1.1. Aspetos Quantitativos das reações químicasProfessora Paula Melo Silva

REAÇÃO QUÍMICATransformação através da qual uma ou mais substâncias são convertidasem uma ou mais substâncias diferentes.

Reações de síntese química historicamente relevantes

1828 – Síntese da ureia

1856 – Descoberta da mauveína por Perkin

1897 – Síntese da aspirina

1904 – Síntese do amoníaco

3 2 22 2Pb OCN s 2 NH aq H O 2 NH CO s PbO s

Selo alemão de homenagem a Fredrich Wöhler (A) pela síntese da ureia (B).

Quebram-se estas ligações químicas.

Formam-se novas ligações químicas.

Reagentes Produtos da reação

O que acontece numa reação química é um rearranjo dos átomos dosreagentes com formação de novas combinações químicas queindividualizam os produtos da reação.

LEI DE CONSERVAÇÃO DE MASSA OU LEI DE LAVOISIER

Em qualquer reação química, a soma das massas dos reagentes edos produtos da reação mantém-se sempre constante. Porconseguinte, o número de átomos de cada elemento químicoexistente no início da reação tem que ser igual ao número deátomos desse elemento no fim da reação.

Mesmo número de átomos de um elemento químico em cada

lado da seta.

EQUAÇÃO QUÍMICA

Representação abreviada de uma reação química onde os reagentese os produtos da reação são representados pelas respetivasfórmulas químicas ou símbolos químicos, precedidos peloscoeficientes que estabelecem a proporção em que os reagentes secombinam e se formam os produtos.

´ Produtos da reação

(Nota: As letras A, B, C e D não correspondem a símbolos químicos dos elementos nem afórmulas químicas das substâncias.)

a A s b B c C d D g

Reagentes

EQUAÇÃO QUÍMICA

´ Produtos da reação

(Nota: As letras A, B, C e D não correspondem a símbolos químicos dos elementos nem afórmulas químicas das substâncias.)

a A s b B c C d D g

Reagentes

As diferentes substâncias que constituem osreagentes ou os produtos estão separadas pelosímbolo “+”, que significa “reage com” ou “e”quando aplicado, respetivamente, a reagentes oua produtos da reação.

EQUAÇÃO QUÍMICA

´ Produtos da reação

(Nota: As letras A, B, C e D não correspondem a símbolos químicos dos elementos nem afórmulas químicas das substâncias.)

a A s b B c C d D g

Reagentes

Os estados físicos das substânciasenvolvidas são indicados, entreparênteses, a seguir a cada uma dasfórmulas ou símbolos químicos.

EQUAÇÃO QUÍMICA

´ Produtos da reação

(Nota: As letras A, B, C e D não correspondem a símbolos químicos dos elementos nem afórmulas químicas das substâncias.)

a A s b B c C d D g

Reagentes

É necessário acertar a equação químicacolocando-se os coeficientes adequados antesde cada substância, denominados coeficientesestequiométricos.

Exemplo: Acerto da equação química que traduz a reação de combustãodo hidrogénio

2 2 2H g + O g H O

Reagentes Produtos da reação

EquaçãoElemento

Nº átomos

Nº átomos

Nº átomos

H O H O

2 2 2 1

2 2 2 2 = 4 2 1 = 2

2 2 = 4 2 2 = 4 2 1 = 22

Não acertada

Não acertada

Acertada

Início

1ª Alteração

2ª Alteração

2 2

RELAÇÕES ESTEQUIOMÉTRICAS

ESTEQUIOMETRIA - Estudo das relações entre as quantidades dereagentes e produtos envolvidos em reações traduzidas por equaçõesquímicas devidamente acertadas.

Equação Química

TABELA – INFORMAÇÃO QUANTITATIVA DA EQUAÇÃO QUÍMICA ACERTADA DA COMBUSTÃO DOMETANO

Através da leitura de uma equação química é possível ficar a conhecer assubstâncias envolvidas na reação e as quantidades relativas em que osreagentes se combinam e se formam os produtos da reação.

