Cálculos envolvendo reações

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1 Cálculos envolvendo reações

2 Cálculo Estequiométrico Estuda as relações que ocorrem entre as quantidades de substâncias que participam de uma transformação química No cálculo estequiométrico são comparados valores de mol, massa ou volume; a pureza da substância também é levada em conta 1. Escrever a equação devidamente balanceada. 2. Escrever as proporções molares de cada uma das substâncias envolvidas na reação. 3. Identificar de que substâncias são fornecidos dados e de quais se deseja obter valores. 4. Relacionar o(s) dado(s) fornecido(s) (substância conhecida) com o que se quer obter da(s) substância(s) desconhecida(s).

3 Exemplos: 1) Que massa de enxofre reage com 1,12 g de ferro, formando sulfeto de ferro II? 56 x = 1, x = 35,84/56 x = 0,64 g

4 2) Que massa de água é obtida na reação de 8 mol de gás oxigênio com hidrogênio, suficiente para consumir todo o oxigênio?

5 3) Em julho de 1997, uma explosão danificou um avião da TAM em pleno vôo, fazendo uma vítima fatal. Algum tempo depois, a perícia constatou que a explosão se deveu a uma bomba que tinha, como um dos componentes, o nitrato de amônio. A decomposição térmica do nitrato de amônio produz grande volume de gases e considerável quantidade de calor, de acordo com a reação: Supondo que o fabricante dessa bomba tivesse utilizado 160 g de nitrato de amônio, qual seria o volume total de gás liberado, nas CNTP, em litros? massas molares: NH 4 NO 3 = 80 g/mol, N 2 = 28 g/mol,o 2 = 32 g/mol e H 2 O = 18 g/mol)

6 1 mol 1mol ½ mol 2mol 80g 22,4 L ½ x 22,4 L 2 x 22,4L 80g 160g 78,4 L x x = ( 160 x 78,4)/80 x = 156,8L

7 Cálculo Estequiométrico Os cálculos estequiométricos vistos até agora referem-se a condições teóricas. Em algumas reações os reagentes e/ou produtos gasosos estão fora das condições padrão. Os produtos podem ser obtidos por meio de reações consecutivas, Muitas vezes os reagentes são misturados em quantidades NÃO estequiométricas ou apresentam impurezas. Nem sempre,as reações ocorrem com aproveitamento total, ou seja, nem sempre todo reagente é transformado em produto. Minério de ouro Ouro

8 Cálculo Estequiométrico Quando os produtos são obtidos através de uma sequência de reações químicas. Ex: a síntese do ácido sulfúrico Nesse tipo de problema é indispensável que: todas as equações estejam balanceadas individualmente; as substâncias intermediárias (no caso SO 2 e SO 3 ) sejam canceladas; em certos problemas, isso obriga a multiplicar ou dividir uma ou outra equação por números convenientes, que levem ao cancelamento desejado

9 Exemplos: 1) Duas das reações que ocorrem na produção do ferro são representadas por: C (s) + O 2 (g) CO (g) Fe 2 O 3 (s) + CO (g) + Fe (s) CO 2 (g) O monóxido de carbono formado na primeira reação é consumido na segunda. Considerando apenas essas duas etapas do processo, calcule a massa aproximada, em quilogramas, de carvão consumido na produção de 56kg de ferro 2) Considere as reações : HCOOH (l) CO ( g ) + H 2 O (l) 4 CO (g) + Ni (s) Ni(CO) 4(l) Admitindo que a quantidade de CO obtida pela decomposição total de 10 mol de HCOOH seja totalmente aproveitada na produção de Ni(CO) 4, quantos mols desta última substância serão obtidos?

10 3) Certa massa de ferro reage com oxigênio, originando o óxido férrico; a seguir, este último reage com ácido sulfúrico produzindo 80,0 g de sulfato férrico. Qual a massa inicial de ferro? 4) Da reação entre o peróxido de bário e ácido sulfúrico resultam água oxigenada e um precipitado. A água oxigenada assim obtida pode ser decomposta na presença de luz e com a adição de catalisadores. Relativamente às transformações descritas, pedem-se: a) As equações das reações de formação e decomposição do H 2 O 2. b) A massa de peróxido de bário necessária para que sejam produzidos 5,60 L de gás oxigênio, medidos nas CNTP. 5) O gás hidrogênio liberado na reação de alumínio com ácido clorídrico reage completamente com óxido cúprico produzindo 12,6 g de cobre metálico e água. Qual a massa de alumínio que reagiu com o ácido clorídrico?

