Qui. Allan Rodrigues Xandão (Victor Pontes)

Transcrição

2 CRONOGRAMA 02/05 Relações numéricas Leis ponderais 08:00 18:00 11:00 21:00 09/05 Estequiometria simples Exercícios de estequiometria simples 08:00 18:00 11:00 21:00 16/05 Casos particulares de estequiometria: grau de pureza, rendimento e gases fora da CNPT 08:00 18:00 Exercícios sobre casos particulares de estequiometria 11:00 21:00 23/05 Casos particulares de estequiometria: reações consecutivas e limitante e excesso Definições de mistura: suspensão, colóide e soluções 08:00 18:00 09:00 19:00 30/05 Solubiidade Unidades de concentração 08:00 18:00 09:00 19:00

3 16 Casos parti- mai culares de estequiometria Grau de pureza, rendimento e gases fora das CNTP 01. Resumo 02. Exercício de Aula 03. Exercício de Casa 04. Questão Contexto

4 RESUMO Quando os reagentes não são substâncias puras(grau de pureza) Note que é apenas essa massa (640g de CaCO3 puro)que irá participar da reação. Assim, teremos o seguinte cálculo estequiométrico: Em alguns casos na estequiometria os reagentes da reação vem com impurezas, principalmente em reações industriais, ou porque são mais baratos ou porque já são encontrados na natureza acompanhados de impurezas (o que ocorre, por exemplo, com os minérios). Consideremos o caso do calcário, que é um mineral formado principalmente por CaCO 3 (substância principal),porém acompanhado de várias outras substâncias (impurezas). Digamos que tenhamos 100kg do mineral calcário, porém, 90kg são compostos por CaCO 3, que é o componente principal desse minério e o que necessariamente vai reagir numa reação química qualquer. Sendo assim, dizemos que 90% de todo minério recolhido é CaCO 3, logo, 10kg são apenas impurezas, que, geralmente, não reagem e não entram no cálculo estequiométrico. Com essa análise chegamos a conclusão que essa amostra de minério tem 90% de pureza, ou seja, dos 100kg que nós recolhemos 90kg serão utilizados. Sendo assim, define-se: Porcentagem ou grau de pureza é a porcentagem da massa da substância pura em relação à massa total da amostra. Vejamos um exemplo: Uma amostra de calcita, contendo 80% de carbonato de cálcio, sofre decomposição quando submetida a aquecimento, segundo a equação abaixo: 2º exemplo: Deseja-se obter 180 L de dióxido de carbono, medidos nas condições normais de temperatura e pressão, pela calcinação de um calcário com 90% de pureza de CaCO3 (massas atômicas: C = 12; O = 16; Ca = 40). Qual é a massa de calcário necessária? CaCO3 CaO + CO2 Resolução: Esta questão é do tipo inverso da anterior. Na anterior era dada a quantidade do reagente impuro e pedida a quantidade do produto obtido, agora é dada a quantidade do produto que se deseja obter e pedida a quantidade do reagente impuro que será necessária. Pelo cálculo estequiométrico normal, teremos sempre quantidades de substâncias puras: CaCO3 CaO + CO2 100 g 22,4 L (CNTP) x 180 L (CNTP) x = 803,57 g de CaCO3 puro 136 CaCO3 CaO + CO2 Qual a massa de óxido de cálcio obtida a partir da queima de 800 g de calcita? Resolução: O enunciado nos diz que a calcita contém apenas 80% de CaCO3. Temos então o seguinte cálculo de porcentagem: 1ª linha) 800 g de calcita 100% 2ª linha) x g de CaCO3 80% de Grau de pureza X = 640 g de CaCO3 puro A seguir, um cálculo de porcentagem nos dará a massa de calcário impuro que foi pedida no problema: 803,57g CaCO3 puro 90% X g 100% x = 892,85 g de calcário impuro Note que a massa obtida (892,85g) é forçosamente maior que a massa de CaCO3 puro (803,57g) obtida no cálculo estequiométrico, pois na massa do minério encontrada está contida as impurezas.