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)

1 molécula de CH4 + 2 moléculas de O2 1 molécula de CO2 + 2 moléculas de H2O

1 mol CH4 + 2 mol O2 1 mol CO2 + 2 mol H2O

16,0 g CH4 + 64,0 g O2 44,0 g CO2 + 36,0 g H2O

80,0 g Reagentes 80,0 g Produtos da Reação

Número de entidades (moléculas)

Quantidade de matéria (mol)

Massa (g)

Massa total (g)

RELAÇÕES ESTEQUIOMÉTRICAS

TABELA – INFORMAÇÃO QUANTITATIVA DA EQUAÇÃO QUÍMICA ACERTADA DA COMBUSTÃO DO METANO

Quantidade de matéria (n) / mol

Massa (m) / g

Número de entidades (N) / adimensional

Volume (V) / dm3

N = n NA

NA = 6,02 1023 mol-1

m = n M

V = n Vm

Vm gases (PTN) = 22,4 dm3 mol-1

ESTEQUIOMETRIA - Estudo das relações entre as quantidades dereagentes e produtos envolvidos em reações traduzidas por equaçõesquímicas devidamente acertadas.

Através da leitura de uma equação química é possível ficar a conhecer assubstâncias envolvidas na reação e as quantidades relativas em que osreagentes se combinam e se formam os produtos da reação.

Etapa 1 Etapa 2Etapa 3

Etapa 4Escrita da equação química acertada

Quantidade de matéria de A

Quantidade de matéria de B

Massa ou volume de A

Átomos ou moléculas de A

Massa ou volume de B

Átomos ou moléculas de B

LEI DE PROUST OU LEI DAS PROPORÇÕES DEFINIDAS - Numa reação químicaé constante a proporção em que os reagentes se combinam entre si, bemcomo a proporção em que se formam os produtos da reação.

• Estratégia para resolução de problemas de estequiometria

Razão molar

No acerto das equações químicas não se pode acrescentar reagentes ouprodutos que não façam parte da reação, nem alterar os índices das fórmulasquímicas porque isso alteraria a identidade das substâncias.

EQUAÇÃO IÓNICA

Equação química que evidencia a participação de iões na reação querepresenta.

3 3 2Cu(s) 2 AgNO (aq) Cu NO (aq) 2Ag(s)

Equação Química Global

2

3 3Cu(s) + 2 Ag (aq) 2 NO (aq) Cu (aq) + 2 NO (aq) + 2 Ag(s)

2+Cu(s) Ag (aq) Cu (aq)2 2 Ag(s) Equação Iónica

No acerto de uma equação iónica deve não só garantir-se que o númerototal de átomos de cada elemento químico é o mesmo nos reagentes enos produtos da reação, mas também verificar que a carga total semantém.

REAGENTE LIMITANTE E REAGENTE EM EXCESSO

REAGENTE LIMITANTE - Reagente que apresenta a menor quantidade dematéria em relação à proporção estequiométrica e que limita a quantidadede produto formado.

REAGENTE EM EXCESSO - Reagente cuja quantidade estequiométricanuma mistura reacional é superior à quantidade estequiométrica doreagente limitante.

O número de bicicletas a construir a partir das peças é limitado pela quantidade de rodas.

Uma vez identificado o reagente limitante, é possível determinar:

• a quantidade de matéria em excessodos outros reagentes, pela diferençaentre a quantidade de matéria inicial e aquantidade de matéria estequiométricanecessária para consumir todo oreagente limitante.

• a quantidade de matéria máxima deproduto que pode ser formado, a partirda razão molar.

GRAU DE PUREZA DE UMA AMOSTRA

GRAU DE PUREZA - Quociente entre a massa da substância (pura) e a massatotal da amostra.Trata-se de uma grandeza adimensional que também pode ser expressa empercentagem.

