Química Geral e Reações Químicas Vol. 2 - John Kotz, Paul Treichel, Gabriela Weaver

Tradução da 6a edição norte-americana

Vol. 2

Sumário Geral

Volume 1

Prefácio

Prefácio aos Estudantes – Uma Introdução à Química

Parte 1

As Ferramentas Básicas da Química

1 Matéria e Medição

2 Átomos e Elementos

3 Moléculas, Íons e seus Compostos

4 Equações Químicas e Estequiometria

5 Reações em Solução Aquosa

6 Princípios de Reatividade: Energia e Reações Químicas

ENTRECAPÍTULO: A Química dos Combustíveis e Fontes de Energia

Parte 2

A Estrutura dos Átomos e das Moléculas

7 Estrutura Atômica

8 Configurações Eletrônicas dos Átomos e Periodicidade Química

9 Ligações e Estrutura Molecular: Conceitos Fundamentais

10 Ligações e Estrutura Molecular: Hibridização de Orbitais e Orbitais Moleculares

11 Carbono: mais do que Apenas mais um Elemento

ENTRECAPÍTULO: A Química da Vida: Bioquímica

Parte 3

Os Estados da Matéria

12 Os Gases e suas Propriedades

13 Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos

ENTRECAPÍTULO: A Química dos Materiais Modernos

14 As Soluções e seu Comportamento

Apêndices

A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas

B. Alguns Conceitos Físicos Importantes

C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis

D. Constantes Físicas

E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos

F. Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos

G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Temperaturas

H. Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C

I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2VI

J. Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C

K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa

L. Valores Termodinâmicos Selecionados

M. Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 °C

Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, na página do livro:

N. Respostas dos Exercícios

O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas

P. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas dos Entrecapítulos

Volume 2

Parte 4

O Controle das Reações Químicas

15 Princípios de Reatividade: Cinética Química

16 Princípios de Reatividade: Equilíbrio Químico

17 Princípios de Reatividade: A Química de Ácidos e Bases

18 Princípios de Reatividade: Outros Aspectos do Equilíbrio Aquoso

19 Princípios de Reatividade: Entropia e Energia Livre

20 Princípios de Reatividade: Reações de Transferência de Elétrons

ENTRECAPÍTULO: A Química do Meio Ambiente

Parte 5

A Química dos Elementos

21 A Química dos Elementos do Grupo Principal

22 A Química dos Elementos de Transição

23 Química Nuclear

Apêndices

A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas

B. Alguns Conceitos Físicos Importantes

C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis

D. Constantes Físicas

E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos

F. Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos

G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Temperaturas

H. Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C

I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C

J. Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C

K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa

L. Valores Termodinâmicos Selecionados

M. Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 °C

Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, na página do livro:

N. Respostas dos Exercícios

O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas

P. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas dos Entrecapítulos

Sumário

Prefácio ...........................................................................................XIIIPrefácio aos Estudantes .................................................................XXIParte 4 O Controle de Reações Químicas15 Princípios de Reatividade: Cinética Química ....................... 613

Cada Vez Mais e Mais Rápido ..........................................................................614

15.1 Velocidades das Reações Químicas ......................................................616

15.2 Condições de Reação e Velocidade ......................................................619

15.3 Efeito da Concentração na Velocidade de Reação ..............................621

Equações de Velocidade ..........................................................................622

Ordem Geral da Reação .........................................................................622

Constante de Velocidade, k ....................................................................623

Determinando uma Equação de Velocidade .........................................624

15.4 Relações Concentração-Tempo: Leis de Velocidade Integradas ........ 626

Reações de Primeira Ordem ...................................................................627

Reações de Segunda Ordem ...................................................................629

Reações de Ordem Zero ..........................................................................630

Métodos Gráficos de Determinação da Ordem da Reação e a Constante de Velocidade ....................................................................630

Meia-vida e Reações de Primeira Ordem ...............................................632

15.5 Uma Visão Microscópica das Velocidades de Reação ......................... 635

Concentração, Velocidade de Reação e Teoria das Colisões ..................635

Temperatura, Velocidade de Reação e Energia de Ativação ..................636

Efeito da Orientação Molecular na Velocidade de Reação ...................637

A Equação de Arrhenius ..........................................................................638

Um Exame Mais Detalhado: Diagramas de Coordenadas de Reação ......638

Efeito de Catalisadores sobre a Velocidade de Reação ...........................641

Um Exame Mais Detalhado: Enzimas, os Catalisadores da Natureza .....643

15.6 Mecanismos de Reação ......................................................................... 644

Molecularidade de Etapas Elementares ..................................................644

Equações de Velocidade para Etapas Elementares .................................645

Molecularidade e Ordem de Reação .......................................................645

Mecanismos de Reação e Equações de Velocidade ................................647

Revisão dos Objetivos do Capítulo...................................................... 651

Equações-chave .................................................................................... 652

Questões de Estudo .............................................................................. 653

16 Princípios de Reatividade: Equilíbrio Químico ................... 663Fertilizantes e Gás Venenoso ........................................................................... 664

16.1 A Natureza do Estado de Equilíbrio .................................................... 666

16.2 O Quociente de Reação e a Constante de Equilíbrio .......................... 668

Escrevendo Expressões da Constante de Equilíbrio ..............................669

Um Exame Mais Detalhado: Expressões da Constante de Equilíbrio para Gases — Kp e Kc ..............................................................................671

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2VIII

O Significado da Constante de Equilíbrio, K ..672

O Quociente de Reação Q ................................673

16.3 Determinação de uma Constante de Equilíbrio....675

16.4 Usando Constantes de Equilíbrio em Cálculos .....678

Cálculos em que a Solução é uma Expressão Quadrática ........................................................679

16.5 Mais sobre Equações Balanceadas e Constantes de Equilíbrio ...................................................682

16.6 Perturbando um Equilíbrio Químico ...........685

Efeito da Temperatura sobre a Composição no Equilíbrio ..........................................................685

