C E N T R O U N I V E R S I T Á R I OC E N T R O U N I V E R S I T Á R I OC E N T R O U N I V E R S I T Á R I OC E N T R O U N I V E R S I T Á R I O P A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T AP A D R E A N C H I E T A

C U R S O D E TC U R S O D E TC U R S O D E TC U R S O D E T É C N I C O E M É C N I C O E M É C N I C O E M É C N I C O E M Q U Í M I CQ U Í M I CQ U Í M I CQ U Í M I C AAAA

PROCESSOS INDUSTRIAIS

A P O S T I L A 2 º MÓDULO

PROF . FÁBIO CALHEIROS CAIRES

fabioc@anchieta.br

2ºSEMESTRE - 2009

Crédito: www.historycooperative.org

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ConteúdoConteúdoConteúdoConteúdo 1. FENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOS .......................................................................................... 2

2. TIPOS DE PROCESSOS QUÍMICOS ............................................................................................. 2

3. LEIS DA QUÍMICA............................................................................................................................... 3

4. BALANÇO MATERIAL....................................................................................................................... 6

5. FLUXOGRAMAS ................................................................................................................................... 6

6. CONVERSÕES QUÍMICAS ............................................................................................................... 8

7. EQUIPAMENTOS DE INDUSTRIAIS ........................................................................................... 9

8. PRODUTOS .......................................................................................................................................... 13

9. MATÉRIAS-PRIMAS........................................................................................................................... 13

10. REVISÃO – CÁLCULOS QUÍMICOS - GASES ......................................................................... 13

11. REVISÃO - CONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIA ............................................................... 12

12. EXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIA ...................................................................................... 14

13. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................... 17

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1.1.1.1. FENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOSFENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOSFENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOSFENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOS

Uma substância sofre transformação física, quando não há alteração na sua constituição (ou

natureza) atômica. Exs: as mudanças de estado são transformações físicas, a dissolução do sal, ou açúcar, na água, bem como a recuperação de ambos por evaporação da água, são fenômenos físicos, a mudança da cor do ferro durante seu aquecimento ou a fragmentação do giz, quando atritado no quadro-negro, também são fenômenos físicos, etc. Uma substância sofre transformação química, quando há alteração na sua natureza atômica, o que impede a recuperação da substância (por métodos elementares). Exs: combustões, decomposições, digestões, cozimentos, etc. Todos esses fenômenos recebem o nome de reações químicas. Assim, na queima do álcool, há reação química entre o álcool e o oxigênio do ar. Veja outros exemplos de fenômenos químicos: - combustões do da gasolina, do querosene, do óleo diesel, do acetileno, do hidrogênio, etc; - o fenômeno da fotossíntese, no qual o gás carbônico e a água da chuva são transformados em alimentos; - a formação de ferrugem (reação entre o ferro e o oxigênio); - a digestão dos alimentos e a fabricação de sabão, que consiste em aquecer gordura com soda-cáustica.

2.2.2.2. TIPOS DE PROCESSOS QTIPOS DE PROCESSOS QTIPOS DE PROCESSOS QTIPOS DE PROCESSOS QUÍMICOSUÍMICOSUÍMICOSUÍMICOS

Os processos químicos podem ser contínuos ou descontínuos, de batelada.

A escolha do tipo de processo depende de fatores como: - Tamanho da produção; - Segurança; - Custo; - Controles...

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3 .3 .3 .3 . LEIS DA QUÍMICALEIS DA QUÍMICALEIS DA QUÍMICALEIS DA QUÍMICA

3.1.1 Lei da Conservação da Massa (Lavoisier)

Lavoisier mediu cuidadosamente as massas de um sistema antes e depois de uma reação em recipientes fechados. A figura ilustra uma possibilidade de se testar a Lei de Lavoisier em um procedimento simples.

Provocando o contato entre as soluções reagentes (cloreto de sódio e nitrato de prata), surge um sólido levemente acinzentado, o precipatado de cloreto de prata e uma solução aquosa de nitrato de sódio. Lavoisier constatou que a massa do sistema antes e depois da reação é a mesma. Com base em inúmeras experiências, Lavoisier enunciou a Lei da Conservação da Massa:

"Numa reação química, não ocorre alteração na massa do sistema".

