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Questão 42 da UFPR 2022

1ª fase

A perovskita \ce{CH3NH3PbI3} é um material que, pelas suas propriedades fotovoltaicas, é considerado promissor para geração de eletricidade a partir da luz solar. O composto foi sintetizado em três etapas, descritas pelas equações químicas a seguir.

\ce{Pb(NO3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3}
\ce{CH3NH2 + HI -> CH3NH3I}
\ce{PbI2 + CH3NH3I -> CH3NH3PbI3}

Os seguintes reagentes foram empregados na síntese: 0,6 mol de \ce{Pb(NO3)2}; 0,8 mol de \ce{KI}; 0,7 mol de \ce{CH3NH2}; e 0,8 mol de \ce{HI}. Nessas condições, qual será a quantidade máxima da perovskita \ce{CH3NH3PbI3} produzida?

  1. A
    0,4 mol.
  2. B
    0,6 mol.
  3. C
    0,7 mol.
  4. D
    0,8 mol.
  5. E
    1,0 mol.
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Resolução comentada

A perovskita só se forma na etapa 3, que consome \ce{PbI2} e \ce{CH3NH3I} na proporção 1:1. Então é preciso calcular quanto de cada um as etapas 1 e 2 conseguem produzir, usando o reagente limitante de cada etapa.

  1. Etapa 1: \ce{Pb(NO3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3}. A proporção é 1 mol de \ce{Pb(NO3)2} para 2 mol de \ce{KI}. Com 0,8 mol de \ce{KI}, seriam necessários apenas 0{,}4 mol de \ce{Pb(NO3)2}, e há 0,6 mol. Logo o \ce{KI} é o limitante e forma \dfrac{0{,}8}{2} = 0{,}4 mol de \ce{PbI2}.

  2. Etapa 2: \ce{CH3NH2 + HI -> CH3NH3I}. A proporção é 1:1, com 0,7 mol de \ce{CH3NH2} e 0,8 mol de \ce{HI}. O limitante é o \ce{CH3NH2}, que forma 0,7 mol de \ce{CH3NH3I}.

  3. Etapa 3: \ce{PbI2 + CH3NH3I -> CH3NH3PbI3}. Há 0,4 mol de \ce{PbI2} e 0,7 mol de \ce{CH3NH3I}, na proporção 1:1. O limitante é o \ce{PbI2}, então se formam no máximo 0,4 mol de perovskita.

O fator que limita toda a síntese é o \ce{KI}, por causa do coeficiente 2 na etapa 1.

Alternativa A.

Pegadinha: A alternativa B engana quem não percebe que o coeficiente 2 do \ce{KI} o torna limitante na etapa 1, apesar de ele ter mais mols que o \ce{Pb(NO3)2} ser menor só aparentemente.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • BUsa os 0,6 mol de \ce{Pb(NO3)2} como se ele fosse o limitante, esquecendo que o \ce{KI} precisa de 2 mol por mol de chumbo.
  • CConsidera apenas o limitante da etapa 2 (\ce{CH3NH2}), ignorando que \ce{PbI2} limita a etapa 3.
  • DUsa o \ce{KI} ou o \ce{HI} (0,8 mol) sem aplicar a proporção estequiométrica.
  • ESoma quantidades de reagentes sem relação com a estequiometria; não corresponde a nenhum limitante.

Assuntos: reagente limitante, estequiometria, reações em etapas.

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Fonte: UFPR 2022 · Fase única. Prova oficial ↗