Jeremias Benjamim RICHTER foi o fundador da estequiometria, ou seja, a determinação das quantidades de substâncias envolvidas numa reação química a partir da equação correspondente. Estas quantidades podem estar expressas em massa, quantidade de matéria, número de átomos ou volume de substâncias, já que há uma correspondência entre as diversas grandezas utilizadas.
É de extrema importância no laboratório e na indústria, pois permite que se faça a previsão, sem a necessidade do procedimento experimental, da quantidade de produtos que serão obtidos em condições determinadas ou da quantidade de reagentes necessária à produção de uma determinada quantidade de produto.
Estequiometria envolvendo reações sem excesso de reagente
Para a resolução de problemas deste tipo, devemos relembrar algumas relações básicas. Para elementos a massa atômica expressa em gramas corresponde à massa molar, que contém uma quantidade de matéria equivalente a 1 mol de átomos, ou seja, 6,02 x 10 23átomos, que, se forem de um gás nas CNTP, ocuparão um volume de 22,4 L.
MM(g) = Massa molar → 1 mol de átomos → 6,02 x 10 23átomos → 22,4 L (CNTP
)
Para substâncias moleculares ou iônicas, a massa atômica expressa em gramas corresponde à massa molar, que contém uma quantidade de matéria equivalente a 1 mol de moléculas, ou seja, 6,02 x 10 23moléculas (ou agregados, se a substância for iônica), que, no caso de substâncias gasosas que estiverem nas CNTP, ocuparão um volume de 22,4 L.MM(g) = Massa molar → 1 mol de átomos → 6,02 x 10 23átomos → 22,4 L (CNTP
)
mm (g) = Massa molar → 1 mol de agregados → 6,02 x 10 23agregadosOs cálculos são sustentados pela Lei de Conservação das Massas (Lei de Lavoisier), pela Lei das Proporções Fixas (Lei de Proust) e pela Lei das Proporções Volumétricas Constantes (Lei de Gay Lussac), desde que em condições iguais de temperatura e pressão.
Se tomarmos os coeficientes de uma reação devidamente balanceada, ou seja, cujo número de átomos nos reagentes é igual ao número de átomos nos produtos, teremos, a partir deles, a proporção de cada substância que é produzida, na unidade que quisermos.
Exemplo: Considere a reação de combustão completa do etanol:
C2H5OH + O2 →CO2 + H2O
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Podemos concluir que:
Reação balanceada:
1C
2H
5OH + 3O
2→
2CO
2+ 3H
2O
Em massa 1x46 g 3x32g 2x44g 3x18g
Em no. de mol 1 mol 3 mol 2 mol 3 mol
Em no de moléculas 1x6,02x1023 3x6,02x1023 2x6,02x1023 3x6,02x1023
Em volume (CNTP) líquido 3x22,4 L 2x22,4L líquido
Estabelecidas as proporções acima, podemos fazer inúmeros cálculos envolvendo os reagentes e os produtos dessa reação, combinando as relações de várias maneiras diferentes.
Exemplos:
a) Qual a massa obtida de água pela combustão total de 207 g de etanol?
1 x 46 g de etanol _______________ 3 x 18 g de água
207 g de etanol _______________ x x = 243 g de água b) Qual a quantidade de matéria de oxigênio necessário para queimar completamente 230 g de etanol?
1 x 46 g de etanol _______________ 3 mol de água
230 g de etanol _______________ x x = 15 mol de água
c) Qual o número de moléculas de gás carbônico obtido pela queima de 336 L de oxigênio?
3 x 22,4 L de O2 _______________ 2 x 6,02 x 10 23 moléculas de CO2
336 L _______________ x x = 6,02 x 10 24 moléculas de CO2
d) Qual o volume de CO2 liberado, nas CNTP, na queima de 60 litros de etanol
(capacidade média do tanque de um carro)? Considere a densidade do etanol igual a 0,789 g/mL
0,789 g _______________ 1 mL
X _______________ 6,0 x 10 4 mL x = 4,7 x 10 4 g
46 g de etanol _______________ 2 x 22,4 L de CO2
4,7 x 10 4 g _______________ y y = 4,6 x 10 4 L de CO2
e) Qual a massa de água obtida pela reação de 20,16 L de gás oxigênio com o etanol ?
3 x 22,4 L de O2 _______________ 1 mL
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Exercícios
1) Sabendo-se que a decomposição do clorato de potássio (KClO3) se dá segundo a
equação balanceada:
2 KClO3
→
2 KCl + 3 O2Qual a massa de cloreto de potássio (KCl) obtida na decomposição de 40 g de clorato de potássio ?
2) Um astronauta elimina 470,4 L de gás carbônico por dia (nas CNTP). Suponha que se utilize hidróxido de sódio para absorver o gás produzido, segundo a equação: 2 NaOH + CO2
→
Na2CO3 + H2OQual é a massa de hidróxido de sódio necessária por dia de viagem?
3)Um operário faz, diariamente, a limpeza do piso de mármore de um edifício com ácido muriático (HCl comercial). Sabendo-se que o ácido ataca o mármore, desprendendo gás carbônico segundo a equação:
CaCO3 + 2 HCl
→
CaCl2 + H2O + CO2e, supondo que, em cada limpeza ocorre reação de 50,0 g de mármore, qual o volume de gás carbônico formado, por dia, nas CNTP ?
