2. Caractersticas das reaes qumicas

1. A indstria do amonaco

3. O controlo das reaes Qumicas

Unidade 1 - Qumica e Indstria: equilbrios e desequilbrios

1. A gua na Terra

2. Acidez e basicidade das guas

Unidade 2 - Da atmosfera ao Oceano: solues na Terra e para a Terra

azul, a Terra azul!...exclamou Yuri Gagarin, o

primeiro astronauta, ao observar o nosso planeta da sua nave

espacial em 12 de Abril de 1961.

4. Mineralizao e desmineralizao das guas

3. Chuva cida

Unidade 1 - Qumica e Indstria: equilbrios e desequilbrios

O que a indstria qumica?

A indstria qumica uma atividade econmica que, a partir de

matrias-primas, produz novas substncias atravs de reaes

qumicas.

Matrias

primas

Produtos

intermedirios

Produtos

finais

Por exemplo:

Hidrocarbonetos

gua

Ar atmosfrico Amonaco

AdubosPor exemplo:

N2 e H2

Consumidor

A indstria qumica pretende fabricar um produto a preo

to baixo quanto possvel, mas respeitando as imposies de

segurana e de proteo ambiental

Caractersticas:

temperatura ambiente e presso normal umgs txico, incolor e inflamvel, com cheiro

caracterstico picante e intenso.

presso normal o seu ponto de fuso de-78 C e o seu ponto de ebulio de -33 C.

altamente solvel em gua: 1 L de gualquida dissolve 727 L de amonaco gasoso,

dando origem ao io amnio(NH4+)

O amonaco

AMONACO

Indstria de

fertilizantes

Indstria de

Explosivos

Produo de

cido Ntrico

Indstria dos

Plsticos

Artigos

de

limpeza

Aplicaes do amonaco

Em

qumica

diz-sepuro em mistura como reagente

Na

indstria

diz-seestreme em preparado como matria - prima

Aplicaes

Fertilizante

(aplicado

diretamente no

solo)

Produtos de limpeza

(detergentes

amoniacais, solues de

limpeza para a indstria)

Fertilizantes

(nitrato de amnio,

sulfato de amnio,

ureia, etc.)

Tratamento de

guas

(neutralizao

de guas

residuais)

Fluido refrigerante

(em sistemas de

refrigerao para

indstrias alimentares)

Fibras e plsticos

(nylon, poliuretano,

resinas, etc.)

cido ntrico (usado

no tratamento de

metais, fabrico de

tintas e corantes,

explosivos, etc.)

Frmula de estrutura:

|H

H N H- -

Frmula molecular: NH3

3 ligaes covalentes simples, porque h partilha de

1 par de eletres em cada ligao.

1 par de eletres no

ligantes no tomo de

azoto conduz

geometria piramidal

trigonal da molcula.

GEOMETRIA MOLECULAR

Porque razo se usa o amonaco como fertilizante?

O elemento azoto, N, muito importante para a vida vegetal

Os elementos :

azoto, N

fsforo, P

potssio, K

so dos mais importantes

para a nutrio das plantas

so os que primeiro se

esgotam com a

explorao agrcola dos

solos

Os adubos contm estes trs elementos:

adubos simples : contm apenas N, ou K, ou P

adubos compostos: podem ser: NP, NK, PK ou NPK

Os adubos azotados fabricam-se a partir do amonaco

Sntese do amonaco

No sculo XIX, o azoto era obtido a partir

dos depsitos naturais de Nitratos do

Chile (nitratos de sdio) e de Guano do

Chile (excrementos de aves marinhas

ricos em compostos de azoto).

No incio do sc. XX esses depsitos revelaram-seinsuficientes, dada a crescente necessidade de compostosde azoto em todo o mundo.

Escassez de

adubos naturais

Mtodos de sntese de NH3dispendiosos que consumiam muita

energia e usavam matrias - primas

caras e pouco abundantes

Obter compostos de azoto a partir do azoto

atmosfrico tornou-se um dos principais desafios da

investigao qumica!

O qumico Fritz Haber e o eng. qumico Carl Bosch destacaram-

se nesta corrida.

Haber

Prmio Nobel da Qumica em 1918

Bosch

Prmio Nobel da Qumica em 1931

Em 1908, Fritz Haber conseguiu produzir 100 cm3 de

amonaco por hora.

Haber e Bosch tiveram o mrito de desenvolver a produo

industrial do amonaco com base no azoto existente na

atmosfera.

Aparelho de laboratrio utilizado por Fritz Haber para sintetizar o

amonaco em 1908. Fotografia tirada em julho de 2009 no Museu

Judaico de Berlim.

