Questão Q05 da 2ª fase da FUVEST 2016
A oxidação de \ce{SO2} a \ce{SO3} é uma das etapas da produção de ácido sulfúrico.
Em uma indústria, diversas condições para essa oxidação foram testadas. A tabela a seguir reúne dados de diferentes testes:
| Número do teste | Reagentes | Pressão (atm) | Temperatura (°C) |
|---|---|---|---|
| 1 | \ce{SO2 (g)} + \text{excesso de } \ce{O2 (g)} | 500 | 400 |
| 2 | \text{excesso de } \ce{SO2 (g)} + \ce{O2 (g)} | 500 | 1000 |
| 3 | \text{excesso de } \ce{SO2 (g)} + \text{ar} | 1 | 1000 |
| 4 | \ce{SO2 (g)} + \text{excesso de ar} | 1 | 400 |
a) Em qual dos quatro testes houve maior rendimento na produção de \ce{SO3}? Explique.
b) Em um dado instante \text{t}_1, foram medidas as concentrações de \ce{SO2}, \ce{O2} e \ce{SO3} em um reator fechado, a 1000\ ^\circ\text{C}, obtendo-se os valores: [\ce{SO2}] = 1{,}0\ \text{mol/L}; [\ce{O2}] = 1{,}6\ \text{mol/L}; [\ce{SO3}] = 20\ \text{mol/L}. Considerando esses valores, como é possível saber se o sistema está ou não em equilíbrio? No gráfico da página de resposta, represente o comportamento das concentrações dessas substâncias no intervalo de tempo entre \text{t}_1 e \text{t}_2, considerando que, em \text{t}_2, o sistema está em equilíbrio químico.
Note e adote:
Para a reação dada, \text{K}_\text{c} = 250 a 1000\ ^\circ\text{C}
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Resolução comentada
a) A reação é exotérmica (\Delta H<0) e libera volume gasoso: 3 mol de gás nos reagentes e 2 mol de gás no produto. Pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbrio se desloca para o \ce{SO3} quando:
- a temperatura é baixa, pois a reação direta é exotérmica e é favorecida pelo resfriamento;
- a pressão é alta, pois o equilíbrio vai para o lado de menor número de mols gasosos;
- há excesso de \ce{O2}, pois o aumento da concentração de um reagente desloca o equilíbrio para a direita e faz o \ce{SO2} ser consumido mais completamente.
O teste 1 reúne as três condições (500 atm, 400 °C e excesso de \ce{O2}). Nos outros testes, pelo menos um fator é desfavorável: 1000 °C nos testes 2 e 3, 1 atm nos testes 3 e 4, e excesso de \ce{SO2} nos testes 2 e 3. O teste 4 tem baixa temperatura e excesso de ar (ou seja, de \ce{O2}), mas a pressão de 1 atm é desfavorável. Assim, o maior rendimento ocorre no teste 1.
b) Para saber se o sistema está em equilíbrio, calculamos o quociente de reação Q_c com as concentrações em t_1 e comparamos com K_c = 250 a 1000 °C:
Como Q_c = K_c, o sistema já está em equilíbrio em t_1.
Portanto, de t_1 a t_2 não há variação líquida das concentrações. No gráfico, devem ser desenhadas três retas horizontais (patamares):
- [\ce{SO3}]=20\ \text{mol/L};
- [\ce{O2}]=1{,}6\ \text{mol/L};
- [\ce{SO2}]=1{,}0\ \text{mol/L}.
As velocidades das reações direta e inversa são iguais, então nada muda entre t_1 e t_2.
O sistema está em equilíbrio (Q_c=K_c=250); as três concentrações permanecem constantes (retas horizontais) de t_1 a t_2.
Assuntos: equilíbrio químico, deslocamento de equilíbrio, constante de equilíbrio.
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