No estudo da reação, em fase gasosa, da reação de substituição nucleofílica da água com o cloreto de metila, obtiveram-se os
seguintes dados experimentais de velocidade inicial:
exp. Concentração inicial / M Velocidade inicial da
H2 O CH3 Cl
1 0.010 0.020 3.6 times 10^-4
2 0.030 0.020 32.3 times 10^-4
3 0.010 0.030 5.5 times 10^-4
4 0.010 0.060 10.9 times 10^-4
a-Escreva a Equação da reação
b-Determine, justificando, a equação da velocidade para esta reação.
c-dê o mecanismo da reação

Passo 1

Então, o exercício fala de cinética química na reação gasosa de substituição nucleofílica da água com cloreto de metila. Temos dados de velocidades iniciais variando [H₂O] e [CH₃Cl] e precisamos:
  1. Escrever a equação da reação;
  2. Determinar a lei de velocidade (ordens em cada reagente);
  3. Propor um mecanismo consistente.

Passo 2

a) Equação da reação
Basta juntar reagente e produto típico de SN2:
CH3Cl + H2O ;longrightarrow; CH3OH + HCl

Passo 3

b) Lei de velocidade
  1. Comparamos exp. 1 e exp. 2 ( [H₂O] varia de 0,010 para 0,030, 3× ), a velocidade vai de 3,6×10⁻⁴ para 32,3×10⁻⁴, ou seja ~9×. Como 3²=9, a ordem em H₂O é 2.
  2. Comparamos exp. 1 e exp. 3 ( [CH₃Cl] varia de 0,020 para 0,030, 1,5× ), a velocidade vai de 3,6×10⁻⁴ para 5,5×10⁻⁴, ou seja ~1,5×. Então a ordem em CH₃Cl é 1.
Logo a lei de velocidade é
v = k,[H2O]^2,[CH3Cl]^1

Passo 4

c) Mecanismo proposto
Usamos um pré-equilíbrio de ionização da água para gerar OH⁻ (que faz o ataque) e depois um passo lento de SN2:
  1. (rápido, equilíbrio)
2,H2O ;<=ftharpoons; H3O^+ + OH^-
  1. (lento, RDS) SN2 do OH⁻ em CH₃Cl:
OH^- + CH3Cl ;longrightarrow; CH3OH + Cl^-
  1. (rápido) Protonação do Cl⁻:
H3O^+ + Cl^- ;longrightarrow; HCl + H2O
Nesse mecanismo a etapa lenta envolve [OH⁻][CH₃Cl], mas como [OH⁻]∝[H₂O]² (pré-equilíbrio), dá v∝[H₂O]²[CH₃Cl].

Resposta

Equação da reação:
CH3Cl + H2O longrightarrow CH3OH + HCl
Lei de velocidade:
v = k,[H2O]^2,[CH3Cl]
Mecanismo:
  1. (rápido, eq.)
  2. (lento)
  3. (rápido)

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