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Química Aplicada ao Ambiente Relações Mássicas em Reacção Química Estequiometria Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico.

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1 Química Aplicada ao Ambiente Relações Mássicas em Reacção Química Estequiometria Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico de Tomar, Fevereiro,2014 CET: ESTTQA-TMR1

2 Equações Químicas Uma transformação química é denominada reacção química. Para representar uma transformação usamos uma equação química. Uma equação química utiliza símbolos químicos para mostrar o que ocorre durante uma reacção química. H 2 + O 2 H 2 O Para estar de acordo com a lei da conservação da massa terá de haver o mesmo número de cada tipo de átomos em ambos os lados da equação. 2H 2 + O 2 2H 2 O Esta equação química está acertada. Mostra que duas moléculas de hidrogénio podem combinar-se ou reagir com uma molécula de oxigénio para formar duas moléculas de água.

3 Como a razão do número de moléculas é igual à razão do número de moles, podemos igualmente afirmar que duas moles de moléculas de hidrogénio reagem com uma mole de moléculas de oxigénio para produzir duas moles de moléculas de água. ReagentesProdutos da reacção Para fornecer informação adicional, os químicos indicam frequentemente os estados de agregação dos reagentes e produtos. Por exemplo: 2 P(s) + 3 Cl 2 (g) 2 PCl 3 (l)

4 Um exemplo da reacção do hidrogénio com o oxigénio….

5 Acerto de equações químicas Identificar todos os reagentes e produtos da reacção e escrever as suas fórmulas correctas no lado esquerdo e direito da equação Podemos apenas mudar coeficientes (os números que precedem as fórmulas) mas não os índices (os números no seio das fórmulas). Por exemplo 2 NO 2 N 2 O 4 Olhar para os elementos que aparecem apenas uma vez em cada lado da equação e com o mesmo número de átomos. As fórmulas contendo estes elementos devem ter o mesmo coeficiente. Em seguida olhar para os elementos que aparecem apenas uma vez, mas com diferente número de átomos. Acertar estes elementos. Finalmente acertar os elementos em duas ou mais fórmulas de um dos lados da equação. Verificar a equação acertada para se certificar que o número total de cada tipo de átomos, em ambos os lados da equação, é o mesmo.

6 Exemplo(s) KClO 3 KCl + O 2 2 KClO 3 KCl + 3 O 2 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 C 2 H 6 + O 2 CO 2 + H 2 O C 2 H 6 + O 2 2 CO 2 + H 2 O C 2 H 6 + O 2 2 CO H 2 O C 2 H 6 + 7/2 O 2 2 CO H 2 O 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O Produção de oxigénio no lab. Combustão (queima) do etano ao ar

7 Química Aplicada: O ácido fosfórico O ácido fosfórico, H 3 PO 4, é um dos produtos químicos mais produzidos industrialmente no mundo. É utilizado na produção de fertilizantes, em detergentes e na indústria alimentar. Pode ser produzido queimando fósforo(P 4 ) ao ar obtendo-se decaóxido de tetrafósforo (P 4 O 10 ). Este passo é seguido pela reacção com água para dar o ácido fosfórico. P 4 + O 2 P 4 O 10 P 4 (s) + 5 O 2 (g) P 4 O 10 (s) P 4 O 10 + H 2 O H 3 PO 4 P 4 O 10 + H 2 O 4 H 3 PO 4 P 4 O 10 (s) + 6 H 2 O (l) 4 H 3 PO 4 (aq)

8 Exercício 1. Acerte as seguintes equações: a) Mg + O 2 MgO b) N 2 + H 2 NH 3 c) S 8 + O 2 SO 2 d) NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 e) CO 2 + KOH K 2 CO 3 + H 2 O f) C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O g) NH 3 + CuO Cu + N 2 + H 2 O

9 Quantidades de reagentes e produtos As relações mássicas entre reagentes e produtos numa reacção química representam a estequiometria da reacção. Uma reacção química acertada mostra a estequiometria da reacção: relação entre as quantidades, em número de moles, de reagentes e produtos numa dada reacção química. Na prática, as unidades usadas para reagentes (ou produtos) são moles, gramas ou litros (para gases). Independentemente da unidade usada a maneira de determinar a quantidade de produto formado numa reacção é o método da mole. 2 CO(g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) Coeficientes estequiométricos

10 Massa de reagente(s) Volume de reagente(s) nº de moles de reagente(s) Estequiometria nº de moles de produto(s) Massa de produto(s) Volume de produto(s) Cálculos estequiométricos

