Slide - Estequiometria e Soluções - 2023-2

21/08/2023 1 Estequiometria e Soluções Prof. Luciano Andrey Montoro Departamento de Química - ICEx ● Estequiometria – das palavras gregas: • Stoicheion - “Elemento” • Metron - “Medida” Definição 1 2 21/08/2023 2 Grande parte do conhecimento na área da química se baseia em análises quantitativas cuidadosas das substâncias envolvidas nas reações químicas. • Composição Estequiométrica - Descreve as relações de massas entre os elementos em um composto. • Estequiometria de Reação - Descreve as relações de massas entre os reagentes e produtos em uma reação química. Conceitos Introdutórios Estequiometria O estudo de aspectos quantitativos de reações químicas 3 4 21/08/2023 3 Antoine Laurent de Lavoisier Análises Quantitativas Lei da Conservação de Massas Análises Quantitativas Lei da Conservação de Massas Numa reação química, a soma das massas dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos "Nada se cria, nada se perde; tudo se transforma" 5 6 21/08/2023 4 Análises Quantitativas Lei da Conservação de Massas Numa reação química, a soma das massas dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos Massa total dos reagentes = Massa total dos produtos Análises Quantitativas Lei das Proporções Constantes Em compostos químicos, elementos se combinam numa razão de pequenos números inteiros Joseph L. Proust, 1754 - 1826 Um composto químico sempre contém os mesmos elementos nas mesmas proporções Lei das Proporções Múltiplas John Dalton, 1766 - 1844 7 8 21/08/2023 5 A água sempre contém:  89% oxigênio  11% hidrogênio Compostos Químicos e Fórmulas ● Compostos Moleculares H2O2 CH3CH2Cl P4O10 CH3CH(OH)CH3 HCO2H Compostos Moleculares 9 10 21/08/2023 6 Compostos Iônicos Arranjo periódico de íons Na+ e Cl- (Formula unitária - NaCl) p.ex. Cloreto de Sódio (NaCl) CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (g) Equações Químicas 11 12 21/08/2023 7 Equações Químicas 2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g) 2,781023 moléculas de HgO 2,781023 átomos de Hg 1,391023 moléculas de O2 Mols e Massas Molares Jean Baptiste Perrin (1870 – 1942) Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e di Cerreto (1776 - 1856) Duas amostras de gases ideais, de mesmo volume, e nas mesmas condições de temperatura e pressão, possuem o mesmo número de moléculas. Número de Avogadro 1 mol de uma substância contém 6,022141291023 mol−1 entidades elementares (moléculas ou átomos) 13 14 21/08/2023 8 1 mol He S Cu Hg Um mol é definido como a quantidade de uma dada substância que contém o mesmo número de moléculas (ou átomos) existentes em exatamente 12 gramas de 12C. Número de Avogadro 6,022141291023 mol−1 A massa molar de um elemento é o seu número de unidades de massa atômica. (geralmente fornecido em tabelas periódicas como uma média ponderada dos isótopos mais frequentes). Massa Molar ● Por definição, massa molar corresponde a massa de 1 mol de substância (i.e. g/mol) p.ex. 1 mol de Fe possui 55,85 g  55,85 g/mol 1 mol de Cl possui 35,45 g  35,45 g/mol Uma ponte da escala molecular para o mundo real 15 16 21/08/2023 9 1) A massa de uma moeda de cobre é 3,20 g. Supondo que seja de cobre puro, quantos mols de átomos de cobre ela contém? Quantos