Bosch otimizou e deu dimenso industrial ao prottipo de

Haber ao desenvolver processos de alta presso.

Durante anos estudaram as melhores condies de

temperatura e presso para a reao de sntese do

amonaco.

A soluo para a eficincia industrial deste processo de

produo acabaria por envolver o uso de catalisadores.

Em 1913 comeou a laborar a 1 fbrica de produo de

amonaco baseada no processo de Haber. A produo era

de 30 toneladas por dia, um valor que hoje modesto

mas que na altura se poderia considerar extraordinrio.

Matrias-primas para a sntese do amonaco

Azoto

Diazoto

N2(g)Destilao fracionada do ar lquido

Atmosfera

Dioxignio

O2(g)+

p.e. = -196 C p.e. = -183 C

Sociedade Portuguesa de Ar Lquido (Estarreja)

Hidrognio

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

CH4(g) + H2O(g) CO (g) + 3 H2(g)

Eletrlise (3%)

Processo menos

econmico; produz

H2 mais puro

Processo mais antigo

Atualmente utilizam-se processos petroqumicos (77%)

que partem do hidrocarbonetos(principalmente metano)

e resduos de petrleo (nafta).

H2O

..

H2O

Processo de Haber - Bosch

O azoto e o hidrognio que no reagiram so novamente

introduzidos na cmara de reao atravs de uma bomba de

reciclagem.

O hidrognio e o azoto entram num compressor onde so

sujeitos a uma presso elevada ( 20 MPa).

Em seguida, passam para a cmara de reao ( tambm

chamada reator ou conversor), onde, a temperaturas

elevadas (450 C) e na presena de um catalisador ( ferro em

p), se processa a reao entre o azoto e o hidrognio.

Como esta reao no completa, ficam ainda por reagir

grandes quantidades de azoto e hidrognio.

Assim, da cmara de reao sai uma mistura de amonaco

com azoto e hidrognio. Esta mistura entra no condensador,

onde o amonaco se liquefaz ( ponto de liquefao = - 33C) e

recolhido.

Reao direta e reao inversa

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

Reao de sntese - ocorre quando duas ou mais

substncias se combinam para formar uma nova substncia.

2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)

Reao de decomposio - ocorre quando uma substncia se

decompe em substncias mais simples.

A reao de decomposio corresponde reao inversa

da sua sntese.

Reao completa e incompleta

Exemplo: combusto do magnsio em sistema aberto

Uma reao diz-se completa quando pelo menos um dos

reagentes se esgota ou atinge uma concentrao no

mensurvel.

2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)

Uma reao diz-se incompleta quando nenhum dos reagentes

se esgota no decorrer da reaco.

Exemplo: formao do amonaco

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

N2(g)

H2(g)

Inicialmente H2(g)

NH3(g)N2(g)

No final

Antes dos reagentes se esgotarem, o produto da reao

(NH3) entretanto formado pode decompor-se, originando N2 e

H2. Ocorre ento a reao inversa, reao de decomposio

do NH3.

Para qualquer transformao incompleta, existe a

respetiva reao inversa.

Exerccio 1

O amonaco pode ser preparado laboratorialmente atravs da reao

qumica entre cloreto de amnio e xido de clcio, de acordo com:

a) Identifica os reagentes e os produtos da reao, atribuindo-lhes os

respetivos nomes.

b) Acerta esta equao.

CaO(s) + NH4Cl(s) NH3(g) + CaCl2(s) + H2O(g)

Resoluo:

a) Reagentes: NH4Cl (cloreto de amnio) e CaO (xido de clcio) slidos.

Produtos da reao: CaCl2 (cloreto de clcio) slido; e NH3 (amonaco) e

H2O (gua) gasosos

b) CaO(s) + 2 NH4Cl(s) 2 NH3(g) + CaCl2(s) + H2O(g)

O amonaco uma matria-prima importante usada em diversasindstrias.Das proposies seguintes indica as falsas:

A - O azoto, N2 e o hidrognio, H2, so matrias-primas utilizadas naproduo industrial do amonaco.

B - O azoto, N2 , obtido por destilao fracionada do ar lquido utilizadocomo matria-prima na sntese do amonaco pelo processo de Haber.

C - O processo atual de obteno industrial do hidrognio a partir daeletrlise da gua.

D - A reao qumica de produo do amonaco completa.

E - A reao de decomposio do amonaco inversa da reao desntese do amonaco.

Soluo: C e D

Exerccio 2

CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS

Quando uma molcula de CH4 e uma molcula de H2O

reagem, formam-se uma molcula de CO e 3 molculas de

H2.

CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3H2 (g)

Usando quantidades de matria, podemos ler a equao:

Uma mol de molculas de metano, no estado gasoso,

reage com uma mol de molculas de vapor de gua,

originando uma mol de molculas de monxido de

carbono, no estado gasoso e 3 mol de molculas de

hidrognio, no estado gasoso.

O nmero de moles de cada espcie , pela ordem indicada,

1,1,1,3. Os nmeros so os coeficientes estequiomtricos e

indicam a proporo com que as espcies qumicas reagem e

se formam. Estes coeficientes permitem definir a

estequiometria da reao.

A estequiometria da reao d a proporo de cada

espcie numa reao qumica.

Podemos tambm fazer a leitura em massa:

Se reagirem 16 g de CH4, no estado gasoso, consomem-

-se 18 g de vapor de gua, produzindo-se 28 g de CO e

6 g de H2, ambos no estado gasoso.

m = n x M

As relaes estabelecidas com base nas equaes qumicas

(em quantidade de matria, em massa ou em volume de

gases) permitem realizar os chamados clculos

estequiomtricos.

Tambm podemos ler a equao qumica usando o volume dos

gases, em condies PTN:

Se reagirem 22,4 L de CH4, gasoso, com 22,4 L de vapor de

gua, formam-se 22,4 L de CO gasoso e 67,2 L de

hidrognio, tambm gasoso.

V = n x Vm

Na sntese do amonaco:

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

N de

entidades

estruturais

6,02x1023

molculas

de N2

Reagem

com

1,81x1024

molculas

de H2

originando

1,20x1024

molculas

de NH3

Quantidade

de matria

1 mol de

molculas

de N2

Reagem

com

3 mol de

molculas

de H2

originando

2 mol de

molculas

de NH3

Massa 28,0 g de N2Reagem

com 6,0 g de H2 originando

34,0 g de

NH3

Volume de

gases (PTN)

22,4 dm3

de N2

Reagem

com

67,2 dm3

de H2originando

44,8 dm3

de NH3

O nitrato de potssio (KNO3) amplamente utilizado como fertilizante. A

equao qumica que traduz a reao de sntese deste sal a seguinte:

4 KCl (s) + 4 HNO3 ( l) + O2 (g) 4 KNO3 (s) + 2 Cl2 (g) + 2 H2O (l)

Considera esta reao completa.

a) Determina a quantidade de oxignio necessria para obter uma mole de

fertilizante.

b) Determina o volume de cloro que se pode obter a partir de 200 dm3 de

oxignio.

c) Calcula a massa de cido ntrico necessria para produzir um saco com

50 kg de fertilizante.

d) Determina a massa de cloreto de potssio necessria para reagir com

750 dm3 de oxignio.

Exerccio 3

R: a) 0,25 mol; b) 400 dm3 ; c) 31 kg ; d) 9,98 kg

Rendimento de uma reao qumica

Para apurar a maior ou menor converso de reagentes em produtos

podemos usar a noo de rendimento da reao.

Mesmo que todos os reagentes, numa reao qumica, estejam na

proporo estequiomtrica, a reao pode ter um rendimento inferior a

100%.

Podemos definir rendimento de uma reao como:

Em vez de quantidade de matria, podemos tambm usar a

massa ou o volume de gases em condies PTN.

O facto de haver reaes incompletas importante para

estabelecer a eficincia na produo industrial, mas existem

outros fatores que condicionam o rendimento global da

produo:

existncia de reaes secundrias (envolvendo pelo menosum dos reagentes, que assim se gasta sem dar origem ao

produto em que estamos interessados);

dificuldade de extrao/ separao dos produtos a partir domeio reacional;

o grau de pureza das matrias-primas utilizadas.

Velocidade de uma reao e rendimento

O aumento da

velocidade da reao

implica apenas a

diminuio do intervalo

de tempo necessrio

para se obter a mesma

quantidade de produto.

No h aumento da

quantidade obtida e,

consequentemente,

aumento de rendimento

da reao, para se obter

a mesma quantidade de

produto.

A reao C (s) + CO2 (g) 2CO (g) importante na

indstria siderrgica (extrao de metais a partir de

minrios).

Por reao de 440 g de CO2 com carvo, obtiveram-se 420

g de CO. Calcula o rendimento da reao.

Exerccio 4

R: 75%

Considera a reao de sntese do amonaco:N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

a) Que quantidades de azoto, N2, e de hidrognio, H2, devero serintroduzidas, em propores estequiomtricas, num reatorcataltico, para sintetizar 90 mol de amonaco com umrendimento de 94% ?

b) Se o rendimento da reao fosse de 100%, as quantidadesnecessrias de azoto e de hidrognio para sintetizar as mesmasmoles de amonaco, seriam iguais s calculadas em a)? Justificaa resposta.