Soma das massas dos REAGENTES = Soma das massas dos PRODUTOS

Ou: "Na Natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma". É bom frisar que, depois de Lavoisier enunciar esta lei, outros cientistas fizeram novos experimentos que visam testar a hipótese proposta por ele e, mesmo ao utilizarem balanças mais modernas, de grande sensibilidade, os testes confirmaram o enunciado proposto. Quando um pedaço de ferro é abandonado ao ar, vai se "enferrujando", ou seja, vai sofrendo uma reação química. Se compararmos a massa do ferro inicial com a do ferro "enferrujado", notaremos que este último tem massa maior. Será que neste caso a massa não se conserva? O que acontece é que os reagentes dessa reação química são ferro (sólido) e material gasoso, proviniente do ar.

massa do ferro + massa dos gases (ar) = massa do ferro "enferrujado"

Como o sistema inicial é constituído por ferro e ar, e o sistema final por ferro "enferrujado", o aumento de massa efetivamente não existiu. Por essa razão é necessário utilizarmos sistemas fechados para verificar a Lei de Lavoisier.

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3.1.2 Lei das Proporções Definidas (Proust)

No final do século XVIII, através de inúmeros experimentos, Proust mediu as massas dos reagentes e produtos de uma reação e calculou as diversas relações possíveis entre elas. Vamos considerar a reação química de decomposição da água, para que você possa entender como ele procedeu:

água � oxigênio + hidrogênio

Se fizermos diversos experimentos com quantidades variadas de água pura e analisarmos as massas dos produtos, teremos o seguinte:

Água OxigênioHidrogênioI) 18 g 16 g 2 g II) 180 g 160 g 20 g III) 9 g 8 g 1 g IV)45 kg 40 kg 5 kg

• • •

• • •

• • •

Vamos fazer a relação

massa de oxigênio para cada amostra de água:

massa de hidrogênio

moxigênio 16 g moxigênio 8 g

I) = = 8 III) = = 8

mhidrogênio 2 g mhidrogênio 1 g

moxigênio 160 g moxigênio 40 kg

II) = = 8 IV) = = 8

mhidrogênio 20 g mhidrogênio 5 kg

Se fizermos agora a relação

massa de água

para cada amostra de água, teremos uma relação constante igual a 9.

massa de hidrogênio

Quer dizer que, independentemente da origem da amostra de água (de chuva, de rio, de mar), desde que pura, teremos uma proporção constante entre as massas de água, de hidrogênio e de oxigênio:

ÁGUA�HIDROGÊNIO+ OXIGÊNIOProporção: 9 : 1 : 8

Como há proporcionalidade entre massas envolvidas numa reação, podemos construir os seguintes gráficos:

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Repetindo experimentos com decomposição de outras substâncias, Proust afirmou:

"Numa dada reação química, existe uma proporção constante entre as massas das substâncias participantes".

ou

"Qualquer composto, independentemente de sua origem, tem uma relação constante entre as massas de seus elementos constituintes".

Esquematicamente

X + Y �Z + W 1ª experiência x1 y1 z1 w1

2ª experiência x2 y2 z2 w2

x, y, z, w representam as massas das substâncias X, Y, Z e W

x1 y1 z1 w1 = = =

x2 y2 z2 w2

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4 .4 .4 .4 . BALANÇO MATERIALBALANÇO MATERIALBALANÇO MATERIALBALANÇO MATERIAL

Os processos são alimentados por matérias-primas e outros insumos, gerando produtos e subprodutos.

REPRESENTAÇÃO DE UM BALANÇO DE MASSA

A partir dos dados de entrada e saída de um processo podem ser realizados balanços de massa e energia. Para realização de um balanço deve-se: - Desenhar o fluxograma; - Escolher volumes de controle; - Rotular todas as variáveis conhecidas; - Rotular todas as variáveis desconhecidas; - Expressar o que o enunciado pede em termos de variáveis; - Converter unidades (se necessário); - Escrever as equações de balanço; - Analisar graus de liberdade; - Montar estratégia de resolução; - Avaliar consistência do resultado.

