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Relatório prática 1 de cinética química sobre os aspectos cinéticos da decomposição de peróxido de hidrogênio catalisada por cloreto de ferro (lll).
Tipologia: Trabalhos
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Disciplina: Cinética química
Aspectos cinético da reação de decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada por cloreto de ferro (lll)
Aluna: Rayane Xavier Rosa
Relatório apresentado à disciplina de Cinética Química (QUI198) do curso de química da UFMG. Docente: Marcelo Machado Viana.
16 de junho de 2021
Tratando-se dos peróxidos, compostos com fórmula molecular ( - O-O - ), o peróxido de hidrogênio é o de estrutura mais simples, da qual peróxidos substituídos podem ser sintetizados. Tem fórmula H 2 O 2 e ocorrência natural em baixas concentrações no ar, água, tecidos de plantas e de animais, bactérias e alimentos. É encontrado em mais abundância em atmosferas com alta atividade fotoquímica devido a intensa radiação solar^1. Apesar de não ser inflamável, a decomposição do peróxido de hidrogênio (Reação 1) acontece com liberação de quantidade considerável de gás oxigênio, por isso deve ser manejado cautelosamente quando em altas concentrações, dado o risco de incêndio^2.
𝐻 2 𝑂 2 (𝑙) → 𝐻 2 𝑂(𝑙) + 12 𝑂 2 (𝑔) (Reação 1)
Essa característica tem uso, por exemplo, como substância propulsora de combustíveis^3. Além dessas propriedades o peróxido de hidrogênio tem ação antisséptica e bactericida, de grande importância medicinal^4. Diversas outras aplicabilidades da substância foram responsáveis pela grande popularização do seu uso comercial. Sob o nome comum água oxigenada, o peroxido de hidrogênio é vendido em solução com concentrações indicadas pelos seus chamados volumes, ou quantidade de gás oxigênio liberado na decomposição por litro de solução. A porcentagem da concentração do peróxido equivale a esses volumes pela relação:
%𝐻 2 𝑂 2 = 0,3037𝑉 (Equação 1)
Devido à gama de aplicações, há diferentes maneiras de determinação da concentração de H 2 O 2 dependendo finalidade da análise. Quando aplicados à química ambiental, são comuns métodos de determinação eletroquímica, além de métodos espectrofotométricos (baseados na absorção da radiação UV-visível).^2 Aqui, utilizaremos o método de decomposição com uso de catalisador cloreto de ferro (lll), afim de acelerar o processo e analisar a cinética de reação num período curto de tempo.
Etapa 1 𝐻 2 𝑂 2 (𝑎𝑞) + 𝐹𝑒𝐶𝑙 3 (𝑎𝑞) ↔ {𝐻 2 𝑂 2 … 𝐹𝑒𝐶𝑙 3 }(𝑎𝑞) Etapa 2 {𝐻 2 𝑂 2 … 𝐹𝑒𝐶𝑙 3 }(𝑎𝑞) → 𝐻 2 𝑂(𝑙) + 12 𝑂 2 (𝑔) + 𝐹𝑒𝐶𝑙 3 (𝑎𝑞) (Reação 2)
A reação de decomposição é exotérmica, com cinética de primeira ordem e obedece a lei de velocidade:
𝑑𝑐 𝑑𝑡 = −𝑘𝑐^ (Equação 2)
Em que: c=Concentração; t=tempo; k= Constante de velocidade da reação. A concentração de peróxido se relaciona de forma diretamente proporcional à concentração de catalisador, e no presente experimento considera-se que a reação de decomposição somente inicia no momento que o cloreto de ferro (lll) começa a ser adicionado.
