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Leis Ponderais e Estequiometria
Como a indústria química calcula quanto vai reagir e quanto vai formar?
Mais um dia começando e você já está de pé! Uma das primeiras coisas que fazemos ao acordar é
tomar um banho, escovar os dentes e ainda tomamos alguns outros cuidados com a higiene e
aparência. Esse cuidado devemos ter desde criança, assim devemos cuidar dos bebês e crianças
também.
Disponível em: <http://www.escolakids.com/higiene-pessoal.htm>. Acesso em 28 jan. 2014. 9h10min.
E então, você já parou para pensar como são produzidos os sabonetes, o xampu e outros produtos
de higiene? Como deve ser a fabricação destes produtos? Quais são as matérias primas que são
utilizadas na sua fabricação?
Pois então, antes de discutirmos sobre a indústria de produtos de higiene pessoal e cosméticos,
vamos falar da importância da indústria química.
Na indústria química é onde ocorre a transformação das substâncias e fabricação dos produtos para
as fábricas de outros setores que atendem diretamente as nossas necessidades de consumo.
Estudaremos que as transformações químicas que as substâncias sofrem são rearranjos de átomos e
os produtos se formam a partir de novas combinações entre estes. Veremos também que as reações
ocorrem numa proporção constante e definida. Assim, a indústria calcula a demanda a partir das
necessidades de consumo.
A indústria química é um setor essencial para a sociedade em que vivemos, porque responde às suas
mais variadas necessidades. Os produtos fabricados pela indústria química são indispensáveis para
quase tudo o que fazemos. As nossas necessidades básicas de alimentação, roupa, saúde,
construção, transporte, higiene, beleza são proporcionados por produtos fabricados pela indústria
química. Hoje em dia, o desenvolvimento de novos materiais para substituir os antigos leva em conta
principalmente a questão da proteção e do controle ambiental.
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Os principais produtos fabricados pela indústria química são: o ácido sulfúrico (H2SO4), o hidróxido de
sódio (NaOH), o carbonato de sódio (Na2CO3) e o cloro (Cl2) e as fontes necessárias para a indústria
química são energia, água, minerais, ar e hidrocarbonetos.
Vamos recordar:
1) As substâncias podem ser representadas por fórmulas químicas. Quando vemos que a fórmula
do ácido sulfúrico que é H2SO4, o que isto nos representa, qual é o significado disto?
2) Faça a mesma interpretação para a fórmula da substância carbonato de sódio.
3) À respeito das substâncias químicas mais importantes produzidas pela indústria química,
preencha a tabela a seguir:
Substância química
Ácido sulfúrico
Hidróxido de
sódio
Carbonato de
sódio
Cloro
Fórmula química
Nome dos
elementos que
constituem a
substância
Símbolos dos
elementos
Nº total de átomos
que constitui a
substância
Classificação da
substância quanto
ao tipo de
elementos que a
formam
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Produtos da indústria química
Vamos estudar como algumas dessas substâncias são fabricadas pelas indústrias. No caso do ácido
sulfúrico a matéria prima é o enxofre. O enxofre elementar é encontrado em grandes depósitos no
subsolo abaixo das camadas rochosas. Esse enxofre é então queimado na presença de ar. A
substância que se forma é o dióxido de enxofre, que, em contato com mais ar sofre nova combustão
e forma-se o trióxido de enxofre. Essa substância que é um gás é dissolvida em água e então, formase o ácido sulfúrico.
4) Qual é o termo técnico para queima? Que é a substância que está presente no ar que participa da
reação de queima?
Reação Química
Numa reação química as substâncias que reagem são chamadas de reagentes e as substâncias
que se formam após a transformação são chamadas de produtos.
Utilizamos a equação química para representar uma reação, na equação química as substâncias
são representadas pelas suas fórmulas e a seta representa a transformação.
Na reação química o que ocorre é a transformação das substâncias. Durante a reação química as
substâncias reagentes deixam de existir e se transformam nos produtos, ou seja, os átomos que
formam os reagentes se separam, sofrem um rearranjo, se organizam novamente, formando os
produtos. Assim, os átomos que existem antes da transformação (nos reagentes) são os mesmos
átomos que formam as substâncias depois da transformação (produtos). Numa reação química os
átomos só mudam de lugar. O que não muda também é a quantidade de átomos que participa da
reação. Por isso, há uma relação entre os participantes de uma reação.