5.5.5.5. FLUXOGRAMASFLUXOGRAMASFLUXOGRAMASFLUXOGRAMAS

São representações esquemáticas de um processo, representando fluxo de material, operações, equipamentos e energia. No início de um processo ou para apresentar todas as seqüências de processo de uma grande indústria são utilizados diagramas de blocos. Em seqüências de produção menores ou em etapas avançadas de projeto o fluxograma deve ser feito de forma mais detalhada, incluindo convenções adotadas para indicação dos equipamentos. São elementos típicos de um fluxograma: - tubulações de processo; - itens de equipamentos mais importantes; - válvulas de controle e outras de importância;

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- conexões com outros sistemas; - principais linhas de recirculação e “by pass”; - nomes das principais correntes do processo; - dados operacionais (temperatura, vazão, pressão, densidade, concentração, etc). Não devem ser incluídos em um fluxograma: - classe e especificação das tubulações; - identificadores das linhas das tubulações; - válvulas de isolamento, alívio ou segurança.

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EXEMPLOS DE FLUXOGRAMAS

6.6.6.6. CONVERSÕES QUÍMICASCONVERSÕES QUÍMICASCONVERSÕES QUÍMICASCONVERSÕES QUÍMICAS

Conversões Químicas são reações químicas aplicadas ao processo industrial. Fazem parte de uma conversão química: - Química fundamental das reações envolvidas; - Equipamento destinado para a reação; - Operação do processo a um custo competitivo. Exemplos: Desidratação, Hidratação, Calcinação, Oxidação, Redução, Eletrólise,Sulfonação.

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7.7.7.7. EQUIPAMENTOS DE INDUEQUIPAMENTOS DE INDUEQUIPAMENTOS DE INDUEQUIPAMENTOS DE INDUSTRIAISSTRIAISSTRIAISSTRIAIS

Os equipamentos industriais podem apresentar diversas funções, podendo estas ser resumidas em: - transformações físicas e químicas de materiais sólidos e líquidos; - armazenamento de materiais; - distribuição de fluidos. Os equipamentos industriais podem ser divididos e classificados em relação a sua função, conforme apresentado a seguir.

7.1.1 Classificação geral: Os equipamentos podem ser classificados em: - equipamentos de calderaria (vasos de pressão, tanques, torres, reatores, fornos, caldeiras, trocadores de calor, resfriadores, aquecedores, filtros, separadores); - máquinas (bombas, compressores, sopradores, centrifugadores); - tubulações (elemento físico de interligação entre os outros equipamentos).

Os materiais a serem estudados nesta disciplina destinam-se exclusivamente à construção de equipamentos de processos das indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas e correlatas. Tais equipamentos são designados como equipamentos de caldeiraria e são eles: • vasos de pressão: colunas de destilação ou absorção, reatores, tanques de processo para líquidos,

esferas de armazenagem de gases, etc.; • caldeiras; • trocadores de calor: aquecedores, resfriadores, evaporadores, condensadores, etc.; • fornos; • tanques de armazenagem de líquidos com apenas coluna hidrostática; • tubulações: de fluidos de processo, de utilidades, de drenagem, etc. Nesses equipamentos também devem ser consideradas as condições em que eles estão submetidos: • variáveis de processo: em regime (normais) e extremas (máximas); • condições operacionais: regimes contínuo ou descontínuo; • manuseio de produtos de risco: tóxicos, explosivos, inflamáveis, etc.; • tempo de vida econômica da unidade produtiva.

Outros equipamentos, considerados como sendo “de fabricantes” ou como “máquinas”, tais como

bombas, válvulas, ejetores, moinhos, centrífugas, etc., possuem seus diferentes materiais previamente especificados. Normalmente o engenheiro de processo especifica somente o material predominante, que entra em contato com o fluido de processo. Exemplo: bombas. rotor e casco são especificados pelo engenheiro de processo, enquanto eixo, rolamentos, etc., pelo fabricantes. Histórico de ciências dos materiais: A Ciência dos Materiais teve um desenvolvimento histórico bastante acentuado nas recentes décadas, mas seu início ocorreu quando o homem preparou qualquer ferramenta ou utensílio usado para