Exerccio 5

Resoluo do exerccio 5

Seriam necessrios 48 mol de azoto e 144 mol de hidrognio para sintetizar

90 mol de amonaco.

a) Clculo da quantidade prevista de NH3 que se devia obter:

Clculo das quantidades de azoto e de hidrognio necessrias:

1 mol N2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 96 mol NH3

n = 48 mol de N2

3 mol H2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 96 mol NH3

n = 144 mol de H2

b ) No.

Seriam necessrias apenas 45 mol de azoto e 135 mol de

hidrognio.

1 mol N2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 90 mol NH3

n = 45 mol de N2

3 mol H2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 90 mol NH3

n = 135 mol de H2

Grau de pureza dos reagentes

Uma amostra de NaCl com grau de pureza de 0,97 (97%) contm 97%

de NaCl puro e 3% de impurezas.

Um reagente qumico pode apresentar diferentes graus de

pureza e a escolha de um ou de outro tem a ver com o fim a

que se destina.

em que massa da amostra = massa de substncia + massa de impurezas

Uma amostra de 154 g de amonaco contm 10,0% de

impurezas. Determina a quantidade de NH3 presente na

amostra.

Exerccio 6

R: n = 8,18 mol

Determina a massa de calcrio (CaCO3 + impurezas)

necessria para se obter 180 L de dixido de carbono (em

condies PTN), atravs da calcinao de um calcrio com

10% de impurezas.

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

Exerccio 7

R: m (calcrio) = 894 g

Reagente limitante e reagente em excesso

N2 + 3 H2 2 NH3

200 mol de N2 300 mol de H2

O N2 o reagente em excesso: a sua quantidade superior

prevista pela estequiometria da reao.

(para reagir com 300 mol de H2 bastavam 100 mol de N2)

Qual dos reagentes est em

excesso?

O H2 condiciona a produo de NH3 e diz-se o reagente

limitante.

Reagente limitante: aquele que se esgota, se a reao for

completa.

Reagente em excesso: o que sobra no final da reao.

Se fizermos reagir 44,8 dm3 de N2 com 67,2 dm3 de H2 em

condies PTN, qual o reagente limitante?

n (H2) = 67,2 / 22,4 = 3,00 mol

O H2 o reagente limitante 1mol N2 3mol H22mol N2 xmol H2

X=6 mol

V = n Vm

n (N2) = 44,8 / 22,4 = 2,00 mol

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

Modo prtico de verificar qual o reagente limitante: comparar as

fraes

Quantidade qumica de reagente

Coeficiente estequiomtrico

para todos os reagentes.

2,00 mol de N2 3,00 mol de H2

1 (N2) 3 (H2)

>

Reagente

limitante

A menor frao corresponde ao reagente limitante.

A utilizao de reagentes em excesso justifica-se, por

exemplo, quando h diferena significativa de custos entre

os vrios reagentes.

Na produo de NH3 acontece isso mesmo: o azoto, como

mais barato, usado em excesso, no sentido de esgotar ao

mximo o hidrognio (reagente mais caro) para obter

amonaco.

Misturaram-se 7,00 g de diazoto com 2,40 g de di-hidrognioem condies propcias reao de formao do amonaco.

a) Indica, justificando, qual o reagente limitante.

b) Se a reao for completa, determina a quantidade de NH3que se formar.

c) Se se formarem 6,80 g de amonaco, determina orendimento da reao.

Exerccio 8

R: a) o reagente limitante o diazoto.

b) n (NH3) = 0,500 mol

c) = 80,0 %

A 560 mL de uma soluo aquosa de cloreto de amnio de

concentrao 0,100 moldm-3, juntaram-se 2,00 g de xido de

clcio ( slido com 30% de impurezas inertes e insolveis em

gua ). A reao entre as duas substncias ocorreu com um

rendimento de 40% , sendo traduzida pela equao:

a) Acerta a equao qumica que traduz a reao referida.

b) Identifica, justificando com os clculos, o reagente

limitante.

c) Calcula a quantidade de amonaco formado.

Exerccio 9

M (NH4Cl) = 53,50 g mol-1

NH4Cl (aq) + CaO (s) CaCl2 (aq) + NH3 (aq) + H2O (l)

M (CaO) = 56,08 g mol-1

a) 2NH4Cl (aq) + CaO (s) CaCl2 (aq) + 2NH3 (aq) + H2O (l) b) O reagente limitante o CaO pois o que existe em menor quantidade de

acordo com a estequiometria da equao (2:1).

c) n (NH3) = 0,020 mol