Efeito da Adição ou Remoção de um Reagente ou Produto ........................................................687

Efeito de Variações de Volume em Equilíbrios em Fase Gasosa .................................................689

16.7 Aplicando os Conceitos de Equilíbrio Químico ...690

O Processo Haber-Bosch ..................................690

Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................691

Equações-chave ..........................................................692

Questões de Estudo ..................................................692

17 Princípios de Reatividade: A Química de Ácidos e Bases ................................................. 701

Ácidos da Natureza ....................................................702

17.1 Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio ......703

17.2 O Conceito de Brønsted -Lowry de Ácidos e Bases .............................................................704

Pares Ácido -Base Conjugados ..........................706

17.3 Água e a Escala de pH .....................................707

Autoionização da Água e a Constante de Ioniza-ção da Água, K

w .................................................707

A Escala de pH ..................................................709

Determinando e Calculando o pH ..................709

17.4 Constantes de Equilíbrio de Ácidos e Bases..710

Soluções Aquosas de Sais .................................714

Uma Escala Logarítmica de Força Relativa de Ácidos, pK

a ........................................................716

Relacionando as Constantes de Ionização de um Ácido e sua Base Conjugada ............................716

17.5 Constantes de Equilíbrio e Reações Ácido -Base ......................................................717

Prevendo a Direção de Reações Ácido -Base ....717

17.6 Tipos de Reação Ácido -Base ..........................719

Reação de um Ácido Forte com uma Base Forte ...719

Reação de um Ácido Fraco com uma Base Forte...720

Reação de um Ácido Forte com uma Base Fraca ...720

Reação de um Ácido Fraco com uma Base Fraca ..720

17.7 Cálculos com Constantes de Equilíbrio ........721

Determinando K a Partir de Concentrações Iniciais e Valores de pH ....................................721

Qual É o pH de uma Solução de Ácido Fraco ou Base Fraca? ........................................................723

Qual É o pH da Solução Após uma Reação Ácido -Base? .......................................................727

17.8 Ácidos e Bases Polipróticos ............................728

17.9 O Conceito de Lewis de Ácidos e Bases .........730

Ácidos de Lewis Catiônicos ..............................731

Ácidos de Lewis Moleculares ...........................732

17.10 Estrutura Molecular, Ligações e Comportamento Ácido -Base.......................................................733

Por que o HF É um Ácido Fraco e o HCl É um Ácido Forte? ......................................................733

Perspectivas em Química: Bases de Lewis e Brønsted: Adrenalina e Serotonina .................734

Por que o HNO2 É um Ácido Fraco e o HNO

3

É um Ácido Forte? ............................................735

Por que os Ácidos Carboxílicos São Ácidos de Brønsted? ...........................................................736

Por que os Cátions Metálicos Hidratados São Ácidos de Brønsted? .........................................737

Por que os Ânions São Bases de Brønsted? .....738

Por que as Aminas Orgânicas São Bases de Brønsted e de Lewis? .........................................738


Equações -chave ..........................................................739

Questões de Estudo ...................................................740

18 Princípios de Reatividade: Outros Aspectos do Equilíbrio Aquoso ..................................... 745

Rosas São Vermelhas, Violetas São Azuis e Hortênsias São Vermelhas ou Azuis ............................................746

18.1 O Efeito do Íon Comum .................................747

18.2 Controlando o pH: Soluções -tampão ...........750

Expressões Gerais para Soluções -tampão .......752

Preparando Soluções -tampão ..........................754

Como uma solução-tampão mantém o pH? ..756

18.3 Titulações Ácido -Base ....................................757

Titulação de um Ácido Forte com uma Base Forte ..757

Perspectivas em Química: Os Tampões em Bioquímica.........................................................758

Titulação de um Ácido Fraco com uma Base Forte .760

Titulação de Ácidos Polipróticos Fracos .........762

Titulação de uma Base Fraca com um Ácido Forte ..763

Indicadores de pH ............................................764

18.4 Solubilidade de Sais ........................................766

Constante do Produto de Solubilidade, Kps

.....767

IXSumário

Relacionando Solubilidade e Kps

......................768

Um Exame Mais Detalhado: Cálculos de Solubilidade .......................................................770

Solubilidade e o Efeito do Íon Comum ...........772

O Efeito de Ânions Básicos na Solubilidade de Sais ................................................................774

18.5 Reações de Precipitação .................................776

Kps

e o Quociente de Reação, Q ........................776

Kps

, o Quociente de Reação e Reações de Precipitação .......................................................777

18.6 Solubilidade e Íons Complexos .....................779

18.7 Solubilidade, Separações de Íons e Análise Qualitativa ......................................................781


Equações -chave ..........................................................783


19 Princípios de Reatividade: Entropia e Energia Livre ................................................... 793

Máquinas de Moto -Contínuo ...................................794

19.1 Mudança Espontânea e Equilíbrio ................795

19.2 Calor e Espontaneidade .................................795

19.3 Dispersão de Energia e Matéria .....................797

Dispersão de Energia ........................................797

Dispersão de Matéria ........................................798

Aplicações da Dispersão de Matéria ................800

A Equação de Boltzmann para Entropia .........801

Resumo: Dispersão de Matéria e Energia ........801

19.4 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica ... 802

Um Exame Mais Detalhado: Processos Reversíveis e Irreversíveis ...................................804

Variações de Entropia em Processos Físicos e Químicos ..........................................................805

19.5 Variações de Entropia e Espontaneidade ......807

Cálculo de ΔS°sis

, a Variação de Entropia do Sistema ..807

Cálculo de ΔS°viz

, a Variação de Entropia da Vizinhança ...................................................808

Cálculo de ΔS°univ

, a Variação Total de Entropia do Sistema e da Vizinhança ..............................808

Resumo: Espontânea ou Não? .........................809

19.6 A Energia Livre de Gibbs ................................811

ΔG° e Espontaneidade ......................................811

O Que É Energia “Livre”? .................................812

Cálculo de ΔG°reação

, a Variação de Energia Livre para uma Reação ..............................................812

