estequiometria parte 1 grace

Estequiometria

PROF. GRACE FERREIRA GHESTI

QUÍMICA PARA ENGENHARIA

PROBLEMA: Emissão de poluentes• Gasolina é uma mistura de hidrocarbonetos diferentes

• Gasolina de melhor qualidade– Maior número de octanas (% de C8H18 ou equivalente)

– Possibilita maior taxa de compressão do motor

• No Brasil– 20-25% +- 1% de álcool etanol anidro na gasolina (C2H5OH);

– Legislação ambiental sobre emissão de poluentes

– Carros bicombustível: gasolina + etanol

• Como controlar a emissão de poluentes?

• Como ajustar o motor para diferentes misturas de gasolina + álcool?

Sonda Lambda e Estequiometria

• Mistura é dita estequiométrica quando– Todo o combustível é queimado

– Usando todo o ar disponível

• Algumas reações químicas não balanceadas no motor de combustão interna

2188222252188 NONOHCCOOHCONOOHHCHC

Octano (‘gasolina’)

Etanol

Resultado da queima completa do octano

Poluentes resultantes da queima incompleta do octano

Poluentes da reação entre

N2 e O2

• Conceito de Mol

• Análise Elementar e Composição Centesimal

• Fórmulas Empíricas e Moleculares

• Balanceamento de Equações Químicas

• Cálculos Estequiométricos

• Rendimento Teórico e Percentual

• Relações de massa

• Estequiometria de soluções com concentração em mol/L

Motivação Assuntos abordados

Os químicos inventaram uma unidade de contagem especial para descrever

números grandes de átomos, moléculas e íons: O MOL

O Mol

1 mol de objetos contém um determinado número de objetos igual ao

número de átomos que existe em precisamente 12 g de carbono 12 (12C).

Massa de 1 átomo de 12C = 1,99265 10-23 g

23

23-

12 100221,610 1,99265

g 12Cde átomos de Número

g

1 mol de objetos corresponde a 6,0221 x 1023 objetos: Numero de Avogadro

O mol é a unidade utilizada para medir a propriedade física formalmente chamada

de quantidade de substância n

CONSTANTE DE AVOGADRO: O número de objetos por mol (6,0221 x

1023mol-1)

Como determinar a quantidade de substância presente em uma amostra, já que

não é possível contar os átomos diretamente??

Podemos determinar a quantidade de substância se soubermos a massa da

amostra (m) e a Massa Molar

A Massa Molar

Massa Molar de um elemento: é a massa por mol de seus átomos

A unidade de massa molar é sempre gramas por mol (g.mol-1)

molar massaquantidadeamostra da Massa

)mol(g

massamolar

(mol) quantidade

(g) massa

1

Mnm

Mmn /

A Massa Molar

As massas molares dos elementos são determinadas por espectrometria de

massas, que mede as massas dos isótopos e suas abundâncias relativas.

A massa por mol dos átomos é a massa de um átomo multiplicada pela

Constante de Avogadro ( o número de átomos por mol)

Aátomo NmM

A massa molar de um composto é a soma das massas molares dos

elementos que constituem a molécula ou a formula unitária

Exemplo: Calcular a massa molar do composto iônico sulfato de alumínio

composto um de molar massafórmula pesoou molecular Peso

elemento do molar massaelemento do atômico Peso

Determinação de Fórmulas Químicas

A primeira etapa na identificação da estrutura de um composto é a determinação

das Fórmulas Empírica e Molecular

Fórmula mínima ou empírica: Mostra o número relativo de átomos de cada

elemento de um composto

Ex.: Fórmula mínima ou empírica da glicose, CH2O (proporção dos elementos

1:2:1)

Os elementos estão nessa proporção independente do tamanho da amostra.

Fórmula molecular: Nos dá o número real de átomos de cada elemento em uma

molécula.

Ex.: glicose, C6H12O6 (cada molécula de glicose contém 6 átomos de C, 12

átomos de H e 6 átomos de O)

Compostos diferentes, com fórmula molecular diferente, podem ter a mesma

fórmula empírica

Ex.: formaldeído, o ácido acético e o ácido lático têm a mesma fórmula mínima ou

empírica (CH2O).


Composição Percentual da Massa: É a massa de cada elemento expressa como

uma percentagem da massa total.

%100amostra da total massa

amostra na elemento do massaelemento do massa da mPorcentage

A principal técnica de determinação da composição percentual da massa de

compostos orgânicos desconhecidos é a análise por combustão


Exemplo:

Suponha que estamos gerando hidrogênio a partir da água para usar como

combustível e precisamos saber quanto hidrogênio uma dada massa de água pode

fornecer. Qual é a percentagem em massa de hidrogênio na água?

