MÓDULO DIDÁTICO DE QUÍMICA Nº 8

Módulo nº8

MODELO DE TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS: RAPIDEZ OU VELOCIDADE DAS REAÇÕES

Autores: Penha Souza Silva E Marciana Almendro David

INTRODUÇÃO

Na natureza ocorrem várias transformações químicas, tais como o amadurecimento e apodrecimento de frutos, a deterioração de alimentos, a formação de ferrugem, a fermentação de pães e de bebidas lácteas ou alcoólicas, a respiração dos animais e vegetais, a fotossíntese, a combustão, etc.

Existem transformações químicas que ocorrem rapidamente e outras lentamente. A velocidade de uma transformação depende de vários fatores, como a temperatura, a pressão e a superfície de contato entre as substâncias que reagem.

TÓPICOS E HABILIDADES BÁSICAS DO CBC

3. Materiais: Velocidade das TQ

3.5. Propor modelos explicativos para as TQ. 3.5.1. Explicar TQ usando um modelo e saber representá-lo adequadamente. 3.5.2. Entender alguns aspectos das TQ relacionados à sua velocidade.

Conteúdos complementares

Tema 2: Transformações dos materiais

5. Materiais: Velocidade das TQ

5.1. Reconhecer a variação na velocidade das TQ.

5.1.1. Reconhecer que as TQ podem ocorrer em diferentes escalas de tempo.

5.2. Identificar fatores que afetam a velocidade das TQ: temperatura.

5.2.1. Reconhecer que a modificação na temperatura afeta a velocidade das TQ. 5.2.2. Identificar o efeito da variação da temperatura sobre a velocidade de TQ por meio de execução ou descrições de experimentos. 5.2.3. Analisar o efeito da temperatura na velocidade de TQ por meio de gráficos.

5.3. Identificar fatores que afetam a velocidade das TQ: superfície de contato.

5.3.1. Reconhecer que a modificação na superfície de contato afeta a velocidade das TQ. 5.3.2. Identificar o efeito da modificação na superfície de contato sobre a velocidade de TQ por meio de execução ou descrições de experimentos. 5.3.3. Analisar o efeito da superfície de contato na velocidade de TQ por meio de gráficos.

5.4. Identificar fatores que afetam a velocidade das TQ: concentração.

5.4.1. Reconhecer que a modificação na concentração afeta a velocidade das TQ. 5.4.2. Identificar o efeito da variação da concentração sobre a velocidade de TQ por meio de execução ou descrições de experimentos. 5.4.3. Analisar o efeito da concentração na velocidade de TQ por meio de gráficos.

5.5. Caracterizar a variação da velocidade das TQ por meio de modelo explicativo.

5.5.1. Utilizar a teoria das colisões para explicar a ocorrência de transformações químicas em diferentes escalas de tempo. 5.5.2. Reconhecer o papel dos catalisadores nas reações químicas.

Atividade 1

As questões seguintes devem ser respondidas por pequenos grupos de alunos (uma dupla ou um trio). O importante é que cada aluno pesquise e pense numa resposta possível, tendo em vista os conhecimentos químicos já adquiridos, antes de reunir com os colegas em sala. Discutam até chegar a um consenso e então apresentem a resposta para toda a turma.

1. Em qual dos locais um pedaço de carne se conserva por mais tempo: sobre a pia, na geladeira ou no freezer? Proponha uma explicação para esse fato.

2. Geralmente, os medicamentos são acondicionados em frascos opacos ou escuros. Explique por quê.

3. Em muitos frascos de medicamento aparecem as seguintes recomendações: conservar em temperatura ambiente (entre 15 e 30 ºC). Proteger da luz e umidade. Explique o porquê dessas recomendações.

4. O que queima mais rápido: 1 Kg de madeira ou 1 kg de serragem? Por quê?

5. Por que quando você deixa um recipiente de gasolina exposto ao ar atmosférico, que é rico em oxigênio, ela não pega fogo?

6. Por que as fotografias devem ser reveladas em local escuro?

7. O que ocorre mais rápido: a formação da ferrugem ou a queima de uma vela?

8. O que ocorre mais rápido: a queima de uma vela ou a explosão de um botijão de gás de cozinha?

9. Quando fazemos churrasco é costume de vez em quando alguém abanar as brasas. Proponha uma explicação para este fato.

10. Por que no mês de agosto é mais freqüente a ocorrência de incêndios?

11. Atualmente todos os carros são obrigados a ter catalisador. Para que serve o catalisador nos carros? Você conhece algum outro uso para o catalisador? Qual?

12. O que queima mais rápido: álcool no estado de vapor ou no estado líquido? Por quê?

13. Quando alguém está com febre é motivo de muita preocupação. A diminuição da temperatura do corpo também deve ser motivo de preocupação? Por quê?

