Questão 34.
Com base nos princípios da cinética quimica, analise as proposições a seguir.
  1. 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.

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:
  1. 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 A + B \rightarrow \text{produtos}) 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 \rightarrow \text{produtos}, a velocidade tem a forma \,v = k[A]\,.
    • Se é bimolecular: A + B \rightarrow \text{produtos}, a velocidade tem a forma \,v = k[A][B]\,.
    • Se é termolecular (raro): A + B + C \rightarrow, teria \,v = k[A][B][C]\,.
  • A ideia física: para a etapa bimolecular ocorrer é preciso que A e B 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:
    1. Aumenta a energia cinética média das moléculas (a média aumenta porque \langle E_{\text{cin}}\rangle \propto T para um gás ideal).
    2. 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 T.
  • A relação quantitativa mais usada é a equação de Arrhenius: k = A \exp\!\left(-\frac{E_a}{RT}\right),onde k é a constante de velocidade, A é o fator pré-exponencial (freqüência de colisões eficazes), E_a é a energia de ativação, R é a constante dos gases e T a temperatura em kelvin.
  • Note que, na equação de Arrhenius, o efeito do aumento de T aparece exponencialmente: uma pequena variação em T pode causar grande variação em \exp(-E_a/RT). Isso representa exatamente a mudança na fração de moléculas que têm energia suficiente para superar E_a.
  • Portanto, é falso dizer que aumentar T aumenta a velocidade “apenas” por aumentar a energia cinética média sem alterar a fração de moléculas com E\ge E_a. Na verdade, ao aumentar T a fração de moléculas com energia maior que E_a aumenta significativamente — e esse aumento dessa fração é essencial para o aumento da constante k.
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:
    • \,E_{a,\text{fwd}}\, é a energia de ativação da reação direta (diferença entre energia do TS e dos reagentes).
    • \,E_{a,\text{rev}}\, é a energia de ativação da reação inversa (diferença entre energia do TS e dos produtos).
    • A variação de entalpia da reação é \,\Delta H = E_{\text{prod}} - E_{\text{reag}}\, (para nosso propósito energético).
  • Relação entre elas: E_{a,\text{rev}} - E_{a,\text{fwd}} = E_{\text{reag}} - E_{\text{prod}} = -\Delta H.Ou seja, E_{a,\text{rev}} = E_{a,\text{fwd}} - \Delta H.
  • Para uma reação exotérmica, \Delta H < 0. Assim -\Delta H > 0 e consequentemente E_{a,\text{rev}} > E_{a,\text{fwd}}.
  • Exemplo numérico: se E_{a,\text{fwd}}=50\\ \text{kJ/mol} e \Delta H = -100\\ \text{kJ/mol}, então E_{a,\text{rev}} = 50 - (-100) = 150\\ \text{kJ/mol}.
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, \Delta H, 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 \Delta H 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 \Delta H 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: 2A \rightarrow \text{prod}. Se o mecanismo for A \rightleftharpoons A^* (rápido) seguido de A^* + A \rightarrow \text{prod} (lento), a lei pode ser \,v = k[A]^2\,. Mas outro mecanismo poderia levar a \,v = k[A]\, ou outra dependência, dependendo do equilíbrio e das etapas intermediárias.
    • Outra situação: uma reação global A + B \rightarrow \text{prod} pode ter lei de velocidade \,v = k[A]^2[B]\, (exponente 2 em A) se houver uma etapa que envolve duas moléculas de A no mecanismo, apesar de a equação global mostrar apenas um coeficiente estequiométrico 1 para A.
  • 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

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