Solução:

Para calcular a percentagem em massa de hidrogênio na água é suficiente

determinar a massa de átomos de H presentes em 1 mol de moléculas de água,

observando que existem 2 mols de H. Dividimos aquela massa pela massa de 1

mol de H2O e multiplicamos por 100%:

%100OH moléculas de massa

H moléculas de total massahidrogênio de massa da mPorcentage

2

100%)g.mol (18,02(1mol)

)g.mol (1,0079 mol) (21-

-1

% 11,19


Determinação das fórmulas empíricas:

A Fórmula empírica de um composto é determinada partir da composição

percentual da massa e da massa molar dos elementos presentes

Estratégia:

1. Determinar a massa de cada elemento, mx, em 100 g exatos do composto. A

massa de cada elemento é igual a sua percentagem de massa.

2. Converta cada massa em quantidade de mols, nx, usando a massa molar, Mx,

do elemento, nx = mx/Mx

3. Divida o número de mols de cada elemento pelo número menor.

Se o resultado incluir números fracionários, multiplique-os por um fator de

correção que dê o conjunto menor de números inteiros de mols.

Exemplo:

A cafeína, um estimulante do café e do chá, tem massa molar 194,19 g.mol-1 e a

composição percentual da massa 49,49% C, 5,19% H, 28,85%N, 16,48%O. Qual é

a fórmula molecular da cafeína


Determinação das Fórmulas moleculares

Para encontrar a fórmula molecular de um composto é necessária sua massa molar.

Para determinar massa molar de um composto usa-se a técnica de espectrometria de

massas

A fórmula molecular de um composto é obtida determinando-se quantas fórmulas

empíricas unitárias são necessárias para atingir a massa molar medida do composto.

Exemplo da cafeína com formula empírica unitária C4H5N2O por espectrometria de

massa sabemos que sua massa molar é 194,19 g.mol-1.

A massa molar de uma formula unitária C4H5N2O pode ser estimada como:

1-1111

254

g.mol 97,08)g.mol (16,001)g.mol (14,002)g.mol (1,0085)g.mol (12,014

ONHC de molar Massa

Para encontrar o número de fórmulas unitárias C4H5N2O necessárias para atingir a

massa molar da cafeína , dividimos a massa molar do composto pela massa molar da

fórmula empírica unitária.

000,2.08,97

.19,1941

1

molg

molg

empírica unitária fórmula da molar massa

composto do molar massa

A fórmula molecular da

cafeína é 2 x (C4H5N2O),

ou C8H10N4O2

Equações Químicas

Reações químicas: é o processo da mudança química, ou seja, a conversão de uma

ou mais substâncias em outras substâncias.

Representação das reações químicas:

OHCOOHC

Água Carbono de Dióxido Oxigênio Octano

ProdutosReagentes

222188

Equação esqueleto: mostra o essencial da reação (as identidades dos reagentes e dos

produtos) em termos de fórmulas químicas. É o resumo qualitativo de uma reação

química.

As fórmulas químicas dos compostos e substâncias em geral nos permitem

escrever equações que representam reações químicas.

O resumo quantitativo de uma reação química tem em conta que os átomos não são

criados nem destruídos Lei de conservação da massa.

Uma vez que os átomos não são criados nem destruídos em uma reação, a equação

química deve ter um número igual de átomos de cada elemento de cada lado da seta.

Quando essa condição é satisfeita costumamos dizer que a equação está

BALANCEADA.

Exemplo: Combustão do hidrogênio

O2HO2H 222

No lado direito da equação existem duas moléculas de água, cada uma delas

constituídas de 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio.

Já que existem 4 átomos de H e 2 átomos de O do lado esquerdo da equação, então

ela está balanceada.

Balanceamento da equação: nos permite determinar os coeficientes que fornecem

números iguais de cada tipo de átomo de cada lado da equação.

Geralmente, uma equação balanceada deve conter

os menores coeficientes inteiros possíveis


15Equações Químicas: Balanceamento

Ilustração da diferença entre um índice inferior em uma fórmula química e um

coeficiente diante da fórmula.



Regras de Balanceamento de Equações

Uma equação química balanceada simboliza as mudanças qualitativa e quantitativa

que ocorrem em uma reação química . Os coeficientes estequiométricos mostram os

números relativos de mols dos reagentes e produtos que tomam parte na reação.