14. Por que é importante ficarmos atentos aos prazos de validade dos alimentos, medicamentos, cosméticos, etc?

Após as discussões realizadas com toda a classe, cada aluno deve anotar em seu caderno uma explicação para cada item discutido, usando o modelo cinético molecular.

A partir das discussões estabelecidas foi possível constatar que estamos cercados por reações químicas e que algumas ocorrem rapidamente e outras nem tanto. Percebemos também que, algumas vezes, nós precisamos aumentar a rapidez das reações, mas outras vezes precisamos diminuir ou até evitá-las. Esse conhecimento é muito útil para o controle de reações químicas em processos industriais, bem como é útil para o nosso dia-a-dia, pois muitas vezes precisamos evitar o enferrujamento de portões, ou tirar rapidamente uma mancha de um tecido ou ainda apressar o crescimento da massa de um bolo.

Pelo exposto, é possível perceber que existem vários fatores que podem influenciar na rapidez, isto é, na velocidade de uma reação. A parte da química que estuda esses fatores é a Cinética Química.

Atividade 2

Entre os exemplos citados abaixo, quais representam reações que, normalmente, temos interesse em acelerar e quais nos interessa retardar?

a. Amadurecimento de frutas.

b. Queima da madeira.

c. Formação da ferrugem.

d. Fermentação do leite.

e. Decomposição da água oxigenada.

CONDIÇÕES PARA OCORRÊNCIA DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

Somente compreendendo como as reações químicas ocorrem é que podemos interferir nesses processos. Uma reação química é um fenômeno em que há rompimento de ligações entre os átomos das substâncias dos reagentes e formação de novas ligações, que dão origem aos produtos da reação.

Não podemos ver os átomos, por isto, para explicar como as transformações químicas ocorrem em nível atômico molecular, os químicos propõem modelos e teorias que explicam como as reações acontecem. O Modelo de Dalton, que pode ser estudado mais detalhadamente nos módulos 4 e 13, é um desses modelos.

Pense em qual seria a primeira condição para a ocorrência de uma reação química. Parece óbvio que os reagentes devem estar em contato, entretanto, esta não é uma condição suficiente para a reação acontecer. Se abrirmos uma válvula de um fogão a gás, deixando escapar o gás, haverá contato entre as partículas do gás, que é combustível, e as partículas do oxigênio do ar, que é um comburente, mas nem por isto haverá combustão.

Para que uma reação ocorra, além dos reagentes estarem em contato, é necessário que as suas partículas se choquem umas com as outras com energia suficiente para que formem produtos.

http://n.i.uol.com.br/licaodecasa/ensmedio/quimica/Cinqui2B.gif Acesso 15/09/2007

Para que uma colisão seja efetiva, ou seja, resulte na formação de um produto, ela deve ter uma orientação adequada e energia suficiente.

http://www.iped.com.br/colegio/quimica/energia-de-ativacao (acesso em 15/09/2007)

A energia mínima necessária para que as reações ocorram é denominada energia de ativação. Sem esta energia as reações não ocorrem. É por isto que ao abrirmos a válvula do gás de cozinha, colocando-o em contato com o oxigênio do ar, não ocorre de imediato combustão. Para iniciar esta reação é necessário fornecer certa quantidade de energia, que pode ser proveniente de uma faísca elétrica ou de um palito de fósforos aceso. Esta é a energia de ativação.

TEORIA DAS COLISÕES

A teoria das colisões, um modelo de explicação para as reações químicas, pode ser resumida assim:

Para que uma reação química ocorra é necessário que:

• as substâncias em contato sejam reativas entre si;

• ocorra colisão entre as partículas dos reagentes;

• as colisões tenham orientações favoráveis e sejam efetivas;

• as colisões possuam energia suficiente para formar os produtos.

http://www.santateresa.g12.br/quimica/fisicoq/cineticaquimica.htm Acesso em 16/09/200

Representando uma reação por meio de gráficos

Pense e Responda: Qual a relação entre energia de ativação e velocidade da reação?

FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE OU RAPIDEZ DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

Pela discussão desenvolvida na atividade 1, nós vimos que as condições dos sistemas, nos quais os reagentes se encontram, interferem na rapidez das reações. A temperatura do local, a exposição à luz, o estado físico dos reagentes, além da superfície de contato e concentração das soluções são fatores que influenciam a velocidade das reações.

Para entender por que todos esses fatores interferem na rapidez das reações, recorreremos à teoria das colisões. Sempre que precisarmos modificar a velocidade de uma reação, devemos alterar o número de colisões efetivas. Estatisticamente, quando o número de colisões aumenta, a possibilidade de aumentar o número de colisões favoráveis ou efetivas também aumenta, aumentando também a velocidade da reação.