( )substância pura

amostra

mGrau de pureza

m

A atmosfera interior dos snacks é de nitrogénio(± 99%) para conservar os alimentos evitando autilização de conservantes.

Os reagentes podem apresentardiferentes graus de pureza,devendo ser escolhidos consoanteas finalidades de uso e custo.

Se uma amostra de nitrogénio é99% pura significa que, em cada100 g de amostra, 99 g são denitrogénio e 1 g será de outrassubstâncias, as impurezas.

RENDIMENTO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

REAÇÕES COMPLETAS - Reações em que pelo menos um dos reagentes (oreagente limitante) se esgota completamente.

Exemplo:CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)

As combustões em sistema aberto são exemplos dereações que se aproximam de reações completas, como é ocaso da combustão do metano. Se existir oxigénio emexcesso (isto é, se o metano for o reagente limitante), acombustão prossegue até todo o metano ter reagido.

RENDIMENTO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

REAÇÕES COMPLETAS - Reações em que pelo menos um dos reagentes (oreagente limitante) se esgota completamente.

Exemplo:CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)

REAÇÕES INCOMPLETAS - Reações em que nenhum dos reagentes seesgota mesmo quando estão presentes em proporção estequiométrica.No fim da reação, reagentes e produtos coexistem na presença uns dosoutros.

Exemplo:CH3COOH(aq) + CH3CH2OH(aq) CH3COOCH2CH3(aq) + H2O(ℓ)

RENDIMENTO DA REAÇÃO - Avalia a conversão de reagentes em produtosda reação e pode ser determinado pela razão entre a quantidade de umproduto realmente obtida e a quantidade do mesmo produto previstaestequiometricamente.

% 100obtido

previsto

n

n

% 100obtida

prevista

m

m % 100obtido

previsto

V

V

O valor do rendimento pode variar entre 0, (senão se forma produto nenhum) e 100, (se setratar de uma reação completa, com conversãototal do reagente limitante no produtopretendido).

QUÍMICA VERDE

Criação, desenvolvimento e aplicação de produtos e processos químicoscom a finalidade de reduzir ou eliminar o uso e a produção de substânciasnocivas à saúde humana e ao ambiente minimizando, assim, o impactoambiental.

Objetivos da Química Verde

• produto final, com um rendimento máximo;• maximização da incorporação dos átomos dos reagentes no produto final;• minimização da formação de resíduos.

ECONOMIA ATÓMICA PERCENTUAL

Avalia o impacto ambiental de um processo.Corresponde à razão entre a massa de átomos dereagentes que são incorporados no produto desejado ea massa total de átomos nos reagentes, expressa empercentagem.

% 100massa de átomos de reagentes incorporados no produto desejado

AEmassa total de átomos nos reagentes

Comparação da economia atómica em dois processos de síntese alternativos.

O processo mais eficaz é o que maximiza a incorporação de átomos dosreagentes no produto final.

A Química Verde compara processos alternativos tendo em conta váriosfatores, como: economia atómica, redução dos resíduos, produtosindesejados, escolha de reagentes e processos menos poluentes.

Sulfato de ferro (II)+

Ácido sulfúrico concentrado

VIA DE SÍNTESE 1

Ácido oxálico+

Oxalato de ferro(II) di-hidratado

VIA DE SÍNTESE 2

Sulfato de ferro (II)+

Ácido ascórbico

Ácido oxálico+

Oxalato de ferro(II) di-hidratado

Exemplo 1:Reação de síntese do oxalato de ferro(II) di-hidratado

Acrilonitrilo

VIA DE SÍNTESE 1

Água+

Sulfato de amónio

VIA DE SÍNTESE 2

Água+

Acrilamida

Exemplo 2:Reação de síntese de acrilamida

Acrilamida +

(produto indesejado)

Acrilonitrilo

Nitrilo hidrataseÁcido sulfúrico e amoníaco