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atender suas necessidades de sobrevivência natural. Veja a classificação de materiais segundo seu desenvolvimento: 1.) Materiais naturais: são materiais que apresentam-se prontos ou quase prontos para uso na natureza. Exemplos: madeira, couro, ossos, pedras, etc.; 2.) Materiais desenvolvidos empiricamente: são materiais preparados pela ação humana desde muito tempo. Seu desenvolvimento deve-se à observação e reprodução de alguma ocorrência natural. Exemplos: ligas de ferro (5.000 a.C. a 3.000 a.C.), bronze, cerâmicas, vidro, papel e concreto; 3.) Materiais desenvolvidos com auxilio qualitativo de conhecimentos científicos: são materiais cujas considerações científicas orientaram seus descobrimentos e a interpretação qualitativa de suas propriedades. Exemplos: ligas mais antigas de alumínio, de titânio de magnésio, metal duro, aços inoxidáveis, termoplásticos, termorígidos, elastômeros e fases de ligas de ferro. 4.) Materiais projetados (novos ou aperfeiçoados): são materiais quase que exclusivamente preparados a partir de conhecimentos científicos e cujas propriedades podem ser quantitativamente previstas. Exemplos: semicondutores, materiais para reatores nucleares, aços de ultra-alta resistência mecânica, materiais compósitos reforçados com fibras, ligas com memória de forma e vidros metálicos. Seleção de materiais: Selecionar um material destinado para certa aplicação é elaborar uma especificação, que determine qual o material mais adequado para a construção do equipamento, considerando-se fatores técnicos e econômicos. Fatores técnicos: • relativo às propriedades mecânicas: o material deve resistir aos esforços solicitados, o que também determina a espessura adequada, dependendo dos limites de resistência e de escoamento, resistências à fadiga e a fluência, etc.; • relativo às propriedades térmicas: maior ou menor capacidade que o material tem de transmitir o calor, estabilidade à elevadas temperaturas e tensões mecânicas originadas com dilatações térmicas; • relativo às propriedades químicas: resistência à corrosão devido o fluido de contato e tempo útil de vida dentro da vida prevista para toda unidade; • relativo ao serviço de uso: condições de escoamento do fluido de contato sobre o material, gases ou outros contaminantes dissolvidos, etc.; • relativo à segurança: quando o risco do equipamento ou do local onde se encontra for alto, usa-se materiais mais nobres de forma a evitar a ocorrência de problemas de vazamentos ou paradas; • relativo às experiências anteriores e novas tecnologias: é um fator preponderante, podendo ser a experiência anterior do usuário do equipamento ou como consulta na literatura indicativa sobre materiais; Fatores econômicos: • preço: é fator decisivo na escolha e tem implicação direta no custo de fabricação e tempo de vida (veja na próxima página os quadros de comparação de preços entre diferentes materiais; • disponibilidade: devem ser consideradas a facilidade de obtenção, necessidade de importação, prazo de entrega, quantidades mínimas de compra, etc.;

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• qualidade de fornecimento: as características de um mesmo material pode variar entre vários fornecedores. O material deve ser acompanhado de laudo de análise, quando necessário; • equipamentos essenciais: quando a parada de certo equipamento, principalmente os pequenos como válvulas, filtros, etc., implica em parar toda uma grande unidade, esses devem ser fabricados com materiais mais nobres. Classificação dos principais materiais: 1. materiais para vasos de pressão e trocadores de calor

metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis.

metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; titânio, zircônio e ligas.

2. materiais para caldeiras e fornos

aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis

3. materiais para tanques de armazenamento e outros reservatórios sem pressão.

metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis.

metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; titânio, zircônio e ligas.

materiais não-metálicos concreto armado; materiais plásticos com fibras.

4. materiais para tubulações, válvulas e acessórios de tubulação

metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis; ferros fundidos.

metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; chumbo e ligas; titânio, zircônio e ligas.

materiais não-metálicos concreto armado; materiais plásticos com fibras; vidro.