5 Quando o rendimento da reação não é total Vamos considerar a reação C + O2 CO2, supondo que deveriam ser produzidos 100 litros de CO2 (CNPT); vamos admitir também que, devido a perdas, foram produzidos apenas 90 litros de CO2 (CNPT), logo o rendimento foi de 90%. Gases fora das CNTP: Equação de Clapeyron Definimos a equação geral dos gases de Clapeyron como: PV = nrt 100L 100% 90L x Podemos expressar o número de mol (n) da seguinte maneira também: x = 90% Em casos assim, dizemos que: Rendimento é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida em uma reação e a quantidade que teoricamente seria obtida, de acordo com a equação química correspondente. Exemplo: Num processo de obtenção de ferro a partir da hematita (Fe2O3), considere a equação balanceada: Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO (Massas atômicas: C = 12; O = 16; Fe = 56) Utilizando-se 4,8 toneladas (t) de minério e admitindo-se um rendimento de 80% na reação, a quantidade de ferro produzida será de: Onde: PV = m. RT M.M P = Pressão do gás (atm) V = Volume do gás (L) n = Quantidade do gás (mol) m = Massa do gás (g) M.M = Massa molar do gás(g) R = Constante universal dos gases perfeitos (L.atm.mol -1.K -1 ) T = Temperatura do gás (medida em Kelvin) Volume molar fora das CN- TP(Condições Normais de Temperatura e Pressão) 137 a) kg b) kg c) t d) t e) t Resolução: Após o balanceamento da equação, efetuamos o cálculo estequiométrico da forma usual MMFe2O3 = (56x2) + (16x3) = 160g 160g de Fe2O3 112g de Fe 4,8 x106 g de Fe2O3 x x = 3,36 x106 g 3,36 x 106 g 100% Y 80% Y = 2,688 x106 g ou 2688 Kg Definimos que uma substância está fora das CNTP se as condições de temperatura e pressão são diferentes de 0ºC e 1 atm. Quando são usados valores randômicos para esses parâmetros calculamos seu volume a partir da equação de Clapeyron. Exemplo: Dada a reação: Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3 CO2(g) Sabendo que a massa de um mol de ferro é de 56g, calcule a massa de ferro produzida quando 8,2L de CO2 são formados a 2 atm e 127ºC. Primeiramente amos calcular quantos litros de CO2 são produzidos quando, nas mesmas condições de temperatura e pressão dadas no texto, temos 3 mol do mesmo(quantidade estequiométrica de mol de gás CO2)

6 PV =nrt 2.V = 3. 0, V = 49,2L Assim, quando se produz 2 mol de ferro nas condições dadas eu produzo 49,2L de CO2, com uma regra de três, consigo estabelecer quantas gramas de ferro eu produziria com 8,2L de CO2. 2x56 gramas de ferro 49,2L de CO2 Y gramas de ferro 8,2L de CO2 Y = 18,7g de ferro (aproximadamente) EXERCÍCIOS PARA AULA 1. A equação abaixo representa a reação que se passa para obtermos o cloro. Considerando que ela teve um rendimento de 85%, que foi realizada na temperatura de 27ºC e a uma pressão de 1,5 atm, e que utilizamos 500 g de sal, o volume de cloro obtido, em litros, é: 2 NaCl + MnO2 + 2H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 +Cl2 + H2O 2. a) 59,6 b) 82,5 c) 119,2 d) 280,5 e) 1.650,0 Grandes fontes de emissão do gás dióxido de enxofre são as indústrias de extração de cobre e níquel, em decorrência da oxidação dos minérios sulfurados. Para evitar a liberação desses óxidos na atmosfera e a consequente formação da chuva ácida, o gás pode ser lavado, em um processo conhecido como dessulfurização, conforme mostrado na equação 138 CaCO3(s) + SO2(g) CaSO3(s) + CO 2(g) (1) Por sua vez, o sulfito de cálcio formado pode ser oxidado, com o auxílio do ar atmosférico, para a obtenção do sulfato de cálcio, como mostrado na equação Essa etapa é de grande interesse porque o produto da reação, popularmente conhecido como gesso, é utilizado para fins agrícolas. 2 CaSO3(s) + O2(g) 2 CaSO 4(s) (2) As massas molares dos elementos carbono, oxigênio, enxofre e cálcio são iguais a 12g/mol, 16g/mol, 36g/mol e 40g/mol respectivamente. BAIRD, C. Química ambiental. Porto Alegre: Bookman (adaptado). Considerando um rendimento de 90% no processo, a massa de gesso obtida, em gramas, por mol de gás retido é mais próxima de: a) 64 b) 108 c) 122 d) 136 e) 245

