(UFC-CE) A Química Ambiental procura, entre outras coisas, adotar formas de atenuar a emissão de substâncias gasosas que depreciam a qualidade do ar. A reação entre os gases monóxido de carbono e oxigênio para produzir dióxido de carbono, de acordo com a equação abaixo, tem grande importância para o estudo ecológico:
2 \mathrm{CO}(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \longrightarrow 2 \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})
Considerando a reação simples, escolha a alternativa correta.
a) A velocidade de formação do dióxido de carbono independe da concentração dos reagentes.
b) A velocidade de formação do dióxido de carbono independe da temperatura do ambiente.
c) A reação química como mostrada acima não está ajustada em sua estequiometria.
d) A reação é de terceira ordem em relação ao monóxido de carbono.
e) A reação é de terceira ordem em relação aos reagentes.

Passo 1

O enunciado apresenta a reação
2\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g})\longrightarrow 2\mathrm{CO}_2(\mathrm{g}).
Pergunta: entre as alternativas (a) a (e), qual é a correta considerando “a reação simples” dada. Informações relevantes fornecidas:
  • Equação química com coeficientes estequiométricos 2, 1 e 2.
  • A expressão “reação simples” sugere que a equação pode ser tratada como uma etapa elementar (ou seja, a reação ocorre tal como está representada, sem mecanismo complexo).
  • As alternativas tratam de dependência da velocidade com respeito às concentrações, temperatura e ordem da reação.

Passo 2

Verificação rápida da estequiometria (balanceamento): conte átomos nos dois lados.
  • Carbono: à esquerda 2 átomos (dos 2\mathrm{CO}); à direita 2 átomos (dos 2\mathrm{CO}_2).
  • Oxigênio: à esquerda 2\cdot1+2=4 átomos; à direita 2\cdot2=4 átomos.
    Conclusão: a equação está balanceada (não há desequilíbrio estequiométrico).

Passo 3

Explicação didática sobre velocidade de reação, lei de velocidade e ordem:
  • A velocidade instantânea de uma reação (frequentemente denotada por v ou r) costuma obedecer a uma lei de velocidade experimental do tipo
v = k\,[\text{reagente}_1]^{\alpha}\,[\text{reagente}_2]^{\beta}\cdots,
onde k é a constante de velocidade (depende da temperatura) e os expoentes \alpha,\beta,\ldots são as ordens parciais da reação em relação a cada reagente.
  • A ordem total da reação é a soma dos expoentes: \text{ordem total}=\alpha+\beta+\cdots.
  • Importante: esses expoentes são, em geral, determinados experimentalmente; porém, se a reação é elementar (uma única etapa), a lei de velocidade segue diretamente da estequiometria da etapa elementar: os expoentes correspondem aos coeficientes estequiométricos dos reagentes na etapa elementar.
  • A constante k depende fortemente da temperatura segundo a equação de Arrhenius:
k=A\,e^{-E_a/(RT)},
onde A é o fator pré-exponencial, E_a a energia de ativação, R a constante dos gases e T a temperatura absoluta. Logo, a velocidade geralmente depende da temperatura.

Passo 4

Aplicando ao caso “reação simples” (elementar) dada:
  • Se tratarmos a reação como elementar, a lei de velocidade é diretamente obtida pelos coeficientes estequiométricos dos reagentes. Assim a forma da lei é
v = k\,[\mathrm{CO}]^{2}\,[\mathrm{O}_2]^{1}.
  • Aqui o expoente de [\mathrm{CO}] é 2, o expoente de [\mathrm{O}_2] é 1.
  • Ordem total da reação é 2+1=3, ou seja, terceira ordem global.

Passo 5

Avaliação das alternativas (usando as conclusões acima), explicando por que cada uma é falsa ou consistente com a dedução:
a) “A velocidade de formação do dióxido de carbono independe da concentração dos reagentes.” — Falsa. Para quase todas as reações a velocidade depende das concentrações via a lei de velocidade; no caso elementar aqui, depende explicitamente de [\mathrm{CO}] e [\mathrm{O}_2].
b) “A velocidade de formação do dióxido de carbono independe da temperatura do ambiente.” — Falsa. A constante k depende da temperatura segundo a equação de Arrhenius, então a velocidade normalmente varia com T.
c) “A reação química como mostrada acima não está ajustada em sua estequiometria.” — Falsa. Verificamos no Passo 2 que a equação está balanceada (átomos de C e O conferem).
d) “A reação é de terceira ordem em relação ao monóxido de carbono.” — Falsa. Em relação ao \mathrm{CO} a ordem parcial, para uma etapa elementar, é 2 (porque há coeficiente 2). "Terceira ordem em relação ao \mathrm{CO}" significaria expoente 3 em [\mathrm{CO}], o que não é o caso.
e) “A reação é de terceira ordem em relação aos reagentes.” — A dedução do Passo 4 mostrou que a ordem total é 2 (para \mathrm{CO}) mais 1 (para \mathrm{O}_2), dando ordem total 3. Isso coincide com a afirmação da alternativa que diz que a reação é de terceira ordem em relação aos reagentes (i.e., ordem global 3).

Resposta

e)

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