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No passado os materiais metálicos eram de muito maior importância, entretanto, com o advento de tecnologias para produção à preços razoáveis de materiais cerâmicos (materiais inorgânicos) e de materiais poliméricos (materiais orgânicos), esses últimos estão assumindo maiores aplicações. Exemplo: a larga aplicação de materiais poliméricos nos veículos automotivos. Normalização: Como os materiais devem possuir qualidades e propriedades conhecidas, eles devem seguir algum padrão. Os padrão mais usuais são:

PADRÃO ASSOCIAÇÃO PAIS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Brasil

ASTM American Society for Testing and Materials Estados Unidos

DIN Deutches Institut für Normung Alemanha

Estabelecendo-se uma rotina para a seleção de material de engenharia, podemos seguir as etapas abaixo: • levantar as experiências prévias existentes; • analisar todos os fatores que possam influir; • colocar esses fatores em ordem de importância; • estabelecer as características que deva ter o material ideal; • conhecer os materiais disponíveis e suas limitações físicas e de fabricação; • comparar os materiais que possam satisfazer, otimizando o custo; • caso possível ou necessário, realizar ensaio com o material escolhido.

7.1.2 Exigência de confiabilidade: A exigência de confiabilidade de um equipamento é ainda mais crítica em processos com as seguintes características: - trabalho em regime contínuo; - cadeia contínua de processo; - condições de risco.

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8.8.8.8. PRODUTOSPRODUTOSPRODUTOSPRODUTOS

Os produtos resultantes de um processo químicos podem ser classificados como bens de consumo, quando destinado a um consumidor no final da cadeia ou como produtos intermediários quando são destinados a outros processos como matéria-prima. Exemplos: Produtos Intermediários Bens de Consumo Enxofre � ácido Sulfúrico � Fertilizantes Alumina � Alumínio � Esquadrias Em sua maioria, o maior cliente de uma indústria química é outra indústria química.

9.9.9.9. MATÉRIASMATÉRIASMATÉRIASMATÉRIAS----PRIMASPRIMASPRIMASPRIMAS

As matérias-primas para produtos inorgânicos são, em grande parte, de origem natural. Por isso apresentam como característica a presença de impurezas e grande variabilidade. Isso determina a necessidade de um controle rigoroso das mesmas, seja por análise química ou, quando esta não é possível, através de testes de monitoramento do comportamento do produto.

10.10.10.10. REVISÃO REVISÃO REVISÃO REVISÃO –––– CÁLCULOS QUÍMICOS CÁLCULOS QUÍMICOS CÁLCULOS QUÍMICOS CÁLCULOS QUÍMICOS ---- GASESGASESGASESGASES

10.110.110.110.1 VOLUME MOLARVOLUME MOLARVOLUME MOLARVOLUME MOLAR

É o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância no estado gÉ o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância no estado gÉ o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância no estado gÉ o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância no estado gasoso.asoso.asoso.asoso. O volume molar ,quando medido nas CNTP, é igual a 22,4L.O volume molar ,quando medido nas CNTP, é igual a 22,4L.O volume molar ,quando medido nas CNTP, é igual a 22,4L.O volume molar ,quando medido nas CNTP, é igual a 22,4L.

10.210.210.210.2 CONDIÇÕES NORMAIS DE TEMPERATURA E PRESSÃO (CNTP)CONDIÇÕES NORMAIS DE TEMPERATURA E PRESSÃO (CNTP)CONDIÇÕES NORMAIS DE TEMPERATURA E PRESSÃO (CNTP)CONDIÇÕES NORMAIS DE TEMPERATURA E PRESSÃO (CNTP)

CONDIÇÕES : PRESSÃO = 1atm = 760mmHgPRESSÃO = 1atm = 760mmHgPRESSÃO = 1atm = 760mmHgPRESSÃO = 1atm = 760mmHg TEMPERATURA = 0°C = 273 KTEMPERATURA = 0°C = 273 KTEMPERATURA = 0°C = 273 KTEMPERATURA = 0°C = 273 K

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10.310.310.310.3 EQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEAL

P . V = n . R . TP . V = n . R . TP . V = n . R . TP . V = n . R . T Onde:Onde:Onde:Onde:

� P = PRESSÃO P = PRESSÃO P = PRESSÃO P = PRESSÃO em atm atm atm atm ou mmHg mmHg mmHg mmHg � V = VOLUME V = VOLUME V = VOLUME V = VOLUME em LLLL � n = nº de MOLS ( = MASSA / MASSA MOLAR n = nº de MOLS ( = MASSA / MASSA MOLAR n = nº de MOLS ( = MASSA / MASSA MOLAR n = nº de MOLS ( = MASSA / MASSA MOLAR em gggg)))) � R = CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASESR = CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASESR = CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASESR = CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES � T = TEMPERATURA T = TEMPERATURA T = TEMPERATURA T = TEMPERATURA em KKKK

CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES ( R ) CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES ( R ) CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES ( R ) CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES ( R )

� PRESSÃO em atm PRESSÃO em atm PRESSÃO em atm PRESSÃO em atm R = 0,082R = 0,082R = 0,082R = 0,082 atm . L . Mol-1 K-1 � PRESSÃO em mmHg PRESSÃO em mmHg PRESSÃO em mmHg PRESSÃO em mmHg R = 62,3 R = 62,3 R = 62,3 R = 62,3 atm . L . Mol-1 K-1

� EQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEALEQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEAL

10.410.410.410.4 EXERCÍCIOSEXERCÍCIOSEXERCÍCIOSEXERCÍCIOS

10.4.1 Execute a transformação solicitada em cada exercício:

a- 2,73m³ em L b- 45,96 L em m³ c- 0,4L em ml d- 2,37mg em g e- 2.10-6 ton em g f- 420mL em m³ g- 12,5g em ton h- 23°C em K i- 400K em °C

j- -200°C em K k- 123K em °C l- 0,032kg em ton m- 235mg em kg n- 0,1 m³ em cm³ o- 45,3L em cm³ p- 15cm³ em ml q- 25dm³ em L

10.4.2 Calcule a massa de SO2 contidas em 224 L de SO2 medidos a 273°C e 2atm.

10.4.3 Calcule o nº de moléculas de O3 presentes em 250cm³ deste gás medido nas CNTP

10.4.4 No exercício anterior, quantas moléculas teríamos no caso de executarmos a medição a 127°C e 3atm.

10.4.5 205g de O2 foram medidos nas condições ambientes (25°C e 1atm). Qual o volume, em l, encontrado?

10.4.6 Calcule o volume ,em L, presente em 128 g de O2 quando medido nas CNTP. (O=16)

10.4.7 Qual a massa de H2 que ocupa o volume de 1,12m3 quando medido nas CNTP. (H=1)

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10.4.8 Qual o nº de moléculas de O2 presentes em 134,4mL quando medido nas CNTP.

(O=16)

10.4.9 Um extintor de incêndio contém 4,4kg de CO2.Qual o volume máximo de gás liberado na atmosfera, a 1atm e -173oC? (C=12; O=16)

11.11.11.11. REVISÃO REVISÃO REVISÃO REVISÃO ---- CONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIACONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIACONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIACONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIA

Nas reações químicas, é importante se prever a quantidade de produtos que podem ser obtidos a partir de uma certa quantidade de reagentes consumidos. Os cálculos que possibilitam prever essa quantidade são chamados de cálculos estequiométricos (A palavra estequiometria vem do grego stoicheia (partes mais simples) e metreim (medida)). Essas quantidades podem ser expressas de diversas maneiras: massa, volume, quantidade de matéria (mol), número de moléculas. Os cálculos estequiométricos baseiam-se nos coeficientes da equação. É importante saber que, numa equação balanceada, os coeficientes nos dão a proporção em mols dos participantes da reação. Nos meados do século XVIII, cientistas conseguiram expressar matematicamente certas regularidades que ocorrem nas reações químicas, baseando-se em leis de combinações químicas que foram divididas em ponderais (que se relacionam às massas dos participantes da reação) e volumétricas (explicam a relação entre os volumes das substâncias gasosas que participam de um processo químico). Estequiometria é o cálculo da quantidade de reagentes e produtos da reação, baseado nas leis das reações químicas.

Regra geral:

1. Escrever a reação química; 2. Acertar os coeficientes; 3. Estabelecer uma regra de três.

Exemplo 1Exemplo 1Exemplo 1Exemplo 1:

• Calcular a massa de óxido cúprico a partir de 2,54 g de cobre metálico.