7 3. A equação: 2 NaCl + MnO2 + 2 H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 + Cl2 + 2 H2O Representa a reação que se passa para obtermos o cloro, Considerando que ela teve um rendimento de 85%, que foi realizada na temperatura de 27ºC e a uma pressão de 1,5 atm, e que utilizamos 500g de NaCl, o volume de cloro obtido, e m litros aproximadamente, é: a) 59,5 b) 70,0 c) 119,2 d) 280,5 e) 1650,0 4. Para se obter 1,5 kg do dióxido de urânio puro, matéria-prima para a produção de combustível nuclear, é necessário extrair-se e tratar-se 1,0 tonelada de minério. Assim, o rendimento (dado em % em massa) do tratamento do minério até chegar ao dióxido de urânio puro é de: U3O8 3UO2 + O2 5. a) 0,10 %. b) 0,15 %. c) 0,20 %. d) 1,5 %. e) 2,0 %. Em setembro de 1998, cerca de toneladas de ácido sulfúrico (H2SO4) foram derramadas pelo navio Bahamas no litoral do Rio Grande do Sul. Para minimizar o impacto ambiental de um desastre desse tipo, é preciso neutralizar a acidez resultante. Para isso pode-se, por exemplo, lançar calcário, minério rico em carbonato de cálcio (CaCO3), na região atingida. 139 A equação química que representa a neutralização do H2SO4 por CaCO3, com a proporção aproximada entre as massas dessas substâncias é: H2SO4 + CaCO3 CaSO4 + H2O + CO2 1 tonelada 1 tonelada sólido gás reage com sedimentado Pode-se avaliar o esforço de mobilização que deveria ser empreendido para enfrentar tal situação, estimando a quantidade de caminhões necessária para carregar o material neutralizante. Para transportar certo calcário que tem 80% de CaCO3, esse número de caminhões, cada um com carga de 30 toneladas, seria próximo de: a) 100. b) 200. c) 300. d) 400. e) 500.

8 EXERCÍCIOS PARA CASA 1. Uma indústria queima diariamente kg de carvão (carbono) com 90% de pureza. Supondo que a queima fosse completa, o volume de oxigênio consumido para essa queima nas condições de 0ºC e 1atm seria de: (Dados: C = 12g) C +O2 CO2 + H2O a) L b) m 3 c) L d) m 3 e) m 3 2. O ferro pode ser obtido a partir da hematita, minério rico em óxido de ferro, pela reação com carvão e oxigênio. A tabela a seguir apresenta dados da análise de minério de ferro (hematita) obtido de várias regiões da Serra de Carajás. Fe2O3 + 2C+ 1/2 O2 2Fe + 2CO2 140 No processo de produção do ferro, a sílica é removida do minério por reação com calcário (CaCO3). Sabe-se, teoricamente (cálculo estequiométrico), que são necessários 100g de calcário para reagir com 60g de sílica. Dessa forma, pode-se prever que, para a remoção de toda a sílica presente em 200 toneladas do minério na região 1, a massa de calcário necessária é, aproximadamente, em toneladas, igual a: SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 a) 1,9. b) 3,2. c) 5,1. d) 6,4. e) 8,0.

9 3. 12,25 g de ácido fosfórico com 80% de pureza são totalmente neutralizados por hidróxido de sódio, numa reação que apresenta rendimento de 90%. A massa de sal obtida nesta reação é de: (Dados: massas atômicas: H = 1; O = 16; Na = 23; P = 31) H3PO4 + 3 NaOH Na3PO4 + 3H2O a) 14,76 g b) 16,40 g c) 164,00 g d) 9,80 g e) 10,80 g 4. Foram obtidos 100 g de Na2CO3 na reação de 1,00 litro de CO2, a 22,4 atm e O C, com excesso de NaOH. 2 NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O Calcule o rendimento da reação. 5. (Dados: Na = 23 ; C = 12 ; O = 16.) Quando o nitrato de amônio decompõe-se termicamente, produz-se gás hilariante (N2O) e água. Se a decomposição de 100 g de NH4NO3 impuro fornece 44 g de N2O, a pureza do nitrato de amônio é: (Dados: N = 14 ; H = 1 ; O = 16.) NH4NO3 N2O + H2O 141 a) 20% b) 40% c) 60% d) 80% e) 90% 6. Para responder à questão a seguir, considere o seguinte esquema de procedimento industrial para obtenção de gás nitrogênio ou azoto (N2):

10 Partindo de 200 L de ar contendo 5% de umidade e, sendo a porcentagem dos gases no ar seco em volumes, a opção que MAIS SE APROXIMA DO VOLUME MÁXIMO de N2 obtido em rendimento de 70% é: a) 105 L b) 120 L c) 133 L d) 150 L e) 158 L 7. A minimização do tempo e custo de uma reação química, bem como o aumento na sua taxa de conversão, caracteriza a eficiência de um processo químico. Como consequência, produtos podem chegar ao consumidor mais baratos. Um dos parâmetros que mede a eficiência de uma reação química é o seu rendimento molar (R, em %) definido como nproduto R = 100 nreagente limitante em que n corresponde ao número de mols. O metanol pode ser obtido pela reação entre brometo de metila e hidróxido de sódio, conforme a equação química: As massas molares (em g/mol) desses alimentos são: H=1; C=12; O=16; Na=23; Br=80. CH3Br + NaOH CH3OH + NaBr O rendimento molar da reação, em que 32g de metanol foram obtidos a partir de 142,5g de brometo de metila e 80g de hidróxido de sódio, é mais próximo de: 142 a) 22% b) 40% c) 50% d) 67% e) 75% QUESTÃO CONTEXTO Em todo o mundo, os índices de acidentes de trânsito têm levado os órgãos responsáveis a tomar medidas reguladoras, entre elas campanhas educativas. Paralelamente, a indústria automobilística desenvolveu o airbag, um balão que infla rapidamente para diminuir o impacto do passageiro com as partes internas do veículo. Em caso de colisão, a reação química principal a ocorrer no interior do balão é: 2 NaN3(s) 2 Na(s) + 3 N2(g) Qual a massa de azida de sódio (NaN3) necessária para produzir gás suficiente que ocupe um balão com 148 litros de volume, a uma temperatura de 27 C e 0,5 atm de pressão?