De acordo com a teoria cinético-molecular, as partículas das substâncias estão em constante movimento. Nos sólidos, as partículas apenas vibram no mesmo lugar. Nos materiais líquidos e gasosos as partículas se movimentam mais intensamente, principalmente nos gases, cujo movimento das partículas é caótico, ou seja, elas se movimentam em todas as direções e sentidos.

Quanto maior o movimento das partículas em um sistema, maior a sua energia. Assim, se a energia está diretamente ligada à possibilidade de colisões efetivas entre as partículas, então nos sistemas gasosos as reações são mais rápidas do que nos líquidos, que por sua vez são mais rápidas do que nos sistemas sólidos.

O aumento de temperatura de um sistema também está diretamente ligado ao seu aumento de energia, assim como o maior contato entre as partículas dos reagentes também favorece as colisões efetivas. Se pretendermos aumentar ou diminuir a rapidez com que uma reação ocorre, podemos modificar a temperatura do sistema ou o estado físico dos reagentes, favorecendo ou não o contato entre eles para que as colisões entre as partículas das substâncias reagentes sejam menos ou mais efetivas.

Um outro fator que também pode alterar a rapidez das reações químicas é o uso de catalisadores, que são substâncias específicas que atuam sobre uma determinada reação, modificando a energia necessária para que as partículas dos reagentes produzam choques efetivos, alterando, portanto, a velocidade da reação. O catalisador age mudando o mecanismo da reação, ou seja, mudando os caminhos pelos quais os reagentes se transformam em produtos.

Pesquise e responda

1. Pesquise sobre “catalisadores automotivos”. Qual é a sua função nos automóveis? Como eles agem nos escapamentos dos carros? Quais são os benefícios do uso de catalisadores automotivos? Faça uma lista dos materiais poluentes que os veículos automotivos lançam no ambiente. Como os seres vivos podem ser afetados pelos agentes poluentes?

2. O ar puro em nossa atmosfera contém aproximadamente 78% de gás nitrogênio, 21% de gás oxigênio e 1% de outros gases tais como o argônio e o gás carbônico (CO2). Sabe-se também que o gás oxigênio é comburente, isto é, alimenta as combustões, que sempre são exotérmicas. Em estações mais secas e com poucas chuvas, incêndios são freqüentes. Supondo que a composição da atmosfera fosse diferente, com 78% de gás oxigênio e 21% de gás nitrogênio. o que você acha que aconteceria

se, por exemplo, uma pessoa acendesse um palito de fósforo neste ambiente?

Atividade 3

Dissolução de um comprimido de sonrisal na água.

Material

• 3 béqueres de 100 mL.

• 3 comprimidos de sonrisal.

• Água.

Procedimento 1. Verificando a Influência da temperatura numa reação.

• Em cada béquer de 100 mL coloque cerca de 50 mL de água, sendo que no primeiro água quente, no segundo água à temperatura ambiente e no terceiro água fria.

• Coloque simultaneamente ½ comprimido de sonrisal nos três béqueres. Anote a ordem em que a reação ocorreu.

Condições do sistema Sistemas

Água fria Água à temperatura ambiente Água quente

Ordem de término da reação

Procedimento 2. Verificando a influência da superfície de contato numa reação.

• Em dois béqueres de 100 mL coloque 50 mL de água.

• Triture ½ comprimido de sonrisal.

• Adicione simultaneamente em um béquer o comprimido triturado e no outro o comprimido sem triturar.

Questões

1. O que você observou nos dois experimentos?

2. Quais as evidências de uma reação química?

3. Em qual dos béqueres a reação foi mais rápida?

4. O que você concluiu sobre a influência da superfície de contato na velocidade da reação?

5. O que você concluiu sobre a influência da temperatura na velocidade da reação?

6. Utilizando o modelo de partículas para os materiais, tente explicar o que você observou nos dois experimentos.

Após as discussões das questões propostas, é possível concluir que o aumento da temperatura provoca um aumento no movimento das partículas, ocasionando um aumento da energia cinética média das partículas, o que provoca um aumento na rapidez da reação.

Também pudemos concluir que nem sempre é necessário aumentar a velocidade das reações, muitas das vezes é necessário tentar diminuir a sua rapidez ou até mesmo impedir que elas ocorram. No caso dos alimentos, por exemplo, devemos evitar que ocorram reações de degradação dos mesmos. Por isso é importante ficarmos atentos às condições de armazenamento e também quanto aos prazos de validade dos produtos alimentícios, assim como às recomendações do fabricante.

Algumas reações químicas, como a fotossíntese e o processo de revelação de fotos, ocorrem em presença de luz. Essas reações são denominadas de fotoquímicas. Nesse caso, a luz fornece a energia de ativação para a ocorrência da reação. A luz e o calor

no verão também são responsáveis pelo amadurecimento rápido das frutas, é por isto que se pretendemos impedir que um cacho de bananas amadureça todo ao mesmo tempo, devemos armazenar parte dele em local fresco e longe da luz.