Dados: Cu = 63,5Cu = 63,5Cu = 63,5Cu = 63,5 e O = 16O = 16O = 16O = 16

1º) Vamos escrever a reação química:

Cu + O2 � CuO

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2º) A equação está desbalanceada, acertemos os coeficientes!

Cu + ½ O2 => CuO

3º) E agora? Como calcular a massa de óxido cúprico? É fácil, é só fazer a regra de três das partes envolvidas.

Cu + ½O2 => CuO

mol 63,5 79,5

massa 2,54 X

A massa de óxido cúpricomassa de óxido cúpricomassa de óxido cúpricomassa de óxido cúprico a partir de 2,54 g de cobre metálico é = 3,18 g3,18 g3,18 g3,18 g

Exemplo 2Exemplo 2Exemplo 2Exemplo 2:

• 15 litros de H2, medidos a Condição Normal de Temperatura e Pressão (CNTP), reagem completamente com cloro. Qual o volume de gás clorídrico produzido nas mesmas condições?

Dados: H = 1H = 1H = 1H = 1 e Cl = 35,5Cl = 35,5Cl = 35,5Cl = 35,5

1º) Vamos escrever a reação química:

H2 + Cl2 = HCl

2º) Agora falta balanceá-la.

H2 + Cl2 = 2222 HCl

3º) Vamos aos cálculos?

H2 + Cl2 = 2HCl

quant. mol 1 mol 1 mol 2 mol

mol 2 71 73

CNTP 22,4 22,4 2 x 22,4

CNTP 15 X

O volume de gás clorídricovolume de gás clorídricovolume de gás clorídricovolume de gás clorídrico produzido nas CNTP é = 30 l30 l30 l30 litrositrositrositros

RENDIMENTO Rendimento de uma reação é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida e a quantidade de produto que seria teoricamente obtida pela equação química correspondente.

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Queimando-se 30g de carbono puro, com rendimento de 90%, qual a massa de dióxido de carbono (CO2) obtida, conforme a equação: C + O2 ---------- CO2 . Os coeficientes já estão acertados: 1C + 1O2 ---------- 1CO2 . Veja os dados informados (30g de Carbono puro com 90% de rendimento) e o que está sendo solicitado (massa de dióxido de carbono obtida) e estabeleça uma regra de três. 1C-------------1CO2

1x12g-----------1x44g 30g --------------- x x=110g (considerando que o rendimento seria de 100%) estabeleça outra regra de três para calcular o rendimento (90%) 110g-------------100% (rendimento teórico) y --------------- 90% y=99g

12.12 .12 .12 . EXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIAEXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIAEXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIAEXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIA

1. Certa quantidade de cobre reagiu completamente com 2,52 g de HNO3. Calcule:

a) O número de átomos de cobre que reagiu; b) A quantidade (mol) de H2O formado; c) A massa de Cu(N03)2 formado; d) O volume de NO formado nas CNTP. (MA: Cu = 63; N = 14; O = 16; H = 1)

3Cu + 8HNO3 ���� 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

2. Na reação: 3Na2C03 + 2H3P04 ���� 2Na3P04 + 3H2O + 3CO2 , foram obtidos 1,12 L de CO2 nas CNTP. Calcule:

a) a massa de Na2C03 gasta na reação; b) a massa de H3P04 gasta na reação; c) a massa de Na3P04 formada na reação. (MA: Na = 32; C = 12; P = 31; O = 16; H = 1)

3. 6,0 L de SO2, medidos a 623 mmHg e 27°C, reagem completamente com KOH, segundo a equação: 2KOH + SO2 ���� K2S03 + H2O

Calcule: a) a massa de KOH consumida; b) a massa de K2S03 formada.

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(MA: K = 39; S = 32; O = 16; H = 1)

4. Uma das transformações que acontecem no interior dos catalisadores dos automóveis é a conversão de CO em CO2, segundo a reação CO + ½ O2 ���� CO2. Admitindo-se que um motor tenha liberado 3 mols de CO( nas CNTP) , calcule qual o volume de O2 (nas CNTP) necessário para converter todo o CO em CO2, em litros.

