19 - Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases

Prévia do material em texto

Pré-requisitosPré-requisitos 
Para você atingir todos os objetivos desta
aula, é necessário que tenha dominado os
conteúdos das Aulas 17 e 18.
ob
jet
ivo
s
Metas da aulaMetas da aula 
 Aplicar as Leis Ponderais e Volumétricas
na solução dos problemas.
 Reconhecer a importância de uma equação
química balanceada para a solução de
problemas que envolvem cálculos.
Ao fi nal desta aula, você deve ser capaz de:
 Aplicar a equação geral dos gases na resolução
de situações-problema, utilizando as unidades: 
atmosfera, torr, litro, grau Celsius e Kelvin.
 Resolver problemas simples de cálculos
envolvendo as relações mol e volume, 
em diferentes temperaturas e pressões;
 Resolver problemas simples de cálculos
envolvendo as relações massa e volume,
em diferentes temperaturas e pressões. 
Cálculos estequiométricos –
Parte ll: reação com gases19AULA
Elementos de Química Geral | Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases
64 C E D E R J
Muitas reações ocorrem com formação de substâncias no estado gasoso.
Portanto, precisamos abordar o cálculo estequiométrico envolvendo gases.
Como o volume de um gás varia de forma signifi cativa quando a temperatura 
e/ou a pressão são alteradas, é fundamental que saibamos a temperatura e a
pressão em que os gases se encontram. 
ESTEQUIOMETRIA ENVOLVENDO MOL-VOLUME NAS CNTP
Primeiramente vamos trabalhar com gases medidos a uma
temperatura de 273 K e pressão de 1atm, ou seja, vamos trabalhar nas
CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão). Como vimos na Aula
17, o volume molar de um gás, considerando seu comportamento ideal, é
de 22,4 litros. Que tal começarmos a aula resolvendo um exercício?
Exemplo 1
Em uma churrasqueira, são colocados 20 mols de carvão(C), que
queimam segundo a reação representada: 
C + O2 → CO2
Considerando a combustão completa (queima total), determine
o volume de CO2 produzido, consoante as CNTP.
1º passo – 1 mol (C) 1 mol (CO2) 
2º passo – 1 mol (C) 1 mol (CO2) 
20 mol (C) X litros(CO2)
Repare que a segunda coluna apresenta uma unidade distinta. Por 
isso, é necessário convertê-la, ou seja, passar de n° de mol para volume
em litros. Temos, então:
1 mol (C) 1 mol (CO2) x 22,4L (volume molar, nas CNTP)
20 mol (C) X litros (CO2)
X = 20 x 22,4 = 448L de CO2.
Verifi que se você está compreendendo como converter as unidades, 
ao realizar a atividade a seguir. 
INTRODUÇÃO
A
U
LA
 1
9
 