Todos nós conhecemos algumas recomendações de segurança que são feitas em alguns locais ou situações específicas, mas nem sempre pensamos sobre a razão de tais recomendações. Você já foi surpreendido com um convite para sair de um carro que seria abastecido com gás? Por que em geral não é necessário sair dos automóveis que são abastecidos com álcool ou gasolina? Por que não devemos acender lâmpadas em locais com suspeita de vazamento de gás de cozinha ou gás natural.

A concentração também é um fator importante na velocidade das reações. O aumento da concentração das substâncias reagentes faz aumentar a possibilidade de colisões, aumentando, assim, a velocidade das reações. Se os reagentes estiverem no estado gasoso, o aumento da concentração pode ser conseguido aumentando a pressão sobre o recipiente de reação.

Na atividade 3, foi possível observar que o comprimido de sonrisal triturado reagiu mais rápido do que inteiro. Como justificar este fato? Quando trituramos o comprimido, aumentamos a superfície de contato entre ele e a água. Isso favorece o aumento do número de colisões, favorecendo o aumento do número de colisões efetivas, aumentando, assim, a velocidade da reação.

Atividade 4

Investigando a influência da concentração na oxidação do prego

Materiais

• Soluções de sulfato de cobre – CuSO4 1 mol/ L, 0,1 mol/L e 0,01 mol/L.

• 3 pregos.

• 3 béqueres de 50 mL.

• Linha.

• 1 recipiente de plástico tipo placa de Petri.

Procedimento

• Colocar 20 ml de solução de sulfato de cobre em cada um dos béqueres, sendo no primeiro 1,0 mol/L, no segundo 0,1 mol/L e 0,01 mol/L no terceiro.

• Limpe os pregos com uma palha de aço tipo bombril.

• Amarre os pregos com a linha e coloque cada um em um béquer ao mesmo tempo.

• Espere 1 minuto, retire os pregos e coloque sobre a placa de plástico. Cuidado para não misturar os pregos.

• Anote as suas observações.

Questão para discussão

Usando os modelos de explicação para as transformações químicas discutidos neste módulo, explique o que aconteceu em cada um dos béqueres.

COMO PODEMOS CALCULAR A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO?

Se você tivesse uma fábrica de pães de queijo e quisesse medir a velocidade de produção, o que você poderia fazer? Poderia contar o número de pães de queijo produzidos durante certo tempo. Ou quem sabe observar o número de ovos gastos durante certo tempo. Seja contando os pães de queijo produzidos ou a quantidade de ovos consumidos, você teria uma medida para a rapidez de produção.

Se compararmos os pães de queijo com os produtos da reação e os ovos com reagentes, podemos perceber que com o tempo a quantidade de pães de queijo aumenta e a quantidade de ovos do estoque diminui. Nas reações químicas também funciona assim. A concentração dos reagentes diminui enquanto a dos produtos aumenta.

Veja o gráfico que representa a rapidez ou velocidade de uma reação:

mestradogeofcul.blogspot.com 16/09/2007

Antes que uma reação tenha início, a quantidade de reagentes é máxima e a quantidade de produtos é zero. À medida que a reação se desenvolve, a quantidade de reagentes diminui e a quantidade de produtos aumenta.

Experimentalmente, verifica-se que na maioria das reações químicas a velocidade é máxima no início da reação e vai se tornando progressivamente menor com o passar do tempo. A velocidade de uma reação pode ser medida em função da quantidade de reagente consumida ou em função da quantidade de produtos formado num determinado período de tempo. A velocidade média de uma reação é sempre positiva. Veja a equação que representa a velocidade da reação

Velocidade média = Δ[concentração]

Δ[tempo] → Vm =

Δ[concentração] ΔT

Atividade 5 – Exercícios

1. (Unicamp, 1991) Numa reação que ocorre em solução (reação I), há o desprendimento de oxigênio e a sua velocidade pode ser medida pelo volume do O2(g) desprendido. Uma outra reação (reação II) ocorre nas mesmas condições, porém consumindo O2(g) e este consumo mede a velocidade desta reação. O gráfico representa os resultados referentes às duas reações:

Considerando as duas horas iniciais, qual das reações tem velocidade maior? Justifique sua resposta.

A velocidade da reação II é maior do que a velocidade da reação I, porque a velocidade está sendo medida pelo volume de oxigênio nas reações.

2. A combustão do butano (C4H10) correspondente à equação:

C4H10 + (13/2)O2 → 4CO2 + 5H2O + Energia

Se a velocidade da reação for 0,05 mol butano/minuto qual a massa de CO2 produzida em 1 hora?