11 Cálculo Estequiométrico Misturamos reagentes que não estão em proporção estequiométrica Reagente limitante: consumido totalmente Reagente em excesso: sobra certa quantidade

12 Exemplos: 1)Nas indústrias petroquímicas, enxofre pode ser obtido pela reação: 2 H 2 S + SO 2 3 S + 2 H 2 O a) Qual é a quantidade máxima de enxofre, em gramas, que pode ser obtida partindo-se de 5,0 mol de H 2 S e 2,0 mol de SO 2? b) Qual o reagente limitante e o reagente em excesso? 2) 400 g de NaOH são adicionados a 504 g de HNO 3. Calcule: a) a massa de sal obtida; b) a massa do reagente em excesso, se houver. 3) Quando cobre metálico é aquecido com enxofre, por síntese, formase sulfeto de cobre I. Aquecendo 100 g de cobre e 50,0 g de enxofre: a) Determine a massa de sal obtida; b) Identifique o reagente em excesso e o limitante; c) Determine a massa do reagente em excesso.

13 4) O gás de cozinha é formado principalmente pelos gases butano e propano. A reação que ocorre no queimador do fogão é a combustão destes gases. A equação não equilibrada abaixo representa a combustão do butano. C 4 H 10 + O 2 CO 2 + H 2 O Determine a massa de água que pode ser obtida a partir da mistura de 10,0 g de butano com 10,0 g de oxigênio é 5) Um astronauta elimina cerca de 450 L de gás carbônico por dia (CNTP). Suponha que se utilize hidróxido de lítio para absorver o gás produzido. a) Qual a massa de hidróxido de lítio necessária por dia de viagem? b) Que massa (em gramas) de água será formada quando 4,0 mol de hidróxido de lítio reagir com 3,0 mol de gás carbônico?

14 Cálculo Estequiométrico Normalmente, trabalhamos com substâncias que apresentam certa porcentagem de impurezas. Pirita (FeS 2 ) obtenção de ferro Encontrado na natureza junto a pequenas quantidades de níquel, cobalto ouro e cobre, minério com 92% de pureza Duas possibilidades de cálculos a)cálculo da massa de produto obtido a partir de uma amostra impura b)determinação da massa de reagente necessária para obtenção de um produto.

15 Exemplos 1) Uma amostra de magnésio com 80% de pureza reage com oxigênio produzindo óxido de magnésio. Determine a massa de óxido de magnésio produzida. 2) A decomposição térmica do carbonato de cálcio produz dióxido de carbono e oxido de cálcio. Determine a massa de uma amostra de carbonato de cálcio, com 80% de pureza, que na decomposição térmica produziu 84g de óxido de cálcio. 3) Deseja-se obter 180 L de dióxido de carbono, medidos nas condições normais, pela calcinação de um calcário, carbonato de cálcio, de 90% de pureza. Qual é a massa de calcário necessária? 4) Uma amostra de 340,0 g de salitre-do-chile, cujo teor em nitrato de sódio é de 75%, reage com ácido sulfúrico concentrado, produzindo bissulfato de sódio (NaHSO 4 ) e ácido nítrico. Determine a massa mínima de ácido, necessária para reagir com todo o nitrato de sódio

16 5) Os combustíveis fósseis, como carvão e petróleo, apresentam impurezas, dentre elas o enxofre. Na queima desses combustíveis, são lançados na atmosfera óxidos de enxofre que, em determinadas condições, são oxidados e, em contato com a umidade do ar, se transformam em ácido sulfúrico. Este último precipita sob forma de chuva ácida, causando sérios danos ao meio ambiente. Esses fenômenos estão representados pelas equações: S + O 2 SO 2 SO 2 + ½ O 2 SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 A massa de ácido sulfúrico formada com a queima total de 12,8 kg de carvão contendo 2,5% em massa de enxofre é igual a: a) 0,32 kg c) 0,98 kg e) 1,32 kg b) 0,64 kg d) 1,28 kg 6) 100 g de carbonato de cálcio impuro são tratados com ácido clorídrico. O gás, recolhido convenientemente, pesou 39,6 g. Admitindose que as impurezas não reajam com HCl, qual a pureza do carbonato de cálcio.

17 Cálculo Estequiométrico Na prática, quando realizamos uma reação química, mesmo utilizando quantidades estequiométricas dos reagentes, nem sempre conseguimos obter a quantidade máxima possível dos produtos É comum que a reação ocorra com um rendimento real menor que o rendimento teórico ( 100%) Duas possibilidades de cálculos a)cálculo da massa conhecendo o rendimento da reação b)determinação do rendimento a partir das massas dos reagentes e produtos

18 Exemplos 1) Sabe-se que o cobre metálico reage com ácido nítrico diluído e produz óxido de nitrogênio II, água e um composto iônico no qual o cobre tem número de oxidação +2. a) Formule e ajuste a equação da reação entre cobre e ácido nítrico diluído. b) Calcule a massa de metal que deve reagir com o ácido nítrico e produzir 4,48 L de gás (CNPT), em um processo no qual o rendimento é de 50%. 2) Um processo de obtenção do ferro metálico é a partir da hematita. A hematita é essencialmente óxido de ferro III, o qual reage com carvão produzindo ferro metálico e monóxido de carbono. Utilizando-se 4,8 toneladas (t) de minério e admitindo-se um rendimento de 80% na reação, qual será a quantidade de ferro produzida? 3) Uma massa de 32,70 g de zinco metálico reage com uma solução concentrada de hidróxido de sódio, produzindo 64,53 g de zincato de sódio (Na 2 ZnO 2 ). Qual é o rendimento dessa reação?