Uma amostra de peróxido de hidrogênio de 100mL foi transferida para o erlenmeyer de 250mL de capacidade, e então foram acrescidos 10mL da solução do catalisador cloreto de ferro(lll). Durante a adição do catalisador, quando a pipeta chega a 5mL inicia-se um cronômetro. A mistura deve então ser agitada por cerca de 8 minutos. A contagem do tempo de reação irá começar durante a adição do catalisador, mais precisamente no meio do processo. Dessa forma, não precisamos assumir uma concentração inicial para o tempo zero, e ela pode ser calculada precisamente pela análise do conjunto dos pontos de tempo versus volume titulado. Isso não seria necessário se a concentração inicial de peróxido fosse conhecida ou se o reagente estivesse puro. Já estando separados sete erlenmeyers de 125 mL com 5 mL de ácido sulfúrico diluído em cada um, amostras de 5 mL da solução reacional foram coletadas em intervalos de três minutos e tituladas uma a uma, registradas de acordo com o tempo e volume de titulante gasto na neutralização.
Tabela1. Titulação com KMnO 4 de alíquotas de diferentes tempos reacionais.
Erlenmeyer Tempo/s VKMnO 4 /cm^3
1 522 8,
2 652 4,
3 833 3,
4 991 2,
5 1142 1,
O indicador da titulação será o próprio permanganato de potássio, que tem a cor violeta e inicia prevalência na mistura reacional quando todo peróxido de hidrogênio tiver sido consumido, indicando o fim da reação.
A reação de decomposição do hidrogênio tem lei de velocidade (equação 2) correspondente à cinética de primeira ordem. A integração da lei fornece a variação da concentração com o tempo na forma:
Que se trata de uma equação de reta em que: LnC = Logaritmo natural da concentração de titulante; t= Tempo; k= constante de velocidade da reação; c 0 = concentração inicial. Os cálculos para integração da lei de velocidade, assim como cálculos adicionais da prática estão contidos no apêndice do presente relatório. Os valores já adaptados para construção da reta são vistos na tabela 2:
Tabela2. Logaritmo natural do volume de KMnO 4 em diferentes instantes de tempo.
Tempo/s lnVKMnO 4
522 2,
652 1,
833 1,
991 0,
1142 0,
1300 0,
1451 - 0,
Utilizando os tempos e logaritmo do volume de permanganato de potássio, foi plotado o gráfico e realizado ajuste linear na curva:
Gráfico 1 - Variação do logaritmo do volume de KMnO4 com o tempo. Produzido com o software SciDAVis 2.4.0.
O valor da inclinação da reta ajustada me dá o valor negativo da constante de velocidade por segundo:
k= 2,24x10-3^ s-
A concentração inicial de peróxido de hidrogênio, ou seja, concentração no tempo zero, é representada pela interseção da reta experimental no eixo y. O valor corresponde ao logaritmo natural do volume de permanganato de potássio usado para titular a mistura
Regressão linear: Tabela 1, Usando função Ax+B de x = 522 a x = 1. B (y-intercepto) = 3,090625 +/- 0,154390 A (inclinação) = -0,002242 +/- 0,
Chi^2 = 0,0769651301497313 R^2 = 0,
Integração da lei de velocidade
0
𝑡
𝑐
𝑐 0
Substituindo: ln [𝐻 2 𝑂 2 ] [𝐻 2 𝑂 2 ] 0 = −𝑘𝑡
Cálculo da concentração inicial:
Intercepto em y= lnV 0 KMnO 4 = 3,0906 V 0 KMnO 4 = 21,99 mL Utilizando a reação 3:
[𝐻 2 𝑂 2 ]𝑉𝐻 2 𝑂 2 =
1molH 2 O 2 ______ 34g 0,088 mol______ x = 2,992g em 1L, equivalente a 0,29%
Pela equação 1: 0,29% = 0,3037𝑉 V=0,98 volumes
Cálculo do tempo de prateleira:
Cálculo do tempo de meia vida, através da lei integrada:
𝐿𝑛 12 = −𝑘𝑡 𝑙𝑛2 = 𝑘𝑡 𝑘 = 𝑙𝑛2𝜏 𝜏 = (^) 2,24x10−3 s−10,693 = 309,44 𝑠
