Estequiometria

A equação acertada é o ponto de partida

Em N₂ + 3H₂ → 2NH₃, uma molécula de N₂ reage com três moléculas de H₂ para formar duas moléculas de NH₃. A mesma relação aplica-se às quantidades em mol:

A relação não significa que 1 g de N₂ reaja com 3 g de H₂, porque substâncias diferentes têm massas molares diferentes.

Exemplo resolvido de massa para massa

Suponha-se que 10,0 g de H₂ reagem com N₂ em excesso. Usando M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹:

Escrever as unidades em cada etapa torna visível a lógica dimensional e permite detetar muitos erros de montagem do cálculo.

Reagente limitante e rendimento teórico

Quando são dadas quantidades de vários reagentes, calcula-se quanto produto poderia formar cada um. A menor quantidade prevista corresponde ao reagente limitante.

O rendimento teórico é a quantidade máxima de produto permitida pela estequiometria a partir do reagente limitante. O reagente em excesso fica remanescente depois de o reagente limitante ser consumido.

Rendimento real e rendimento percentual

Em experiências reais pode perder-se produto, a reação pode não chegar ao fim ou podem formar-se produtos secundários. O rendimento percentual compara a quantidade recuperada com o máximo teórico:

Um rendimento superior a 100 % indica geralmente produto húmido ou impuro, erro de medição ou uma composição assumida incorretamente; não uma reação que tenha criado matéria adicional.

Calculadora de relação molar

A calculadora executa apenas a etapa da relação molar. Um problema completo continua a exigir uma equação acertada e as conversões necessárias de massa, volume ou concentração.

Soluções, gases e estequiometria

Numa solução, a quantidade em mol pode obter-se por n = cV quando a concentração c é expressa em mol·L⁻¹ e o volume V em litros. As quantidades de gás podem obter-se por uma equação de estado adequada e depois relacionar-se através da reação acertada.

A regra central mantém-se: converter a grandeza medida em quantidade de substância, aplicar a relação entre coeficientes e depois converter para a grandeza pedida.

Reagente em excesso e quantidade remanescente

Depois de identificar o reagente limitante, a quantidade consumida do reagente em excesso pode ser calculada pela mesma relação molar. Subtraindo-a da quantidade inicial obtém-se o que resta.

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃ com 2,00 mol N₂ e 4,00 mol H₂, o hidrogénio é limitante. Consumir 4,00 mol H₂ exige 4,00/3 = 1,33 mol N₂, restando 0,67 mol N₂.

Este cálculo da quantidade remanescente é importante no projeto de reatores e no planeamento laboratorial, porque o reagente em excesso pode afetar a purificação, o custo e a segurança.

Estequiometria em solução e titulação

Se a concentração c e o volume V forem conhecidos, a quantidade de substância em solução é n = cV. Depois de determinar os mol, a equação acertada fornece a relação estequiométrica exatamente como num problema de massas.

A titulação mede o volume necessário para atingir um ponto estequiométrico de reação. A mudança de cor de um indicador ou um sinal instrumental permite localizar um ponto final experimental próximo desse ponto de equivalência.

Estequiometria dos gases

As quantidades de gás podem ser convertidas em mol através de uma equação de estado como PV = nRT quando o comportamento de gás ideal é uma aproximação adequada. À mesma temperatura e pressão, os volumes dos gases são proporcionais às quantidades em mol, pelo que os coeficientes acertados também podem representar relações de volume.

Para 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g), dois volumes de H₂ reagem com um volume de O₂ para produzir dois volumes de vapor de água à mesma T e P, desde que os gases se comportem idealmente e a água permaneça no estado gasoso.

Pureza, hidratos e fórmula química efetivamente presente

Uma amostra pesada pode não ser reagente puro. Se um sólido contiver 92,0 % em massa do composto ativo, apenas 0,920 vezes a massa da amostra deve entrar no cálculo da quantidade desse composto.

Os sais hidratados exigem a massa molar do hidrato realmente presente. CuSO₄·5H₂O e CuSO₄ anidro contêm a mesma quantidade de CuSO₄ por mol de unidades de fórmula, mas frações mássicas muito diferentes porque a massa do hidrato inclui cinco moléculas de água.

Muitos erros aparentemente estequiométricos são, na realidade, erros na fórmula ou na composição da amostra cometidos antes mesmo de se usar a relação entre coeficientes.

O avanço da reação unifica todas as variações estequiométricas

Para uma descrição mais avançada, o avanço da reação ξ mede até que ponto uma reação acertada progrediu. Se νᵢ for o coeficiente estequiométrico com sinal da espécie i, a sua quantidade varia segundo Δnᵢ = νᵢξ.

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃, um avanço de 1,00 mol consome 1,00 mol N₂ e 3,00 mol H₂ e produz 2,00 mol NH₃. As relações molares habituais são a forma por componentes desta única relação.

Algarismos significativos e coeficientes exatos

Os coeficientes estequiométricos de uma equação corretamente acertada são inteiros exatos para a reação indicada e não limitam os algarismos significativos. A precisão da medição resulta das massas, volumes, concentrações e massas molares.

Devem manter-se algarismos adicionais nos passos intermédios e arredondar apenas no fim. Um arredondamento prematuro pode alterar de forma apreciável uma comparação de reagentes limitantes quando duas quantidades previstas de produto são próximas.

Exercícios

Relação molar

Para 2H₂ + O₂ → 2H₂O, quantos mol de H₂O podem formar-se a partir de 3,0 mol de O₂ com H₂ em excesso?

Reagente limitante

Para N₂ + 3H₂ → 2NH₃, qual é o reagente limitante: 1,0 mol N₂ ou 2,0 mol H₂?

Rendimento percentual

O rendimento teórico é 25,0 g e o rendimento real 20,0 g. Calcula o rendimento percentual.