Podemos representar a queima do enxofre da seguinte forma, acompanhe:
enxofre + oxigênio → dióxido de enxofre
Substituindo o nome das substâncias por fórmula química, temos:
As letras entre parêntese
(s) e (g) representam o
estado físico que a
substância reage ou se
forma:
s = sólido
l = líquido
g = gasoso
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Perceba nesta reação, que os tipos de átomos que fazem parte dos reagentes são os mesmos que
formam o produto e, a quantidade de cada um dos tipos nos reagentes e produto é igual. Para
facilitar a visualização os átomos foram representados por esferas:
5) Agora, escreva, utilizando fórmulas químicas, as equações químicas que representam as outras
etapas da fabricação do ácido sulfúrico:
a) Dióxido de enxofre + oxigênio → trióxido de enxofre
b) Trióxido de enxofre + água → ácido sulfúrico
Voltemos na reação 5 (a). Compare os tipos e quantidades de átomos que aparecem do lado dos
reagentes e do produto. Quando o número de átomos não é igual nos reagentes e produtos, o que
fazemos?
Quando a quantidade de átomos nos reagentes não é igual a dos produtos devemos balancear a
equação química. Balancear a equação química é acertar os coeficientes estequiométricos de
maneira que o número de átomos fique igual nos reagentes e produtos. O coeficiente
estequiométrico nos indica a proporção em que reagentes e produtos reagem e se formam numa
reação química.
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Balanceamento de equações químicas
A maneira mais simples que temos para balancear uma equação química é por tentativa, colocando
os coeficientes estequiométricos na frente da substância. Conte o número de átomos de átomos dos
reagentes e compare com o número de átomos dos produtos. Faça o balanceamento de átomos de
um tipo de cada vez. Veja o exemplo para a reação de formação da água, a partir das substâncias
hidrogênio e oxigênio:
Podemos verificar que tem um átomo de oxigênio a menos no produto, então é preciso acertar o
coeficiente da água.
Atenção:
6) Neste caso tem um átomo de O a mais do lado do reagente, para igualar os átomos de O,
podemos representar a substância oxigênio por O, e então, representar a equação da seguinte
maneira?
H2 (g) + O (g) → H2O (l) ???
Não. Não podemos alterar a fórmula das substâncias. A substância oxigênio é formada por dois
átomos de oxigênio ligados entre si, assim sendo, a fórmula desta substância é O2. O índice 2
justamente nos mostra que a substância é formada por dois átomos do tipo oxigênio, cujo símbolo é
O. Então, para ajustar a quantidade de átomos nos dois lados, não podemos mudar a fórmula das
substâncias, é preciso acertar os coeficientes.
Coloque o coeficiente na frente da substância cujo átomo está faltando, multiplicando o coeficiente
pelo índice do átomo na fórmula temos o número de átomos do tipo que estamos considerando.
Assim, para o exemplo da formação da água:
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Esse coeficiente 2 na frente da água, também multiplica o índice do átomo de hidrogênio, assim,
temos 4 (2 x2) átomos de hidrogênio no produto.
Agora, é preciso acertar a quantidade de átomos de hidrogênio nos reagentes, é preciso colocar o
coeficiente 2 na frente da substância H2.
Bem, então a equação balanceada de formação da água a partir das substâncias hidrogênio e
oxigênio fica assim:
2 H2 (g)
+ O2 (g)
→
2 H2O (l)
Agora, retome a equação a da questão 5, como ficou o balanceamento?
Dióxido de enxofre + oxigênio → trióxido de enxofre
Atenção: são 4 átomos de oxigênio nos reagentes, pois temos 2 átomos de O na substância SO2 e 2
átomos na substância O2. Portanto, no total são 4 átomos de O.
Observe que falta O nos produtos, coloque o coeficiente 2 na frente do SO3:
E agora, acertamos o coeficiente de SO2 ou de O2?
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Perceba que colocando o coeficiente 2 na frente do SO3, muda também a quantidade de átomos de S
no produto, que passa a ser 2 átomos. Portanto, para acertar a quantidade de átomos de S e O nos
reagentes é melhor acertarmos pelo dióxido de enxofre, SO2. Assim, colocando o coeficiente 2 na
frente o SO2, iguala-se o número total de átomos nos reagentes e produtos.
Não há uma fórmula mágica que nos permite acertar diretamente os coeficientes. É com muito
treino, exercitando bastante que você vai ficar “expert” no balanceamento de equações. Por isso,
não deixe de fazer os exercícios.
Vamos voltar às substâncias da indústria química... E o hidróxido de sódio e o cloro? Bem, estas duas
substâncias são produzidas pela eletrólise da solução saturada de NaCl, ou seja, essas substâncias são
obtidas numa reação de decomposição do NaCl dissolvido em água pela passagem de corrente
elétrica.
De uma maneira simplificada podemos escrever a equação da reação de obtenção do hidróxido de
sódio e do cloro da seguinte forma:
NaCl (aq) + H2O (l) → NaOH (aq) + Cl2 (g) + H2 (g)
Bem, esta equação química não está balanceada, vamos praticar.
7) Faça o balanceamento da equação química acima.
