Questão 6 (Química) da 2ª fase do ITA 2027

Question

Escreva 3 (três) reações químicas de produção de \ce{H2(g)}. Empregue, como reagentes, apenas as substâncias \ce{Li}, \ce{H2O} e \ce{CH4}, reagindo individualmente ou combinadas duas a duas. Na sua resposta, indique:

i) o estado físico de cada reagente e produto;

ii) a estequiometria da reação;

iii) as condições básicas para que a reação ocorra;

iv) qual reação deve render mais \ce{H2(g)} por mol de reagente, considerando reação completa.

Answer 1

PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 6 (Química) da 2ª fase do ITA 2027

Química · Química: Reações de oxirredução e balanceamento redox

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

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{Torr} = 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}\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.

Condições ambiente: 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. [X] = concentração da espécie química X em \text{mol}\ \text{L}^{-1}.

\begin{matrix} \ln\text{X} = 2{,}3\log\text{X} & \ln 2 = 0{,}693 & \ln 5 = 1{,}609 & \sqrt{3} = 1{,}73 \\ \log 2 = 0{,}301 & \ln 3 = 1{,}099 & \text{e}^{-0{,}3465} = 0{,}707 & \sqrt{5} = 2{,}24 \end{matrix}

Massas Molares

Elemento Químico	Número Atômico	Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1})
H	1	1,01
B	5	10,80
C	6	12,01
N	7	14,01
O	8	16,00
F	9	19,00
Na	11	22,99
Si	14	28,09
S	16	32,06
C\ell	17	35,45
K	19	39,10

Elemento Químico	Número Atômico	Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1})
Ca	20	40,08
Cr	24	52,00
Fe	26	55,85
Ni	28	58,69
Cu	29	63,55
Nb	41	92,91
Ag	47	107,87
Pt	78	195,08
Au	79	196,97
Hg	80	200,59
Bi	83	208,98

Escreva 3 (três) reações químicas de produção de \ce{H2(g)}. Empregue, como reagentes, apenas as substâncias \ce{Li}, \ce{H2O} e \ce{CH4}, reagindo individualmente ou combinadas duas a duas. Na sua resposta, indique:

i) o estado físico de cada reagente e produto;

ii) a estequiometria da reação;

iii) as condições básicas para que a reação ocorra;

iv) qual reação deve render mais \ce{H2(g)} por mol de reagente, considerando reação completa.

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Resolução comentada

Escolhi três reações, cada uma com reagentes dentre os permitidos.

Reação 1: lítio com água (reagentes combinados)

2\ \ce{Li(s)} + 2\ \ce{H2O(\ell)} \longrightarrow 2\ \ce{LiOH(aq)} + \ce{H2(g)}

O Li é um metal alcalino muito redutor (E^\circ \approx -3{,}04\ \text{V}) e reduz a água a \ce{H2}. A reação é espontânea à temperatura ambiente, sem catalisador, e ocorre em recipiente aberto ou com saída de gás. Ela é exotérmica.

Reação 2: reforma a vapor do metano (reagentes combinados)

\ce{CH4(g)} + \ce{H2O(g)} \longrightarrow \ce{CO(g)} + 3\ \ce{H2(g)}

O processo é endotérmico. Exige vapor de água, temperatura de cerca de 700 a 1000\ ^\circ\text{C}, pressão moderada e catalisador de níquel (por exemplo, Ni sobre alumina).

Reação 3: decomposição térmica (pirólise) do metano (reagente isolado)

\ce{CH4(g)} \longrightarrow \ce{C(s)} + 2\ \ce{H2(g)}

A reação é endotérmica (\Delta H \approx +75\ \text{kJ/mol}). Ocorre sem oxigênio, em temperatura elevada (acima de \approx 800\ ^\circ\text{C}), com ou sem catalisador (Ni ou Fe), e produz carbono sólido.

Rendimento de \ce{H2} por mol de reagente (reação completa)

Contando o total de mols de reagentes consumidos em cada equação:

Reação 1: 1\ \text{mol}\ \ce{H2} para 4\ \text{mol} de reagentes, ou seja, 0{,}25 (apenas 0{,}5 por mol de Li).
Reação 2: 3\ \text{mol}\ \ce{H2} para 2\ \text{mol} de reagentes, ou seja, 1{,}5.
Reação 3: 2\ \text{mol}\ \ce{H2} para 1\ \text{mol} de reagente, ou seja, 2{,}0.

A reação 3, a pirólise do metano, rende mais \ce{H2} por mol de reagente: 2 mol de \ce{H2} por mol de \ce{CH4} consumido. Se o cálculo fosse feito só por mol de \ce{CH4}, a reforma (3 mol de \ce{H2} por mol de \ce{CH4}) levaria vantagem, mas ela também consome vapor de água. A reação 1 é a de menor rendimento por mol.

Resposta final: a reação 3 (\ce{CH4 -> C + 2H2}), com 2 mol de \ce{H2} por mol de reagente consumido.

Assuntos: Reações de oxirredução e balanceamento redox, Combustíveis e fontes de energia.

Resultado conferido com as resoluções dos cursinhos Farias Brito e Poliedro.

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Questão 6 no caderno Química da 2ª fase do ITA 2027

Fonte: ITA 2ª fase 2027 · Química. Prova oficial ↗