átomos de cobre ela possui? Massa molar do cobre = 63,54 g.mol-1 Problemas / Aplicações A massa molar de um composto é a soma das massas molares dos elementos que constituem a molécula ou a fórmula unitária. Massa Molar de Compostos p.ex. Na2SO4 = 2(massa molar do Na) + (massa molar do S) + 4 (massa molar do O) = 2  (22,99 g.mol-1) + (32,06 g.mol-1) + 4  (16,00 g.mol-1) = 142,04 g.mol-1 p.ex. Etanol (CH3CH2OH) = 2(massa molar do C) + 6(massa molar do H) + (massa molar do O) = 2  (12,01 g.mol-1) + 6  (1,008 g.mol-1) + (16,00 g.mol-1) = 46,07 g.mol-1 17 18 21/08/2023 10 Balanceamento de Equações Químicas Lei da Conservação de Massas "Nada se cria, nada se perde; tudo se transforma" Balanceamento de Equações Químicas Al(s) + Br2(l) → Al2Br6(s) 2Al(s) + 3Br2(l) → Al2Br6(s) 19 20 21/08/2023 11 • Se um elemento estiver presente em apenas um composto em cada lado da equação, tente balancear esse elemento primeiro. • Balanceie os reagentes ou produtos na forma de elementos livres por último. • Em algumas reações, certos agrupamentos de átomos (íons poliatômicos) permanecem inalterados. Nestes casos, trate eles como uma unidade. • Algumas vezes, uma equação pode ser balanceada com coeficientes fracionários. Nestes casos, multiplique por um fator comum de modo a obter números inteiros. Balanceamento de Equações Químicas Balanceamento de Equações Químicas Fe2O3(s) + Al(s) → Al2O3(s) + Fe(s) Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Fe(s) 21 22 21/08/2023 12 1) KClO3(s) → KClO4(s) + KCl(s) 2) Pb(NO3)2(aq) + Na3PO4(aq) → Pb3(PO4)2(s) + NaNO3(aq) 3) H3PO4(aq) + Na2CO3(aq) → Na3PO4(aq) + CO2(g) + H2O(l) Problemas / Aplicações Balanceie as equações químicas: 4KClO3(s) → 3KClO4(s) + KCl(s) 3Pb(NO3)2(aq) + 2Na3PO4(aq) → Pb3(PO4)2(s) + 6NaNO3(aq) 2H3PO4(aq) + 3Na2CO3(aq) → 2Na3PO4(aq) + 3CO2(g) + 3H2O(l) Interpretação Molar de Equações Químicas Processo de Haber-Bosch para produção de amônia Pode-se interpretar uma equação tanto em termos do número de moléculas (ou átomos, ou íons), quanto em número de mols, dependendo da necessidade. (Interpretação molecular) (Interpretação molar) (Interpretação em massa) 23 24 21/08/2023 13 Problemas / Aplicações 1) Quais as quantidades, em massa, de N2O e H2O formadas durante a decomposição de 454g de NH4NO3? Passo 1) Escrever a equação química balanceada: NH4NO3 → N2O + 2H2O Problemas / Aplicações 1) Quais as quantidades, em massa, de N2O e H2O formadas durante a decomposição de 454g de NH4NO3? Passo 2) Converter massa de reagente para número de mols: NH4NO3 → N2O + 2H2O n = m/M  n = 454g/80,05 g.mol-1 = 5,67 mols de NH4NO3 Massa Molar do NH4NO3 14,01 + 4  1,008 + 14,01 + 3  16,00 = 80,05 g.mol -1 25 26 21/08/2023 14 Problemas / Aplicações 1) Quais as quantidades, em massa, de N2O e H2O formadas durante a decomposição de 454g de NH4NO3? Passo 3) Converter número de mols de reagente para número de mols de produto: 1 mol de NH4NO3 → 2 mols de H2O 5,67 mols de NH4NO3 → 11,34 mols de H2O Problemas / Aplicações 1) Quais as quantidades, em massa, de N2O e H2O formadas durante a decomposição de 454g de NH4NO3? Passo 4) Converter número de mols de produto para massa: 11,34 mols de H2O n = m/M  11,34 mol = m/18,02 g.mol-1 m = 204,3 g de H2O 27 