(Uece) Em uma série de experimentos controlados, um pesquisador fez reagir porções de
de zinco metálico com diferentes volumes de soluções de ácido clorídrico de diferentes títulos, conforme a seguinte equação:
Se, nos vários experimentos efetuados, forem mantidos constantes a massa e o estado de agregação do zinco e também a temperatura e a pressão sob as quais esses experimentos são realizados, escolha a opção que descreve as condições sob as quais pode ser observada a maior velocidade de reação.
a) Experimento I:
2.000 mL de solução contendo
Zn.
b) Experimento II:
1.000 mL de solução contendo
.
c) Experimento III:
500 mL de solução contendo
.
d) Experimento IV:
250 mL de solução contendo
.
a) Experimento I:
2.000 mL de solução contendo
b) Experimento II:
1.000 mL de solução contendo
c) Experimento III:
d) Experimento IV:
Passo 1
O enunciado dá a reação
e pede: entre os quatro experimentos descritos (I, II, III, IV), em qual deles se observa a maior velocidade de reação, quando são mantidos constantes a massa e o estado de agregação do zinco, a temperatura e a pressão.\n
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado:
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado:
- Massa de zinco adicionada em todos os experimentos:
(constante). - Cada experimento usa uma solução de HCl com um dado título (gramas de HCl por litro) e um volume específico:
- Experimento I:
de solução com . - Experimento II:
de solução com . - Experimento III:
de solução com . - Experimento IV:
de solução com .
- Experimento I:
- Temperatura, pressão e estado do zinco são os mesmos em todos (portanto fatores como área superficial e energia média das partículas são considerados constantes entre os experimentos).\n
O objetivo imediato é comparar as condições de cada experimento para decidir onde a velocidade inicial da reação será maior.
Passo 2
Estratégia e conceitos que vou usar (sem resolver ainda):\n
- A velocidade de uma reação heterogênea como essa, em que o reagente gasoso/solução reage com metal, costuma aumentar quando a concentração do reagente em solução (aqui, o HCl) é maior, porque há mais colisões efetivas por unidade de tempo entre íons/HCl e a superfície do zinco. Vou usar essa ideia qualitativa (teoria das colisões / dependência da velocidade em função da concentração) para comparar os experimentos.\n
- Para ser objetivo, vou calcular:
- As mols de zinco presentes.
- As mols totais de HCl presentes em cada experimento (usando o título e o volume — esses dados vieram do enunciado).
- As concentrações molares iniciais de HCl em cada experimento (mol/L).
- Compararei as concentrações molares iniciais: maior concentração molar de HCl => maior velocidade inicial (tudo mais igual). Também verificarei se algum experimento está drasticamente deficiente em HCl (limitante) que pudesse, de alguma forma, alterar a conclusão — mas como a velocidade inicial depende da concentração, isso não muda a escolha do maior valor inicial.
Passo 3
Calcular as mols de zinco adicionadas (dados: massa do Zn e massa atômica do Zn).\n
Massa do zinco: (do enunciado).\n
Massa molar aproximada do zinco: .\n
Número de mols de Zn:
Massa do zinco:
Massa molar aproximada do zinco:
Número de mols de Zn:
Explicação didática: dividir a massa pela massa molar dá quantas mols de átomos de Zn temos. Aqui deu cerca de
.
Passo 4
Calcular a quantidade total (mols) de HCl presente em cada experimento. Vou primeiro achar a massa total de HCl em cada frasco e depois converter para mols usando a massa molar do HCl.\n
Massa molar do HCl: (
arredondado ).\n
Para cada experimento a massa total de HCl é . Esses valores de título e volume foram tirados do enunciado.
Massa molar do HCl:
Para cada experimento a massa total de HCl é
-
Experimento I:
Massa de HCl
Mols de HCl: -
Experimento II:
Massa de HCl
Mols de HCl: -
Experimento III:
Massa de HCl
Mols de HCl: -
Experimento IV:
Massa de HCl
Mols de HCl:
Conclusão intermediária: os quatro experimentos contêm praticamente a mesma quantidade total de HCl (aprox.
). Esse dado veio diretamente dos títulos e volumes fornecidos no enunciado.
Passo 5
Verificar a estequiometria e calcular as concentrações molares iniciais de HCl em cada experimento.\n
- Estequiometria: a reação pede
mol de HCl por mol de Zn. Para precisamos de de HCl — que é exatamente o que cada experimento tem (aprox. ). Logo, a quantidade total de HCl é estequiométrica em relação ao Zn em todos os experimentos.\n - Mesmo tendo a mesma quantidade total de HCl, as concentrações molares iniciais de HCl diferem porque os volumes totais da solução são diferentes. A concentração molar inicial
em cada experimento é dada por
Calculemos:
-
Experimento I:
-
Experimento II:
-
Experimento III:
-
Experimento IV:
Observação didática: aqui note que ao reduzir-se o volume mantendo-se a mesma quantidade de soluto, aumenta-se a concentração. Esses valores mostram que as concentrações dobram de um experimento para o seguinte (I → II → III → IV):
,
,
,
.
Passo 6
Por que isto determina a velocidade da reação? Explicação conceitual e aplicação ao caso.\n
- Conceito importante (explicado de forma simples): a velocidade de uma reação depende de quantas colisões “úteis” entre reagentes ocorrem por unidade de tempo. Em solução, aumentar a concentração de um reagente significa mais partículas por volume, logo maior frequência de colisões entre as partículas do reagente e a superfície do metal — isso tende a aumentar a velocidade inicial da reação.\n
- Em termos de leis de velocidade: mesmo sem saber a ordem exata da reação, se a velocidade depende positivamente de
(o que é o caso usual), então maior leva a maior velocidade inicial, quando os outros fatores (temperatura, superfície do Zn, etc.) são constantes — como é o caso aqui.\n - Aplicando aos números que calculamos: o maior valor de
inicial é no Experimento IV ( ). Logo, a velocidade inicial da reação será maior no Experimento IV.\n - Nota sobre a quantidade total de reagentes: embora todos os experimentos tenham a mesma quantidade total de HCl (e estaquiometricamente suficiente para reagir com todo o Zn), isso só determina a extensão total da reação (quanto se forma de produto), não a velocidade inicial. A velocidade inicial é controlada pela concentração no momento inicial — e isso favorece o experimento com menor volume e maior título, ou seja, o IV.
Passo 7
Resumo final da argumentação (curto e claro): todos os experimentos têm a mesma massa de Zn e a mesma quantidade total de HCl, mas as concentrações iniciais de HCl são diferentes porque os volumes mudam. A maior concentração inicial é em
(
), e, com temperatura e área constantes, maior concentração leva a maior velocidade inicial de reação. Portanto a maior velocidade ocorre no Experimento IV.
Resposta
d) Experimento IV