4) As superfícies de alumínio recém preparadas reagem com oxigênio para formar uma camada dura de óxido, que protege o metal de posterior corrosão. A reação é:
4 Al + 3 O2
→
2 Al2O3Quantos gramas de O2 são necessários para reagir com 0,300 mol de alumínio?
5) O etileno, C2H4, queima no ar para formar CO2 e H2O, de acordo com a equação:
C2H4 + 3O2
→
2 CO2 + 2H2OQuantos gramas de CO2 serão formados ao se inflamar 1,93 g de etileno?
6) A reação de síntese do sulfeto de mercúrio II é: Hg + S → HgS
Se usarmos 3,20 g de enxofre na reação, qual a massa (em gramas) e a quantidade de matéria de HgS obtido?
7) A hidrazina, N2H4, e o peróxido de hidrogênio, são usados como propelente de
foguetes. Eles reagem de acordo com a seguinte equação: 7 H2O2 + N2H4 → 2 HNO3 + 8 H2O
a) Qual a quantidade de matéria de HNO3 formada a partir de 0,025 mol de hidrazina?
b) Qual a quantidade de matéria de peróxido requerida, se 1,25 mol de água forem produzidos?
c) Qual a quantidade de matéria de água formada quando 1,87 mol de HNO3 forem
produzidos?
d) Qual a quantidade de matéria de peróxido requerida para produzir 220 g de hidrazina?
e) Quantos gramas de peróxido serão necessários para produzir 45,8 g de HNO3?
8) É dada a equação: C3H6O + 4 O2 → 3 CO2 + 3 H2O
Na combustão de 12,0 x 10 23 moléculas de propanona (C3H6O), qual o volume, em
litros, de gás carbônico liberado nas CNTP?
9) Qual a quantidade de matéria de nitrogênio consumido em sua reação com 101 litros de hidrogênio, nas CNTP, segundo a reação:
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10) Prata reage com ácido nítrico (HNO3) em quantidades estequiométricas segundo aequação:
3 Ag + 4 HNO3
→
3 AgNO3 + NO + 2 H2OSabendo-se que na reação participam 4,80 x 10 21 átomos de prata, quais serão:
a) A massa de AgNO3 formada;
b) O volume de NO formado (CNTP);
c) O número de moléculas de água formada.
11) 5,0 g de pólvora (constituída de KNO3, enxofre e carbono) em proporções
estequiométricas, reagem pela equação abaixo, na detonação de um projétil de revólver. Qual será o volume de gases produzidos nas CNTP?
2 KNO3
(s)
+ S(s)
+ 2 C(s) →
K2SO4(s)
+ N2(g)
+ 2 CO(g)
pólvora
12) Rodando a 60 km/h, numa viagem de 5 horas de duração, um automóvel tem um consumo de 10 km/L de combustível. Sabendo-se que o combustível usado é o etanol (C2H5OH) e admitindo-se a queima completa do mesmo, calcular o volume de gás
carbônico, em metros cúbicos, emitido pelo carro.
Dados: Densidade do etanol = 0,8 kg/L; M (etanol) = 46 g/mol ; Volume molar de CO2 nas condições da queima = 25 L/mol.
13) O éter etílico é o éter comum vendido em farmácia, cuja principal aplicação está relacionada à sua ação anestésica. A combustão completa de 14,8 mg de éter etílico (C4H10O) irá produzir gás carbônico e água, de acordo com a equação:
C4H10O + 6 O2
→
4 CO2 + 5 H2ODetermine:
a) a massa em mg de oxigênio consumido; b) o volume em m3 de CO2 produzido;
c) o número de moléculas de água produzidas.
14) A obtenção de etanol, a partir de sacarose por fermentação, pode ser representada pela seguinte equação:
C12H22O11 (s) + H2O (l) → 4 C2H5OH (l) + 4 CO2 (g)
Calcule a massa (em kg) de sacarose necessária para produzir um volume de 50 L de etanol, suficiente para encher o tanque de um automóvel.
Dados: densidade do etanol = 0,8 g/cm3; M (etanol) = 46 g/mol; M (sacarose) = 342
g/mol
15) Quantos mols de O2 são obtidos a partir de 2,0 mol de N2O5, de acordo com a
equação:
2 N2O5 + 2 K2O2
→
4 KNO3 + O216) Um tubo de ensaio contendo certa quantidade de clorato de potássio foi aquecido até completa decomposição do sal, segundo a reação da questão nº 1. Sabendo-se que o tubo de ensaio contendo o clorato de potássio pesou 22,46 g antes do aquecimento e que a diminuição de massa após o aquecimento foi de 0,96g.
Calcule a massa do tubo de ensaio.
17) O octano é um dos principais componentes da gasolina. A capacidade média de um tanque de automóvel é de 60 L e a densidade do octano é 0,70 g/mL. Qual o volume de ar necessário, nas CNTP, para queimar completamente o conteúdo de um tanque cheio de octano?Admitir que a na composição do ar, 20% seja de gás oxigênio (% em volume).
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18) O vidro de garrafa é obtido fundindo areia (SiO2), calcário (CaCO3) e carbonato desódio (Na2CO3). A composição do vidro é variável, mas a seguinte reação pode ser
considerada como representativa:
Na2CO3 + CaCO3 + 6 SiO2
→
Na2O.CaO.6SiO2 + 2 CO2vidro
Use essa reação para prever a quantidade de areia necessária para fabricar 5.000 garrafas de cerveja, sabendo que cada garrafa pesa 400g.
19) Calcule a massa de clorato de potássio necessária para a produção de 33,6 L de oxigênio (CNTP).
20) Considerando a combustão do etanol, qual o volume de gás carbônico obtido pela queima de 230 g de etanol, considerando-se as CNTP?