19 4) 65 kg de zinco em pó foram atacados por ácido clorídrico, produzindo um sal e liberando gás hidrogênio. Determine o rendimento desta reação, sabendo que a massa de hidrogênio obtida foi de 1,5 kg. 5) A combustão de uma determinada massa de enxofre gerou 6,4 g de dióxido de enxofre. Sabendo-se que o rendimento é 80%, pede-se: a) a massa de enxofre usada; b) o volume de O 2 gasto ( CNTP) 6) A nitroglicerina (C 3 H 5 N 3 O 9( ), sob impacto, decompõe-se produzindo gases que, ao se expandirem, provocam uma violenta explosão. 4 C 3 H 5 N 3 O 9(l) impacto 6 N 2 (g) + O 2(g) + 12 CO 2 (g) + 10 H 2 O (g) Calcule o volume, em litros, dos gases produzidos pela explosão de 908 g de nitroglicerina,considerando um rendimento de reação de 85%. Dados: massa molar da nitroglicerina = 227 g/mol; volume molar dos gases = 35L/mol

20 Cálculo Estequiométrico O volume molar só pode ser utilizado nas condições normais de pressão e temperatura(cntp) Em condições diferentes devemos calcular os volumes gasosos utilizando : Equação de Estado dos Gases Perfeitos ou Equação de Clapeyron.

21 Exemplos: 1) A pirolusita (mineral cujo principal constituinte é o óxido de manganês IV) reage com ácido clorídrico produzindo cloreto de manganês II, água e cloro gasoso. a) Que volume de cloro (em litros) pode ser obtido, nas CNTP, a partir de 43,5 g de óxido de manganês IV? b) Que volume de cloro (em litros) pode ser obtido a partir de 43,5 g de óxido de manganês IV, se a reação ocorrer a uma temperatura de 25 C e 2 atm? 2) O peróxido de bário se decompõe a altas temperaturas em óxido de bário e gás oxigênio. a) Determine o volume de gás oxigênio liberado na decomposição térmica de 33,8g de peróxido de bário, nas CNTP. b) Determine o volume de oxigênio liberado, a 27ºC e 1,00 atm, na decomposição térmica de 33,8 g de peróxido de bário. Constante universal dos gases: R = 0,082 atm. L. mol -1. K -1.

22 3) Um dos gases responsáveis pelo aquecimento da Terra é o CO 2 (g), presente na atmosfera. Atendendo ao Protocolo de Kioto, uma das tecnologias empregadas na redução dos teores deste gás está baseada na reação entre este gás e o óxido de cálcio dando origem ao carbonato de cálcio. a) Se um determinado dispositivo contém 560 g de CaO(s), qual é o volume de CO 2 (g) que pode ser removido, nas CNTP? b) Se um determinado dispositivo contém 560 g de CaO(s), qual é o volume de CO 2 (g) que pode ser removido, a 27 C e 1 atm? 4) Uma das maneiras de impedir que o SO 2, um dos responsáveis pela chuva ácida, seja liberado para a atmosfera é tratá-lo previamente com óxido de magnésio, em presença de ar (O 2 ), dando origem ao sulfato de magnésio. Supondo que esta reação ocorra a temperatura ambiente, 25 C e 1atm, a partir de 1kg de óxido de magnésio a) Qual o volume de dióxido de enxofre que pode ser tratado? b) Qual o volume de gás oxigênio consumido?

23 5) Combustíveis são materiais que emitem calor ao reagirem com o oxigênio, num processo de combustão. No caso do automóvel, os combustíveis mais comuns são a gasolina e o álcool. A combustão completa destas substâncias levam a formação de dióxido de carbono e água. Suponha que a gasolina seja formada exclusivamente por C 8 H 18 e o álcool C 2 H 5 OH. Na cidade do Rio de Janeiro, apresenta temperatura média de 30 C e pressão de 1 atm: a) Qual o volume de CO 2 liberado por um automóvel que foi abastecido com 10 L de gasolina? b) Qual é o volume de O 2 necessário para que a reação do item a ocorra completamente? c) Qual o volume de CO 2 liberado por um automóvel que foi abastecido com 10 L de etanol? d) Qual é o volume de O 2 necessário para que a reação do item c ocorra completamente? Dados: Gasolina d =0,703g/mL, Etanol d= 0,789 g/ml