Energia Livre de Formação Padrão ..................813

Energia Livre e Temperatura ............................814

19.7 ΔG°, K e Favorabilidade de Produtos ................816

Energia Livre, Quociente de Reação e Constante de Equilíbrio .....................................................817

Usando a Relação entre ΔG°reação

e K .................817

19.8 Termodinâmica, o Tempo e a Vida ................819

Perspectivas em Química: A Termodinâmica e a Especulação sobre a Origem da Vida ................819


Equações -chave ..........................................................821


20 Princípios de Reatividade: Reações de Transferênciade Elétrons ............................... 827

Gases no Sangue ........................................................828

20.1 Reações de Oxirredução .................................830

Balanceamento de Equações de Oxirredução .830

20.2 Células Voltaicas Simples ...............................836

Célula Voltaica com Eletrodos Inertes .............839

Convenções em Células Eletroquímicas ..........840

20.3 Células Voltaicas de Uso Comercial...............840

Perspectivas em Química: Rãs e Baterias Voltaicas ...................................................... 841

Baterias Primárias: Pilhas Secas e Baterias de Mercúrio ......................................................842

Baterias Secundárias ou Recarregáveis ............843

Células a Combustível ......................................844

Perspectivas em Química: Seu Próximo Carro? ......845

20.4 Potenciais Eletroquímicos Padrão ................846

Força Eletromotriz ...........................................847

Determinação de Potenciais Padrão ................847

Potenciais de Redução Padrão .........................849

Um Exame Mais Detalhado: FEM, Potencial de Célula e Voltagem ..............................................849

Tabelas de Potenciais de Redução Padrão .......850

Uso das Tabelas de Potenciais de Redução Padrão ..852

20.5 Células Eletroquímicas Fora das Condições Padrão ........................................................................857

A Equação de Nernst ........................................857

Perspectivas em Química: Uma Dor de Dentes Eletroquímica! ...................................................857

20.6 Eletroquímica e Termodinâmica ...................860

Trabalho e Energia Livre ..................................860

E° e a Constante de Equilíbrio .........................861

Perspectivas Históricas: Eletroquímica e Michael Faraday ............................................................863

20.7 Eletrólise: Mudança Química Utilizando Energia Elétrica...............................................864

Eletrólise de Sais Fundidos ...............................864

Eletrólise de Soluções Aquosas ........................865

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2X

20.8 Contando Elétrons .........................................868


Equações -chave ..........................................................870


ENTRECAPÍTULOA Química do Meio Ambiente ....................... 877Água, Água, por Todos os Lados .......................................878

Remoção de Partículas Suspensas da Água .......................879

Água Dura ..........................................................................881

Filtração ..............................................................................882

Desinfecção da Água .........................................................883

Ar: Ora Você o Vê, Ora Não .............................................884

Composição da Atmosfera ................................................884

Material Particulado ..........................................................885

O Índice de MP .................................................................886

Material Particulado e Visibilidade ...................................886

Poluição do Ar por Particulados .......................................887

Química Verde ....................................................................888

DDT: Diclorodifeniltricloroetano .....................................889

CFCs: Clorofluorocarbonos .............................................890

Regulamentação de Poluentes ...........................................891

A Redução de Poluentes por Meio da Química Verde .....892

Questões de Estudo .........................................................893

Parte 5 A Química dos Elementos21 A Química dos Elementos do Grupo Principal .......................................................... 895

Química Relacionada ao Enxofre e a Vida no Limite .........................................................................896

21.1 A Abundância dos Elementos ........................898

21.2 A Tabela Periódica: Um Guia dos Elementos ...898

Elétrons de Valência ..........................................898

Compostos Iônicos de Elementos do Grupo Principal ............................................................899

Compostos Moleculares de Elementos do Grupo Principal ............................................................901

21.3 Hidrogênio ......................................................903

Propriedades Físicas e Químicas do Hidrogênio .903

Um Exame Mais Detalhado: Hidrogênio, Hélio e Balões ..............................................................904

Preparação do Hidrogênio ...............................905

21.4 Os Metais Alcalinos, Grupo 1 ........................906

Preparação do Sódio e do Potássio ..................907

Propriedades do Sódio e do Potássio ...............907

Compostos Importantes de Lítio, Sódio e Potássio ...........................................................908

Um Exame Mais Detalhado: A Capacidade de Redução dos Metais Alcalinos ............................909

21.5 Os Elementos Alcalino-Terrosos: Grupo 2....911

Propriedades do Cálcio e do Magnésio ...........911

Metalurgia do Magnésio ..................................912

Minerais de Cálcio e suas Aplicações ...............912

Perspectivas em Química: Metais Alcalino- -Terrosos e Biologia ............................................913

21.6 Boro, Alumínio e Elementos do Grupo 13 ....914

A Química Geral dos Elementos do Grupo 13 ..914

Perspectivas em Química: Sobre Romanos, Calcário e Champanhe ......................................915

Os Minerais de Boro e a Produção do Elemento ....916

Alumínio Metálico e sua Produção .................916

Compostos de Boro ..........................................918

Compostos de Alumínio ..................................920

21.7 Silício e os Elementos do Grupo 14 ..............921

Silício ................................................................921

Dióxido de Silício .............................................922

Minerais de Silicato com Estruturas em Cadeia e Fita .....................................................................923

Silicatos com Estrutura Lamelar e Aluminossili-catos ...............................................................924

Polímeros de Silício ..........................................925

Perspectivas em Química: Poluição pelo Chumbo, Antiga e Nova ....................................................926

21.8 Nitrogênio, Fósforo e os Elementos do Grupo 15 ....................................................927

Propriedades do Nitrogênio e do Fósforo ......927

Compostos de Nitrogênio ................................928

Perspectivas em Química: Preparação do Fósforo ...............................................................928

Compostos Formados por Hidrogênio, Fósforo e Outros Elementos do Grupo 15 ...................932