Existem algumas plantas industriais que aproveitam o hidrogênio desta reação como fonte de
energia. Como se sabe, a queima de hidrogênio libera uma grande quantidade de energia.
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Relações Ponderais
Ao balancearmos as equações químicas e determinarmos os coeficientes estequiométricos sabemos
qual é a proporção em que os reagentes e produtos se combinam e formam.
Não podemos misturar qualquer massa ou volume de reagentes. Para qualquer reação existe uma
proporção certa em que se devem misturar as substâncias. É como uma receita de bolo. Podemos
misturar qualquer quantidade de farinha, ovos, leite? Não, existe uma medida certa, de cada um dos
ingredientes, para que o bolo saia ideal.
E é assim que acontece na indústria química. Saber as quantidades de reagentes que devem entrar
nos processos químicos é muitíssimo importante. Não é só isso, há também, outros fatores que
devem ser considerados, como a pureza dos reagentes, a temperatura, se há reagente gasoso, devese controlar a pressão etc.
Vamos entender melhor esta questão das proporções entre reagentes e produtos... Analisemos a
equação balanceada de produção do ácido sulfúrico a partir do trióxido de enxofre e água:
SO3 + H2O → H2SO4
Conhecendo as proporções, sabemos as massas que reagem. Para cada 80 g de SO3 que reagem são
necessários 18 g de H2O. Como saber qual é a massa do produto (ácido sulfúrico) que se forma?
SO3 + H2O → H2SO4
80 g
18 g
???
“A massa do produto que se forma é a soma das massas dos reagentes”. Essa afirmação é
importantíssima na Química. Assim, na reação acima a massa de H2SO4 que se forma é 98 g (80 + 18).
O cientista que, a partir de seus estudos e experimentos, fez esta afirmação foi Antonie Lavoisier, em
1789. Com base nas suas observações Lavoisier enunciou a seguinte lei:
“Na natureza, nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.” Essa é a Lei da Conservação da
Massa, ou apenas Lei de Lavoisier.
A partir disso então, podemos prever a massa dos produtos de uma reação a partir das massas dos
reagentes.
8) Assim para a reação a seguir, qual é a massa de H2SO4 formada?
SO3 + H2O → H2SO4
100 g
22,5 g
???
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Pois agora, observe os dados para diversas reações de produção de ácido sulfúrico:
SO3
+
H2O
→ H2SO4
80 g
18 g
98 g
100 g
22,5 g
122,5 g
500 g
112,5 g
612,5 g
1000 g
225 g
1225 g
Como é possível saber que são essas as massas que reagem? Observe que dividindo a massa de ácido
sulfúrico pela massa de trióxido de enxofre sempre chegamos a um número fixo. Isso significa que
existe uma proporção fixa entre a massa do ácido sulfúrico e a massa de trióxido de enxofre.
Os participantes de uma reação química se misturam sempre na mesma proporção, assim existe uma
relação constante entre as massas das substâncias de uma reação.
Considerando este raciocínio, vamos determinar a massa de H2SO4 formada a partir de 200 g de SO3?
Ou ainda, podemos resolver assim:
Essa relação de massa vem das massas dos átomos, lembre-se que cada um dos tipos de elementos
químicos tem uma massa atômica, assim, a substância química que é um conjunto de átomos ligados
também tem uma massa definida. A massa da substância é proporcional ao número de átomos que
constituem essa substância.
Toda a discussão a respeito das transformações químicas ocorreu com base nas reações de produção
das substâncias de importância comercial da indústria química.
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A ciência Química fornece os fundamentos para entendermos a transformação da matéria, por
exemplo, que uma transformação química é um rearranjo dos átomos que constituem seus
reagentes. Além disso, que o balanceamento das equações nos dá a proporção entre os reagentes e
produtos numa reação, assim é possível estimar a massa de reagentes numa reação para atender a
demanda dos produtos.
É baseada nesta compreensão que a indústria química fabrica os produtos.
A indústria de cosméticos compra da indústria química as matérias primas para a produção de seus
produtos da indústria química. Numa indústria de cosméticos, os óleos, essências, as bases para
xampu, sabonete, hidrante, maquiagem são misturados e seus produtos são fabricados, embalados e
distribuídos para o consumo. Mas, essa mistura não ocorre ao acaso, há uma proporção exata que
substâncias devem ser misturadas e, tudo isso, é estudado previamente.
BIBLIOGRAFIA
•
•
BROWN, L. Theodore. LEMAY, H. Eugene. BURSTEN, E. Bruce. Química, a ciência central. 9ª
edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
ISUYAMA, R. Novo Telecurso de Química. Volume 2. Rio de Janeiro: Fundação Roberto Marinho,
2008.