5. O éter Etílico é éter comumente vendido em farmácia, cuja principal aplicação esta relacionada à sua ação anestésica. A combustão completa de 14,8 mg de C4H10O irá produzir gás Carbônico e água, de acordo com a reação:

C4H10O + 6 O2 ���� 4 CO2 + 5 H2O

Calcule : a- a massa em mg de oxigênio consumido b- o volume em m³ de CO2 produzido c- o número de moléculas de água produzida

6. Calcule a massa de enxofre necessária à obtenção de 224 L de SO2 medidos a 273°C e 2atm.

S + O2 SO2 .

7. Sabendo que 10,8 g de Alumínio reagiram completamente com Ácido sulfúrico, calcule: a- a massa de H2SO4 b- a massa de Al2(SO4)3 obtida c- o volume de H2 liberado medido nas CNTP

2Al + 3 H2SO4 Al2 SO4 + 3 H2.

8. 5,0 Kg de Carbonato de Cálcio são totalmente decompostos. Calcule: a- a massa em Kg de CaO obtida b- o volume de CO2 a 25°C e 1 atm

CaCO3 ���� CaO + CO2

9. Qual é a massa máxima de H2O que podemos obter a partir de uma mistura contendo 80 g de O2 e 80 g de H2? (MA: H = 1; O = 16)

2H2 + O2 ���� 2H2O

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10. Qual é o volume máximo de amônia que pode ser obtido a partir de 30 L de H2 e 30 L de N2, a uma mesma temperatura e pressão?

N2(g) + 3H2(g) ���� 2NH3(g)

11. Qual é a massa máxima de amônia que pode ser obtida a partir de 40 kg de uma mistura contendo 28% de N2 e 72% de H2, em massa? Qual é o reagente limitante, se for o caso?

(MA: H = 1; N = 14) N2(g) + 3H2(g) ���� 2NH3(g)

12. Calcule o volume de CO2 medido nas CNTP, obtido pela pirólise de 50 g de CaC03 de 80% de pureza.

(MA: Ca = 40; C = 12; O = 16)

CaC03 ���� CaO + CO2

13. Calcule as massas de H2S04 80% de pureza e de Al(OH)3 90% de pureza necessárias à obtenção de 400 g de A12(S04)3 de 85,5% de pureza.

(MA: AI = 27; S = 32; O = 16; H = 1)

2Al(OH) 3 + 3H2SO4 ���� Al2(S04)3 + 6H2O

14. Calcule as massas de H2SO4 e de Al(OH)3 necessárias à obtenção de 17,1 g de Al2(SO4)3, sabendo que o a reação possui rendimento de 50%.

15. Calcule a massa de enxofre necessária à obtenção de 224 L de SO2 medidos a 273°C e 2 atm, sabendo que o rendimento da reação é de 90%. (MA: S = 32)

S + O2 ���� SO2

16. Quantos mols de Cl2 devemos utilizar para a obtenção de 5,0 mol de KCIO3 pela reação: 3Cl2 + 6KOH ���� 5KCI + KCI0 3 + 3H2 O sabendo que o rendimento da reação é igual a

75%?

17

13.13 .13 .13 . BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

Bibliografia BásicaBibliografia BásicaBibliografia BásicaBibliografia Básica CARVALHO, GERALDO CAMARGO DE. Química moderna. Ed. Scipione. 1997. SHREVE, R. NORRIS; BRINK, JOSEPH A. Indústrias de processos químicos. 4. Ed. Rio de janeiro: editora guanabara koogan. 1997. MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH. Equipamentos industriais e de processo. 1. Ed. Rio de janeiro: livros técnicos e científicos editora S. A. 1997. TELLES, PEDRO C. SILVA. Materiais Para Equipamentos De Processo. 6ª. Ed. Rio De Janeiro: Interciência, 2003. FOUST, A.S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 3ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. BLACKADDER, D.A. Manual de Operações Unitárias. São Paulo: Ed. Hemus, 2004. GOMIDE, R. Operações unitárias. Vol. I, II, III e IV. 1ed. São Paulo: do autor.