CINÉTICA QUÍMICA: DECOMPOSIÇÃO DA SACAROSE1. OBJETIVO Observar a influência da concentração na velocidade da reação. 2. INTRODUÇÃO A velocidade com que as reações químicas ocorrem, justamente o objetivo da chamada Cinética Química, é questão das mais fundamentais, não apenas do ponto de vista da investigação científica dos fenômenos naturais, mas do ponto de vista prático, e constitui-se em um dos mais significativos tópicos da Química. (SOUZA & FARIAS, 2008) A cinética química ocupa-se fundamentalmente com a velocidade com que ocorrem os processos químicos, e por isso, a variável tempo ocupa um papel central. O estudo da cinética das reações químicas tem por objetivo a correlação matemática de dados experimentais, visando estabelecer hipóteses sobre os fatores determinantes da velocidade de uma reação e elucidar os mecanismos de reação envolvidos. (NETZ & ORTEGA, 2002) Não apenas muitas das reações químicas conduzidas na indústria para a produção de substancias de larga utilização no mundo moderno (como os polímeros, por exemplo), mas também as reações que ocorrem nos organismos vivos, incluindo-se o homem, são úteis (ou mesmo vitais) apenas porque ocorrem em intervalos de tempo compatíveis com os interesses econômicos ou com a própria vida. (SOUZA & FARIAS, 2008) 3. REVISÃO LITERÁRIA A cinética química trata das velocidades e dos mecanismos das reações químicas. Ao passo que a termodinâmica se preocupa em determinar a posição do equilíbrio químico pela constante de equilíbrio, a cinética tem por objetivo determinar o tempo em que as reações ocorrem, por meio da constante e da lei de velocidade. (SOUZA & FARIAS, 2008) Dentre os fatores que afetam as velocidades das reações químicas, podemos citar: A natureza dos reagentes e produtos; A concentração das espécies reagentes; ou seja. com o aumento da concentração das espécies reagentes. 2008) Catalisadores são substâncias capazes de acelerar uma reação. Seja uma reação genérica do tipo: AB A velocidade com que o reagente A desaparece é igual à velocidade com que o produto B é formado e define a velocidade da reação. maior a área de contato entre as fases. a velocidade da reação igualmente para qualquer ORTEGA. 2011) Fundamental na cinética química é a definição de velocidade de reação. e consequentemente maior a velocidade da reação. pois a velocidade de uma reação é igual às taxas de variação das concentrações vale das espécies participantes. deve-se observar a estequiomtria da reação. (SOUZA & FARIAS. Consideraremos a reação genérica: aA + bB cC + dD A velocidade da reação será: [ ] [ ] [ ] [ ] 2 . (SOUZA & FARIAS. Devido à essa relação. Exemplo: alguns produtos de limpeza contêm enzimas para facilitar na remoção de sujeiras. coeficientes estequiométricos. O numero de colisões é proporcional à concentração das espécies no meio reacional. O aumento da temperatura também aumenta a velocidade da reação. espera-se que a velocidade de reação aumente. pois fornece mais energia para que a reação ocorra. A presença de catalizadores. Portanto. enquanto que em reações heterogêneas (em mais de uma fase). em uma fase. de um modo mais complexo. Essas enzimas facilitam a quebra das moléculas de substâncias responsáveis pelas manchas nos tecidos. (UOL. 2008) As reações químicas ocorrem mediante colisões moleculares entre as espécies reagentes. A temperatura e a pressão. v (NETZ & ORTEGA. em um meio homogêneo. 2002): [ ] [ ] Porém. a área de contato entre as fases é o fator determinante da velocidade de reação: quanto mais finamente divididas forem as partículas envolvidas. espécie divididas (NETZ & pelos respectivos 2002). que é a variação na concentração de uma espécie em relação ao tempo. 2002) Observe. 2002) Se a reação ocorrer a volume constante. as reações discutidas a seguir. A concentração deve decrescer linearmente com o tempo. obtemos a equação 3. Tanto a expressão da velocidade da reação em dependência das concentrações das espécies quanto a variação das concentrações dependendo do tempo. vale a igualdade da equação 4: ( ) [ ] As diferentes leis cinéticas implicam diferentes dependências da variação da concentração em função do tempo. como indicado na 3 . pois indicam quantas moléculas participam na etapa. independente das concentrações dos reagentes. ou seja: a ordem da reação deve ser experimentalmente determinada e não pode ser meramente deduzida da equação química. via de regra. (NETZ & ORTEGA. que os coeficientes x e y não necessariamente são iguais aos coeficientes estequiométricos a e b da reação química balanceada. 