C E D E R J 65
1. O gás cianídrico (HCN) é um gás tóxico que mata por asfi xia. É conhecido 
o uso desta substância em câmara de gás. Uma reação de obtenção desse
gás está representada a seguir:
H2SO4 + 2 KCN → K2SO4 + 2 HCN
Partindo-se de 0,5 mol de ácido sulfúrico, calcule o volume obtido de gás
cianídrico nas CNTP:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. Na reação de síntese da amônia, temos a seguinte equação:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
Que volume de gás hidrogênio, medido nas CNTP, é necessário para a produção 
de 0,25 mol de amônia, mantidas fi xas a temperatura e a pressão?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3. Quando se explode o trinitrato de glicerina (dinamite), cuja fórmula
molecular é C3H5(NO3)3, só resultam produtos gasosos, segundo a equação 
não balanceada a seguir:
2 C3H5(NO3)3(s) → 6 CO2(g) + 3 N2(g)+ 1/2 O2(g) + 5 H2O(g)
Se explodíssemos 227g de dinamite, recolhêssemos os gases produzidos e
medíssemos seus volumes, nas CNTP, qual seria o volume total encontrado, 
considerando a aditividade destes volumes? Dado: MM (dinamite) = 227u
Obs.: Lembre-se de primeiro fazer a relação com número de mol e depois 
entrar com a variável volume.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
ATIVIDADES
Elementos de Química Geral | Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases
66 C E D E R J
ESTEQUIOMETRIA ENVOLVENDO MOL-VOLUME FORA 
DAS CNTP
Para situações em que a temperatura é diferente de 273 K e/ ou a 
pressão é diferente de 1atm (ou 760 torr), iremos calcular o volume de 
uma gás baseado nas leis a seguir:
Unidades utilizadas para temperatura: A unidade SI (Sistema Internacional)
de temperatura é o Kelvin (K). Esta unidade deve ser utilizada sempre
que tivermos expressões nas quais a temperatura entra diretamente nos
cálculos. No caso da escala Kelvin, o zero é denominado zero absoluto
e corresponde à temperatura mais baixa que poderia ser atingida. Ela
equivale a –273,15°C (ou, com uma aproximação razoável, – 273 graus) na
escala Celsius. Os termômetros nunca são graduados na escala Kelvin. Assim,
quando queremos exprimir o resultado de uma medida de temperatura
em Kelvin, temos de efetuar uma conversão simples entre a temperatura
Kelvin K e a temperatura Celsius (°C): K = °C + 273.
Unidades utilizadas para pressão: De acordo com o Sistema Internacional, a 
unidade de pressão é o pascal, cujo símbolo é Pa. A pressão correspondente a 
1 Pa é muito pequena; equivale, aproximadamente, à pressão exercida pelo 
peso de um limão sobre uma área de 1 m2. A pressão atmosférica média 
ao nível do mar é chamada pressão atmosférica padrão, e é abreviada como 
atm. Relacionando essas duas unidades, temos que 1atm = 101325 Pa .
Para trabalhar em laboratório, a unidade atm é muito alta e os químicos 
geralmente utilizam uma unidade menor, o torr. O torr (mmHg) é definido 
como 1/760 de 1atm: 1atm = 760 torr.
a) Lei de Gay-Lussac: “Sob pressão constante, os volumes dos 
gases são diretamente proporcionais às temperaturas absolutas”.
V α T
b) Lei de Boyle-Mariotte: “Sob temperatura constante, os volumes 
dos gases são inversamente proporcionais às pressões que suportam”.
V α 1
P
Associando as Leis de Gay-Lussac e Boyle-Mariotte, temos 
a equação dos gases perfeitos, em que o volume do gás varia 
simultaneamente com a temperatura e a pressão.
Lei do gás ideall PV = nRT
P = pressão da experiência (atm ou Torr).
V = volume em litros.
n = número de mols do gás (massa do gás em gramas / massa 
molar do gás).
A
U
LA
 1
9
 
C E D E R J 67
R = constante dos gases que assume os valores de 0,082 
atm.LK –1mol–1(quando trabalhamos com pressão em atm), ou 62,3
torr.L K–1mol–1(quando trabalhamos com pressão em torr).
T = temperatura em Kelvin (lembrando que a temperatura em
Kelvin K = 273+°C).
Vamos, primeiramente, aplicar a equação para gás ideal fora de
uma reação química:
Exemplo 2
Qual é a pressão dentro de um tubo de imagem de televisão,
sabendo que esse tubo tem um volume de 5,0 litros e contém 0,001 mg
de nitrogênio gasoso sob a temperatura de 23°C?
Organizando os dados, teremos:
V = 5,0 L
A massa molar do N2 = 28g.mol
–1
Massa do gás = 0,01 mg ou 1x 10–5 gramas, logo n = 1 x 10
–5
28
R = 0,082 (calcularemos a pressão em atm)
T= 273 + 23 = 296 K
Aplicando a equação para gás ideal PV = nRT, teremos:
P.5 = 1x10
–5
28
0,082 . 296 ⇒ P = 1,7 x 10–6 atm
Vamos agora aplicar a equação emum exercício de cálculo
estequiométrico:
Exemplo 3
As máscaras de oxigênio utilizadas em aviões contêm superóxido
de potássio que, em contato com o CO2 exalado pela pessoa, libera gás
oxigênio, segundo a reação:
4 KO2(s) + 2 CO2(g) → 2 K2CO3(s) + 3 O2(g)
Calcule o volume liberado de O2 a 27°C e 0,82 atm, quando 0,4
mol de KO2 reage com gás carbônico:
4 mol (KO2) 3 mol (O2) 
0,4 mol (KO2) x mol
x = 0,3 mol de O2
Elementos de Química Geral | Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases
68 C E D E R J
4. Um metal reagiu com excesso de solução de ácido clorídrico em uma
aparelhagem adequada, produzindo gás hidrogênio, segundo a reação 
descrita a seguir:
Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)
Este gás, depois de seco, ocupou um volume de 300 mL sob pressão de 0,9 atm 
e 300K. Determine o número de mols do metal consumido nessa reação:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
5. O ar atmosférico é uma mistura de gases contendo cerca de 20% em volume 
de O2. Qual o volume de ar, em litros, que deve ser utilizado para combustão
completa de 10 mols de monóxido de carbono, a 25°C e 760 torr?
Equação: CO(g) + ½ O2(g) → CO2(g)
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
ATIVIDADES
Aplicando a equação para gás ideal PV = nRT, em que T = 27 + 
273 = 300 K, chegamos a: 
0,82 V = 0,3. 0,082. 300 ⇒ V = 9 litros.
ESTEQUIOMETRIA ENVOLVENDO MASSA-VOLUME
Vejamos situações em que teremos de fazer conversões de mol 
para massa e mol para volume.
Exemplo 4
Considerando a decomposição térmica de 604g de bromato de 
sódio, pede-se o volume de gás oxigênio liberado a 27ºC e 1,5 atm.
A
U
LA
 1
9
 
