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

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. H2 + O2  H2O 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. 2H2 + O2  2H2O 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.

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”. Reagentes Produtos da reacção Para fornecer informação adicional, os químicos indicam frequentemente os estados de agregação dos reagentes e produtos. Por exemplo: 2 P(s) + 3 Cl2(g)  2 PCl3 (l)

Um exemplo da reacção do hidrogénio com o oxigénio….

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 NO2  N2O4 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.

Exemplo(s) Produção de oxigénio no lab. KClO3  KCl + O2 C2H6 + O2  CO2 + H2O C2H6 + O2  2 CO2 + H2O C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O C2H6 + 7/2 O2  2 CO2 + 3 H2O 2 C2H6 + 7 O2  4 CO2 + 6 H2O Combustão (queima) do etano ao ar

Química Aplicada: O ácido fosfórico O ácido fosfórico, H3PO4, 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(P4) ao ar obtendo-se decaóxido de tetrafósforo (P4O10). Este passo é seguido pela reacção com água para dar o ácido fosfórico. P4 + O2  P4O10 P4(s) + 5 O2(g)  P4O10(s) P4O10 + H2O  H3PO4 P4O10 + H2O  4 H3PO4 P4O10 (s) + 6 H2O (l)  4 H3PO4(aq)

Exercício 1. Acerte as seguintes equações: a) Mg + O2  MgO b) N2 + H2  NH3 c) S8 + O2  SO2 d) NaHCO3  Na2CO3 + H2O + CO2 e) CO2 + KOH  K2CO3 + H2O f) C3H8 + O2  CO2 + H2O g) NH3 + CuO  Cu + N2 + H2O

Quantidades de reagentes e produtos As relações mássicas entre reagentes e produtos numa reacção química representam a estequiometria da reacção. 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. 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. 2 CO(g) + O2(g)  2 CO2(g) Coeficientes estequiométricos

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

Exercício 2: Uma equação global para o processo de degradação da glucose em dióxido de carbono e água é: C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O. Se forem consumidos 856 g de glucose qual a massa de CO2 produzida? Exercício 3: O metanol é queimado ao ar de acordo com a equação: 2 CH3OH + 3 O2  2 CO2 + 4 H2O. 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 (C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2). Partindo de 500.4 g de glucose qual a quantidade máxima de etanol, em litros, que se pode obter neste processo? Densidade do etanol = 0.789 g/mL. Exercício 5: O fertilizante sulfato de amónio é preparado pela reacção entre o amoníaco e o ácido sulfúrico, 2 NH3(g) + H2SO4(aq)  (NH4)2SO4 (aq). Quantos quilogramas de NH3 são necessários para produzir 1 ton de fertilizante?

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.

Exercício 6: A ureia é utilizada como fertilizante, bem como na indústria de polímeros. É preparada através da reacção: 2 NH3(g) + CO2(g)  (NH2)2CO(aq) + H2O(l). Num dado processo 637.2 g de NH3 são postos a reagir com 1142 g de CO2. 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 H2 (g)  CH3OH (l) Exercício 8: O propano é um combustível bastante utilizado. Acerte a equação que representa a combustão do propano ao ar: C3H8 + O2  CO2 + H2O. Qual a massa de CO2 produzida na combustão de 3.65 g de propano em excesso de oxigénio?

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.

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: TiCl4(g) + 2 Mg(l)  Ti(s) + 2 MgCl2(l). Num dado processo 3.54×104 kg de TiCl4 reagem com 1.13×104 kg de Mg. Calcule a conversão máxima de Ti em kg; Se efectivamente forem obtidos 7.1×103 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: 4C3H5N3O9  6N2 + 12CO2 + 10H2O + O2. Qual a quantidade máxima de O2 que pode ser obtida a partir de 200 g de nitroglicerina? Se a quantidade de O2 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: CaF2 + H2SO4  CaSO4 + 2 HF Num dado processo 6 kg de CaF2 são tratados com excesso de ácido originando 2.86 kg de HF. Calcular o rendimento da reacção.

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.

Exercício 13. Numa siderurgia, a obtenção de ferro metálico a partir da hematite envolve a seguinte reacção (não acertada): Fe2O3(s) + CO(g)  Fe(s) + CO2(g). O CO2 é libertado para a atmosfera, podendo ter um impacto ambiental grave relacionado com o efeito estufa. Qual o número de moléculas de CO2 liberadas na atmosfera, quando um mol de óxido de ferro (III) é consumido na reacção? Exercício14. Na desinfecção de uma água residual, adiciona-se Cl2(g) em quantidade estequiométrica , de acordo com a equação: Cl2(g) + NH3(aq)  HCl(aq) + N2(g) Considere uma água residual contendo 5 mg/L de NH3. 14.1. Acerte a equação. 14.2. Determine a massa de Cl2 que deve ser adicionada por litro de água residual.