Sulfetos e Óxidos de Fósforo ............................932

Oxiácidos de Fósforo e Seus Sais .....................933

21.9 Oxigênio e Enxofre e os Elementos do Grupo 16 .........................................................935

Preparação e Propriedades dos Elementos ......935

Compostos de Enxofre .....................................937

21.10 Os Halogênios, Grupo 17 ...............................938

Preparação dos Elementos ...............................938

Compostos de Flúor .........................................940

Compostos de Cloro .........................................941



XISumário

22 A Química dos Elementos de Transição ....949Os Metais “com Memória” ........................................950

22.1 Propriedades dos Elementos de Transição ...951

Configurações Eletrônicas ...............................952

Tendências Periódicas no Bloco d: Tamanho, Densidade, Ponto de Fusão ..............................954

Perspectivas em Química: Corrosão do Ferro ....955

22.2 Metalurgia .......................................................957

Pirometalurgia: Produção de Ferro .................957

Hidrometalurgia: Produção do Cobre .............959

22.3 Compostos de Coordenação ..........................960

Complexos e Ligantes .......................................962

Fórmulas dos Compostos de Coordenação ....963

Um Exame Mais Detalhado: Hemoglobina ......965

Nomenclatura de Compostos de Coordenação .....................................................966

22.4 Estruturas dos Compostos de Coordenação ...967

Geometrias de Coordenação Comuns ............967

Isomeria ............................................................967

22.5 Ligações em Compostos de Coordenação .....971

Os Orbitais d: Teoria do Campo Ligante ........972

Configurações Eletrônicas e Propriedades Magnéticas ........................................................973

22.6 As Cores dos Compostos de Transição ..........976

Cor .....................................................................976

A Série Espectroquímica ..................................977

Um Exame Mais Detalhado: Um Espectrofotômetro .978



23 Química Nuclear ..................................... 985Medicina Nuclear .......................................................986

23.1 Radioatividade Natural ..................................987

23.2 Reações Nucleares e Decaimento Radioativo ...988

Equações de Reações Nucleares .......................988

Séries de Decaimento Radioativo ....................989

Outros Tipos de Decaimento Radioativo ........991

23.3 Estabilidade dos Núcleos Atômicos ..............992

A Faixa de Estabilidade e o Decaimento Radioativo ...993

Energia de Ligação Nuclear ..............................995

23.4 Taxas de Decaimento Nuclear ........................997

Meia -vida ..........................................................997

Cinética do Decaimento Radioativo ................998

Datação com Radiocarbono ..........................1000

23.5 Reações Nucleares Artificiais .......................1002

Um Exame Mais Detalhado: A Busca por Novos Elementos .........................................................1003

23.6 Fissão Nuclear ...............................................1004

23.7 Fusão Nuclear ...............................................1006

23.8 Radiação: Segurança e Efeitos Sobre a Saúde ....1007

Unidades de Medida de Radiação ..................1007

Radiação: Doses e Efeitos ...............................1007

23.9 Aplicações da Química Nuclear ...................1009

Medicina Nuclear: Imagens em Medicina .....1009

Um Exame Mais Detalhado: O Que É uma Expo-sição Segura? ....................................................1009

Medicina Nuclear: Radioterapia ....................1010

Métodos Analíticos: O Uso de Isótopos Radioati-vos como Traçadores ......................................1011

Métodos Analíticos: Diluição Isotópica ........1011

Um Exame Mais Detalhado: Tecnécio -99m ....1012

Ciência Espacial: Análise das Rochas Lunares por Ativação Neutrônica ................................1013

Ciência Alimentar: A Irradiação nos Alimentos .1013

Revisão dos Objetivos do Capítulo.........................1014

Equações -chave ........................................................1015

Questões de Estudo .................................................1015

Apêndices A Usando Logaritmos e a Equações Quadráticas .....A-2

B Alguns Conceitos Físicos Importantes ..............A-6

C Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis .......A-9

D Constantes Físicas ............................................A-13

E Nomenclatura de Compostos Orgânicos .........A-16

F Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos ......................................A-19

G Pressão de Vapor da Água em Várias Temperaturas ...............................................A-20

H Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C...............................................A-22

I Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C .................................................A-24

J Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C .................A-25

K Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa ..............................A-27

L Valores Termodinâmicos Selecionados ............A-29

M Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25°C ..........................................................A-35

Glossário/Índice ...............................................................I-1

O Controle de Reações Químicas

15Princípios de Reatividade:

Cinética Química

Objetivos do Capítulo

Compreender as velocidades das reações e as condi-ções que as afetam.

Derivar a equação de velocidade, a constante de velocidade e a ordem de reação a partir de dados experimentais.

Utilizar as leis de velocidade integradas.

Compreender a teoria das colisões das velocidades de reação e o papel da energia de ativação.

Relacionar os mecanismos e as leis de velocidade.

Química Geral e Reações Químicas – Volume 2614

Cada Vez Mais e Mais RápidoDeterminados alimentos, como feijão, repolho e brócolis, contêm açúcares complexos, conhecidos como oligossacarídeos. Embora esses compostos sejam transformados em açúcares simples durante o processo de digestão, algumas pessoas têm pro-blemas em transformá -los completamente. Essa dificuldade pode levar a uma condição conhecida educadamente como flatulência, uma vez que o material não digerido eventualmente é fermentado por organismos anaeróbicos no cólon produzindo gases como CO

2, H

2, CH

4, e pequenas quantidades

de compostos que apresentam mau cheiro.

Para ajudar as pessoas que têm esse problema, foi desenvolvido um produto comercial denomina-do Beano. O material de propaganda do fabricante desse produto afirma que o Beano “é uma enzima alimentar obtida de fonte natural, que decompõe os açúcares complexos em alimentos que produ-zem gás, tornando -os mais digestíveis”.