28 21/08/2023 15 Problemas / Aplicações 1) Quais as quantidades, em massa, de N2O e H2O formadas durante a decomposição de 454g de NH4NO3? Passo 5) Calcular a massa de N2O formado: Massa total dos reagentes = Massa total dos produtos 454 g de NH4NO3 → m g de N2O + 204,3g de 2H2O m = 249,7 g de N2O Problemas / Aplicações Massa de Reagente Mols de Reagente Mols de Produto Massa de Produto Fator Estequiométrico 29 30 21/08/2023 16 Problemas / Aplicações 2) Quando 0,105 mols de propano são queimados em excesso de oxigênio, quantos gramas de oxigênio são consumidos? Passo 1) C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O Passo 2) 0,105 mols de propano Passo 3) 1 mol de propano → 5 mols de O2 0,105 mols de propano → 0,525 mols de O2 Passo 4) 0,525 mols de O2 n = m/M  0,525 mols = m/32,00 g.mol-1 m = 16,8 g O2 Problemas / Aplicações Uma amostra de arenito é formada por sílica (SiO2) e calcita (CaCO3). Quando este arenito é fortemente aquecido, o carbonato de cálcio (CaCO3) se decompõe em óxido de cálcio (CaO) e CO2. Qual é a porcentagem em massa de sílica presente neste arenito, sabendo que 18,7 mg desta rocha liberam 3,95 mg de gás carbônico após aquecimento? Massas atômicas: C = 12,01u, O = 16,00u e Ca = 40,08u. 31 32 21/08/2023 17 Reagentes Limitantes Reagentes em quantidades não estequiométricas O reagente limitante é totalmente consumido durante a reação. O reagente em excesso permanece sem reação. Visão Molecular de Reagente Limitante Quando 28 g (1,0 mol) de etileno reagem com … … 128 g (0,80 mol) de bromo, resulta em … … 150 g of 1,2- dibromoetano, e etileno ! 1. Porque etileno permaneceu após a reação? 2. Qual a massa de etileno remanescente? C2H4(g) + Br2(l) → C2H4Br2(l) 33 34 21/08/2023 18 Problemas / Aplicações 1) Nitreto de magnésio pode ser formado pela reação de magnésio metálico com nitrogênio. (a) Quantos gramas de nitreto de magnésio podem ser obtidos pela reação de 35,00 g de magnésio e 15,00 g de nitrogênio? (b) Quantos gramas do reagente em excesso permanecem após a reação? Passo 1) 3Mg(s) + N2(g) → Mg3N2(s) Passo 2) 35g de Mg  n = 35 g/24,31 g.mol-1 = 1,44 mols de Mg 15g de N2  n = 15 g/28,02 g.mol-1 = 0,535 mols de N2 Passo 3) 3 mols de Mg → 1 mol de N2 1,44 mols de Mg → 0,48 mols de N2 → 0,48 mols de Mg3N2 Passo 4) 0,48 mols de Mg3N2  m = 0,48 mols  100,95 g.mol-1 (a) m = 48,46 g Mg3N2 (b) 0,535 – 0,48 = 0,055 mols de N2 em excesso m = 0,055 mols  28,02 g.mol-1  m = 1,54 g de N2 em excesso Rendimentos de Reações Químicas 35 36 21/08/2023 19 Rendimentos de Reações Químicas • O rendimento de uma reação é a quantidade de produto realmente obtido em uma reação. • O rendimento teórico de uma reação é a quantidade calculada de produto na reação. • O rendimento de uma reação deverá ser menor que o rendimento teórico por diversas razões. rendimento Rendimento Percentual = ––––––––––––– × 100 rendimento teórico Soluções • Solução: é uma mistura homogênea de soluto e solvente • Solvente: Substância presente em maior quantidade e cujo estado físico é preservado. • Soluto: Substância presente em menor quantidade Durante o preparo de soluções, forças intermoleculares são rearranjadas • “Regra”: semelhante dissolve semelhante (simplificação) • Solventes polares dissolvem solutos polares. • Solventes não-polares dissolvem solutos não-polares. 