3. (Unicamp, 1996) O gráfico a seguir representa as variações das massas de um pequeno pedaço de ferro e de uma esponja de ferro (palha de aço usada em limpeza doméstica) expostos ao ar (mistura de nitrogênio, N2, oxigênio, O2, e outros gases além de vapor d'água).

a) Por que as massas da esponja e do pedaço de ferro aumentam com o tempo?

b) Qual das curvas diz respeito à esponja de ferro? Justifique.

4. (UFMG, 1994) Uma chama queima metano completamente, na razão de 2L/min, medidos nas CNTP. O calor de combustão do metano é 882kJ/mol.

a) CALCULE a velocidade de liberação de energia.

b) CALCULE, em mol/min, a velocidade de produção de gás carbônico.

c) CALCULE a massa de oxigênio consumida em 20 minutos.

Atividade 6 – Transformações Químicas

Materiais

• Iodo sólido.

• Alumínio em pó.

• Ácido sulfúrico – H2SO4.

• Álcool comum.

• Iodeto de potássio sólido – KI.

• Fio de cobre.

• Álcool metílico.

• Detergente líquido.

• Água oxigenada 40 volumes.

Informações preliminares

• A presença de éter pode ser detectada pelo desprendimento de seus vapores.

• A formação de formaldeído pode ser detectada pelo seu odor.

Procedimento

Reação 1

• Pulverizar cristais de iodo em um almofariz e misturar completamente com igual quantidade de alumínio em pó. Para efetuar essa operação utilizar substâncias absolutamente secas.

• Colocar uma pequena quantidade desta mistura no centro de uma tela de amianto.

• Adicionar uma gota de água à mistura.

• Observe e anote as suas observações.

Reação 2

• Colocar 2mL de álcool etílico em um tubo de ensaio e adicionar cuidadosamente o mesmo volume de ácido sulfúrico concentrado, agitando com um bastão.

• Aquecer a mistura por alguns segundos sobre uma pequena chama do bico de Bunsen, não permitindo que a solução entre em ebulição.

• Adicionar 20mL de água morna contida em um béquer à mistura ácido-álcool.

• Observe e anote as suas observações.

Reação 3

• Colocar em uma proveta de 50mL, 10mL de água oxigenada 40V.

• Coloque algumas gotas de detergente.

• Adicionar uma pequena quantidade de iodeto de potássio e observar.

• Observe e anote as suas observações.

Reação 4

• Formar uma espiral com a extremidade de um fio de cobre de 20cm de comprimento.

• Colocar 10mL de álcool metílico em um tubo de ensaio e aquecer lentamente.

• Aquecer a espiral de cobre até que desapareça a cor vermelha. Para segurar o fio, utilize uma pinça de madeira.

• Introduzir a espiral na parte superior do tubo de ensaio.

• Observe e anote as suas observações.

Fundamentos teóricos discutidos

No experimento sobre transformações químicas, foi possível observar que uma grande quantidade de espuma foi formada ao adicionar iodeto de potássio na proveta contendo água oxigenada (Peróxido de hidrogênio) e detergente..

A espuma é um tipo de colóide no qual o gás se encontra disperso em um líquido, isto é, há um grande número de bolhas de gás espalhadas em uma superfície líquida com uma fina película de líquido separando as bolhas de gás entre si. A formação de espuma pode ser facilitada pela presença de detergentes que, à semelhança dos sabões, facilitam a formação de colóides do tipo “espuma”.

A velocidade de uma reação química depende de numerosos fatores como, por exemplo, das concentrações dos reagentes, da temperatura, dos catalisadores. Um catalisador pode aumentar notavelmente a velocidade de uma reação química sem que ele próprio se altere quimicamente.

O presente experimento permite observar o efeito dos catalisadores de forma visual e estética, observando a formação de espuma em grande quantidade, que pode ser colorida pela adição de anilinas.

A decomposição da água oxigenada ocorre segundo a equação:

2H2O2 (l) → 2H2O + O2(g) ↑

Essa é uma reação cuja velocidade é acelerada por catalisadores, por exemplo, o iodeto de potássio, através do íon iodeto.

Os íons iodetos agem da seguinte maneira:

H2O2(aq) + I-(aq) → H2O(l) + OI

-(aq) ↑

H2O2(aq) + OI-(aq) → H2O(l) + I

-(aq) + O2(g)↑

Os catalisadores têm grande importância na indústria química, pois eles é que possibilitam algumas reações muito lentas de acontecerem, acelerando o seu processo, que sem sua presença, por serem tão lentas, não seriam viáveis na prática. São mais importantes ainda em reações bioquímicas; sem os catalisadores, as reações essenciais para o metabolismo ocorreriam tão vagarosamente que o mundo como nós conhecemos não existiria.

Catálise é a reação que ocorre em presença de catalisador. O catalisador altera a velocidade da reação, mas não inicia a reação. O catalisador diminui a energia de ativação da reação.