Como você aprenderá neste capítulo, que descreve os fatores que afetam a velocidade das

rea ções químicas, enzimas são catalisadores biológicos. Seu papel é acelerar as reações químicas. Uma das enzimas no Beano, a galactosidase, acelera a quebra dos oligossacarídeos de determinados alimentos nos açúcares simples galactose e glucose.

Oligossacarídeo H2O galactose glucose—————galactosidade

A anidrase carbônica é uma das muitas enzimas que representam um importante papel em processos biológicos (página 643). O dióxido de carbono se dissolve em água, em uma proporção pequena, para produzir ácido carbônico, que se ioniza em íons H+ e HCO

3–.

CO2 (g) CO2 (1)(aq)

CO2 (aq) HH2O ( ) 2CO3 (2)(aq)

H2CO3 (aq) H (aq) HCO3 (aq) (3)

—

—

—

Figura A CO2 em água. (a) Uma solução fria de CO2 em água. (b) Algumas gotas de um corante (azul de bromotimol) são adicionadas à solução fria. A cor amarela do corante indica uma solução ácida. (c) Uma quantidade menor que a estequio-métrica de hidróxido de sódio é acrescentada, convertendo H2CO3 em HCO3

– (e CO32–). (d) A cor azul do corante indica uma

solução básica. (e) A cor azul começa a desaparecer, depois de alguns segundos, à medida que o CO2 lentamente forma mais H2CO3. A quantidade de H2CO3 que se forma no final é suficiente para consumir o NaOH adicionado, e a solução novamente se torna ácida.

(a) (b) (d) (e)(c)t 0 t 9 seg t 34 seg t 37 segt 28 seg

Foto

s: C

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inte

rs

Alimentos difíceis de serem digeridos. Alimentos como feijão, repolho e bróco-lis são conhecidos por causarem flatulência em algumas pessoas, em razão da digestão incompleta de açúcares complexos. Contudo, uma enzima, quando inserida nesses alimentos, pode ajudar a quebrar esses açúcares complexos e evitar “problemas com gases”.

Ch

arle

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ters

(continua)

Capítulo 15 Princípios de Reatividade: Cinética Química 615

A anidrase carbônica acelera as reações (1) e (2). Muitos dos íons H+ produzidos pela ionização do H2CO

3 (reação 3) são

capturados pela hemoglobina no sangue, à medida que a hemoglobina perde O2. Os íons HCO

3– resultantes são transportados de

volta para os pulmões. Quando a hemoglobina novamente capta O2, ela libera íons H+. Esses íons e o HCO

3–

formam novamente

o H2CO

3, a partir do qual o CO

2 é liberado e exalado.

Um experimento simples ilustra o efeito da anidrase carbônica. Primeiro, adicione uma pequena quantidade de NaOH a uma solução fria, aquosa, de CO

2 (Figura A). Imediatamente, a solução se torna básica, porque não existe H

2CO

3 suficiente na

solução para eliminar o NaOH. Entretanto, depois de alguns segundos, o CO2 lentamente produz mais H

2CO

3, que consome o

NaOH, e a solução novamente se torna ácida.

Agora, faça o experimento mais uma vez, desta vez, acrescentando algumas gotas de sangue na solução (Figura B). A anidra-se carbônica no sangue acelera as reações 1 e 2 por um fator de cerca de 107, como fica evidenciado pela reação mais rápida que ocorre nessas condições.

Para aprender mais sobre Beano e enzimas, veja J. R. Hardee, T. M. Montgomery e W. H. Jones: Journal of Chemical Educa-tion, v. 77, p. 498, 2000. Para uma abordagem mais detalhada da taxa de conversão do CO

2 aquoso para H

2CO

3 e HCO

3–, veja

J. Bell: Journal of Chemical Education, v. 77, p. 1098, 2000.

Figura B Ação da anidrase carbônica. (a) Algumas gotas de sangue são adicionadas a uma solução fria de CO2 em água. (b) O reagente indica uma solução ácida. (c, d) Uma quantidade estequiométrica menor de hidróxido de sódio é acrescentada, convertendo H2CO3 em HCO3

– (e CO32–). A cor azul do reagente indica uma solução básica. (e) A cor azul

começa a desaparecer, depois de alguns segundos, à medida que mais H2CO3 se forma, e a solução novamente se torna ácida. A formação do H2CO3 é mais rápida na presença de uma enzima.

(a) t 0 t 3 seg t 15 seg t 17 seg t 21 seg(b) (c) (d) (e)

Foto

s: C

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D. W

inte

rsPARA REVER ANTES DE INICIAR

Reveja a estequiometria das reações (Capítulos 4 e 5).

Entenda a distribuição de energias moleculares em um gás (Figura 12.14) e em um líquido (Figura 13.14).

Ao realizar uma reação química, os químicos preocupam -se com dois fatores: a velocidade com que a reação se dá e a extensão em que a reação é produto -favo recida. No Capítulo 6 (vol. 1), começamos a abordar a segunda questão, e nos capítulos 16

e 19 desenvolveremos esse tópico detalhadamente. Aqui, nos voltamos para a outra parte do nosso tema, a cinética química, o estudo das velocidades das reações químicas.

O estudo da cinética é dividido em duas partes. A primeira delas corresponde ao nível macroscópico, que se refere à velocidade das reações: o que significa a velocidade da reação, como determiná -la experimentalmente e como fatores como a temperatura e as concentrações dos reagentes influenciam a velocidade. A segunda considera as reações químicas no nível particu lado. Aqui, o interesse é no mecanismo da reação, o caminho detalhado percorrido por átomos e moléculas enquanto uma reação acontece. O objetivo é reconciliar os dados do mundo macroscópico da química com a compreensão de como e por que as reações químicas ocorrem no nível particulado e, então, aplicar essa informação no controle das rea-ções importantes.

