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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 6 (Química) da 2ª fase do IME 2024

Química · Química: Lei de velocidade e ordem de reação

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

FOLHA DE DADOS

Considere:

  • Constante universal dos gases ideais:
    R = 8{,}0\ \text{J.}(\text{mol.K})^{-1} = 0{,}082\ \text{atm.L.}(\text{mol.K})^{-1} = 2\ \text{cal.}(\text{mol.K})^{-1}

  • Massa específica da água = 1{,}0\ \text{g.cm}^{-3}

  • Calor latente de vaporização da água = 540\ \text{cal.g}^{-1}

  • Massa molar da sacarose = 342\ \text{g.mol}^{-1}

  • Entalpias padrão de formação:
    \Delta H_f^o(\ce{CO2(g)}) = -394\ \text{kJ.mol}^{-1} \qquad \Delta H_f^o(\ce{CO(g)}) = -111\ \text{kJ.mol}^{-1}
    \Delta H_f^o(\ce{H2O(g)}) = -242\ \text{kJ.mol}^{-1} \qquad \Delta H_f^o(\ce{C6H6(g)}) = +83\ \text{kJ.mol}^{-1}

  • \log(5) \simeq 0{,}7

  • \log(58) \simeq 1{,}8

Tabela Periódica dos Elementos Químicos:

Tabela Periódica dos Elementos Químicos com os elementos de número atômico 1 a 118 distribuídos em 7 períodos e 18 colunas, além das séries dos lantanídeos (57 a 71) e actinídeos (89 a 103) destacadas abaixo. Cada célula informa o número atômico (Z), a massa atômica, o símbolo químico e o nome do elemento.

Fonte: adaptada dos sites https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/40332 e https://www.tabelaperiodica.org/

Os principais poluentes nitrogenados do ar são o óxido nítrico e o dióxido de nitrogênio. O primeiro é produzido durante tempestades de raios e no interior de motores a combustão. Em altas temperaturas, o óxido nítrico reage com hidrogênio formando óxido nitroso, um dos gases causadores do efeito estufa, além de água. De modo a estudar a cinética desta reação a 820 °C, a taxa de formação inicial de óxido nitroso foi medida, partindo-se de misturas com diferentes pressões parciais de óxido nítrico e gás hidrogênio, conforme tabela abaixo:

Experimento Pressão parcial do gás (Pa) Taxa inicial de produção
de óxido nitroso (Pa.s-1)
Óxido nítrico Hidrogênio
1 16000 8000 12
2 8000 8000 3
3 8000 24000 9

Determine se a reação é elementar.

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Resolução comentada

a) Primeiro escrevemos a equação balanceada: 2\ \ce{NO} + \ce{H2} \to \ce{N2O} + \ce{H2O}.

Se a reação fosse elementar, a lei de velocidade seria v = k\,P_{\ce{NO}}^2\,P_{\ce{H2}}, com as ordens iguais aos coeficientes. Por isso vamos determinar as ordens pela tabela.

  1. Ordem em NO (experimentos 1 e 2, com P_{\ce{H2}} constante): a pressão de NO dobra, de 8000 para 16000 Pa, e a taxa vai de 3 para 12 Pa/s, ou seja, quadruplica. Então 2^x = 4 e x = 2.
  2. Ordem em H₂ (experimentos 2 e 3, com P_{\ce{NO}} constante): a pressão de H₂ triplica, de 8000 para 24000 Pa, e a taxa vai de 3 para 9 Pa/s, ou seja, triplica. Então 3^y = 3 e y = 1.

A lei experimental é v = k\,P_{\ce{NO}}^2\,P_{\ce{H2}}.

Para conferir, calculamos k nos três experimentos:

k=\frac{12}{(16000)^2\cdot 8000}=\frac{3}{(8000)^2\cdot 8000}=\frac{9}{(8000)^2\cdot 24000}\approx 5{,}9\times10^{-12}\ \text{Pa}^{-2}\text{s}^{-1}

O valor é o mesmo nos três casos.

As ordens (2 e 1) coincidem com os coeficientes estequiométricos dos reagentes. Logo, a lei de velocidade é compatível com uma reação elementar, e os dados não permitem descartar essa hipótese.

Essa coincidência é condição necessária, mas não suficiente, para provar que a reação é elementar. Um único evento elementar exigiria o choque simultâneo de três moléculas (2\ \ce{NO} + \ce{H2}), o que é muito improvável. Por isso, na prática, a reação costuma ocorrer em etapas.

Conclusão: a lei de velocidade v=k\,P_{\ce{NO}}^2P_{\ce{H2}} é compatível com uma reação elementar, e os dados não a descartam. Porém eles não a comprovam, e um choque trimolecular é muito improvável, de modo que a reação provavelmente se dá em etapas.

Assunto: Lei de velocidade e ordem de reação.

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Fonte: IME 2ª fase 2024 · Química. Prova oficial ↗