Cinética Química

Objetivo de Aprendizagem 5.1.A: Explicar a relação entre a velocidade de uma reação química e parâmetros experimentais.

• 5.1.A.1 A cinética de uma reação química é definida como a taxa na qual uma quantidade de reagentes é convertida em produtos por unidade de tempo.
• 5.1.A.2 As taxas de variação das concentrações de reagentes e produtos são determinadas pela estequiometria na equação química balanceada.
• 5.1.A.3 A velocidade de uma reação é influenciada pelas concentrações de reagentes, temperatura, área de superfície, catalisadores e outros fatores ambientais.

Objetivo de Aprendizagem 5.2.A: Representar dados experimentais com uma expressão de lei de velocidade consistente.

• 5.2.A.1 Métodos experimentais podem ser usados para monitorar as quantidades de reagentes e/ou produtos de uma reação ao longo do tempo e para determinar a velocidade da reação.
• 5.2.A.2 A lei de velocidade expressa a velocidade de uma reação como proporcional à concentração de cada reagente elevado a uma potência.
• 5.2.A.3 A potência de cada reagente na lei de velocidade é a ordem da reação em relação a esse reagente. A soma das potências das concentrações dos reagentes na lei de velocidade é a ordem geral da reação.
• 5.2.A.4 A constante de proporcionalidade na lei de velocidade é chamada de constante de velocidade. O valor desta constante depende da temperatura e as unidades refletem a ordem geral da reação.
• 5.2.A.5 Comparar as velocidades iniciais de uma reação é um método para determinar a ordem em relação a cada reagente.

Objetivo de Aprendizagem 5.3.A: Identificar a expressão da lei de velocidade de uma reação química usando dados que mostram como as concentrações das espécies da reação mudam ao longo do tempo.

• 5.3.A.1 A ordem de uma reação pode ser inferida a partir de um gráfico de concentração de reagente versus tempo.
• 5.3.A.2 Se uma reação for de primeira ordem em relação a um reagente sendo monitorado, um gráfico do logaritmo natural (ln) da concentração do reagente em função do tempo será linear.
• 5.3.A.3 Se uma reação for de segunda ordem em relação a um reagente sendo monitorado, um gráfico do inverso da concentração desse reagente versus tempo será linear.
• 5.3.A.4 As inclinações dos dados de concentração versus tempo para reações de ordem zero, primeira e segunda ordem podem ser usadas para determinar a constante de velocidade da reação.
  • Ordem zero:
  • Equação: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Primeira ordem:
  • Equação: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Segunda ordem:
  • Equação: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
• 5.3.A.5 A vida média é um parâmetro crítico para reações de primeira ordem porque a vida média é constante e relacionada à constante de velocidade da reação pela equação:
  • Equação: $t_{1/2} = 0.693/k.$
• 5.3.A.6 Processos de decaimento radioativo fornecem uma importante ilustração da cinética de primeira ordem.

Objetivo de Aprendizagem 5.4.A: Representar uma reação elementar como uma expressão de lei de velocidade usando estequiometria.

• 5.4.A.1 A lei de velocidade de uma reação elementar pode ser inferida a partir da estequiometria das partículas que participam de uma colisão.
• 5.4.A.2 Reações elementares envolvendo a colisão simultânea de três ou mais partículas são raras.

Objetivo de Aprendizagem 5.5.A: Explicar a relação entre a velocidade de uma reação elementar e a frequência, energia e orientação das colisões de partículas.

• 5.5.A.1 Para que uma reação elementar produza produtos com sucesso, os reagentes devem colidir com sucesso para iniciar eventos de ruptura e formação de ligações.
• 5.5.A.2 Na maioria das reações, apenas uma pequena fração das colisões leva a uma reação. Colisões bem-sucedidas possuem tanto energia suficiente para superar os requisitos de energia de ativação quanto orientações que permitem que as ligações se rearranjem da maneira necessária.
• 5.5.A.3 A curva de distribuição de Maxwell-Boltzmann descreve a distribuição de energias das partículas; essa distribuição pode ser usada para obter uma estimativa qualitativa da fração de colisões com energia suficiente para levar a uma reação, e também como essa fração depende da temperatura.

Objetivo de Aprendizagem 5.6.A: Representar a energia de ativação e a variação de energia total em uma reação elementar usando um perfil energético da reação.