(continuação)


15.1 Velocidades das Reações QuímicasO conceito de velocidade é encontrado em muitas circunstâncias não químicas. Exemplos comuns são a velocidade de um auto-móvel em relação à distância percorrida por unidade de tempo (por exemplo, quilômetros por hora), e a velocidade do escoa mento da água de uma torneira em relação ao volume por unidade de tempo (litros por minuto). Em cada caso, uma variação é medida em um intervalo do tempo. A velocidade de uma reação química refere -se à variação na concentração de uma substância por unidade de tempo.

Velocidade da reação = variação na concentraçãomudança no tempo

Uma maneira fácil de calcular a velocidade de um automóvel é medir a distân cia que ele percorre durante determinado intervalo de tempo. Duas medidas são feitas: a distância percorrida e o tempo decorrido. A velocidade é a distância percorrida dividida pelo tempo decorrido, ou Δ(distância)/Δ(tempo). Se um automóvel percorre 3,9 km em 4,5 minutos (0,075 h), sua velocidade média é (3,9 km/0,075 h), ou 51,5 km/h.

As velocidades das reações químicas são determinadas de maneira similar. É preciso medir duas quantidades, concentração e tempo. A velocidade da reação pode, então, ser descrita como a mudança na concentração de um reagente ou um produto por unidade de tempo – ou seja, Δ(concentração)/Δ(tempo).

Para um estudo da velocidade, a concentração de uma substância que sofre a reação pode ser determinada por inúmeros métodos. Algumas vezes, as concentrações podem ser medidas diretamente, utilizando -se um medidor de pH. Por exemplo, as concentrações podem ser obtidas medindo -se uma propriedade como a absorção de luz que é relacionada à con centração (Figura 15.1).

Durante uma reação química, as quantidades dos reagentes diminuem com o passar do tempo, e as quantidades dos pro-dutos aumentam. É possível descrever a velocidade da reação com base no aumento da concentração de um produto ou na diminuição da concentração de um reagente, por unidade de tempo. Considere a decomposição de N

2O

5 em um solvente. Essa

reação ocorre de acordo com a seguinte equação:

2 N2O

5 4 NO

2 + O

2

Seu progresso pode ser seguido de diversas maneiras, incluindo a monitoração do au mento da pressão de O2. A quantidade de

O2 formada (calculada a partir dos valores medidos de P, V e T) é relacionada à quantidade de N

2O

5 que se decompôs: para cada

1 mol de O2 formado, 2 mols de N

2O

5 são decompostos. A concentração de N

2O

5 na solu ção em determinado instante é igual à

concentração inicial de N2O

5 menos a quantidade decomposta. (Se o volume da solução for conhecido, a concentração pode ser

determinada a partir dessa quantidade.) Os dados para uma experiência típica realizada a 30,0 °C são apresentados na forma de um gráfico da concentração de N

2O

5 em função do tempo (Figura 15.2).

Figura 15.1 Um experimento para medir a velocidade de uma reação. (a) Adicionaram -se à água algumas gotas de corante de alimentos azul e, em seguida, uma solução do alvejante. No início, a concentração do corante era aproximadamente 3,4 × 10–5 M, e a concentração do alvejante (NaOCl) era aproximadamente 0,034 M. (b e c) O corante se desvaneceu à medida que reagiu com o alvejante. A absorção da solução pode ser medida em vários momentos usando -se um espectrofotômetro, e esses valores podem ser usados para determinar a concentração de corante.

(c)(a) (b)

Ch

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ters


A velocidade dessa reação em qualquer intervalo de tempo pode ser expressa como a variação na concentração de N2O

5

dividida pela variação no tempo:

Velocidade da reaçãovariação em

muda no tempo ΔΔ t

[N2O

5][N

2O

5]

O sinal negativo é necessário porque a concentração de N2O

5 diminui com o tempo, e

a velocidade é expressa sempre como uma quantidade positiva.

A velocidade poderia também ser expressa nos termos da velocidade da formação de NO2 ou a velocidade da formação de

O2. Velocidades assim expressas terão sinal positivo, porque a concentração está aumentando. Além disso, a velocidade de forma-

ção de NO2 é duas vezes a velocidade de decomposição de N

2O

5, porque a equação química ba lanceada mostra que 2 mols de NO

2

são formados quando 1 mol de N2O

5 se decompõe. A velocidade de formação de O

2 é metade da velocidade de decomposição de

N2O

5, porque 1 mol de O

2 é formado por 2 mols de N

2O

5 decompostos. Por exemplo, a velocidade de desaparecimento de N

2O

5

entre 40 minutos e 55 minutos (Figura 15.2) é dada por:

0,0080 L min

t

(1,10 mol/L ) (1,22 mol/L )

55 min 40 min

0,12 mol/L

15 min

[N2O

5]

mol N2O

5 consumidos

A expressão da velocidade quanto a velocidade de aparecimento de NO2 leva a uma velocidade que é duas vezes a velocidade de

desaparecimento de N2O

5:

0,016 L min

Velocidadet L min

[NO2] 0,0080 mol N

2O

5 consumidos 4 mol NO

2 formados

mol NO2 formados

2 mol N2O

5 consumidos

Quanto a velocidade em que o O2 é formado, a velocidade da reação é:

0,0040 L min

VelocidadeΔΔ t L min

[O2] 0,0080 mol N

2O

5 consumidos 1 mol O

2 formados

mol O2 formados

2 mol N2O

5 consumidos

Lembre -se de que os colchetes em torno de uma fórmula indicam sua concentração em mols por litro (Seção 5.8, Capítulo 5, vol. 1).

Lembre -se de que, quando calculamos uma mu-dança em uma quantidade, sem pre o fazemos subtraindo a quantidade inicial da quantidade fi-nal: ΔX = Xfinal – X inicial. Então, ΔX será negativo para o desaparecimento de um reagente.

Figura 15.2 Gráfico da concentração de reagente em função do tempo para a de-composição do N2O5. A velocidade média para um intervalo de 15 min de 40 min a 55 min é 0,0080 mol/L min. A velocida-de instantânea calculada quando [N2O5] = 0,34 M é 0,0014 mol/L min.

