Questão Q02 da 2ª fase da FUVEST 2022
Para possibilitar a exploração de Marte, é necessário viabilizar a viagem de retorno à Terra. Uma das formas de tornar os voos de retorno possíveis é produzir combustível a partir da água encontrada em Marte. Para tanto, o hidrogênio seria gerado por eletrólise da água e, posteriormente, utilizado na reação de Sabatier. Nessa reação, o combustível é gerado pela reação do hidrogênio com dióxido de carbono em temperaturas e pressões elevadas na presença de um catalisador de níquel, resultando na produção de metano e água e na liberação de aproximadamente 165\text{ kJ} de energia por mol de \ce{CO2}.
a) No gráfico da folha de respostas, está representada a quantidade de metano gerado pela reação de Sabatier em função do tempo na temperatura T_1, depois que o equilíbrio foi estabelecido. Nesse mesmo gráfico, represente a quantidade de metano em função do tempo em uma temperatura T_2 maior que T_1, após o estabelecimento do equilíbrio.
b) No gráfico da folha de respostas, está representada a quantidade de metano gerado pela reação de Sabatier em função do tempo na presença de Ni. No mesmo gráfico, represente a quantidade de metano esperada em função do tempo na ausência de Ni. Explique o efeito do catalisador na energia de ativação da reação de Sabatier.
c) Escreva a equação balanceada da reação de Sabatier. Considerando apenas a composição atmosférica da Terra e de Marte apresentada na tabela a seguir, explique, com base nesse equilíbrio químico, por que essa reação não seria indicada para gerar metano na Terra.
| Composição atmosférica considerando os principais componentes: | |
|---|---|
| Terra | Marte |
| Nitrogênio (78,0%) Oxigênio (21,0%) Argônio (0,9%) Dióxido de carbono (0,04%) |
Dióxido de carbono (95,3%) Nitrogênio (2,7%) Argônio (1,6%) |
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Resolução comentada
a) A reação de Sabatier é exotérmica (libera cerca de 165\ \text{kJ} por mol de \ce{CO2}):
Pelo princípio de Le Chatelier, aumentar a temperatura favorece o sentido endotérmico, que é o inverso (consumo de \ce{CH4}). Em T_2 > T_1 o equilíbrio se desloca para a esquerda, e a quantidade de \ce{CH4} no equilíbrio é menor que em T_1.
A temperatura maior também aumenta a velocidade da reação, então o equilíbrio é atingido mais rápido.
No gráfico, a curva de T_2 sobe mais inclinada que a de T_1 e se estabiliza num patamar mais baixo.
Resposta: curva de T_2 com subida mais rápida e patamar de equilíbrio abaixo do patamar de T_1.
b) O catalisador não altera a posição do equilíbrio, apenas a rapidez com que ele é atingido. Sem Ni, a reação é mais lenta: a curva sobe com menor inclinação e demora mais para estabilizar. O patamar final de \ce{CH4} é o mesmo da curva com Ni, porque a quantidade de metano no equilíbrio não depende do catalisador.
O níquel oferece um mecanismo alternativo para a reação, com menor energia de ativação. Com a barreira energética menor, uma fração maior das colisões é efetiva e a velocidade aumenta. O \Delta H da reação não muda.
Resposta: sem Ni a curva sobe mais devagar e chega ao mesmo patamar. O catalisador diminui a energia de ativação.
c) A equação balanceada é:
Em Marte, o \ce{CO2} é o principal componente da atmosfera (95{,}3\%), então há reagente em abundância. Isso desloca o equilíbrio para a direita, favorecendo a formação de \ce{CH4}.
Na Terra, o \ce{CO2} é de apenas 0{,}04\%. A concentração do reagente é muito baixa, o equilíbrio fica deslocado para a esquerda e o rendimento em metano seria muito pequeno. Além disso, a atmosfera terrestre tem 21\% de \ce{O2}, que consumiria o \ce{H2} (e o próprio \ce{CH4}) por combustão. Por isso a reação não é indicada para gerar metano na Terra.
Resposta: \ce{CO2 + 4 H2 <=> CH4 + 2 H2O}. Na Terra o \ce{CO2} é muito escasso (0{,}04\%, contra 95{,}3\% em Marte), o que desloca o equilíbrio para a esquerda e torna o rendimento de \ce{CH4} muito baixo.
Assuntos: equilíbrio químico, cinética química e catálise, princípio de Le Chatelier.
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