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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 6 (Química) da 2ª fase do ITA 2021

Química · Química: Reagente limitante, pureza e rendimento

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

AS QUESTÕES NUMÉRICAS DEVEM SER DESENVOLVIDAS SEQUENCIALMENTE ATÉ O FINAL.


Constantes

Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
Constante de Faraday (\text{F}) = 9{,}65 \times 10^4\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\cdot\text{V}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72

Definições

Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\cdot\text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\cdot\text{m} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\ \text{eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1} (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.
(s) = sólido. (\ell) = líquido. (g) = gás. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias.
u.m.a. = unidade de massa atômica. [\text{X}] = concentração da espécie química \text{X} em \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
\text{EPH} = eletrodo padrão de hidrogênio

Massas Molares

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1})
H 1 1,01 Ca 20 40,08
C 6 12,01 Cr 24 52,00
N 7 14,01 Fe 26 55,85
O 8 16,00 Ni 28 58,69
Na 11 22,99 Cu 29 63,55
Mg 12 24,31 Ga 31 69,72
Al 13 26,98 Ag 47 107,87
Cl 17 35,45 Au 79 196,97
S 16 32,06 Pb 82 207,19
K 19 39,10

Considere a combustão de um determinado alceno com uma quantidade definida de ar em excesso. Considere, ainda, que o ar é composto apenas por nitrogênio e oxigênio numa proporção molar de 3,76 e que o nitrogênio não sofre oxidação durante a combustão. Para esta reação, determine a porcentagem do(s) gás(es) em cada uma das situações descritas abaixo.

a) Na combustão incompleta do alceno com ar em excesso, além dos produtos esperados numa combustão completa, há a formação de monóxido de carbono na proporção molar de 1 para 8 em relação ao dióxido de carbono. Além disso, a quantidade em mol de \ce{O2} que sobrou após a reação é igual à de carbono no início da reação. Com base nessas informações, determine a composição percentual aproximada dos gases resultantes da reação, considerando a remoção prévia da água.

b) Determine o percentual de ar em excesso na reação de combustão completa do alceno.

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Resolução comentada

a) Seja o alceno \ce{C_nH_{2n}} e tome 1\ \text{mol} dele. Ele contém n mol de C e n mol de \ce{H2} (que dão n mol de \ce{H2O}).

O carbono se divide entre CO e \ce{CO2} na proporção 1:8:

n_{\ce{CO2}}=\frac{8n}{9},\qquad n_{\ce{CO}}=\frac{n}{9}

\ce{O2} consumido:

  • para o \ce{CO2}: \frac{8n}{9};
  • para o CO: \frac{n}{18};
  • para a água: \frac{n}{2}.
n_{\ce{O2},\,consumido}=\frac{16n+n+9n}{18}=\frac{13n}{9}

O \ce{O2} que sobra é igual ao carbono inicial, ou seja, n. Logo, o \ce{O2} inicial é \frac{13n}{9}+n=\frac{22n}{9}.

O \ce{N2} não reage e vale 3{,}76\cdot\frac{22n}{9}\approx 9{,}19\,n.

Gases finais, com a água já removida:

Gás mol (em unidades de n) %
\ce{CO2} 0{,}889 7{,}9
\ce{CO} 0{,}111 1{,}0
\ce{O2} 1{,}000 8{,}9
\ce{N2} 9{,}19 82{,}1
Total 11{,}19 100

O resultado não depende de n.

Composição aproximada: \ce{CO2}\approx 7{,}9\%; \ce{CO}\approx 1{,}0\%; \ce{O2}\approx 8{,}9\%; \ce{N2}\approx 82{,}1\%.

b) Como as questões são sequenciais, a quantidade de ar é a mesma do item (a): \frac{22n}{9} mol de \ce{O2} por mol de alceno.

Na combustão completa:

\ce{C_nH_{2n} + \frac{3n}{2} O2 -> n CO2 + n H2O}

O \ce{O2} estequiométrico é \frac{3n}{2}. O excesso é:

\%\ \text{excesso}=\frac{\frac{22n}{9}-\frac{3n}{2}}{\frac{3n}{2}}\times100=\frac{\frac{44-27}{18}}{\frac{27}{18}}\times100=\frac{17}{27}\times100\approx 63\%

O excesso de ar é igual ao excesso de \ce{O2}, pois a proporção \ce{O2}:\ce{N2} é fixa.

Excesso de ar \approx 63\%.

Assuntos: Reagente limitante, pureza e rendimento, Cálculo estequiométrico.

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Fonte: ITA 2ª fase 2021 · Química. Prova oficial ↗