1,40

1,30

1,20

1,10

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,300,22

0,42

0,20

00 1,0 2,0 3,0 4,0

Tempo (t), horas

diminuição em 15 min[N2O5] de 1,22 a 1,10

[N2O

5], m

ol/L

5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 11

[N2O5]

t

0,22 mol/L 0,42 mol/L

0,0014mol

L min

(6,3 h 4,0 h) (60 min/h)tVelocidade Instantânea

Velocidade instantânea quando [N2O5] 0,34 M

[N2O5]

Média de velocidade do período de 15 minmol

L minvelocidadeda reação 0,0080

0,12 mol/L

15 min

Velocidade dareação 0,00080

mol

L min

Velocidade no período 6,5 a 9,0 h

Observe que as unidades usadas para descrever ve-locidades de reação são mol/L tempo.


O gráfico concentração versus tempo na Figura 15.2 não é uma li nha reta, porque a velocidade da reação muda durante a reação. A concentração de N

2O

5 diminui rapi-

damente no início da reação, porém muda mais lentamente perto do final. Podemos verificar isso comparando a velocidade de desaparecimento de N

2O

5 calculado ante-

riormente (a concentração diminuiu em 0,12 mol/L em 15 min) com a velocidade da reação calculada para o intervalo de tempo de 6,5 h a 9,0 h (quando a concentração cai em 0,12 mol/L em 2,5 h):

0,00080 mol

L min

Δ [N2 O5]

Δ t

(0,1 mol/L ) (0,22 mol/L )

540 min 390 min

0,12 mol/L

150 min

A velocidade nesse estágio mais avançado da reação é apenas um décimo do valor anterior.

O procedimento que usamos para calcular a velocidade da reação fornece a velocidade mé dia durante o intervalo de tempo escolhido. Também poderíamos perguntar qual é a velocidade instantânea em um único ponto no tempo. A velocidade instantânea é determinada desenhando -se uma linha tangente à curva de concentração–tempo em determinado instan te (Figura 15.2) e obtendo a velocidade a partir do coeficiente angular dessa linha. Por exemplo, quando [N

2O

5] = 0,34 mol/L e t = 5,0 h, a velocidade é:

ΔΔ t

0,20 mol/L

140 min1,4 10 3 mol

L minVelocidade quando [N

2O

5] é 0,34 M

[N2O

5]

Isso mostra que N2O

5 é consumido, nesse momento específico do tempo (t = 5,0 h), a

A diferença entre a velocidade média e a velocidade instantânea tem analogia na velocidade de um automóvel. Em um exemplo precedente, o carro viajou 3,9 km em 4,5 minu tos, dando uma velocidade média de 51,5 km/h. Em qualquer instante no tempo, entretanto, o carro pode estar movendo -se muito mais lenta ou rapidamente. A velocidade instantânea a qualquer instante é indicada pelo velocímetro do carro.

Exemplo 15.1 Velocidades de Reação e Estequiometria

Dê as velocidades relativas ao desaparecimento dos reagentes e a formação dos produtos para a seguinte reação:

4 PH3(g) P

4(g) + 6 H

2(g)

Nesta reação, o PH3 desaparece e se formam P

4 e H

2. Consequentemente, o valor de Δ[PH

3]/Δt será negativo, ao passo

que Δ[P4]/Δt e Δ[H

2] Δ/t serão positivos. Para igualar as velo cidades, dividimos Δ[reagente]/Δt pelo coeficiente estequiométrico

da equação balanceada.

Como 4 mols de PH3 desaparecem para cada mol de P

4 formado, o valor numérico da velocidade da formação de P

4

pode somente ser um quarto da velocidade do desaparecimento de PH3. De modo semelhante, P

4 é formado a somente um sexto

da velocidade com que H2 é formado:

14

[PH3]

t

[P4 ]

t16

[H2]

t

Exemplo 15.2 Velocidade de uma Reação

Dados coletados sobre a concentração de corante em função do tempo (Figura 15.1) são mostrados no gráfico. Qual é a velocidade de mudança média da concentração do corante durante os primeiros 2 min? Qual é a mudança média da velocidade durante o quinto minuto (de t = 4 a t = 5)? Estime a velocidade instantânea em quatro minutos.

12

t

14

t t

[N2O5] [NO2] [O2]

para a reação 2 N2O5 4 NO2 + O2. Pa-ra igualar as velocidades de desapa recimento ou aparecimento, dividimos Δ[reagente]/Δt pelo coe-ficiente estequiométrico na equação balanceada.

A velocidade instantânea na Figura 15.2 pode ser obtida de uma análise do coeficiente angular de uma reta. Veja o Capítulo 1, vol. 1, para saber mais sobre a determinação sobre coeficiente angular de uma reta.


Para encontrar a velocidade média, calcule a di ferença de con-centração no início e no final de um período de tempo ( c = c

final − c

inicial) e

divida pelo tempo decorrido. Para encontrar a velocidade instantânea em dado momento, desenhe uma reta tangente ao gráfico no tempo dado. O coeficiente angular da reta (Capítulo 1, vol. 1) é a velocidade instantânea.

A concentração do corante diminui de 3,4 × 10−5 M, em t = 0 min, para 1,7 × 10−5 M, em t = 2,0 min. A velocidade média da reação nesse intervalo de tempo é

8,5 10 6 molL min

Δ [Dye]

Δt

(1,7 10 5 mol/L) (3,4 10 5 mol/L)

2,0 min

A concentração do corante diminui de 0,90 × 10−5 M, em t = 4,0 min, para 0,60 × 10−5 M, em t = 5,0 min. A velocidade média da reação nesse intervalo de tempo é

3,0 10 6 molL min

Δ [Dye]

Δt

(0,60 10 5 mol/L) (0,90 10 5 mol/L)

1,0 min

Finalmente, o coeficiente angular da tangente em relação à curva, a velocidade instantânea, em quatro minutos é +3,5 × 10−6

Observe que a velocidade média da reação no intervalo 4 a 5 minutos é menos do que a metade do valor no pri-meiro minuto.

