Cálculos envolvendo reações

Cálculos envolvendo reações
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).
Exemplos:
1) Que massa de enxofre reage com 1,12 g de ferro, formando sulfeto
de ferro II?
56 x = 1,12 . 32
x = 35,84/56
x = 0,64 g
2) Que massa de água é obtida na reação de 8 mol de gás oxigênio
com hidrogênio, suficiente para consumir todo o oxigênio?
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: NH4NO3 = 80 g/mol, N2 = 28 g/mol,O2 = 32 g/mol e
H2O = 18 g/mol)
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
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
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.
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.
3) Um dos gases responsáveis pelo aquecimento da Terra é o CO2(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 CO2(g) que pode ser removido, nas CNTP?
b) Se um determinado dispositivo contém 560 g de CaO(s), qual é o
volume de CO2(g) que pode ser removido, a 27 C e 1 atm?
4) Uma das maneiras de impedir que o SO2, um dos responsáveis pela
“chuva ácida”, seja liberado para a atmosfera é tratá-lo previamente
com óxido de magnésio, em presença de ar (O2), 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 ?
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 C8H18 e
o álcool C2H5OH. Na cidade do Rio de Janeiro, apresenta temperatura
média de 30 C e pressão de 1 atm:
a) Qual o volume de CO2 liberado por um automóvel que foi abastecido
com 10 L de gasolina?
b) Qual é o volume de O2 necessário para que a reação do item a ocorra
completamente?
c) Qual o volume de CO2 liberado por um automóvel que foi abastecido
com 10 L de etanol?
d) Qual é o volume de O2 necessário para que a reação do item c ocorra
completamente?
Dados: Gasolina d =0,703g/mL, Etanol d= 0,789 g/mL
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 SO2 e SO3) sejam
canceladas; em certos problemas, isso obriga a “multiplicar” ou
“dividir” uma ou outra equação por números convenientes, que
levem ao cancelamento desejado
Exemplos:
1) Duas das reações que ocorrem na produção do ferro são
representadas por:
C (s) + O2 (g)
CO (g)
Fe2O3 (s) + CO (g) + Fe (s)
CO2 (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 ) + H2O (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 ?
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 H2O2.
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?
Cálculo Estequiométrico
Misturamos reagentes que não estão em
proporção estequiométrica
Reagente limitante: consumido totalmente
Reagente em excesso: sobra certa quantidade
Exemplos:
1)Nas indústrias petroquímicas, enxofre pode ser obtido pela reação:
2 H2S + SO2
3 S + 2 H2O
a) Qual é a quantidade máxima de enxofre, em gramas, que pode ser
obtida partindo-se de 5,0 mol de H2S e 2,0 mol de SO2?
b) Qual o reagente limitante e o reagente em excesso?
2) 400 g de NaOH são adicionados a 504 g de HNO3. 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.
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.
C4H10 + O2
CO2 + H2O
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?
Cálculo Estequiométrico
Normalmente, trabalhamos com substâncias
que apresentam certa porcentagem de
impurezas.
Pirita (FeS2)
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.
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 (NaHSO4) e ácido nítrico. Determine a massa
mínima de ácido, necessária para reagir com todo o nitrato de sódio
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 + O2
SO2
SO2 + ½ O2
SO3
SO3 + H2O
H2SO4
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.
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
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 (Na2ZnO2). Qual é o rendimento dessa reação?
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 O2 gasto ( CNTP)
6) A nitroglicerina (C3H5N3O9() , sob impacto, decompõe-se produzindo
gases que, ao se expandirem, provocam uma violenta explosão.
4 C3H5N3O9(l) impacto
6 N2 (g) + O2(g) + 12 CO2 (g) + 10 H2O (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