Veja o gráfico

Enzima

Enzima é uma proteína que atua como catalisador em reações biológicas. Caracteriza-se pela sua ação específica e pela sua grande atividade catalítica. Apresenta uma temperatura ótima, geralmente ao redor de 37°C, na qual tem o máximo de atividade catalítica.

Promotor de reação ou ativador de catalisador é uma substância que ativa o catalisador, mas isoladamente não tem ação catalítica na reação.

Veneno de catalisador ou inibidor é uma substância que diminui e até destrói a ação do catalisador, sem tomar parte na reação.

Autocatálise é quando um dos produtos da reação atua como catalisador. No início, a reação é lenta e, à medida que o catalisador (produto) vai se formando, sua velocidade vai aumentando.

Texto Complementar

Catalisadores nos carros: como funcionam?

Karim Nice (Cornell University) - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Há milhões de carros nas ruas do mundo – e cada um deles polui o ar. Especialmente nas grandes cidades, a quantidade de poluição que todos os carros produzem juntos pode criar grandes problemas.

Na Europa, nos EUA e no Brasil foram criadas normas para limitar a quantidade de poluição que os carros podem produzir. Para se adequar a estas leis, os fabricantes de automóveis promoveram várias melhorias nos motores e nos sistemas de alimentação. Para ajudar a reduzir ainda mais os poluentes, elas desenvolveram um dispositivo interessante, chamado catalisador, que trata os gases de escapamento antes que eles saiam do automóvel, removendo bastante poluição.

Localização do catalisador em um carro

Neste texto, você aprenderá quais são os poluentes produzidos por um motor e por que isto acontece. Também verá como um catalisador lida com cada um desses poluentes. Dispositivo simples, mas de extrema importância, o catalisador não é um filtro, como muitos pensam.

Poluentes produzidos pelo motor de um carro

A fim de reduzir as emissões, motores de carros modernos controlam cuidadosamente a quantidade de combustível que queimam. Eles procuram manter a mistura ar-combustível bem próxima do ponto estequiométrico, que é a proporção ideal de ar para que ocorra uma

combustão. Teoricamente, nessa proporção, todo o combustível será queimado usando todo o oxigênio no ar. Para a gasolina, a proporção estequiométrica é de aproximadamente 14,7:1. Isso significa que, para cada grama de gasolina, serão queimadas 14,7 gramas de ar. Na verdade, a proporção ideal varia bastante durante o funcionamento do carro. Às vezes, a mistura de combustível pode ser rica (proporção de ar para combustível acima de 14,7); em outros momentos, pode ser pobre (proporção abaixo de 14,7). Para o álcool etílico hidratado usado no Brasil, o ponto estequiométrico é 9:1.

As principais substâncias emitidas por um motor de carro são:

• gás nitrogênio (N2) – em sua constituição, o ar tem 78% de gás nitrogênio. Grande parte dessa substância passa pelo motor do veículo;

• dióxido de carbono (CO2) – é um dos produtos da combustão. O carbono do combustível se une com o oxigênio do ar;

• vapor de água (H2O) – é outro produto da combustão. O hidrogênio do combustível se une com o oxigênio do ar.

Essas descargas são, em sua maioria, benignas (embora as emissões de CO2 (conhecido também como gás carbônico), contribuam para o efeito estufa e o aquecimento global). Porém, como o processo de combustão não é perfeito, também são produzidas substâncias prejudiciais, tais como:

• monóxido de carbono (CO) – gás venenoso, sem cor e inodoro;

• hidrocarbonetos ou compostos orgânicos voláteis (VOCs) – produzidos principalmente por combustível não queimado, que

evapora. A luz solar quebra os hidrocarbonetos para formar oxidantes. Estes reagem com óxidos de nitrogênio, transformando-se em ozônio (O3), de baixa altitude, um componente importante da poluição do ar ao formar a névoa fotoquímica (smog);

• óxidos de nitrogênio (NO e NO2, quando juntos, são chamados de NOx) –contribuem para o smog e para a chuva ácida e causam irritação das mucosas humanas.

Essas são as três principais substâncias sujeitas a limites. A função dos catalisadores é reduzi-las.

http://carros.hsw.uol.com.br/conversor-catalitico4.htm acesso 16/09/2007

Como os catalisadores reduzem a poluição

A maioria dos carros modernos é equipada com catalisadores de três vias. A expressão "três vias" se refere às três substâncias

que eles ajudam a reduzir – monóxido de carbono, VOCs e moléculas de NOx. A peça catalisador na verdade usa dois diferentes tipos de catalisadores: um de redução e outro de oxidação. Ambos consistem em uma estrutura cerâmica coberta por um catalisador de metal, geralmente platina, ródio e/ou paládio. A idéia é criar uma estrutura que exponha o máximo da área da superfície catalisadora para o fluxo de descarga ao mesmo tempo em que se procura minimizar o trabalho dos catalisadores, pois são muito caros.

