Questão Q02 da 2ª fase da FUVEST 2017
Para estudar a velocidade da reação entre carbonato de cobre (\ce{CuCO3}) e ácido nítrico (\ce{HNO3}), foram feitos três experimentos, em que o volume de dióxido de carbono (\ce{CO2}) produzido foi medido em vários intervalos de tempo. A tabela apresenta as condições em que foram realizados esses experimentos. Nos três experimentos, foram utilizadas massas idênticas de carbonato de cobre e a temperatura foi mantida constante durante o tempo em que as reações foram acompanhadas.
| Condições experimentais | Experimento 1 | Experimento 2 | Experimento 3 |
|---|---|---|---|
| Volume de \ce{HNO3} de concentração 0{,}10\ \text{mol/L} (mL) | 50 | 50 | 100 |
| Volume de água adicionado (mL) | 0 | 50 | 0 |
| Temperatura (^\circ\text{C}) | 20 | 20 | 20 |
Os dados obtidos nos três experimentos foram representados em um gráfico de volume de \ce{CO2} em função do tempo de reação. Esse gráfico está apresentado a seguir.
a) Escreva a equação química balanceada que representa a reação que ocorreu entre o carbonato de cobre e o ácido nítrico.
b) Com base nas condições empregadas em cada experimento, complete a legenda do gráfico, na página de respostas, com o número do experimento. Considere irrelevante a perda de volume de \ce{CO2} coletado devido à dissolução na solução. Justifique suas respostas.
c) Nos três experimentos, o mesmo reagente estava em excesso. Qual é esse reagente? Explique.
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Resolução comentada
a) O carbonato reage com o ácido formando sal (nitrato de cobre II), água e gás carbônico. O ânion carbonato (\ce{CO3^{2-}}) recebe \ce{H+} e forma \ce{H2CO3}, que se decompõe em \ce{H2O} e \ce{CO2}:
A equação já está balanceada: 1 Cu, 1 C, 2 N, 2 H e 9 O de cada lado.
Resposta: \ce{CuCO3 + 2 HNO3 -> Cu(NO3)2 + H2O + CO2}.
b) Primeiro calculamos a quantidade de \ce{HNO3} em cada experimento:
- Experimento 1: 0{,}10\ \text{mol/L}\times 0{,}050\ \text{L}=5{,}0\times10^{-3}\ \text{mol}, em solução 0{,}10\ \text{mol/L}.
- Experimento 2: a mesma quantidade, 5{,}0\times10^{-3}\ \text{mol}. A água só dilui a solução para 0{,}05\ \text{mol/L}.
- Experimento 3: 0{,}10\times0{,}100=1{,}0\times10^{-2}\ \text{mol}, em solução 0{,}10\ \text{mol/L}.
O volume final de \ce{CO2} depende da quantidade de reagente limitante. Os experimentos 1 e 2 têm a mesma quantidade de \ce{HNO3} e produzem o mesmo volume de gás, cerca de 100\ \text{cm}^3. O experimento 3 tem o dobro de \ce{HNO3} e produz o dobro, cerca de 200\ \text{cm}^3. Assim, a curva com cruzes é o experimento 3.
A velocidade depende da concentração. No experimento 1 o ácido é 0{,}10\ \text{mol/L} e no 2 é 0{,}05\ \text{mol/L}, mais diluído. Logo o experimento 1 é mais rápido e atinge o patamar antes, que é a curva dos triângulos. O experimento 2, mais lento, é a curva dos círculos.
Resposta: cruzes = experimento 3; triângulos = experimento 1; círculos = experimento 2.
c) O reagente em excesso é o carbonato de cobre (\ce{CuCO3}).
A massa de \ce{CuCO3} é a mesma nos três experimentos. Se ele fosse o limitante, o volume final de \ce{CO2} seria igual nos três. O gráfico mostra que o volume muda conforme a quantidade de \ce{HNO3}: o experimento 3, com o dobro de ácido, forma o dobro de gás. Portanto o \ce{HNO3} é o limitante e sobra \ce{CuCO3} nos três casos.
Resposta: \ce{CuCO3}, pois o volume de \ce{CO2} formado é proporcional à quantidade de \ce{HNO3}, que é o reagente limitante.
Assuntos: estequiometria, cinética química, reagente limitante.
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