• 5.6.A.1 Reações elementares tipicamente envolvem a ruptura de algumas ligações e a formação de novas.
• 5.6.A.2 A coordenada de reação é o eixo ao longo do qual o conjunto complexo de movimentos envolvidos no rearranjo de reagentes para formar produtos pode ser plotado.
• 5.6.A.3 O perfil energético fornece a energia ao longo da coordenada de reação, que tipicamente proceede dos reagentes, através de um estado de transição, até os produtos. A diferença de energia entre os reagentes e o estado de transição é a energia de ativação para a reação direta.
• 5.6.A.4 A velocidade de uma reação elementar depende da temperatura porque a proporção de colisões de partículas que são energéticas o suficiente para atingir o estado de transição varia com a temperatura. A equação de Arrhenius relaciona a dependência da temperatura da velocidade de uma reação elementar à energia de ativação necessária pelas colisões moleculares para atingir o estado de transição.
  • Declaração de exclusão: Cálculos envolvendo a equação de Arrhenius não serão avaliados no AP Exam.

Objetivo de Aprendizagem 5.7.A: Identificar os componentes de um mecanismo de reação.

• 5.7.A.1 Um mecanismo de reação consiste em uma série de reações elementares, ou etapas, que ocorrem em sequência. Os componentes podem incluir reagentes, intermediários, produtos e catalisadores.
• 5.7.A.2 As etapas elementares, quando combinadas, devem alinhar-se com a equação global balanceada de uma reação química.
• 5.7.A.3 Um intermediário de reação é produzido por algumas etapas elementares e consumido por outras, de modo que está presente apenas enquanto uma reação ocorre.
• 5.7.A.4 A detecção experimental de um intermediário de reação é uma forma comum de construir evidências em favor de um mecanismo de reação sobre um mecanismo alternativo.
  • Declaração de exclusão: A coleta de dados referentes à detecção de um intermediário de reação não será avaliada no AP Exam.

Objetivo de Aprendizagem 5.8.A: Identificar a lei de velocidade para uma reação a partir de um mecanismo em que a primeira etapa é limitante da velocidade.

• 5.8.A.1 Para mecanismos de reação em que cada etapa elementar é irreversível, ou em que a primeira etapa é limitante da velocidade, a lei de velocidade da reação é definida pela molecularidade da etapa elementar mais lenta (ou seja, a etapa limitante da velocidade).
  • Declaração de exclusão: A coleta de dados referentes à detecção de um intermediário de reação não será avaliada no AP Exam.

Objetivo de Aprendizagem 5.9.A: Identificar a lei de velocidade para uma reação a partir de um mecanismo em que a primeira etapa não é limitante da velocidade.

• 5.9.A.1 Se a primeira reação elementar não é limitante da velocidade, aproximações (como pré-equilíbrio) devem ser feitas para determinar uma expressão de lei de velocidade.

Objetivo de Aprendizagem 5.10.A: Representar a energia de ativação e a mudança de energia total em uma reação multietapa com um perfil energético da reação.

• 5.10.A.1 O conhecimento da termodinâmica de cada reação elementar em um mecanismo permite a construção de um perfil energético para uma reação multietapa.

Objetivo de Aprendizagem 5.11.A: Explicar a relação entre o efeito de um catalisador em uma reação e as mudanças no mecanismo da reação.

• 5.11.A.1 Para que um catalisador aumente a velocidade de uma reação, a adição do catalisador deve aumentar o número de colisões efetivas e/ou fornecer um caminho de reação com menor energia de ativação em relação à coordenada de reação original.
• 5.11.A.2 Em um mecanismo de reação que contém um catalisador, a concentração líquida do catalisador é constante. No entanto, o catalisador será frequentemente consumido na etapa determinante da velocidade da reação, apenas para ser regenerado em uma etapa subsequente no mecanismo.
• 5.11.A.3 Alguns catalisadores aceleram uma reação ao se ligarem aos reagente(s). Os reagentes são orientados de forma mais favorável ou reagem com menor energia de ativação. Há frequentemente um novo intermediário de reação no qual o catalisador está ligado aos reagente(s). Muitas enzimas funcionam dessa maneira.
• 5.11.A.4 Alguns catalisadores envolvem ligação covalente entre o catalisador e os reagente(s). Um exemplo é a catálise ácido-base, em que um reagente ou intermediário ganha ou perde um próton. Isso introduz um novo intermediário de reação e novas reações elementares envolvendo esse intermediário.
• 5.11.A.5 Na catálise superficial, um reagente ou intermediário se liga a ou forma uma ligação covalente com a superfície. Isso introduz reações elementares envolvendo esses novos intermediários de reação ligados.