Quando a reação de decomposição
(g)
(g) foi estudada em condições de pressão alta ou moderada se obteve a seguinte lei de velocidade:
. Quando a mesma reação foi estudada em condições de pressão baixa a lei de velocidade obtida foi
. Discuta detalhadamente um mecanismo de reação compatível com esses resultados.
Passo 1
Beleza, vamos resolver essa questão juntos! O enunciado fala sobre a velocidade de uma reação de decomposição de
em diferentes condições de pressão. Nosso objetivo é discutir um mecanismo de reação que explique como a lei de velocidade muda quando a pressão é alta, moderada ou baixa.
Passo 2
Primeiro, vamos entender as leis de velocidade fornecidas:
-
Pressão alta ou moderada:
- Isso indica uma cinética de primeira ordem, ou seja, a velocidade depende diretamente da concentração do reagente.
-
Pressão baixa:
- Aqui temos uma cinética de segunda ordem, onde a velocidade depende do quadrado da concentração do reagente.
Passo 3
Para explicar isso, precisamos propor um mecanismo que possa se comportar de formas diferentes dependendo da pressão. Uma maneira comum de fazer isso é considerar um mecanismo de duas etapas, onde a primeira etapa é rápida e de equilíbrio, e a segunda etapa é lenta e determina a velocidade da reação.
Passo 4
Vamos supor o seguinte mecanismo:
-
Passo Elementar 1 (rápido e de equilíbrio):
- Aqui, a molécula de
se decompõe rapidamente em e . Esse passo é reversível e atinge um equilíbrio rápido.
- Aqui, a molécula de
-
Passo Elementar 2 (lento):
- Nesse passo, a molécula de
reage com o produzido no passo anterior para formar os produtos finais. Como esse passo é lento, ele controla a velocidade geral da reação.
- Nesse passo, a molécula de
Passo 5
Agora, vamos analisar como esse mecanismo se encaixa nas condições de pressão:
-
Pressão alta ou moderada:
- A concentração de
é relativamente alta devido à alta pressão. - A velocidade depende mais da concentração de
, resultando em uma lei de velocidade de primeira ordem:
- A concentração de
-
Pressão baixa:
- A concentração de
diminui devido à baixa pressão. - A reação depende de duas moléculas de
, resultando em uma lei de velocidade de segunda ordem:
- A concentração de
Resposta
O mecanismo compatível com os resultados observados é um processo de decomposição em duas etapas, onde a primeira etapa é rápida e de equilíbrio, formando
e
, e a segunda etapa é lenta, envolvendo a reação de
com
para formar os produtos finais. Esse mecanismo explica por que a lei de velocidade é de primeira ordem em pressões altas ou moderadas e de segunda ordem em pressões baixas.