Um conversor catalisador de três vias: note os dois catalisadores separados

Há dois tipos principais de estruturas usadas em catalisadores – núcleo tipo colméia e em cerâmica porosa. A maioria dos carros usa o primeiro.

Estrutura catalítica em cerâmica tipo colméia

O catalisador de redução

É a primeira parte do catalisador. Usa platina e ródio para ajudar a reduzir a saída de NOx. Quando as moléculas NO ou NO2 entram em contato com o catalisador, ele "expulsa" o átomo de nitrogênio para fora da molécula. Com isso, o átomo fica retido e o catalisador libera o oxigênio na forma de O2. Os átomos de nitrogênio se unem com outros átomos de nitrogênio. Todos são retidos pelo equipamento, formando N2. Por exemplo:

2NO → N2 + O2 ou 2NO2→ N2 + 2O2

O catalisador de oxidação

É a segunda parte do catalisador. Reduz os hidrocarbonetos não-queimados e o monóxido de carbono, queimando-os (oxidação) sobre o catalisador de platina e paládio. Isso ajuda na reação do CO e dos hidrocarbonetos com o restante do oxigênio nos gases de escapamento. Por exemplo:

2CO + O2 → 2CO2

Mas, de onde veio este oxigênio?

O sistema de controle

A terceira parte é um sistema de controle que monitora o fluxo de descarga e usa essa informação para controlar o sistema de injeção de combustível. Há um sensor de oxigênio colocado antes do catalisador, portanto mais próximo do motor que o catalisador. Este sensor diz ao computador do motor quanto oxigênio há nos gases de escapamento. Sendo assim, o computador pode aumentar ou diminuir essa quantidade de oxigênio através de um ajuste na mistura ar-combustível. Este esquema de controle permite que o computador tenha certeza de que o motor está funcionando bem perto do ponto estequiométrico e também ajuda a certificar que há oxigênio o suficiente para permitir que o catalisador de oxidação queime o restante dos hidrocarbonetos e CO.

Atividade 7 – Exercícios

1. (UNESP 1993) Explique os seguintes fatos experimentais:

a) Limalha de ferro dissolve-se mais rapidamente em ácido clorídrico se a mistura for submetida à agitação.

b) A hidrólise alcalina de acetato de etila é mais rápida a 90°C de que a temperatura ambiente.

2. (UNESP 1992) Se uma esponja de ferro metálico empregada em limpeza, como por exemplo o Bombril, for colocada em uma chama ao ar, inicia-se uma reação química. Esta reação prossegue espontaneamente, mesmo quando a esponja é retirada da chama, com desprendimento de material incandescente sob a forma de fagulhas luminosas. Após o término da reação, a esponja torna-se quebradiça e escura. No entanto, se um arame de ferro for aquecido na mesma chama e também ao ar, a única alteração que se nota ao final é o escurecimento de sua superfície.

a) Por que há grande diferença nas velocidades de reação nos dois casos?

b) Escreva a equação balanceada da reação de formação de um possível produto da reação, com o respectivo nome, para os dois casos.

3. A decomposição do peróxido de hidrogênio pode ser representada pela equação:

H2O2(l) → H2O(l) + 1/2O2 (g) ΔH < 0

Das seguintes condições:

I. 25°C e ausência de luz.

II. 25°C e presença de catalisador.

III. 25°C e presença de luz .

IV. 35°C e ausência de luz.

V. 35°C e presença de catalisador.

Qual delas é que mais favorece a CONSERVAÇÃO da água oxigenada?

4. Considere a reação entre pedaços de mármore e solução de ácido clorídrico descrita pela equação

CaCO3(s) + 2H+(aq) → CO2 (g) + H2O(l) + Ca

+2(aq)

A velocidade da reação pode ser medida de diferentes maneiras representada graficamente.

Dentre os gráficos, o que representa corretamente a velocidade dessa reação é

5. (UFMG, 1994) A elevação de temperatura aumenta a velocidade das reações químicas porque aumenta os fatores apresentados nas alternativas, EXCETO

a) A energia cinética média das moléculas.

b) A energia de ativação.

c) A freqüência das colisões efetivas.

d) O número de colisões por segundo entre as moléculas.

e) A velocidade média das moléculas.

