Baixe Apostila de Físico-Química Expeimental II - aula 05 e outras Notas de aula em PDF para Química Industrial, somente na Docsity! AULA NO 05: EFEITO DOS CATALISADORES SOBRE A VELOCIDADE DE REAÇÃO: CATÁLISE HETEROGÊNEA OBJETIVOS: 1) Determinar experimentalmente a influência do catalisador na velocidade de reação de decomposição da solução de hipoclorito de sódio. 2) Determinar a influência da concentração dos reagentes e da temperatu- ra na velocidade de reação. MATERIAIS: Equipamentos: 01 Proveta de 50,0 mL; 01 Pipeta de 15,0 mL; 01 Tubo de ensaio; 02 Erlenmeyers; 02 Rolhas perfuradas; 01 Suporte metálico; 04 Tubos de vidro (conexões); 02 Mangueiras de silicone; 01 Pinça metálica; 01 Cronômetro. Reagentes: Solução aquosa de nitrato de cobalto (Co(NO3)2 com concen- tração 0,17 mol.L-1; Solução aquosa de hipoclorito de sódio NaOCl a 5% (ou água sanitária); Água destilada. INTRODUÇÃO: CATÁLISE HETEROGÊNEA A catálise heterogênea é um tipo de catálise onde reagentes, pro- dutos e catalisadores encontram-se em uma fase diferente. Este tipo de catálise é muito utilizado em processos industriais da indústria alimentícia, de petróleo, de amoníaco, do controle da poluição, entre outros. Muitos dos aspectos da catálise heterogênea são semelhantes à catálise enzimá- tica, pois envolve também uma ligação dos reagentes ao catalisador. Os catalisadores heterogêneos são normalmente sólidos que têm uma área superficial muito grande, quer porque estão finamente divididos, como o negro de platina, quer porque são bastante porosos como o car- vão ativado. Um catalisador sólido, como um metal ou um sal iônico atua pela adsorção das moléculas do reagente à sua superfície. A concentração superficial dos sítios ativos de um catalisador é muito menor (≅ 1012) do que a concentração dos reagentes na solução líquida ou gasosa. Portanto, um catalisador para ser eficiente tem de aumentar a velocidade da reação catalisada por um fator superior a 1012, de modo a compensar a diferença de concentrações na superfície do catalisador e na solução. A figura 1 apresenta as fases de natureza física e química que existem na reação e que são de caráter geral para este tipo de catálise: i) difusão dos reagentes até o catalisador; ii) adsorção dos reagentes ao catalisador; iii) difusão dos reagentes adsorvidos na superfície do catalisador e reação química entre as moléculas reagentes adsorvidas. iv) desorção dos produtos; v) difusão dos produtos para o meio da solução. Figura 1. Etapas de natureza física e química numa reação catalisada por sólidos Em princípio, qualquer uma destas etapas pode condicionar a ve- locidade da reação. Todavia, um catalisador só deverá ser, devidamente utilizado e, com eficiência máxima, quando for a etapa (iii) que determinar a velocidade da reação. A velocidade de reação pode ser determinada pelas etapas (i) ou (v), que são de natureza física e correspondem ao transporte de massa, mas neste caso a velocidade de reação tem uma ordem parcial em relação ao catalisador inferior à unidade. Como os coefi- cientes de difusão em líquidos são bastantes menores do que em gases, é em líquidos que há maior possibilidade da velocidade ser determinada pela difusão. Nestas situações a velocidade de reação aumenta com a agitação da solução. Figura 2. Diagrama de energia potencial para uma reação catalisada por metal (---) e não catalisada () A figura 2 apresenta a curva de energia potencial das etapas de natureza química, etapas de (ii) a (iv). Através da figura podemos observar que não conveniência numa forte adsorção química dos reagentes e pro- dutos. Uma forte adsorção dos reagentes não permite uma rápida difusão para a superfície do catalisador tendo em vista as colisões moleculares. Por outro lado uma forte adsorção dos produtos envenena o catalisador, pois não permite a adsorção de novos reagentes. Dados que a adsorção química corresponde a uma verdadeira ligação química entre reagentes e catalisador e produtos e catalisador. A adsorção decresce fortemente as constantes de força de certas ligações químicas das moléculas e por isso contribui para baixas energias de ativação das reações catalisadas. Também na catálise heterogênea, para altas concentrações dos reagentes, toda a superfície do catalisador fica coberta por moléculas rea- gentes e a velocidade da reação torna-se independente da concentração do reagente. Já para baixas concentrações dos reagentes, só uma peque- na fração da superfície do catalisador fica coberta e um aumento da con- centração dos reagentes produz um aumento na velocidade de reação. Nesta experiência continuaremos o estudo dos fatores que influ- enciam a velocidade de uma reação, investigando a velocidade de de- composição de uma solução aquosa de hipoclorito de sódio, NaOCl(aq). Utilizaremos uma solução que contenha, aproximadamente, 5% em massa de hipoclorito de sódio, NaOCl como fonte dos íons hipoclorito, OCl−. Es- tes se decompõem de acordo com a seguinte equação: Como a velocidade desta reação é extremamente pequena nas condições normais, usaremos um catalisador sólido, um óxido de cobalto, para acelerar cada uma das reações estudadas. O catalisador será prepa- rado no próprio recipiente da reação, precisamente quando pretendermos iniciar a decomposição, fazendo reagir alguns mililitros de solução 0,17 mol.L-1 de nitrato de cobalto, Co(NO3)2, com uma parte da solução de hi- poclorito de sódio. Admite-se que a reação de formação do catalisador sólido é: −− +→ )aq()g()aq( ClOOCl 22 2 −+−+ ++→++ )aq()aq()s()l()aq()aq( ClHOCoOHOClCo 422 322 3