(𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜) 7

Velocidade da reação

Taxa de reações −𝒓𝑨=𝒎𝒐𝒍𝒔 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒅𝒆 𝑨_𝒎𝟑_∙𝒔 𝟏𝟎−𝟒 _𝟏𝟎−𝟑 _𝟏𝟎−𝟐 _{0,1 1 10} _𝟏𝟎𝟑 _𝟏𝟎𝟒 _𝟏𝟎𝟗 _𝟏𝟎𝟏𝟎 Reatores celulares, plantas de tratamento de água industrial Homem em repouso Trabalho árduo Gases em partículas porosas de catalisador es Fornalhas de carvão Motores a jato Motores de foguete Reatores bi moleculares, em que cada colisão é considerada a cerca de 1atm e a 400ºC

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Velocidade da reação

 Exemplo: O ser humano

Um ser humano (75kg) consome cerca de 6.000kJ de alimento por dia. Considere que o alimento contenha somente glicose e que a reação global seja:

𝐶6𝐻12𝑂6+ 6𝑂2→ 6𝐶𝑂2+ 6𝐻2𝑂, −∆𝐻𝑟= 2.816𝑘𝐽

Encontre a taxa metabólica do homem ( a taxa de viver) em termos de mols consumidos de oxigênio por 𝑚3 _{da pessoa por}

segundo.

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Velocidade da reação

 Solução:

O que queremos encontrar: −𝑟𝑂2= − 1 𝑉 𝑑𝑁𝑂2 𝑑𝑡 = 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑚3_{𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎 ∙ 𝑠} (𝑖)

Pela experiência de vida e por aproximação, podemos dizer que a densidade do homem é próxima a:

𝜌 = 1.000𝑘𝑔 𝑚3

Logo, para a pessoa em questão:

𝑉𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎=

75𝑘𝑔

1.000𝑘𝑔 𝑚3= 0,075𝑚3

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 Solução:

Observe que cada mol de glicose consumida usa 6 mols de oxigênio, liberando 2.816kJ de energia. Deste modo, podemos calcular quantos mols de oxigênio necessitamos. 𝑑𝑁𝑂2 𝑑𝑡 = 6.000𝑘𝐽 𝑑𝑖𝑎 2.816𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑠𝑒 6 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑠𝑒 = 12,8 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑂2 𝑑𝑖𝑎 Substituindo na Eq. (i):

−𝑟𝑂2= 1 0,075𝑚3∙ 12,8 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑂2𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑎 ∙ 1 𝑑𝑖𝑎 24 × 3.600𝑠 = 0,002𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂2𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑚3_{∙ 𝑠} 11

Equação da taxa de reação

 O formato mais usual para a equação da velocidade é: −𝑟𝐴=−𝑑𝐶_𝑑𝑡𝐴= 𝑘𝐶𝐴𝑛

Logo, a velocidade de uma reação é expressa em função de𝑘 e 𝐶𝑖, onde:

𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒;

𝐶𝑖= 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝐴, 𝐵, 𝐶 … 𝑛𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡

Obs.: a constante da velocidade da reação é uma função da temperatura, logo, se considerarmos uma reação a temperatura constante, o valor de k é constante.

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Equação da taxa de reação

 Para a seguinte reação, temos:

𝐴 + 𝐵 → 𝑅 + 𝑆 −𝑟𝐴=𝑑𝐶_𝑑𝑡𝐴= 𝑘𝐶𝐴𝑎𝐶𝐵𝑏

Onde:

a = ordem parcial em relação ao reagente A b = ordem parcial em relação ao reagente B a + b = ordem global da reação

k = constante de velocidade

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Equação da taxa de reação



A ordem de uma reação é definida como sendo a

soma das potências dos termos de concentração

que aparecem na equação de velocidade da

reação química. É normalmente, um número

inteiro pequeno, podendo em casos especiais,

ser zero ou fracionário. É importante ressaltar,

que a ordem de reação é uma grandeza que

normalmente é obtida a partir de dados

experimentais, em grande parte das vezes sem o

conhecimento real do mecanismo da reação.

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

As unidades da constante de velocidade de uma

reação química podem ser determinadas de uma

forma simples a partir do conhecimento da ordem

da reação, conforme mostrado a seguir:

𝑚𝑜𝑙

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

= 𝑘 ∙

𝑚𝑜𝑙

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

𝑛

𝑘 =

𝑚𝑜𝑙 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

1−𝑛

_{∙ 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜}

−1 15 −𝑟𝐴= 𝑘𝐶𝐴

Tipos de reação química

 Reações Homogêneas e Heterogêneas

Uma reação é homogênea quando todas as espécies químicas participantes estão em uma única fase.

Uma reação é heterogênea quando pelo menos uma das espécies químicas participantes se encontra em uma fase diference das demais.

Um caso específico de reações, são as catalíticas, onde a velocidade é alterada pela presença, na mistura reagente, de espécies químicas que não são reagentes e nem produtos. Estas espécies químicas são chamadas de catalisadores e são encontrados no meio reacional,

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Introdução à Cinética das reações

químicas

químicas

Introdução à Cinética das reações

químicas

Velocidade da reação

Velocidade da reação

Velocidade da reação

Velocidade da reação

Velocidade da reação

Equação da taxa de reação

Equação da taxa de reação

Equação da taxa de reação

A ordem de uma reação é definida como sendo a

soma das potências dos termos de concentração

que aparecem na equação de velocidade da

reação química. É normalmente, um número

inteiro pequeno, podendo em casos especiais,

ser zero ou fracionário. É importante ressaltar,

que a ordem de reação é uma grandeza que

normalmente é obtida a partir de dados

experimentais, em grande parte das vezes sem o

conhecimento real do mecanismo da reação.

As unidades da constante de velocidade de uma

reação química podem ser determinadas de uma

forma simples a partir do conhecimento da ordem

da reação, conforme mostrado a seguir:

𝑚𝑜𝑙

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

= 𝑘 ∙

𝑚𝑜𝑙

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

𝑘 =

𝑚𝑜𝑙 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

∙ 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

Tipos de reação química

Tipos de reação química

Reações elementares e não elementares:

𝐴 + 𝐵 → 𝑅

−𝑟

= 𝑘𝐶

𝐶

𝐻

+ 𝐵𝑟

→ 2𝐻𝐵𝑟

𝑟

=

𝑘

𝐻

𝐵𝑟

𝑘

+ 𝐻𝐵𝑟 𝐵𝑟

Tipos de reação química

Logo, para a reação química

𝐴 + 𝐵 → 𝑆

É possível que a lei da velocidade seja:

−𝑟

=

−𝑑𝐶

𝑑𝑡

= 𝑘𝐶

𝐶

ou

−𝑟

=

−𝑑𝐶

𝑑𝑡

= 𝑘𝐶

Sendo

assim,

diante

da

pergunta

“Qual

a

equação de velocidade de uma reação química

quando se conhece apenas a sua estequiometria?, a

resposta correta é: NÃO SEI !!!

_{∙ 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜}