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Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA CONCEITOS BÁSICOS ELEMENTOS → → → SUBSTÂNCIAS → → → ESTEQUIOMETRIA: é a relação existente entre as quantidades químicas dos reagentes e produtos. Para a resolução de exercícios de cálculos estequiométricos, podemos considerar os seguintes passos abaixo: 1º Passo: MONTAR A EQUAÇÃO Uma equação química nada mais é que uma receita. Ela nos diz quem são os ingredientes que iremos chamar de REAGENTES QUÍMICOS ou simplesmente REAGENTES, e nos diz também quem são os PRODUTOS. Esquematicamente, temos: REAGENTES → PRODUTOS HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) Os exercícios de cálculos estequiométricos muitas vezes trazem a reação química de forma descritiva, ou seja, ele irá contar o que está ocorrendo, quem são os reagentes e produtos formados, sendo necessário transcrevê-lo para a forma de equação química. Para isso temos de conhecer as principais funções inorgânicas e/ou orgânicas, caso não seja fornecido as fórmulas químicas. Mas uma receita, seja ela de bolo, de pão ou de pizza, deve trazer além dos ingredientes as suas QUANTIDADES, o que não é diferente para as equações químicas. Para saber as quantidades de reagentes e produtos, devemos balancear uma equação. 2º Passo: BALANCEAR A EQUAÇÃO Uma equação química balanceada é fundamentalmente importante para compreender as bases da química quantitativa, ou seja, as quantidades de reagentes que entram numa reação e as quantidades de produtos formados por esta mesma reação. Você deve sempre balancear uma equação química antes de começar a trabalhar com cálculos estequiométricos. Uma equação química não balanceada é como uma receita de bolo sem as quantidades de ingredientes necessários. Não tem função nenhuma! Uma equação balanceada garante que as mesmas quantidades de átomos dos elementos envolvidos apareçam dos dois lados da equação (tudo que entra, sai!). 2 Fe(s) + 3 Cl2(g) 2 FeCl3(s) Coeficientes Estequiométricos Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA Balanceando uma equação química Para balancear uma equação química, procure a maior molécula (geralmente aquela que apresenta a maior quantidade de átomos) e atribua coeficiente estequiométrico 1; em seguida acerte os coeficientes para os elementos a partir da maior molécula, garantindo que as quantidades de reagentes sejam iguais às de produtos. Dica: deixe o oxigênio para ser balanceado por último. 3º Passo: COLETAR OS DADOS E A(S) PERGUNTA(S) Uma boa conduta de resolução de exercícios de cálculos estequiométricos (também válido para exercícios de física e matemática) é retirar do enunciado os dados e a pergunta, nunca se esquecendo de anotar também as unidades (p.ex. g, mg, kg, mol, L). 4º Passo: TRANSFORMAR A EQUAÇÃO NAS MESMAS UNIDADES DOS DADOS E DA PERGUNTA Uma coisa que passa muitas vezes despercebido pelos alunos é que a equação química devidamente balanceada apresenta os coeficientes estequiométricos EM MOL. Observe a equação balanceada abaixo: P4(s) + 6 Cl2(g) → 4 PCl3(l) Nela, lê-se: cada 1,0 mol de P4(s) ao reagir com 6,0 mols de Cl2(g), geram 4,0 mols de PCl3(l). Os exercícios podem trazer os dados em mol e a pergunta também em mol. Sendo assim, não há necessidade de se fazer transformações de unidades para resolução do exercício. Caso os dados estejam em gramas, por exemplo, podemos transformá-los em números de mols. Para isso basta que se divida o valor em massa pela massa molar da substância. Lembrando que número de mols (n) é: Gramas do Reagente A Divisão pela Massa Molar (g/mol) Número de Mols do Reagente A Multiplicação pela Massa Molar (g/mol) Dependendo do exercício, a resolução é facilitada transformando as quantidades estequiométricas dadas em mol, para quantidades em massa. É necessário que se treine bastante este tipo de exercício para adquirir tal sensibilidade. Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA Para facilitar a transformação dos dados, observe a tabela abaixo: Reação Química a A + b B → c C Proporção em Mols a mols b mols c mols Em Moléculas a x 6x1023 b x 6x10 23 c x 6x1023 Em Massa a x MM (A) b x MM (B) c x MM(C) Em Volume (CNTP) a x 22,4 L b x 22,4 L c x 22,4 L Em Volume (mesmas condições de P e T) aV bV cV * Note que nas mesmas condições de Pressão e Temperatura, a proporção em mol segue a proporção em volume Exemplo Numérico: Reação Química 2 H2 + O2 → 2 H2O Proporção em Mols 2 mols de H2 1 mol de O2 2 mols de H2O Em Moléculas 2 x 6x1023 1 x 6x1023 2 x 6x1023 Em Massa 2 x 2 gramas 1 x 32 gramas 2 x 18 gramas Em Volume (CNTP) 2 x 22,4 L 1 x 22,4 L 2 x 22,4 L Em Volume (mesmas condições de P e T) 2V 1V 2V 5º Passo: RESOLVER A REGRA DE TRÊS Após resolver os passos acima, você irá perceber que terá em mãos três dados, bastando apenas resolver uma regra de três para ter a resposta de sua pergunta. Os cálculos estequiométricos são muito parecidos com receitas de culinária, onde se tem uma base a ser seguida (receita = equação química balanceada) e se procura saber o quanto será produzido (ou consumido) se utilizarmos uma quantidade diferente daquela que foi estabelecida na receita. EXEMPLO 1: A combustão completa do propano, cuja fórmula molecular é C3H8, gera água e gás carbônico. Suponha que numa reação de