2002) [ ] [ ] Onde k é a chamada constante de velocidade de reação. (NETZ & ORTEGA. isto é. sendo que a ordem global. (NETZ & ORTEGA. (NETZ & ORTEGA. ou a ordem da reação. e os índices x e y estão relacionados à forma com a qual a velocidade depende das concentrações e são chamados de ordens (parciais) de reação. serão do tipo: AB Reações de ordem zero: A cinética de ordem zero indica que a velocidade é uma constante. da concentração dos reagentes. as ordens parciais de cada reação elementar estão relacionadas aos coeficientes estequiométricos. 2002) Quando se trata de reações elementares. porém. (NETZ & ORTEGA.Utilizando a reação química acima definida. A ordem da reação é estabelecida a partir de dados experimentais. reações que ocorrem em uma etapa. Neste caso. e como visto que a velocidade da reação depende. a lei cinética é relacionada de modo direto à estequiometria. 2002) Por simplicidade. expressam a cinética do processo. é definida pela soma destes coeficientes. Este numero de moléculas participantes da etapa expressa a molecularidade da reação. considerando apenas a(s) substância(s) de cuja a concentração depende a velocidade de reação e que sofrem uma variação relativa significativa durante a reação. de forma que. a concentração varia de modo exponencial com o tempo (figura 2a). conforme a equação 9: [ ] ⁄ Reações de primeira ordem: Quando a lei cinética é de primeira ordem. podemos integrar a equação 6. a velocidade depende da concentração do reagente. quando representamos graficamente com o logaritmo da concentração contra o tempo. Partindo-se da equação 3. da mesma forma. 2002) FIGURA 1 – Reação de ordem zero. Observe que a inclinação da reta é sempre negativa (-k). é possível mostrar que. 2002) 4 . deste modo: [ ] [ ] Assim. faz com que resulte uma reta. conforme a figura 2b. (NETZ & ORTEGA. deduzir que a meia vida para reações de ordem zero segue a seguinte relação. A partir disto. Também está indicado na figura 1. o tempo de meia vida para este tipo de ordem de reação. como consequência disto. pode-se chegar que v = k. (NETZ & ORTEGA. chegando à lei de velocidade integrada (equação 8) para as reações de ordem zero: [ ] [ ] ∫ [ ] [ ] [ ] ∫ [ ] Pode-se.figura 1. aplicando os princípios de integração. temos que: [ ] [ ] [ ] ∫ ∫ [ ] [ ] [ ] [ ] determinado como: Como a inclinação da reta é m= -a. obtendo-se o tempo de meia vida: ⁄ [ ] 5 . Novamente.k. [ ] [ ] [ ] [ ] Integrando a equação 15. e (b) representação logarítmica da concentração. ⁄ ⁄ Reação de ordem n (n≠1): Uma reação é de ordem n (n≠1) quando obedece a lei de velocidade da equação 15. o valor da constante pode ser ⁄ E tempo de meia-vida definido pela equação 14.FIGURA 2 reação de primeira ordem – (a) representação linear da concentração. tem-se a equação 17: ∫ [ ] [ ] [ ] [ ] ∫ [ ] Assim. 2005) FIGURA 3 – Estrutura sacarose. porém.Poderíamos ainda neste citar. É geralmente correto que quando Ea>>RT. (BENEDICTO. as teorias de velocidade de reação mostram que Ea e A apresentam dependência com a temperatura. encontrado em todos os vegetais fotossintéticos e é obtido comercialmente pela cana-de-açúcar ou beterraba. mas que possui suporte teórico. que não poderia deixar-se de abordar. Ela mostra a dependência exponencial entre a constante de velocidade. 2008) Na equação de Arrhenius. (SOUZA & FARIAS. Porém um dos fatores muito importantes. os quais estão quase que desvinculados visando objetivos da pratica trabalhada. ou açúcar comum é um dissacarídeo de glicose e frutose. Quando ocorre uma hidrólise catalisada por um ácido. com a temperatura termodinâmica T (em kelvin). assume-se que Ea e A são constantes que não dependem da temperatura. não focaremos estes itens. k. neste presente relatório. tanto Ea quanto A são praticamente independentes da temperatura. (BENEDICTO. conforme a figura 4.3145 JK-1mol-1). Entretanto. as quais entrariam na alínea reações com cinética complexa. a energia de ativação Ea (Jmol-1) e o fator pré-exponencial. sendo o mais disseminado na natureza. são os parâmetros de Arrhenius (equações de Arrhenius). de forma mais rigorosa. além de reações reversíveis de ordem n. A sacarose. reações competitivas e consecutivas de ordem n. A (em unidades de constante de velocidade de ordem n). um mol de sacarose produz um mol de Dglicose e um mol de D-frutose. 