EXERCÍCIOS
1) Dadas as reações químicas descritas, escreva a equação química balanceada, utilizando as
fórmulas das substâncias químicas. Lembre-se que as substâncias simples são diatômicas (exceto
os metais).
a) Nitrogênio gasoso reage com hidrogênio gasoso e o produto é a amônia gasosa (NH3).
b) Gás cloro reage com o hidrogênio gasoso e forma cloreto de hidrogênio gasoso (HCl).
c) A decomposição do carbonato de cálcio resulta em dióxido de carbono e óxido de cálcio
(CaO).
d) Gás metano (CH4) sofre combustão na presença de oxigênio e forma dióxido de carbono e
água.
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2) Acerte os coeficientes estequiométricos das equações químicas a seguir:
a) C(s) + O2(g) → CO(g)
b) Na(s) + H2O → NaOH(aq) + H2(g)
c) CaO(s) → Ca(s) + O2(s)
d) Fe(s) + O2(g) → Fe2O3(s)
e) C3H8 + O2 → CO2 + H2O
3) Na reação entre 28 g de gás nitrogênio com 6 g gás hidrogênio, qual é a massa de amônia
formada?
4) Para a reação de produção da amônia descrita anteriormente, como foi possível calcular a massa
do produto formado?
5) Complete a tabela abaixo para a mesma reação
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
14 g
3g
140 g
112 g
170 g
24 g
6) Para cada uma das reações do exercício 5, determine a relação entre a massa de amônia de a
massa de hidrogênio.
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7) Esse valor é o mesmo da relação entre as massas destes participantes do exercício 3?
8) Como você justifica que a relação entre a massa de amônia e de nitrogênio dá sempre o mesmo
número?
GABARITO - Questões do texto:
1) A fórmula química apresenta o tipo e quantidade de átomos que formam as substâncias. O tipo é
dado pelo símbolo do elemento e a quantidade de átomos é dada pelo índice, que é o número, à
direita, que acompanha o símbolo. Assim sendo, no caso H2SO4, que é a fórmula do ácido
sulfúrico, esta indica que a substância é formada por 2 átomos de hidrogênio (H), 1 átomo de
enxofre (s) e 4 átomos de oxigênio (O). Quando não há nenhum número que acompanha o
símbolo do elemento, subentende-se que o índice é 1.
2) Na2CO3: a substância carbonato de sódio é formada por 2 átomos de sódio (Na), 1 átomo de
carbono (C) e três átomos de oxigênio.
3)
Substância química
Ácido sulfúrico
Hidróxido de sódio
Carbonato de
sódio
Cloro
Fórmula química
H2SO4
NaOH
Na2CO3
Cl2
Nome dos elementos
que constituem a
substância
hidrogênio
enxofre e
oxigênio
sódio
oxigênio e
hidrogênio
sódio
carbono e
oxigênio
cloro
Símbolos dos
elementos
H, S e O
Na, O e H
Na, C e O
Cl
7
3
6
2
Substância
composta
Substância
composta
Substância
composta
Simples
Nº total de átomos
que constitui a
substância
Classificação da
substância quanto ao
tipo de elementos
que a formam
4) A palavra técnica para queima é COMBUSTÃO. A substância que está no ar que alimenta a
queima é o oxigênio.
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5)
a) 2 SO2(g) + O2(g)
→ 2 SO3(g)
b) SO3(g) + H2O →
está balanceada.
H2SO4(aq) – Não é preciso acertar os coeficientes, pois esta equação já
6) Não é correto representar a substância oxigênio por O, a substância oxigênio é uma substância
simples formada por dois átomos de oxigênio ligados entre si, assim, a fórmula é O2.
7) 2 NaCl (aq) + 2 H2O (l) → 2 NaOH (aq) + Cl2 (g) + H2 (g)
8) Aplicando-se a Lei da Conservação da Massa, a massa de H2SO4 é 122,5 g (100 g + 22,5 g).
Gabarito – Exercícios
1) Escrevendo
as
equações
químicas
2) Balanceando as equações:
balanceadas:
a) 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
a) N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
b) 2 Na(s) + 2 H2O → 2 NaOH(aq) + H2(g)
b) Cl2(g) + H2(g) → 2 HCl(g)
c) CaCO3(s) → CO2(g) + CaO
c) 2 CaO(s) → 2 Ca(s) + O2(s)
d) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
d) 4 Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)
e) C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
3) m = 34 g (28 + 6)
4) Pela Lei da Conservação das Massas ou Lei de Lavoisier: “A soma das massas dos reagentes é
igual a soma das massas dos produtos”.
5) Completando a tabela:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
14 g
3g
17 g
140 g
30 g
170 g
112 g
24 g
136 g
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6) A relação é:
7) A relação é a mesma:
8) Isso acontece, pois numa reação química, os reagentes se misturam sempre na mesma
proporção, assim existe uma relação constante entre as massas das substâncias de uma reação.
Os átomos que formam essas substâncias têm massa definida, assim relações são números fixos.
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