Questão Q04 da 2ª fase da FUVEST 2023

Question

Os acontecimentos globais recentes mostraram a importância da oferta de fertilizantes nitrogenados, como amônia e ureia, para a manutenção da segurança alimentar da população mundial. As mudanças na disponibilidade de gás natural impactam diretamente a produção de fertilizantes nitrogenados. As reações a seguir mostram o processo de formação de amônia e ureia a partir do gás natural:

(I) \ce{CH4(g) + H2O(g) -> CO(g) + 3H2(g)}

(II) \ce{N2(g) + 3H2(g) -> 2NH3(g)}

(III) \ce{CO2(g) + 2NH3(g) -> CO(NH2)2(s) + H2O(g)}

Com base nessas informações e seus conhecimentos, responda:

a) Qual o principal componente do gás natural utilizado na produção de fertilizantes nitrogenados?

b) Uma outra forma de gerar \ce{H2} para a reação II é por meio da eletrólise da água utilizando energia solar. Escreva a equação balanceada da reação de eletrólise da água. Dê um argumento que justifique essa fonte de hidrogênio tornar o processo mais sustentável.

c) O Brasil consome cerca de 6 milhões de toneladas de ureia por ano. Considerando que toda a produção de ureia tenha o metano como partida, qual a massa, em toneladas, de gás natural necessária para a obtenção de 6 milhões de toneladas de ureia? Considere que o metano corresponde a 50%, em massa, de gás natural.

Note e adote:
Massas molares (g/mol): \text{H} = 1; \text{C} = 12; \text{N} = 14; \text{O} = 16.

Answer 1

Questão Q04 da 2ª fase da FUVEST 2023

2º dia · Química

Os acontecimentos globais recentes mostraram a importância da oferta de fertilizantes nitrogenados, como amônia e ureia, para a manutenção da segurança alimentar da população mundial. As mudanças na disponibilidade de gás natural impactam diretamente a produção de fertilizantes nitrogenados. As reações a seguir mostram o processo de formação de amônia e ureia a partir do gás natural:

(I) \ce{CH4(g) + H2O(g) -> CO(g) + 3H2(g)}

(II) \ce{N2(g) + 3H2(g) -> 2NH3(g)}

(III) \ce{CO2(g) + 2NH3(g) -> CO(NH2)2(s) + H2O(g)}

Com base nessas informações e seus conhecimentos, responda:

a) Qual o principal componente do gás natural utilizado na produção de fertilizantes nitrogenados?

b) Uma outra forma de gerar \ce{H2} para a reação II é por meio da eletrólise da água utilizando energia solar. Escreva a equação balanceada da reação de eletrólise da água. Dê um argumento que justifique essa fonte de hidrogênio tornar o processo mais sustentável.

c) O Brasil consome cerca de 6 milhões de toneladas de ureia por ano. Considerando que toda a produção de ureia tenha o metano como partida, qual a massa, em toneladas, de gás natural necessária para a obtenção de 6 milhões de toneladas de ureia? Considere que o metano corresponde a 50%, em massa, de gás natural.

Note e adote:
Massas molares (g/mol): \text{H} = 1; \text{C} = 12; \text{N} = 14; \text{O} = 16.

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Resolução comentada

Resposta esperada pela FUVEST

a) O metano (\text{CH}_4) é o principal componente do gás natural utilizado na produção de fertilizantes nitrogenados.

b) Equação balanceada da reação de eletrólise da água:

2\text{ H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow 2\text{ H}_2(\text{g}) + 1\text{ O}_2(\text{g})

O processo é mais sustentável porque não utiliza combustíveis fósseis, mas sim energia solar.

c) Cálculo da massa (m) de gás natural:

6 \times 10^{12}\text{ g} de ureia (\text{MM} = 60\text{ g/mol}) = 1 \times 10^{11}\text{ mol}

1\text{ ureia} : 1\text{ CH}_4\text{ (MM} = 16\text{ g/mol)}

1 \times 10^{11}\text{ mol de CH}_4 = 1{,}6 \times 10^{12}\text{ g} = 1{,}6 \times 10^6\text{ t de CH}_4.

Como o metano corresponde a 50\%, em massa, de gás natural, m = 3{,}2 \times 10^6\text{ t}.

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Publicada pela banca.

Resolução comentada

a) O principal componente do gás natural é o metano (\ce{CH4}), que é a matéria-prima da reação I, de onde sai o \ce{H2} usado na síntese da amônia.

Resposta: metano, \ce{CH4}.

b) Na eletrólise, a corrente elétrica decompõe a água em hidrogênio e oxigênio:

\ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}

Na reação I, o \ce{H2} vem do metano, um combustível fóssil, e o processo libera \ce{CO} e depois \ce{CO2} para a atmosfera. Na eletrólise, a energia vem do Sol, que é renovável, e a matéria-prima é a água. Assim não há consumo de combustível fóssil nem emissão de \ce{CO2} para obter o \ce{H2}, e o gás natural fica livre para outros usos.

Resposta: \ce{2H2O -> 2H2 + O2}; a fonte é renovável (solar) e não emite \ce{CO2}, ao contrário da obtenção de \ce{H2} a partir do metano.

c) Primeiro, acompanhe a proporção entre \ce{CH4} e ureia nas três reações:

Reação III: 1 ureia exige 2 \ce{NH3}.
Reação II: 2 \ce{NH3} exigem 3 \ce{H2}.
Reação I: 3 \ce{H2} saem de 1 \ce{CH4}.

Portanto, 1 mol de \ce{CH4} leva a 1 mol de ureia.

Massas molares: ureia \ce{CO(NH2)2} = 12 + 16 + 2(14 + 2) = 60\ \text{g/mol} e \ce{CH4} = 16\ \text{g/mol}.

Como a proporção é 1 : 1 em mols, 60 t de ureia correspondem a 16 t de metano:

m_{\ce{CH4}} = 6\times10^{6}\ \text{t} \times \frac{16}{60} = 1{,}6\times10^{6}\ \text{t}

Como o metano é 50% da massa do gás natural:

m_{\text{gás natural}} = \frac{1{,}6\times10^{6}}{0{,}5} = 3{,}2\times10^{6}\ \text{t}

Resposta: 3{,}2\times10^{6} toneladas de gás natural (3,2 milhões de toneladas).

Assuntos: estequiometria, eletrólise da água, gás natural.

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