As estequiometria das reações

Algumas vezes precisamos saber que quantidade de produto esperar em uma reação ou quanto reagente precisamos utilizar para fabricar a quantidade desejada de produto. Para fazer este tipo de cálculo, você vai usar o aspecto quantitativo das reações químicas, denominado estequiometria das reações. Os coeficientes estequiométricos em uma reação química balanceada são interpretados com base nas quantidades relativas que reagem ou são produzidas. Logo, os coeficientes estequiométricos na reação: $\ce{ N2(g) + 3 H2(g) -> 2 NH3(g) }$ indicam que, quando $\pu{1 mol}$ de $\ce{N2}$ reage, $\pu{3 mols}$ de $\ce{H2}$ são consumidos e produzem-se $\pu{2 mol}$ de $\ce{NH3}$ . As relações estequiométricas resumem as quantidades relativas de reagentes e produtos envolvidos em uma reação química: $\dfrac{ n_{\ce{N2}} }{1} = \dfrac{ n_{\ce{H2}} }{3} = \dfrac{ n_{\ce{NH3}} }{2}$

2B.2aAs predições mol a mol

A estequiometria tem aplicações importantes, como a estimativa da quantidade de produto que se forma em uma reação. Por exemplo, em algumas células a combustível usadas para gerar eletricidade, o oxigênio reage com o hidrogênio para produzir água. Vejamos como calcular a quantidade de água formada quando $\pu{0,25 mol}$ de $\ce{O2}$ reage com o gás hidrogênio. A equação química da reação é $\ce{ 2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l) }$ A informação de que $\pu{1 mol}$ de $\ce{O2}$ reage para formar $\pu{2 mol}$ de $\ce{H2O}$ é resumida, escrevendo a relação estequiométrica entre o oxigênio e a água: $\dfrac{ n_{\ce{O2}} }{1} = \dfrac{ n_{\ce{H2O}} }{2}$ Essa relação permite relacionar a quantidade de moléculas de $\ce{O2}$ à quantidade de moléculas de $\ce{H2O}$ produzidas. $n_{\ce{H2O}} = \pu{0,25 mol} \times \dfrac{2}{1} = \pu{0,5 mol}$

Exemplo 1

Cálculo da quantidade de produto que pode ser obtida de uma dada quantidade de reagente

Calcule a quantidade de amônia, $\ce{NH3}$ , que é produzida a partir de $\pu{6 mol}$ de gás hidrogênio na reação com gás nitrogênio.

Etapa 1.Balanceie a equação química.

$\ce{ N2(g) + 3 H2(g) -> 2 NH3(g) }$

Etapa 2.Use a relação estequiométrica para converter a quantidade de

\ce{H2}

na quantidade de

\ce{NH3}

$n_{\ce{NH3}} = \pu{6 mol} \times \dfrac{2}{3} = \boxed{ \pu{4 mol} }$

A equação química balanceada de uma reação serve para estabelecer a relação estequiométrica, o fator usado para converter a quantidade de uma substância na quantidade de outra.

2B.2bAs predições massa a massa

Para determinar a massa de produto que pode ser formada a partir da massa conhecida de um reagente, a massa do reagente é convertida em quantidade em mols utilizando sua massa molar. Após, a relação estequiométrica da equação balanceada é utilizada para estimar a quantidade de produto em mols. Por fim, esta quantidade de produto é convertida em massa utilizando sua massa molar.

Exemplo 2

Cálculo da massa de produto que pode ser obtida de uma dada massa de reagente

Em uma siderúrgica, o óxido de ferro(III), $\ce{Fe2O3}$ , presente no minério de ferro é reduzido por monóxido de carbono ao metal ferro e ao gás dióxido de carbono em um alto-forno.

Calcule a massa de óxido de ferro necessária para produzir $\pu{7 kg}$ de ferro.

Etapa 1.Balanceie a equação química.

$\ce{ Fe2O3(s) + 3 CO(g) -> 2 Fe(s) + 3 CO2(g) }$

Etapa 2.Converta a massa de ferro em quantidade utilizando sua massa molar.

De $n = m/M$ $n_{\ce{Fe}} = \dfrac{ \pu{7 kg} }{ \pu{56 g//mol} } = \pu{125 mol}$

Etapa 3.Use a relação estequiométrica para converter a quantidade de

\ce{Fe}

na quantidade de

\ce{Fe2O3}

$n_{\ce{Fe2O3}} = \pu{125 mol} \times \dfrac{1}{2} = \pu{62,5 mol}$

Etapa 4.Converta a quantidade de

\ce{Fe2O3}

em massa utilizando sua massa molar.

De $m = nM$ $m_{\ce{Fe2O3}} = \pu{62,5 mol} \times \pu{160 g//mol} = \boxed{ \pu{10 kg} }$

Em um cálculo massa a massa, converta a massa fornecida em quantidade de mols, aplique relação estequiométrica para obter a quantidade desejada e, por fim, converta a quantidade de mols em massa da substância desconhecida.