2005) 6 . Nesta equação surge a constante geral dos gases (R =8. Esta tratase de uma equação empírica. inorgânico. 7 . 2010). Mn+2. sendo uma reação de primeira ordem. Tubos de ensaio com rolha. pois o mesmo faz com que o ácido se decomponha e libere o tóxico gás cloro. enquanto a mistura equimolar de frutose (-) mais glicose (+) têm um poder específico de rotação óptica. Cronômetro. É utilizado como agente oxidante em muitas reações químicas em laboratório e na indústria.1. 2011) O permanganato se reduz ao cátion. Em soluções neutras. formando o K2MnO4. o permanganato se reduz a MnO2. (WIKIPEDIA. 2011) Usando-se um polarímetro pode-se medir o grau de desvio da luz em função do tempo e assim acompanhar a variação da concentração das espécies envolvidas (UNIOESTE. Em soluções alcalinas.5º. Deve-se tomar cuidado ao adicionar permanganato de potássio à soluções de ácido clorídrico (principalmente soluções concentradas). 4.5 molL-1. formado pelos íons potássio (K+) e permanganato (MnO4−). se reduz a um estado de oxidação 6+. MATERIAIS E MÉTODOS 4. (UNIVERSIDADE DE COIMBRA. A glicose e a frutose são estéreo-isómeros. um precipitado marrom na qual o manganês tem um estado de oxidação 4+. (WIKIPEDIA. o qual pode ser letal. Solução KMnO4 0. A sacarose (+) tem um poder específico de rotação óptica de +66. A reação de inversão da sacarose é catalisada acidamente. incolor. O Permanganato de potássio é um composto químico de função química sal. Materiais Solução de sacarose 1. Também é utilizado como desinfetante em desodorantes.FIGURA 4 – Decomposição da sacarose em meio ácido. em soluções ácidas. 2011) de coloração esverdeada. Solução H2SO4 2 molL-1.0025 molL-1. Assim. Sacarose (mL) 12 8 4 Água destilada (mL) 0 4 8 Sol. os dados obtidos expostos no quadro 3. Sol. bem como o volume total da solução neste. o qual o relaciona com o tubo de ensaio. anotando o tempo de descoloração da solução após a adição de KMnO4.44E-02 7. primeiramente foi calculado a concentração da sacarose reagida. Tubo de Ensaio 1 2 3 Volume total (mL) 14 14 14 n Sacarose (mol) 2. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após a adição do agente oxidante (permanganato de potássio) ao sistema contendo a sacarose. Quadro 3 – Concentração da sacarose instante após a adição do permanganato de potássio.2. o tempo de descoloração da solução fora anotado.514 8 . Para tanto. Quadro 1 – Quantidades respectivas de reagentes adicionadas a cada tubo de ensaio Tubo de Ensaio 1 2 3 . e disposto no quadro 2. instantes após a adição do KMnO 4 à solução reagente.20E-03 [ Sacarose ] (mol/L) 1. Quadro 2 – tempo de descoramento da solução inicial. Tubo de Ensaio 1 2 3 Para uma análise mais Tempo de descoramento (s) 84 104 849 profunda. fora observado o numero de mols de sacarose adicionado à cada tubo de ensaio. fora colocado as quantidades descritas no quadro 1 na ordem correta. Ácido Sulfúrico (mL) 2 2 2 5.4.16E-02 1.029 0.543 1. Métodos Em cada tubo de ensaio. pode ocorrer a precipitação do permanganato em dióxido de manganês. CONCLUSÃO Segundo a Universidade de Coimbra. Observando os valores expostos no gráfico 1. pode-se notar um decréscimo acentuado (exponencial) do tempo de decomposição da sacarose em função de sua concentração.000 Tubo de ensaio 1 Tubo de ensaio 2 0. 9 . a partir dos dados obtidos no quadro 2. a lei cinética que rege a reação descrita no experimento é uma reação de ordem 1.Assim. um sólido marrom – conforme visto na revisão literária). ou seja. de modo que possa haver uma comparação direta entre os resultados obtidos. 