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18/08/2015 1 Química GeralQ Professor Alessandro Kappel Jordão 1 Estequiometria e Reagente Limitante A interpretação quantitativa das reações químicas é a parte da química chamada de estequiometria reacional O coeficiente estequiométrico em uma reação fornece o número de mols relativo de uma substância que reage ou é produzida. 2 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 1 mol de N2 é quimicamente equivalente a 3 mols de H2 1 mol de N2 é quimicamente equivalente a 2 mols de NH3 Estequiometria e Reagente Limitante Exemplo: Escreva a relação estequiométrica entre P4 e Cl2 na formação do: (a) PCl3 P4 + Cl2 PCl3 3 (b) PCl5 P4 + Cl2 PCl5 Estequiometria e Reagente Limitante A estequiometria tem muitas aplicações práticas, tais como predizer o quanto de produto pode ser formado em uma reação. Pode-se prever mol para mol ou massa para massa 4 Exemplo: Qual é a quantidade de NH3 produzida a partir de 2 mols de H2 na reação a seguir? N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Atenção: A equação química deve estar balanceada Estequiometria e Reagente Limitante Como calcular a massa? Exemplo: Qual é a massa de Fe produzida a partir de 10,0 g de Fe2O3 a partir da redução com CO? Fe2O3(s) + 3 CO(g) 2 Fe(s) + 3 CO2(g) 5 1 mol de Fe2O3 2 mols de Fe 159,70 g de Fe2O3 2 x 55,85 g de Fe Fe = 55,85 g mol-1 Fe2O3 = 159,70 g mol-1 Estequiometria e Reagente Limitante Fe2O3(s) + 3 CO(g) 2 Fe(s) + 3 CO2(g) 159,70 g de Fe2O3 2 x 55,85 g de Fe Fe = 55,85 g; O = 16,00 g 111,70 g Fe2O3 = 159,70 g mol-1 6 10,0 g de Fe2O3 X g de Fe X = 6,99 g de Fe 18/08/2015 2 Estequiometria e Reagente Limitante 2 Al(s) + Cr2O3(s) Al2O3(s) + 2 Cr(s) Al = 27,00 g mol-1 Cr2O3 = 152,00 g mol-1 Exercício: Qual é a massa de Al necessária para reduzir 10 kg de Cr2O3 para produzir o cromo metálico? 7 Resposta: 3,6 kg de Al Estequiometria e Reagente Limitante B2H6(g) + 3 O2(l) 2 HBO2(g) + 2 H2O(l) Exercício: Considere a reação de combustão abaixo: a) Qual é a massa de O2(l) necessária para consumir 257,00 g de B2H6? b) Determine a massa de HBO2 produzido a partir da 8 B = 10,81 g mol-1 H = 1,0079 g mol-1 O = 16,00 g mol-1 b) ete e a assa de O2 p odu do a pa t da combustão de 106,00 g de B2H6 ? Estequiometria e Reagente Limitante Até o momento consideramos apenas que as reações se processam de forma que a quantidade máxima (mols, massa) de um produto possa ser obtida de uma dada quantidade de reagente. Porém existe a possibilidade: 9 • Reações competitivas; • Diferenças estequiométricas • Reagentes não são consumidos até o final Estequiometria e Reagente Limitante Rendimento de uma reação: O “rendimento teórico” de uma reação é a quantidade máxima que um produto pode ser obtido a partir de uma dada quantidade de reagente. A porcentagem de rendimento é a razão entre o rendimento obtido e o rendimento teórico, expresso como porcentagem: 10 porcentagem: Rendimento obtido Rendimento = x 100 % Rendimento teórico Estequiometria e Reagente Limitante Exemplo: Quando 24,0 g de nitrato de potássio foram aquecidos com chumbo, 13,8 g de nitrito de potássio foram formados na reação: Pb(s) + KNO3(s) PbO(s) + KNO2(s) Calcule a porcentagem de rendimento do nitrito de 11 p g potássio. KNO3(s) = 101,11 g mol-1 KNO2(s) = 85,11 g mol-1 101,11 g de KNO3(s) 85,11 g de KNO2(s) 24,0 g de KNO3(s) X g de KNO2(s) Estequiometria e Reagente Limitante 101,11 g de KNO3(s) 85,11 g de KNO2(s) 24,0 g de KNO3(s) X g de KNO2(s) X = 20,2 g de KNO2(s) 20 2 g de KNO (s) 100% 12 20,2 g de KNO2(s) 100% 13,8 g de KNO2(s) X X = 68,3 % de rendimento 18/08/2015 3 Estequiometria e Reagente Limitante Exercício: A redução de 15,0 kg de óxido de ferro (III) em alto-forno produzem 8,80 kg de ferro metálico. Qual é a porcentagem de ferro metálico produzido nesta reação? Fe2O3 = 159,69 g mol-1 Fe = 55,85 g mol-1 13 Estequiometria e Reagente Limitante Se, ao realizar uma reação, são escolhidas quantidades arbitrárias de reagentes, é muito comum que um dos reagentes seja