6. (Fuvest, 1994) NaHSO4 + CH3COONa → CH3COOH + Na2SO4

A reação representada pela equação acima é realizada segundo dois procedimentos:

I. Triturando reagentes sólidos.

II. Misturando soluções aquosas concentradas dos reagentes.

Utilizando mesma quantidade de NaHSO4 e mesma quantidade de CH3COONa nesses procedimentos, à mesma temperatura, a formação do ácido acético:

a) é mais rápida em II porque em solução a freqüência de colisões entre os reagentes é maior.

b) é mais rápida em I porque no estado sólido a concentração dos reagentes é maior.

c) ocorre em I e II com igual velocidade porque os reagentes são os mesmos.

d) é mais rápida em I porque o ácido acético é liberado na forma de vapor.

e) é mais rápida em II porque o ácido acético se dissolve na água.

7. Soluções aquosas de água oxigenada, H2O2, decompõem-se dando água e gás oxigênio. A figura a seguir representa a decomposição de três soluções de água oxigenada em função do tempo, sendo que uma delas foi catalisada por óxido de ferro(III), Fe2O3.

a) Qual das curvas representa a reação mais lenta? Justifique em função do gráfico.

b) Qual das curvas representa a reação catalisada? Justifique em função do gráfico.

8. O gráfico a seguir representa as variações das massas de um pequeno pedaço de ferro e de uma esponja de ferro (palha de aço usada em limpeza doméstica) expostos ao ar (mistura de nitrogênio, N2, oxigênio, O2, e outros gases além de vapor d'água).

a) Por que as massas da esponja e do pedaço de ferro aumentam com o tempo?

b) Qual das curvas diz respeito à esponja de ferro? Justifique.

.

9. As curvas I e II representam caminhos possíveis para a reação de hidrogenação do propeno.

a) INDIQUE a curva que corresponde ao caminho da reação mais rápida.

b) ESCREVA o fator responsável por essa diferença de velocidade.

c) COMPARE os complexos ativados formados nos dois caminhos da reação.

d) A reação ocorre pelos dois caminhos no mesmo sistema? JUSTIFIQUE sua resposta.

10. (UFMG, 1995) O gráfico a seguir representa a variação de energia potencial quando o monóxido de carbono, CO, é oxidado a CO2 pela ação do NO2, de acordo com a equação:

CO(g) + NO2 (g) → CO2‚(g) + NO(g)

Com relação a esse gráfico e à reação acima, a afirmativa FALSA é

a) a energia de ativação para a reação direta é cerca de 135kJmol/mol.

b) a reação inversa é endotérmica.

c) em valor absoluto, o ΔH da reação direta é cerca de 225kJmol/mol.

d) em valor absoluto, o ΔH da reação inversa é cerca de 360kJmol/mol.

Bibliografia

AMBROGI, A.; LISBOA, J. C. e VERSOLATO, E. F. Unidades modulares de Química. São Paulo: Hamburg, 1987.

ARAÚJO, J. M. A. Química dos alimentos. 2ª ed. Viçosa: UFV, 2001.

BARROS, H. L. C. Química Inorgânica: uma introdução. Belo Horizonte, 1995.

FIGUEREDO, D. V. Manual para gestão de resíduos químicos perigosos de instituições de ensino e pesquisa. Belo Horizonte: CRQ, 2006.

GEPEQ – Grupo de Pesquisa para o Ensino de Química. Interação e transformação: química para o 2º grau. Vol. I, II e III: Livro do aluno e Guia do professor. São Paulo: USP, 1998.

GONÇALVES, J. C. Tabela Periódica comentada. Curitiba: Atômica, 2003.

LEISCESTER, H. M. Historical Background of, Chemistry. New York: Dover, 1981.

LUTFI, M. Cotidiano e educação em química: os aditivos em alimentos como proposta para o ensino de química no segundo grau. Ijuí: Unijuí, 1988.

_________. Os ferrados e os cromados: produção social e apropriação privada do conhecimento químico. Ijuí: Unijuí, 1992.

MATEUS, A. L. Química na cabeça. Belo Horizonte: UFMG, 2001.

MORTIMER, E. F.; MACHADO, A. H. Química para o ensino médio. São Paulo: Scipione, 2002.

PEQUIS – Projeto de Ensino de Química e Sociedade. Química e Sociedade. São Paulo: Nova Geração, 2005.

REIS, Martha. Completamente Química. Química Geral. São Paulo: FTD, 2001.

_________. Completamente Química. Físico-Química. São Paulo: FTD, 2001.

_________ . Completamente Química. Química Orgânica. São Paulo: FTD, 2001.

ROMANELLI, L. I.; JUSTI, R. S. Aprendendo química. Ijuí: Unijuí, 1998.

Sites consultados

http://n.i.uol.com.br/licaodecasa/ensmedio/quimica/Cinqui2B.gif – Acesso 15/09/2007.

http://www.santateresa.g12.br/quimica/fisicoq/cineticaquimica.htm – Acesso em 16/09/2007.

http://mestradogeofcul.blogspot.com – Acesso em 16/09/2007.

http://carros.hsw.uol.com.br/conversor-catalitico4.htm – Acesso 16/09/2007.