6. e a água adicionada no inicio do experimento a cada tubo de ensaio. somente a concentração da sacarose está influenciando o tempo de descoramento. Assim.200 1. a qual é muito lenta à pH próximo da neutralidade (sendo que utilizando um pH de 7. foi plotado o gráfico 1. fora apenas para manter o volume do sistema reacional fixo.800 Tubo de ensaio 3 0. da concentração da sacarose em função do tempo necessário para o descoramento do permanganato.400 0 200 400 600 800 1000 Tempo de descoramento (s) GRAFICO 1 – Tempo de descoramento da solução em função do tempo.600 0.400 1.600 Concentração de sacarose (mol/L) 1. o ácido sulfúrico utilizado para a reação tem apenas o papel de catalisar a reação. 1. quando este reagente está em uma concentração mais elevada. Esse parâmetro é muito importante pois nos fornece. determinarmos a constante (utilizaríamos para tanto as equações 10 e 13) bem como o tempo de meia vida desse reagente (equação 14). Assim. E. pois ocorre a formação de gás cloro. utiliza-se ácido sulfúrico (o qual possui um baixo valor comercial. onde com o auxílio da lei das velocidades integradas para reações de primeira ordem (Figura 2 / equação 12) pode-se notar uma relação exponencial no tempo de decomposição quando em função da concentração do mesmo reagente inicial. não se deve utilizar ácido clorídrico. 10 . Outro fator importante que poderia ser determinado. em Joules. para substituição do ácido sulfúrico. Para tanto bastaria realizar o experimentos a diversas temperaturas diferentes. Para encontrarmos a constante cinética dessa reação. a inclinação da reta seria igual à energia de ativação sobre a constante geral dos gases. Assim. a utilização da decomposição da sacarose em meio alcalino também é uma prática de fácil realização e com ótimos resultados. Porém este não era o objetivo de nosso experimento. como nas diversas literaturas consultadas.Analisando os dados obtidos no gráfico 1. e em seguida plotando um gráfico do logaritmo natural das constantes à temperaturas diferentes em função do inverso da temperatura. a partir do coeficiente angular obtido pela reta do gráfico. tornando-o um ótimo reagente). devemos citar que não se encontra muitas informações sobre a utilização de outros ácidos para acidificar o sistema. como a energia de ativação e o fator pré-exponencial (equação 19). para finalizar. bastaríamos plotar um gráfico do logaritmo natural da concentração de sacarose em função do tempo de descoramento. o qual pode ser letal. a energia de ativação da reação em questão (conforme revisão literária). quando utilizar permanganato de potássio. e assim. e um alto grau de ionização. essa teoria explica o motivo da decomposição mais rápida do permanganato. apenas foi citado como uma possibilidade de realização. Em simples palavras. pode-se confirmar a teoria exposta na revisão literária. fica indicado que. seria os parâmetros de Arrhenius. porém conforme descrito na revisão literária. Conforme encontra-se em diversas literaturas disponíveis on-line. portanto. Erik C. Acessado em 10 de setembro de 2011. Campinas. BENEDICTO. 2005. P. Acesso em 10 de setembro de 2011.7. Gilberto O.wikipedia.uol. UOL. LABORATÓRIO VIRTUAL DE PROCESSOS QUÍMICOS.br/quimica/velocidade-dasreacoes-quimicas. Article: SBQ – Sociedade Brasileira de Química. Robson F. CINÉTICA QUÍMICA: Teoria e prática. Disponível em: http://labvirtual.pdf. REFERÊNCIAS SOUZA.pt/siteJoomla/index. UNIOESTE. GABRIEL. Disponível em: http://pt.unioeste. ESTUDO QUALITATIVO DA REAÇÃO DE DECOMPOSIÇÃO DA SACAROSE UTILIZANDO ÉSTERES DERIVADOS DO ÓLEO DE MAMONA E COM ALTERAÇÃO DA FORÇA IÔNICA DO MEIO REACIONAL. & CHIERICE. WIKIPÉDIA.br/eq/ftp/labiii/mod_I_exp_1-2-3-4-5. São Paulo.eq. Juliana R. Átomo. Acessado em 10 de setembro de 2011.php ?Itemid=293&id=122&option=com_content&task=view.htm. Instituto de Química de São Carlos – USP.com. Disponível em http://www. & FARIAS. Disponível em: http://mundoeducacao. Alexandre A. UNIVERSIDADE DE COÍMBRA. PERMANGANATO DE POTÁSSIO. Artmed.org/wiki/Permanganato_de_pot%C3%A1ssio. Paulo A. George G. & ORTEGA.uc. Acessado em 10 de setembro de 2011. Enciclopédia Livre. NETZ. REAÇÃO DE INVERSÃO DA SACAROSE. Ed. SP: 2008. Ed. SP: 2002.. FÍSICO-QUÍMICA: Velocidade das reações químicas. 11 . FUNDAMENTOS DE FÍSICO-QUÍMICA: Uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas. Mundo Educação.