combustão de propano tenha sido utilizada uma massa igual a 88,0g deste composto. Sendo assim, calcule: A quantidade de água, em gramas, formada pela reação; RESOLUÇÃO 1º Passo: montando a reação de combustão (sinônimo = queima, reação com oxigênio) do propano C3H8(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(v) Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA 2º Passo: balancear a equação acima Dê coeficiente 1 para o propano; maior molécula 1 C3H8(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(v) Faça o balanceamento dos carbonos: 3 carbonos nos reagentes; devemos ter três carbonos também nos produtos 1 C3H8(g) + O2(g) → 3 CO2(g) + H2O(v) Faça o balanceamento dos Hidrogênios: 8 hidrogênios entrando; devemos ter também 8 saindo nos produtos 1 C3H8(g) + O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(v) Finalmente faça o balanceamento dos oxigênios: temos no total 10 oxigênios nos produtos; 1 C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(v) 3º Passo: anotar dados e pergunta Dado: massa utilizada de propano = 88,0 g Pergunta: A quantidade de água, em gramas, formada pela reação 4º Passo: transformação de unidades As substâncias envolvidas na pergunta são o propano e a água. Devemos saber as massas molares destes compostos. MM(propano) = 3 x C + 8 x H = 44 g/mol e MM(água) = 2 x H + 1 x O = 18 g/mol; Vamos transformar os coeficientes estequiométricos que estão em mols para gramas, multiplicando-os pelas massas molares. Com isso termos dados e a pergunta, com as mesmas unidades da equação. 1 mol de C3H8 → 4 mols de H2O 1 x MM (propano) → 4 x MM (H2O) 1 x 44 g de C3H8 → 4 x 18 g de H2O 5º Passo: Resolvendo a regra de Três Queremos saber quantos gramas de água são formados pela queima de 88g de propano. Vamos utilizar a receita para chegar neste resultado. 1 C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(v) 1 . 44g 4 . 18 g 88 g X Sinônimos Dados Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA EXEMPLO 2: O metano (CH4) é o principal componente do gás natural. Realizou-se a combustão (queima, reação com oxigênio) de 8,0g deste composto. Pergunta-se: Qual o número de mol (X) de oxigênio consumido nesta reação; Considerando a reação feira nas condições normais, qual o volume de dióxido de carbono produzido (Y); O número de moléculas (Z) de água formada. Resolução: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(v) 8,0 g X (mol) Y (L) Z (moléculas) Sinônimos Dados 1 . 16 g 2 mol 1 . 22,4 L 2 . 6x1023 moléculas O dado é a metade do valor da recei ta 1 mol de O2 11,2 L de CO2 6x10 23 moléculas Reagente Limitante Suponha que você queira fazer um Sanduiche utilizando uma fatia de Queijo com duas fatias de Pão de forma. Vamos chamar Queijo de Qj e Pão de forma de Pf. Sendo assim podemos escrever a receita como uma equação química, onde Pf2Qj é o sanduiche, ou seja, o produto: 2 Pf + 1 Qj → 1 Pf2Qj Se você tiver 10 fatias de Pão e 7 fatias de Queijo, quantos sanduiches poderão ser feitos? Perceba que para 10 fatias de pão poderão ser feitos 5 sanduiches com uso de 5 fatias de queijo, sobrando duas dessas ao final. Todo pão é consumido com sobra de queijo. Sendo assim, podemos dizer que o queijo está em excesso em relação ao pão e este por sua vez está limitando a formação de sanduiche. A quantidade de produto formado é sempre limitada por aquele que está em menor quantidade, gerando também uma menor quantidade. Da mesma forma que isso pode ocorrer com receitas culinárias, também temos situações destas em reações químicas. Vamos a um exemplo: Hidrogênio, chamado de combustível do futuro, pode reagir com oxigênio numa reação de combustão gerando água como produto numa reação que libera grande quantidade de energia. Qual a quantidade de água formada quando se reage 10 mol de H2 com 7 mol de O2? 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(v) 10 mol 7 mol X Sinônimos Dados 2 mol 1 mol 2 mol 2 mol de H2 --------------- 2 mol de H2O 10 mol de H2 --------------- X = 10 mol de H2O 1 mol de O2 --------------- 2 mol de H2O 7 mol de H2 --------------- X = 14 mol de H2O Cálculo considerando o H2 como sendo o limitante Cálculo considerando o O2 como sendo o limitante Cálculos Estequíométricos Professor IGOR SABURO SUGA Observe que foi calculado acima as quantidades de água formada considerando tanto o hidrogênio quanto o oxigênio como sendo o reagente limitante. É importante ter em mente que nunca podemos formar duas quantidades diferentes de um mesmo produto. Sendo assim, qual será a quantidade real de água produzida neste exemplo? Como aquele reagente que está em menor quantidade limita a reação, será gerado a menor quantidade de produto, ou seja, iremos produzir 10 mol de H2O com o hidrogênio sendo o limitante! 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(v) 10 mol 7 mol X Sinônimos Dados 2 mol 1 mol 2 mol 2 mol de H2 --------------- 1 mol de O2 10 mol de H2 --------------- 5 mol de O2 Cálculo da quantidade em excesso Excesso 5 mol de oxigênio são necessários para consumir todo hidrogênio com sobra de 2 mol de O2 Excesso 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(v) Quantidades Iniciais 10 mol 7 mol 0 mol Reação -10 mol -5 mol +10 mol Quantidades Finais 0 mol 2 mol 10 mol
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