11 GABARITO 01. Exercícios para aula 1. a 2. c 3. a 4. b 5. d 02. Exercícios para casa 1. e 2. b 3. a 4. 94,3% 5. d 6. a 7. d 03. Questão contexto R: 130g Calcular o numero de mol de nitrogênio gasoso PV = nrt 0,5.148 = n.0, n = 3 mol de azida 3 mol de N2 produzem 2 mol de azida 1 mol de azida = 65g 2 mol de azida =130g 143

12 massa atômica 1 IA 2 IIA 3 IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 VIII 9 VIII 10 VIII 11 IB 12 IIB 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA 1 H Hidrogênio 1,008 3 Li 6, Na Sódio 22,99 19 KPotássio 39,10 37 Rb Rubídio 85,47 55 CsCésio 132,91 87 Fr Frâncio Sc Escândio 44,96 39 Y Ítrio 88,91 57 a 71 La-Lu Lantanídeos 89 a 103 Ac-Lr 22 Ti Titânio 47,87 40 Zr Zircônio 91,22 72 Hf Háfnio 178, Rf Rutherfórdio VVanádio 50,94 73 Ta Tântalo 180, Db Dúbnio Cr Cromio 52,00 42 Mo Molibdênio 95,96 74 W Tungstênio 183, Sg Seabórgio Mn Manganês 54,94 43 Tc Tecnécio (98) 75 Re Rênio 186, Bh Bóhrio Fe Ferro 55,85 44 Ru Rutênio 101,07 76 Os Ósmio 190, Hs Hássio Co Cobalto 58,93 45 Rh Ródio 102,91 77 IrIrídio 192, Mt Meitnério Ni Níquel 58,69 46 Pd Paládio 106,42 78 Pt 195, Ds Darmstádio CuCobre 63,55 47 Ag Prata 107,87 79 AuOuro 196, Rg Roentgênio ZnZinco 65,38 48 Cd Cádmio 112,41 80 Hg Mercúrio 200, Cn Copernício Be Berílio 9, Mg Magnésio 24,31 20 Ca Cálcio 40,08 38 Sr Estrôncio 87,62 5 B Boro 10,81 13 Al Alumínio 26,98 31 Ga Gálio 69,72 49 In Índio 114,82 81 Tl Tálio 204,38 6 CCarbono 12,01 14 Si Silício 28,08 32 Ge Germânio 72,63 50 Sn Estanho 118,71 82 Pb Chumbo 207,2 7 N Nitrogênio 14,01 15 P Fósforo 30,97 33 As Arsênio 74,92 51 Sb 121,76 83 Bi Bismuto 208,98 8 O Oxigênio 16,00 16 S Enxofre 32,06 34 Se Selênio 78,96 52 Te Telúrio 127,60 84 Po Polônio F Flúor 19,00 17 ClCloro 35,45 35 Br Bromo 79,90 53 I Iodo 126,90 85 AtAstato Ne Neônio 20,18 18 Ar Argônio 39,95 36 Kr Criptônio 83,80 54 Xe Xenônio 131,29 86 Rn Radônio Nh Nihonium Fl Fleróvio Mc Moscovium Lv Livermório Ts Tennessine Og Oganesson HeHélio 4, Ba Bário 137,33 88 Ra Rádio 226,03 57 La Lantânio 138,91 59 Pr Praseodímio 140,91 60 Nd Neodímio 144,24 61 Pm Promécio Sm Samário 150,36 63 Eu Európio 151,96 64 Gd Gadolínio 157,25 66 Dy Disprósio 162,50 67 Ho Hólmio 164,93 68 Er Érbio 167,26 69 Tm Túlio 168,93 70 Yb Itérbio 173,05 71 Lu Lutécio 174,97 58 Ce Cério 140,12 89 Ac Pa 231,04 92 U Urânio 238,03 93 Np Netúnio 237,05 94 Pu Plutônio Am Amerício Cm Cúrio Bk Berquélio Cf Califórnio Es Einstênio Fm Férmio Md Mendelévio No Nobélio Lr Laurêncio Th Tório 232,04 65 Tb Térbio 158,93 Lantanídeos Actineídos 41 Nb Nióbio 92,91 Tabela Periódica dos Elementos Metais Gases Não-metais Metais de transicão Semimetais Símbolo número atômico Nome