11 Exercício 2: Uma equação global para o processo de degradação da glucose em dióxido de carbono e água é: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O. Se forem consumidos 856 g de glucose qual a massa de CO 2 produzida? Exercício 3: O metanol é queimado ao ar de acordo com a equação: 2 CH 3 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O. Se forem consumidos 209 g de metanol, qual a massa de H2O produzida? Exercício 4: A fermentação é um processo químico complexo em que a glucose é convertida em etanol e dióxido de carbono (C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 ). Partindo de g de glucose qual a quantidade máxima de etanol, em litros, que se pode obter neste processo? Densidade do etanol = g/mL. Exercício 5: O fertilizante sulfato de amónio é preparado pela reacção entre o amoníaco e o ácido sulfúrico, 2 NH 3 (g) + H 2 SO 4 (aq) (NH 4 ) 2 SO 4 (aq). Quantos quilogramas de NH3 são necessários para produzir 1 ton de fertilizante?

12 Reagente limitante O reagente consumido em primeiro lugar numa reacção química é designado reagente limitante. Os outros reagentes dizem-se em excesso. A quantidade máxima de produto formado depende da quantidade inicial daquele reagente.

13 Exercício 6: A ureia é utilizada como fertilizante, bem como na indústria de polímeros. É preparada através da reacção: 2 NH 3 (g) + CO 2 (g) (NH 2 ) 2 CO(aq) + H 2 O(l). Num dado processo g de NH 3 são postos a reagir com 1142 g de CO 2. Qual dos reagentes é o limitante? Calcular a massa de ureia formada. Exercício 7: Para produzir metanol, misturam-se 356 g de monóxido de carbono com 65 g de hidrogénio. Qual o reagente limitante e qual a quantidade máxima de metanol produzido? A reacção é: CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (l) Exercício 8: O propano é um combustível bastante utilizado. Acerte a equação que representa a combustão do propano ao ar: C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O. Qual a massa de CO 2 produzida na combustão de 3.65 g de propano em excesso de oxigénio?

14 Rendimento das reacções A conversão máxima de uma reacção é a quantidade de produto que se espera obter pela reacção acertada, quando todo o reagente limitante foi consumido. O rendimento,, é obtido a partir de: O rendimento de uma reacção pode variar entre 0 e 100%, e depende frequentemente das condições de pressão e temperatura.

15 Exercício 9: O titânio é um metal utilizado na construção de motores e aeronaves. É preparado a temperaturas entre 950 °C e 1150 °C, através da reacção: TiCl 4 (g) + 2 Mg(l) Ti(s) + 2 MgCl 2 (l). Num dado processo 3.54×10 4 kg de TiCl 4 reagem com 1.13×10 4 kg de Mg. Calcule a conversão máxima de Ti em kg; Se efectivamente forem obtidos 7.1×10 3 kg de Ti, qual o rendimento da reacção? Exercício 10: A nitroglicerina é um explosivo potente, que liberta uma grande quantidade de calor e gases, através da reacção: 4C 3 H 5 N 3 O 9 6N CO H 2 O + O 2. Qual a quantidade máxima de O 2 que pode ser obtida a partir de 200 g de nitroglicerina? Se a quantidade de O 2 gerada for 6.55 g, calcular o rendimento da reacção. Exercício 11: O fluoreto de hidrogénio, HF, é utilizado no fabrico de fréons (que destroem o ozono na estratosfera). O modo de preparação é descrito por: CaF 2 + H 2 SO 4 CaSO HF Num dado processo 6 kg de CaF 2 são tratados com excesso de ácido originando 2.86 kg de HF. Calcular o rendimento da reacção.

16 Aplicando ao Ambiente….. Exercício 12: O esquema mostra a reacção de transesterificação para formar biodiesel. Numa fábrica de produção de biodiesel, fez-se reagir 1200 gramas de óleo e obtiveram- se 1092 gramas de biodiesel. Calcular o rendimento desta reacção.

17 Exercício14. Na desinfecção de uma água residual, adiciona-se Cl 2 (g) em quantidade estequiométrica, de acordo com a equação: Cl 2 (g) + NH 3 (aq) HCl(aq) + N 2 (g) Considere uma água residual contendo 5 mg/L de NH Acerte a equação Determine a massa de Cl 2 que deve ser adicionada por litro de água residual. Exercício 13. Numa siderurgia, a obtenção de ferro metálico a partir da hematite envolve a seguinte reacção (não acertada): Fe 2 O 3 (s) + CO(g) Fe(s) + CO 2 (g). O CO 2 é libertado para a atmosfera, podendo ter um impacto ambiental grave relacionado com o efeito estufa. Qual o número de moléculas de CO 2 liberadas na atmosfera, quando um mol de óxido de ferro (III) é consumido na reacção?


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