Dr. Kimio - Caso específico: Reação com ar

Questão: 50L de metano são queimados totalmente no ar. Qual o volume de ar gasto sabendo que no processo a temperatura e pressão permanecem constantes e o ar é constituído por 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio?

1° Passo: escrever a equação balanceada do processo.

→ como a queima/combustão é completa (“queimados totalmente”) o combustível (metano) reage com gás oxigênio formando gás carbônico e água.

CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O

2° Passo: balancear a equação.

1CH₄ + 2O₂ → 1CO₂ + 2H₂O

3° Passo: retirar a relação entre o metano e gás oxigênio da equação.

1 mol CH₄ → 2 mols O₂

4° Passo: Como a Temperatura e Pressão são constantes, podemos substituir a unidade mol por litro.

1 L CH₄ → 2 L O₂

Obs.: temperatura e pressão constantes não são a CNTP! Na CNTP 1 mol de gás ocupa 22,4L.

5° Passo: usar regra de três para calcular a quantidade de gás oxigênio necessária para queimar os 50L de metano.

Da equação: 1 L CH₄ → 2 L O₂

                     50 L CH₄ → X

                          X = 100 L de O₂ são gastos na combustão.

6° Passo: Sabendo que no ar há 20% de oxigênio, usamos regra de três para calcular quanto ar é necessário para fornecer os 100 L de oxigênio para a reação.

100 L de O₂ → 20%

X                  → 100%

                 X = 500 L de ar são necessários para que todo o metano seja queimado.

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Caso Específico: Reações sucessivas

A reação de formação de ácido sulfúrico ocorre em três etapas, que estão equacionadas a seguir:

1ª etapa: S + O₂ → SO₂
2ª etapa: SO₂ + ½ O₂ → SO₃
3ª etapa: SO₃ + H₂O→ H₂SO₄

Questão: Qual a massa de ácido sulfúrico produzido a partir de 100 kg de enxofre?

1° Passo: observar as equações e conferir o balanceamento.

→ observando cada etapa e contando os átomos antes da seta/reação (reagentes) e depois da seta/reação (produtos), podemos verificar que em todas as reações as quantidades de átomos de reagentes são iguais às quantidades de átomos nos produtos; porém, na segunda etapa há um coeficiente estequiométrico fracionário. Para retirar essa fração, devemos multiplica-la por 2, porém como as três reações fazem parte de um processo único, devemos multiplicar todos os participantes por 2, resultando:

1ª etapa: 2S + 2O₂ → 2SO₂
2ª etapa: 2SO₂ + 1O₂ → 2SO₃
3ª etapa: 2SO₃ + 2H₂O→ 2H₂SO₄

2° Passo: obter a reação global do processo

→ cortar os participantes que estão em lados opostos (reagentes e produtos), podem ser cortados porque se aparece como reagente e produto, significa que será consumido e produzido no processo.

3° Passo: somar o que restou.

4° Passo: calcular a massa molar do enxofre e ácido sulfúrico

S = 32g/mol

H₂SO₄ = 1g x 2 + 32g + 16g x 4 = 98g/mol

5° Passo: transformar a massa de enxofre (100 kg) para gramas

100 kg = 100.000g de enxofre

6° Passo: usar a equação do processo global para correlacionar o enxofre com ácido sulfúrico.

Da equação:      64g de S (2 mols)  →  196g de H₂SO₄

                               100.000g enxofre →  X

                                          X = 306.250g ou 306,25 kg de Ácido Sulfúrico produzidos.

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Dr. Kimio - Caso específico: Rendimento

O rendimento de um reação indica qual a quantidade de produto foi produzida realmente. Utilizando a equação química balanceada, temos a proporção entre os participantes da reação (reagente e produtos), mas ela indica uma situação ideal, isso é, na qual todos os reagentes são completamente consumidos e no final há apenas produtos.

Tal situação ideal não acontece na realidade devido a vários fatores, dentre eles: erros operacionais (na execução da reação), baixa qualidade dos reagentes (reagentes impuros).

Normalmente, a maioria das reações químicas não ocorre de forma ideal.

Questão: Qual o rendimento da reação a seguir (sem excesso de reagentes) na qual a queima de 10g de álcool produziu 13g de dióxido de carbono?

1º) calcular a massa molar do gás carbônico e álcool etílico;

 CO₂: 12 + 16 x 2 = 44 g/mol (cada 1 mol de CO₂ tem massa de 44 g)

 C₂H₆O: 12 x 2 + 1 x 6 + 16 = 46 g/mol (cada 1 mol de C₂H₆O tem massa de 46 g)

2º) Utilizar a equação balanceada para verificar qual a relação entre as dois participantes;

Da equação temos que quando reage 1 mol de C₂H₆O são formados 2 mols de CO₂.

3º) Montar regra de três com as quantidades;

                  46 g C₂H₆O (1 mol)  → 88 g CO₂ (2 mols)      {Proporção dada pela equação balanceada}

                  10 g C₂H₆O              →  X                                {Dado do problema}

                                                     X = 19,1 g de CO₂ são formados.

No cálculo do rendimento, comparamos a quantidade do reagente (álcool) com a quantidade de produto formada (gás carbônico). Na regra de três acima, na primeira linha está indicada a proporção da equação química balanceada, ou seja, a quantidade ideal da reação. Na linha de baixo colocamos a quantidade de reagente usada para iniciar a reação e fazendo a conta encontramos que deveriam ter sido formados 19,1g de gás carbônico (quantidade ideal).

Obs.: por que colocamos o X no lugar do produto se foi informado que há 13g produzidos? Porque a pergunta refere-se ao rendimento, isto é, quantidade de produto que realmente foi produzida e deve ser comparada com o valor teórico.

Foi informado que houve formação de 13g, desta forma fazemos uma regra de três para determinar qual o rendimento, isso é, a porcentagem formada:

19,1 g de gás carbônico    → 100% (rendimento teórico, máximo)
13,0g de gás carbônico → X        (rendimento real a ser calculado)
                                           
                                          X = 68,1% de rendimento.

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