Exercício 15.1 Velocidades de Reação e Estequiometria

Quais são as velocidades de aparecimento ou desaparecimento de cada produto e rea-gente na decomposição do cloreto de nitrosila, NOCl?

2 NOCl(g) 2 NO(g) + Cl2(g)

Exercício 15.2 Velocidade de uma Reação

A sacarose decompõe -se em frutose e glicose em solução ácida. Uma curva da concen-tração de sacarose em função do tempo é dada ao lado. Qual é a velocidade da mudança da concentração de sacarose nas primeiras 2 horas? Qual é a velocidade da mudança nas últimas duas horas? Estime a velocidade instantânea em 4 horas.

15.2 Condições de Reação e VelocidadePara que uma reação química ocorra, as moléculas dos reagentes devem se aproximar, de modo que os átomos possam ser tro-cados ou rearranjados. Os átomos e as moléculas são móveis na fase gasosa ou em solução e, portanto, as reações são realizadas frequentemente usando -se uma mistura de gases ou soluções dos reagentes. Nessas circunstâncias, diversos fatores – concentra-ções de reagentes, temperatura e presença de catalisadores – afetam a velocidade de uma reação. Se um reagente for um sólido, a área de superfície disponível para a reação também afetará a velocidade da reação.

A “reação -relógio do iodo”, na Figura 15.3, ilustra o efeito da concentração e da temperatura. A mistura em reação contém peróxido de hidrogênio H

2O

2, íon iodeto (I–), vitamina C (ácido ascórbico) e amido (que é um indicador da presença do iodo, I

2).

Uma sequência de reações tem início com a lenta oxidação do íon iodeto para I2, por H

2O

2.

H2O2 aq 2 I aq 2 H aq 2 H2O I2 aq)()()()()( ——

Assim que o I2 é formado na solução, a vitamina C rapidamente o reduz para I–.

3,50

3,00

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8

Tempo (min)

Conc

entr

ação

de

cora

nte

( 1

05 ) (

mol

/L)

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0,000 2

Tempo (horas)

Conc

entr

ação

(m

ol/L

)

4 6 8

Concentração versus tempo para a de com-posição da sacarose. Veja o Exer cício 15.2.


I2 aq C6H8O6 aq C6H6O6 aq 2 H aq 2 I aq)()()()()( —

Quando toda a vitamina C tiver sido consumida, o I2 permanece em solução e forma

um complexo azul -escuro, com amido. O tempo medido representa quanto tempo le-va para que a quantidade dada de vitamina C reaja. Para a primeira experiência (A), o tempo necessário é de 51 segundos. Quando a concentração do íon iodeto é menor (B), o tempo requerido para a vitamina C ser consumida é maior, 1 minuto e 33 segundos.

Por fim, quando as concentrações novamente são as mesmas no experimento B, mas a mistura da reação é aquecida, a reação ocorre mais rapidamente (56 segundos).

Os catalisadores são substâncias que aceleram as reações quími cas, mas que não se transformam. Por exemplo, o peróxido de hidrogênio, H

2O

2, decompõe -se em água e oxigênio,

2 H2O

2(aq) O

2(g) + 2 H

2O( )

mas uma solução de H2O

2 pode ser armazenada por muitos meses, porque a ve locidade da reação de decomposição é extrema-

mente lenta. A adição de um sal de manganês, de um sal que contenha iodeto, ou uma substância biológica chamada enzima faz com que essa reação ocorra rapidamente, conforme mostrado pelo borbulhar vigoroso, à medida que o oxigênio gasoso escapa da solução (Figura 15.4).

São misturadas soluções contendo vitamina C, H2O

2, I– e amido.

(a) Experimento inicial. A cor azul do complexo amido -iodo se desenvolve em 51 segundos.

(b) A concentração sofre alteração. A cor azul do complexo amido -iodo se desenvolve em 1 minuto e 33 segundos, quando as soluções são menos concentradas do que no exemplo A.

(3) Variação da temperatura. A cor azul do complexo amido -iodo se desenvolve em 56 segundos, quando a solução é menos concentrada do que em A, mas está sob maior temperatura.

Concentração menor de I– do que no experimento A.

Mesmas concentrações que as do Experimento B, mas em temperatura mais elevada.

A área superficial de um reagente sólido também pode afetar a velocidade da reação. Somente as moléculas da superfície de um sólido podem entrar em contato com outros reagentes. Quanto menores as partículas de um sólido, mais moléculas são

Figura 15.3 A reação -relógio do iodo. Esta reação ilustra os efeitos da concentração e da temperatura na velocidade da reação. (Você pode realizar experimentos por conta própria, utilizando reagentes disponíveis nos supermercados. Para obter mais detalhes, consulte S. W. Wright; “The vitamin C clock reaction”, Journal of Chemical Education, vol. 79, p. 41, 2002.)

São misturadassoluções contendovitamina C, H2O2, I

–

e amido.

Concentração menor de I–

do que no experimento A.

Mesmas concentraçõesque as do Experimento B,mas em temperatura maiselevada.

Banhoquente

(a) Experimento inicial.A cor azul do complexoamido-iodo apareceem 51 segundos.

(c) Variação da temperatura.A cor azul do complexo amido--iodo aparece em 56 segundos,quando a solução é menosconcentrada do que em A,mas está em maior temperatura.

(b) A concentração sofrealteração. A cor azul docomplexo amido-iodoaparece em 1 minuto e33 segundos, quando assoluções são menos concen-tradas do que no exemplo A.

B CA

Cozinhar envolve reações químicas, e uma tempe-ratura elevada resulta no preparo mais rápido dos alimentos. Em laborátorio, as misturas em reação geralmente são aquecidas, para que as reações ocorram mais rapidamente

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Química Geral e Reações Químicas Vol. 2 - John Kotz, Paul Treichel, Gabriela Weaver

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