Estequiometria

Uma equação química balanceada é similar a uma receita de cookies com gotas de chocolate. Ela mostra quais são os reagentes (os ingredientes) que se combinam para formar os produtos (os cookies). Ela também mostra as relações numéricas entre os reagentes e os produtos (por exemplo, quantas xícaras de farinha são necessárias para fazer uma única fornada de cookies).

Essas relações numéricas são conhecidas como estequiometria de reação, um termo derivado das palavras gregas antigas stoicheion ("elemento") e metron ("medida"). Neste artigo, veremos como usar as relações estequiométricas contidas em equações químicas balanceadas para determinar as quantidades de substâncias consumidas e produzidas em reações químicas.

Um tipo comum de relação estequiométrica é a razão molar, que relaciona as quantidades em mols de quaisquer duas substâncias em uma reação química. Podemos escrever uma razão molar para um par de substâncias observando os coeficientes na frente de cada espécie da equação química balanceada. Por exemplo, considere a equação da reação entre o óxido de ferro (III) e o metal alumínio:

Os coeficientes da equação nos dizem que $1$1 mol de $\ce{Fe2O3}$ reage com $2$2 mols de $\ce{Al}$, formando $2$2 mols de $\ce{Fe}$ e $1$1 mol de $\ce{Al2O3}$. Podemos escrever a relação entre o $\ce{Fe2O3}$ e o $\ce{Al}$ como a seguinte razão molar:

Com esta razão, poderíamos calcular a quantidade de mols de $\text{Al}$start text, A, l, end text necessária para reagir completamente com uma certa quantidade de $\text{Fe}_2\text{O}_3$start text, F, e, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 3, end subscript, ou vice-versa. Em geral, as razões molares podem ser usadas para fazer a conversão entre quantidades de quaisquer duas substâncias envolvidas em uma reação química. Para ilustrar, vamos examinar um exemplo em que usamos uma razão molar para fazer a conversão entre quantidades de reagentes.

Considere a seguinte equação não balanceada:

Primeiramente, o mais importante: precisamos balancear a equação! Neste caso, temos $1$1 átomo de $\ce{Na}$ e $3$3 átomos de $\ce{H}$ no lado dos reagentes, e $2$2 átomos de $\ce{Na}$ e $2$2 átomos de $\ce{H}$ no lado dos produtos. Podemos balancear a equação colocando um $2$2 na frente do $\ce{NaOH}$ (para que haja $2$2 átomos de $\text{Na}$start text, N, a, end text em cada lado), e outro $2$2 na frente de $\ce{H2O}$ (para que haja $6$6 átomos de $\ce{O}$ e $4$4 átomos de $\ce{H}$ em cada lado). Isso resulta na seguinte equação balanceada:

Agora que temos a equação balanceada, vamos resolver o problema. Relembrando: queremos encontrar a massa de $\ce{NaOH}$ necessária para reagir completamente com $3{,}10$3, comma, 10 gramas de $\ce{H2SO4}$. Podemos resolver esse problema de estequiometria por meio das seguintes etapas:

Para relacionar os valores de $\ce{H2SO4}$ e $\ce{NaOH}$ usando uma razão molar, primeiramente precisamos saber a quantidade de $\ce{H2SO4}$ em mols. Podemos fazer a conversão dos $3{,}10$3, comma, 10 gramas de $\ce{H2SO4}$ em mols usando a massa molar do $\ce{H2SO4}$ ($\pu{98,08 g/mol}$):

Agora que temos a quantidade de $\ce{H2SO4}$ em mols, vamos fazer a conversão de mols de $\ce{H2SO4}$ para mols de $\ce{NaOH}$ usando a razão molar apropriada. De acordo com os coeficientes da equação química balanceada, são necessários $2$2 mols de $\ce{NaOH}$ para cada $1$1 mol de $\ce{H2SO4}$, portanto, a razão molar é:

Multiplicar o número de mols de $\ce{H2SO4}$ por este fator resultará no número de mols de $\ce{NaOH}$ necessários:

Observe que escrevemos a razão molar de tal modo que os mols de $\ce{H2SO4}$ se cancelaram, o que resultou em mols de $\ce{NaOH}$ como unidades finais. Para aprender como as unidades podem ser trabalhadas como números a fim de facilitar a contabilidade em problemas como este, confira este vídeo sobre análise dimensional.

Queremos saber a massa de $\ce{NaOH}$ em gramas, portanto nosso último passo é converter $6{,}32 \times 10^{-2}$6, comma, 32, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript mol de $\ce{NaOH}$ em gramas. Podemos fazer isso usando a massa molar do $\ce{NaOH}$ ($\pu{40,00 g/mol}$):

Portanto, são necessários $\pu{2,53 g}$ de $\ce{NaOH}$ para que $3{,}10$3, comma, 10 gramas de $\ce{H2SO4}$ sejam totalmente consumidos na reação.

Atalho. Poderíamos ter combinado todas as três etapas em um único cálculo, conforme mostrado na expressão a seguir:

Mas não se esqueça de prestar muita atenção nas unidades se você resolver seguir esta abordagem!

Uma equação química balanceada nos mostra as relações numéricas entre cada uma das espécies envolvidas na mudança química. Podemos usar essas relações numéricas para escrever razões molares, o que nos permitirá fazer a conversão entre quantidades de reagentes e/ou produtos (e, assim, resolver problemas de estequiometria!).

Para saber mais sobre outros cálculos estequiométricos comuns, confira esta emocionante sequência sobre reagentes limitantes e rendimento percentual!