C E D E R J 69
2 NaBrO3 → 2 NaBr + 3 O2
1º passo – 2mol (NaBrO3) 3 mol (O2)
2º passo – 2 mol (NaBrO3) 3 mol (O2)
604g (Mg) X mol (O2)
Repare que a primeira coluna apresenta unidades distintas. Por
isso, é necessário convertê-la, ou seja, passar de nº de mol para massa
em gramas. Temos, então:
(massa molar do NaBrO3) 151g x 2mol (NaBrO3) 3 mol (O2)
604 g (NaBrO3) X mol (O2)
X = 3x 604 / 302 = 6 mol(O2)
Aplicando a equação dos gases ideais, teremos PV = nRT, em que
T = 27 + 273 = 300 K, 1,5 V = 6. 0,082. 300 ⇒ V = 98,4 litros.
6. A decomposição térmica do carbonato de amônio ocorre segundo a
reação não balanceada a seguir:
(NH4)2CO3(s) → NH3(g) + CO2(g) + H2O(g) 
Considerando 1 atm e 27ºC, determine o volume de amônia produzido
durante a decomposição de 192g deste sal:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
ATIVIDADE
∆
CONCLUSÃO
Nesta aula, nós trabalhamos com substâncias em estado gasoso,
calculando volumes em diversas condições de temperatura e pressão.
Elementos de Química Geral | Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases
70 C E D E R J
ATIVIDADES FINAIS
1. Determine a massa de ácido clorídrico necessário para produzir 82 litros, medidos 
a 10°C e 760 torr de pressão, ao reagir com magnésio em pó:
Equação: Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
2. A produção de alumínio, a partir do Al2O3 presente na bauxita, pode ser descrita 
pela reação não balanceada: Al2O3 + C → Al + CO:
a. Faça o balanceamento desta equação.
b. Determine a massa de alumínio que será obtida a partir de 510 toneladas de 
Al2O3. Dado: 1 tonelada = 10
6 gramas.
c. Determine o volume de CO, um gás muito tóxico, que será produzido a partir 
de 10 mols de Al2O3 nas CNTP:
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
A
U
LA
 1
9
 
C E D E R J 71
 O volume de 1 mol de qualquer substância nas CNTP corresponde a 22,4 litros.
 Quando trabalhamos com temperatura e pressão fora das CNTP, faz-se necessário 
utilizar a Lei dos Gases Ideais: PV = nRT.
 A proporção em que as substâncias reagem é obtida pelos coefi cientes numéricos 
expressos na equação química balanceada.
 O estudo quantitativo das reações químicas pode envolver grandezas diferentes, 
sendo necessário o uso de fatores de conversão.
R E S U M O
INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA
Na nossa próxima aula, vamos trabalhar com reações com rendimento diferente
do ideal, ou seja, rendimentos diferentes de 100%.
Atividade 1
A relação estequiométrica indica que para 1 mol de H2SO4 são obtidos 2 mols de
HCN. Logo, para 0,5 mol de H2SO4, será produzido 1 mol de HCN. Nas CNTP, o
volume de 1 mol corresponde a 22,4 litros. Resposta V = 22,4 litros.
Atividade 2
8,4 litros.
Atividade 3
324,8 litros.
RESPOSTAS
Elementos de Química Geral | Cálculos estequiométricos – Parte ll: reação com gases
72 C E D E R J
Atividade 4
Vamos inicialmente determinar o número de mols de gás hidrogênio (H2) produzido 
na reação, aplicando para isso a equação para gás ideal PV = nRT.
0,9 x 0,3 = n 0,082 x 300, temos que n = 0,01 mol de H2. Como a relação 
estequiométrica entre o metal (Zn) e o gás H2 é de 1:1, o número de mols consumido 
de Zn será também igual a 0,01. 
Resposta 0,01 mol.
Atividade 5
610,8 litros.
Atividade 6
98,4 litros.
Atividades Finais
1. 257,69 gramas.
2. a. Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3CO.
b. 270 toneladas.
c. 672 L.