Questão 34.
Com base nos princípios da cinética quimica, analise as proposições a seguir.
- Em uma reação elementar, a velocidade pode ser relacionada diretamente à colisão efetiva entre as partículas indicadas na própria equação dessa etapa;
II. O aumento da temperatura aumenta a velocidade de uma reação apenas por aumentar a energia cinética média das partículas, sem alterar a fração de moléculas com energia superior à energia de ativação;
III. Em uma reação exotérmica, a energia de ativação da reação inversa é maior que a energia de ativação da reação direta;
IV. Um catalisador altera o caminho reacional e pode modificar a etapa lenta do processo, mas não altera a variação de entalpia entre reagentes e produtos;
V. Para uma reação não elementar, os coeficientes estequiométricos da equação global determinam diretamente os expoentes da lei de velocidade.
Assinale a alternativa correta.
A Apenas I, II e III são corretas.
B Apenas II, IV e V são corretas.
C Apenas I, III e V são corretas.
D Apenas II, III e IV são corretas.
E Apenas I, III e IV são corretas.
II. O aumento da temperatura aumenta a velocidade de uma reação apenas por aumentar a energia cinética média das partículas, sem alterar a fração de moléculas com energia superior à energia de ativação;
III. Em uma reação exotérmica, a energia de ativação da reação inversa é maior que a energia de ativação da reação direta;
IV. Um catalisador altera o caminho reacional e pode modificar a etapa lenta do processo, mas não altera a variação de entalpia entre reagentes e produtos;
V. Para uma reação não elementar, os coeficientes estequiométricos da equação global determinam diretamente os expoentes da lei de velocidade.
A Apenas I, II e III são corretas.
B Apenas II, IV e V são corretas.
C Apenas I, III e V são corretas.
D Apenas II, III e IV são corretas.
E Apenas I, III e IV são corretas.
Passo 1
O enunciado apresenta cinco proposições (I a V) sobre cinética química e pede que eu identifique quais são corretas e escolha a alternativa correspondente. As proposições são:
- Em uma reação elementar, a velocidade pode ser relacionada diretamente à colisão efetiva entre as partículas indicadas na própria equação dessa etapa.
II. O aumento da temperatura aumenta a velocidade de uma reação apenas por aumentar a energia cinética média das partículas, sem alterar a fração de moléculas com energia superior à energia de ativação.
III. Em uma reação exotérmica, a energia de ativação da reação inversa é maior que a energia de ativação da reação direta.
IV. Um catalisador altera o caminho reacional e pode modificar a etapa lenta do processo, mas não altera a variação de entalpia entre reagentes e produtos.
V. Para uma reação não elementar, os coeficientes estequiométricos da equação global determinam diretamente os expoentes da lei de velocidade.
O que preciso fazer: analisar cada uma dessas proposições, justificar (ensinando os conceitos necessários) e decidir se é verdadeira ou falsa.
Passo 2
Analisando a proposição I.
Explicação conceitual (passo a passo, sem pular nada):
- Uma reação elementar é uma etapa única do mecanismo em que o que aparece na equação (por exemplo
) corresponde exatamente ao evento molecular que ocorre: uma colisão efetiva entre as partículas mostradas. - Em cinética, quando uma etapa é realmente elementar, a lei de velocidade dessa etapa pode ser escrita diretamente a partir da sua molecularidade (número de moléculas que participam simultaneamente no evento). Exemplo:
- Se a etapa elementar é unimolecular:
, a velocidade tem a forma . - Se é bimolecular:
, a velocidade tem a forma . - Se é termolecular (raro):
, teria .
- Se a etapa elementar é unimolecular:
- A ideia física: para a etapa bimolecular ocorrer é preciso que
e se encontrem (colidam) com orientação e energia adequadas — ou seja, colisões efetivas determinam a frequência de eventos que geram reação.
Conclusão sobre I: a proposição I é verdadeira quando a etapa é elementar, porque a velocidade realmente pode ser relacionada diretamente com as colisões entre as espécies que aparecem na equação elementar.
Passo 3
Analisando a proposição II.
Explicação conceitual (detalhada e didática):
- O aumento de temperatura afeta a cinética de duas maneiras intimamente relacionadas:
- Aumenta a energia cinética média das moléculas (a média aumenta porque
para um gás ideal). - Altera a distribuição de energias entre as moléculas — isto é, a curva de Maxwell–Boltzmann não só desloca um pouco, como também “alarga”: a fração de moléculas com energia maior que uma dada energia de ativação muda com
.