37 38 21/08/2023 20 Outros tipos de soluções ESTADO DA SOLUÇÃO ESTADO DO SOLVENTE ESTADO DO SOLUTO EXEMPLO GÁS GÁS GÁS AR LÍQUIDO LÍQUIDO GÁS OXIGÊNIO NA ÁGUA LÍQUIDO LÍQUIDO LÍQUIDO ÁLCOOL NA ÁGUA LÍQUIDO LÍQUIDO SÓLIDO SAL NA ÁGUA SÓLIDO SÓLIDO GÁS HIDROGÊNIO NO PALÁDIO SÓLIDO SÓLIDO LÍQUIDO MÉRCURIO NA PRATA SÓLIDO SÓLIDO SÓLIDO PRATA NO OURO Fases Minerais Não Estequiométricas OLIVINAS Mg2SiO4 Fe2SiO4 (Mg,Fe)2SiO4 Forsterita Fayalita 39 40 21/08/2023 21 Misturas Misturas Homogêneas ou Heterogêneas? • Ligas Metálicas Solda (Pb/Sn/Ag) Bronze (Cu/Sn) Misturas Misturas Homogêneas ou Heterogêneas? • Ligas Metálicas Solda (Pb/Sn/Ag) Imagem de microscopia eletrônica de varredura e mapas de composição obtidos por espectroscopia de raios X (EDX) Pb Ag Sn 41 42 21/08/2023 22 Soluções Durante o preparo de soluções, forças intermoleculares são rearranjadas • Solventes polares dissolvem solutos polares. • Solventes não-polares dissolvem solutos não-polares. Tetracloreto de carbono (não-polar) Iodo e enxofre (não-polares) Interações soluto-soluto Interações solvente-solvente Interações soluto-solvente  Mecanismo de Dissolução • A água “ataca” compostos iônicos e os íons são solvatados (hidratados). 45 46 21/08/2023 23 O Processo de Solubilização • Considere a dissolução de NaCl (soluto) em água (solvente): – As ligações de hidrogênio na água são quebradas, – NaCl é dissociado em Na+ e Cl-, – Ocorrem intereações íon-dipolo: Na+ … -OH2 e Cl- … +H2O. Na+ O δ- H H Cl- H O H δ+ A Água como Solvente • Considere a dissolução de NaCl (soluto) em água (solvente): – As ligações de hidrogênio na água são quebradas, – NaCl é dissociado em Na+ e Cl-, – Ocorrem intereações íon-dipolo: Na+ … -OH2 e Cl- … +H2O. Na+ O δ- H H Cl- H O H δ+ Alta Constante Dielétrica (polarizabilidade) 47 48 21/08/2023 24 Soluções Aquosas Como podemos saber que existem íons em solução? A solução conduz eletricidade! São chamadas eletrólitos HCl, NaCl, CuCl são eletrólitos fortes Eles se dissociam completamente em íons (ou quase). Soluções Aquosas O ácido acético se ioniza apenas parcialmente em água, assim ele é um eletrólito fraco CH3CO2H(aq) CH3CO2 - (aq) + H+ (aq) 49 50 21/08/2023 25 Soluções Aquosas Muitos compostos de dissolvem em água, mas não sofrem ionização não-eletrólitos Ex: - Açúcar - Etanol - Etileno glicol Solubilidade em Água de Compostos Iônicos Compostos Regra Exceções Ácidos Orgânicos Solúveis Permanganatos, Nitritos e Nitratos, Cloratos Solúveis Sais de Alcalinos e Amônio Solúveis carbonato de lítio Percloratos Solúveis de potássio e mercúrio I Acetatos Solúveis de prata Tiocianatos e Tiossulfatos Solúveis de prata, chumbo e mercúrio Fluoretos Solúveis de magnésio, cálcio e estrôncio Cloretos e Brometos Solúveis de prata, chumbo e mercúrio I Iodetos Solúveis mercúrio, bismuto e estanho IV Sulfatos Solúveis de prata, chumbo, bário, e estrôncio Óxido metálico e Hidróxidos Insolúveis de alcalinos, amônio, cálcio, bário e estrôncio Boratos, Cianetos, Oxalatos, Carbonatos, Ferrocianetos, Ferricianetos, Silicatos, Arsenitos, Arseniatos, Fosfitos, Fosfatos, Sulfitos e Sulfetos Insolúveis de alcalinos e de amônio 51 52 21/08/2023 26 Diagramas de Solubilidade Efeito da Temperatura Concentração de Soluções A quantidade de soluto em uma solução é dada pela sua concentração. • A unidade de concentração mais usual é a molaridade, o qual é o número de moles do soluto pelo volume de solução (L). ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 1 L mol g g L mol mol L V MM m V n C  = = − −  C = quantidade de matéria por litro n = quantidade de matéria do soluto (mol) V = volume da solução m = massa do soluto MM = massa molar do soluto 53 54 21/08/2023 27 Concentração de Soluções Perceba que quando 1 L de solvente é utilizado para preparar 1 L de solução, há um excesso de solvente (sobra). Qual a Concentração? PROBLEMA: Dissolva 5.00 g of NiCl26 H2O in água suficiente para preparar 250 mL de solução. Calcule a sua concentração molar. Passso 1: Calcule o número de mols of NiCl26H2O 5.00 g • 1 mol 237.7 g = 0.0210 mol mol.L1- = 0.0841 L 0.250 mol 0.0210 Passo 2: Calculate a molaridade [NiCl26 H2O ] = 0.0841 mol.L-1 55 56 21/08/2023 28 Qual a Concentração? Quais as concentrações de Ni2+ e Cl- em solução? NiCl2H2O(s) → Ni2+ (aq) + 2Cl- (aq) + 6H2O(l) Se [NiCl26H2O] = 0.0841 mol.L-1 então [Ni2+] = 0.0841 mol.L-1 [Cl-] = 2 x 0.0841 mol.L-1 Quantos gramas de Na2HPO4 são necessários para preparar 1,5 L de solução 0.500 mol.L-1? Qual o volume (mL) de HCl 0,10 mol.L-1 que reage com 0,10 g de Al(OH)3, de acordo com a reação abaixo? Al(OH)3(s)+ 3HCl(aq) → AlCl3(aq) + 3H2O(l) Qual a massa de PbCl2 que se forma quando 267 mL de acetato de chumbo 1,50 mol.L-1 reagem com 125 mL de NaCl 3,40 mol.L-1? Pb(CH3COO)2(aq) + 2NaCl(aq)→ PbCl2(s) + 2NaCH3COO(aq) Problemas / Aplicações 57 58 21/08/2023 29 Fatores de conversão em cálculos estequiométricos: Uma liga usada em estruturas de aeronaves consiste em 93,7% de Al e 6,3% de Cu em massa. A liga tem uma densidade de 2,85 g.cm-3. Um pedaço de 0,691 cm3 da liga reage com um excesso de HCl(aq). Se nós assumirmos que todo o Al, mas nenhum Cu, reage com o HCl(aq), qual será a massa de H2(g) obtido? Problemas / Aplicações 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2 Escreva a equação química e balanceie: Problemas / Aplicações 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2 59 60 21/08/2023 30 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2 Planeje a estratégia de resolução: cm3 liga → g liga → g Al → mole Al → mol H2 → g H2 Utiliza-se 5 fatores de conversão! Escreva a equação e calcule: g liga cm3 g Al g liga mol Al g Al mol H2 mol Al g H2 mol H2 Problemas / Aplicações 2 2 2 3 3 1 016 ,2 2 3 26,98 1 100 3, 97 1 ,2 85 691 ,0 2 H mol H g Al mol H mol g Al Al mol liga g Al g cm g liga cm liga mH      = 2 207 ,0 2 g H mH = Problemas / Aplicações Determinando o reagente limitante em uma reação: Tricloreto de fósforo, PCl3, é um composto comercialmente importante na fabricação de pesticidas, aditivos para gasolina, e diversos outros produtos. Ele é preparado pela combinação direta de fósforo e cloro: P4 (s) + 6 Cl2 (g) → 4 PCl3 (l) Qual a massa de PCl3 que se forma através da reação de 125 g de P4 com 323 g de Cl2? Dica: Compare a razão em mol dos reagentes com a razão estequiométrica. 61 62 21/08/2023 31 Problemas / Aplicações Problemas / Aplicações 63 64