PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão Q02 da 2ª fase da FUVEST 2009

2ª fase · Química · Química: Deslocamento de equilíbrio (Le Chatelier)

A reforma do gás natural com vapor de água é um processo industrial de produção de hidrogênio, em que também se gera monóxido de carbono. O hidrogênio, por sua vez, pode ser usado na síntese de amônia, na qual reage com nitrogênio. Tanto a reforma do gás natural quanto a síntese da amônia são reações de equilíbrio. Na figura, são dados os valores das constantes desses equilíbrios em função dos valores da temperatura. A curva de K_1 refere-se à reforma do gás natural e a de K_2, à síntese da amônia. As constantes de equilíbrio estão expressas em termos de pressões parciais, em atm.

Gráfico das curvas das constantes de equilíbrio K₁ e K₂ em função da temperatura T em °C (de 300 a 500 °C). O eixo vertical à esquerda indica K₂ em 10⁻³ × atm⁻² (valores de 0 a 4), cuja curva é decrescente com o aumento da temperatura; uma seta apontando para a esquerda indica sua escala correspondente. O eixo vertical à direita indica K₁ em 10⁻³ × atm² (valores de 0 a 4), cuja curva é crescente com o aumento da temperatura; uma seta apontando para a direita indica sua escala correspondente.

a) Escreva a equação química balanceada que representa a reforma do principal componente do gás natural com vapor de água.

b) Considere um experimento a 450\text{ }^\text{o}\text{C}, em que as pressões parciais de hidrogênio, monóxido de carbono, metano e água são, respectivamente, 0,30; 0,40; 1,00 e 9,00 atm. Nessas condições, o sistema está em equilíbrio químico? Justifique sua resposta por meio de cálculos e análise da figura.

c) A figura permite concluir que uma das reações é exotérmica e a outra, endotérmica. Qual é a reação exotérmica? Justifique sua resposta.

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Resolução comentada

a) O principal componente do gás natural é o metano, \ce{CH4}. Na reforma ele reage com vapor de água e produz \ce{H2} e \ce{CO}:

\ce{CH4(g) + H2O(g) <=> CO(g) + 3 H2(g)}

Equação balanceada: \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3 H2}

b) Só a reforma está envolvida, pois as espécies dadas são \ce{H2}, \ce{CO}, \ce{CH4} e \ce{H2O}. Logo, o valor de comparação é K_1.

Para saber se há equilíbrio, calculo o quociente de reação Q com as pressões parciais dadas e comparo com K_1 a 450\ ^\circ\text{C}:

Q=\frac{p_{\ce{CO}}\cdot p_{\ce{H2}}^3}{p_{\ce{CH4}}\cdot p_{\ce{H2O}}}=\frac{0{,}40\cdot(0{,}30)^3}{1{,}00\cdot 9{,}00}=\frac{0{,}0108}{9{,}00}=1{,}2\times10^{-3}\ \text{atm}^2

Na figura, usando a escala da direita (curva de K_1), a 450\ ^\circ\text{C} lê-se K_1\approx1{,}2\times10^{-3}\ \text{atm}^2.

Como Q=K_1, o sistema está em equilíbrio.

Resposta: sim, está em equilíbrio, pois Q=1{,}2\times10^{-3}\ \text{atm}^2\approx K_1 a 450\ ^\circ\text{C}.

c) Pelo princípio de Le Chatelier, aumentar a temperatura favorece a reação endotérmica, e a constante de equilíbrio dessa reação aumenta. Se K diminui com a temperatura, a reação direta é exotérmica.

  • K_1 (reforma do metano) cresce com T, então essa reação é endotérmica.
  • K_2 (síntese da amônia) decresce com T, então essa reação é exotérmica.

Resposta: a síntese da amônia é exotérmica, porque K_2 diminui quando a temperatura aumenta.

Assuntos: Deslocamento de equilíbrio (Le Chatelier), Reações exotérmicas e endotérmicas, Constante de equilíbrio (Kc e Kp).

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