completamente consumido antes dos outros. Por exemplo, ao misturar 5 mol de H2 com 1 mol de O2, após a reação segundo a equação: 2 H + O 2 H O 14 2 H2 + O2 2 H2O Apenas 2 mols de H2 terão reagido, consumindo completamente 1 mol de O2. Depois que o O2 for consumido, nenhuma reação posterior poderá ocorrer e nenhum produto posterior poderá ser formado. A quantidade de produto é, portanto, limitada pelo reagente que desaparece primeiro. Este reagente chama-se reagente limitante Estequiometria e Reagente Limitante O reagente limitante em uma reação é o reagente que governa o rendimento máximo do produto. O reagente limitante em uma reação é o reagente fornecido em uma quantidade menor que aquele requerido pela relação estequiométrica entre os reagentes 15 Exemplo: Zinco e enxofre reagem para formar sulfeto de zinco, uma substância usada para recobrir as paredes internas dos tubos de imagem de TV. A equação para a reação é: Zn + S ZnS Estequiometria e Reagente Limitante Quantos gramas de ZnS podem ser formados quando 12,0 g de Zn reagem com 6,50 g de S? Qual é o reagente limitante? Quanto e qual elemento permanecerá sem reagir? Resolução: 16 Para determinarmos o reagente limitante, devemos primeiro, converter as quantidades de reagentes em mols: 1 mol de Zn ~ 1 mol de S 1 mol de Zn → 65,4 g X ← 12,0 g X = 0,183 mol de Zn Estequiometria e Reagente Limitante Resolução: 1 mol de Zn ~ 1 mol de S 1 mol de S → 32,1 g X ← 6,50 g X = 0 202 mol de S 17 X = 0,202 mol de S Em virtude destes elementos se combinarem em uma relação de mols de 1 para 1, 0,183 mol de Zn requer 0,183 mol de S. Como podemos ver, existe mais S do que o necessário e todo o Zn pode reagir. O Zn é, portanto, o reagente limitante. Estequiometria e Reagente Limitante Resolução: A quantidade de produto formado depende apenas da quantidade de reagente limitante. Após o Zn ter-se consumido, mais nenhum ZnS poderá se formar, de modo que podemos usar a quantidade de Zn (0,183 mol) como a quantidade de ZnS que será produzida Pela equação 18 quantidade de ZnS que será produzida. Pela equação, podemos escrever: 1 mol de Zn ~ 1 mol de ZnS Portanto, 0,183 mol de Zn formará 0,183 mol de ZnS. A massa do produto é 1 mol de ZnS → 97,5 g 0,183 mol de ZnS → X X = 17,8 g de ZnS 18/08/2015 4 Estequiometria e Reagente Limitante Resolução: Para calcular a massa de enxofre que não reagiu, basta subtrair o número de mols de enxofre que reagiram do número de mols de enxofre inicialmente disponíveis: mols de S que não reagiram = (0 202 – 0 183) = 19 mols de S que não reagiram = (0,202 – 0,183) = 0,019 mol de S Convertendo em gramas: 1 mol de S → 32,1 g 0,019 mol de S → X X = 0,61 g de S Estequiometria e Reagente Limitante Exercício: O etileno, C2H4 queima ao ar para formar CO2 e H2O , de acordo com a equação C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O Quantos gramas de CO2 serão formados ao se inflamar uma mistura contendo 1,93 g de C2H4 e 5,92 g de O2? 20 , g 2 4 , g 2 Dados: C = 12,0 g mol-1 H = 1,00 g mol-1 O = 16,0 g mol-1 Estequiometria e Reagente Limitante Exercício (P1 - 15/09/12): O elemento lítio, Li, e o gás nitrogênio, N2, reagem para produzir nitreto de lítio, Li3N, conforme representado na equação abaixo: 6Li(s) + N2(g) 2Li3N(s) a) Calcule o rendimento teórico de Li3N, em gramas, quando 125 g de Li, com uma pureza de 95 0% são colocados para reagir com 65 0 g de N2 21 com uma pureza de 95,0%, são colocados para reagir com 65,0 g de N2. b) Por que as quantidades de produtos formados em uma reação são determinadas somente pela quantidade de reagente limitante? c) Calculea massa, em gramas, de Li3N obtida a partir de 5,00 g de cada um dos reagentes, considerando que o rendimento real (experimental) da reação foi de 80,5%. d) Por que o rendimento real de uma reação é quase sempre menor do que o rendimento teórico (100%)? • Dados: • M(Li) = 6,941 g mol‐1 • M(N) = 14,00 67 g mol‐1 • M(N2) = 28,0314 g mol‐1 • M(Li3N) = 34,830 g mol‐1 22
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