Reação que ocorre quando o metano (CH4), principal componente do gás natural,

queima-se ao ar para produzir o gás dióxido de carbono (CO2) e vapor de água

(H2O).)balanceada(não OHCOOCH 2224

1. Sempre comece pelos elementos que aparecem em um menor número de fórmulas

químicas de cada lado da equação. (Átomos encontrados em apenas um composto)

)balanceada(não O2HCOOCH 2224

a)(balancead O2HCO2OCH 2224

a)(balancead O(g)2HgCOg2OgCH 2224 )()()(


Visão molecular da equação balanceada para a combustão de metano.

Exercício

escreva a equação balanceada da combustão do gás propano, C3H8, ao gás dióxido

de carbono e água líquida



Estequiometria das reações

A interpretação quantitativa das reações químicas é a parte da química chamada

Estequiometria das reações.

Um coeficiente estequiométrico de uma reação química informa a quantidade

relativa (número de mols) de uma substância que reage ou é produzida.

O(g)2HgOg2H 222 )()(

Informação: quando 1 mol de H2 reage, produzem-se 2 mols de H2O

Essa informação pode ser resumida da seguinte forma:

1 mol O2 2 mol H2O1 mol H2 2 mol H2O

O sinal é lido como ‘é quimicamente equivalente a’

Relações estequiométricas


Predições Mol a Mol

Na célula combustível de um ônibus espacial, o oxigênio reage com hidrogênio

para produzir água.

Cálculos dos projetistas da missão para descobrir a quantidade de H2O formada

quando 0,25 mols de O2 reagem com gás hidrogênio.

1. Escrevemos a equação da reação e balanceamos a equação

2. Obtemos a informação de que 1 mol O2 reage para formar 2 mols H2O.

3. Escrever a relação estequiométrica entre o oxigênio e a água

O(g)2HgOg2H 222 )()(

1 mol O2 2 mol H2O

reação da molar RazãoO mol 1

OH mol 2

dada substância

desejada substância

2

2

2

22

O mol 1

OH mol 2O mol 0,25(mol) produzida água de Quantidade

OH mol 0,50 2


Como fazer cálculos Massa a Massa

Etapa 1: Converta a massa conhecida, em gramas, de uma substância (A) em

quantidade de mols usando a massa molar:

Etapa 2: Use a razão molar derivada dos coeficientes estequiométricos da equação

química balanceada para converter a quantidade de uma substância (A) em

quantidade em mols da outra substância (B). Para aAbB use:

Etapa 3: Converta a quantidade em mols da segunda substância (em gramas)

usando a massa molar:

A

AA

M

mn

A mol a

B mol bnn AB

BBB Mnm


Reagentes limitantes

Nem sempre as substâncias envolvidas em uma reação química reagem exatamente

como descrito em uma equação química:

Possíveis situações:

•Uma parte dos reagentes pode ser consumidas em reações competitivas

•A reação não está completa quando as medições são feitas

•Muitas reações não se completam

Rendimento teórico: É quantidade máxima (mols, massa ou volume) de produto que

pode ser esperada na base da estequiometria de uma reação

Rendimento percentual: É a fração do rendimento teórico que é realmente obtida

Rendimento percentual =Rendimento real

X 100Rendimento teórico


Reagentes limitantes

Exemplo:

No teste de um motor de automóvel para acompanhar a combustão de 1,00 L de

octano (702 g) sob certas condições, obteve-se 1,84 kg de CO2. Qual é o

rendimento percentual de CO2?

Etapa 1: Escreva a equação química da reação balanceada

C8H18 (l) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (l)


Rendimentos teóricos• A quantidade de produto prevista a partir da estequiometria considerando os reagentes

limitantes é chamada de rendimento teórico.• O rendimento percentual relaciona o rendimento real (a quantidade de material

recuperada no laboratório) ao rendimento teórico:



MOLARIDADE

Concentração em quantidade de matéria: Mols de soluto por litro de solução. M

Quando trabalhamos com soluções de concentrações de quantidade de matéria Sesoubermos a concentração em quantidade de matéria e o volume de solução, podemoscalcular a quantidade de matéria (e a massa) do soluto.

Concentração em quantidade de matéria

Estequiometria de soluções

conhecidas, usamos a concentração e o volume para determinar a quantidade de

matéria do soluto = c x L


Diagrama do procedimento usado para resolver problemas estequiométricos que

envolvam unidades de massa medidas (laboratório), concentração (concentração em

quantidade de matéria) e volume.

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