- Aumenta a energia cinética média das moléculas (a média aumenta porque
- A relação quantitativa mais usada é a equação de Arrhenius:
onde é a constante de velocidade, é o fator pré-exponencial (freqüência de colisões eficazes), é a energia de ativação, é a constante dos gases e a temperatura em kelvin. - Note que, na equação de Arrhenius, o efeito do aumento de
aparece exponencialmente: uma pequena variação em pode causar grande variação em . Isso representa exatamente a mudança na fração de moléculas que têm energia suficiente para superar . - Portanto, é falso dizer que aumentar
aumenta a velocidade “apenas” por aumentar a energia cinética média sem alterar a fração de moléculas com . Na verdade, ao aumentar a fração de moléculas com energia maior que aumenta significativamente — e esse aumento dessa fração é essencial para o aumento da constante .
Conclusão sobre II: a proposição II é falsa.
Passo 4
Analisando a proposição III.
Explicação conceitual (com diagrama mental e fórmula):
- Considere um diagrama de energia potencial: reagentes em certo nível de energia, um estado de transição (topo da barreira) em energia mais alta, produtos em outro nível de energia.
- Definições:
-
é a energia de ativação da reação direta (diferença entre energia do TS e dos reagentes). -
é a energia de ativação da reação inversa (diferença entre energia do TS e dos produtos). - A variação de entalpia da reação é
(para nosso propósito energético).
-
- Relação entre elas:
Ou seja, - Para uma reação exotérmica,
. Assim e consequentemente . - Exemplo numérico: se
e , então .
Conclusão sobre III: a proposição III é verdadeira.
Passo 5
Analisando a proposição IV.
Explicação conceitual e exemplo:
- Um catalisador funciona fornecendo um caminho alternativo de reação com estados de transição de energia mais baixa; isto modifica o mecanismo (o conjunto de etapas elementares) e costuma reduzir a(s) energia(s) de ativação.
- Ao alterar o mecanismo, o catalisador pode, sim, modificar qual etapa é a lenta (etapa limitante), porque ao baixar a barreira de uma etapa lenta ela pode deixar de ser a etapa limitante.
- No entanto, a variação de entalpia global da reação,
, depende apenas dos estados inicial e final (reagentes e produtos), que são propriedades de estado. Catalisadores não alteram estados iniciais ou finais, apenas o caminho entre eles. Portanto, o valor de permanece o mesmo. - Exemplo sucinto: sem catalisador uma reação tem duas etapas com altas energias de ativação; com catalisador aparecem novas etapas com menores energias de ativação; a altura dos mínimos relativos (energia dos reagentes e produtos) não muda, logo
inalterada.
Conclusão sobre IV: a proposição IV é verdadeira.
Passo 6
Analisando a proposição V.
Explicação conceitual com exemplos:
- Para reações elementares a ordem da reação coincide com a molecularidade da etapa elementar e, assim, os expoentes na lei de velocidade muitas vezes aparecem iguais aos coeficientes estequiométricos das espécies reagentes nessa etapa.
- Mas para uma reação global que é não elementar (ou seja, composta de várias etapas), a lei de velocidade depende do mecanismo e das etapas elementares envolvidas, especialmente da etapa lenta e do equilíbrio prévio que a precede. Os expoentes experimentais na lei de velocidade não são, em geral, iguais aos coeficientes estequiométricos da equação global.
- Exemplos:
- Reação global:
. Se o mecanismo for (rápido) seguido de (lento), a lei pode ser . Mas outro mecanismo poderia levar a ou outra dependência, dependendo do equilíbrio e das etapas intermediárias. - Outra situação: uma reação global
pode ter lei de velocidade (exponente 2 em ) se houver uma etapa que envolve duas moléculas de no mecanismo, apesar de a equação global mostrar apenas um coeficiente estequiométrico para .
- Reação global:
- Portanto, afirmar que para uma reação não elementar os coeficientes estequiométricos determinam diretamente os expoentes da lei é incorreto.
Conclusão sobre V: a proposição V é falsa.
Passo 7
Resumindo quais proposições são verdadeiras ou falsas com base na análise detalhada:
- I: verdadeira.
- II: falsa.
- III: verdadeira.
- IV: verdadeira.
- V: falsa.
Portanto as proposições corretas são I, III e IV.
Resposta
E