Como usar as proporções de número de mols de uma reação balanceada para calcular as quantidades de reagentes.

Introdução

O que cookies e química têm em comum? Muitas coisas, ao que parece! Uma equação química balanceada é uma receita para uma reação: ela contém uma lista de reagentes (os ingredientes) e produtos (os cookies), bem como as suas proporções relativas.
Usar uma equação química balanceada para calcular quantidades de reagentes e produtos é denominado estequiometria. Este é um termo super técnico que se refere simplesmente ao uso das proporções obtidas a partir de equações balanceadas. Nesse artigo, nós discutiremos como usar as razões molares para calcular a quantidade de reagentes necessários para uma reação.

Reações balanceadas e razões molares

Os coeficientes estequiométricos são números que usamos para assegurar que uma reação esteja balanceada. Nós podemos criar razões usando os coeficientes estequiométricos, que nos darão informações sobre as proporções relativas dos produtos químicos em nossa reação. Essa razão pode ser chamada de razão molar, fator estequiométrico ou razão estequiométrica. A razão molar pode ser usada como um fator de conversão entre diferentes quantidades.
Dica para resolução de problemas: A primeira e mais importante etapa para solução de todos os problemas de estequiometria é sempre a mesma, não importa o que você esteja calculando — tenha certeza de que sua equação está balanceada! Se a equação não estiver balanceada, as razões molares estarão erradas, e as respostas não estarão corretas.
Por exemplo, os coeficientes estequiométricos da equação balanceada a seguir nos dizem que 11 mol de Fe2O3\text {Fe}_2 \text O_3 reagirá com 2\text{2} mols de Al\text {Al} para produzir 2\text{2} mols de Fe\text {Fe} e 11 mol de Al2O3\text {Al}_2 \text O_3.
Fe2O3(s)+2Al(s)2Fe(l)+Al2O3(s)\text {Fe}_2 \text O_3(s) + \blueD{2} \text {Al} (s) \rightarrow \redD{2} \text {Fe} (l) + \text {Al}_2 \text O_3(s)
Se conhecemos a massa do reagente Fe2O3\text {Fe}_2 \text O_3, podemos calcular a quantidade de mols de Al\text {Al} que precisamos para reagi-lo completamente com o Fe2O3\text {Fe}_2 \text O_3, usando a razão dos seus coeficientes:
Razo molar entre Al e Fea˜2O3=2mols de Al1mol de Fe2O3\text{Razão molar entre Al e Fe}_2\text{O}_3=\dfrac{\blueD{2}\,\text {mols de Al}}{1 \,\text{mol de Fe}_2 \text O_3}

Exemplo: uso de razões molares para calcular a massa de um reagente

Na seguinte reação desbalanceada, quantos gramas de NaOH\text {NaOH} serão necessários para reagir totalmente com 3,10g3{,}10 \,\text g de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4?
NaOH(aq)+H2SO4(aq)H2O+Na2SO4(aq)       No balanceada!a˜\text {NaOH}(aq) + \text H_2 \text{SO}_4 (aq) \rightarrow \text H_2 \text O + \text {Na}_2 \text{SO}_4(aq)~~~~~~~\text{Não balanceada!}
Nessa reação, temos 1Na1\,\text {Na} e 3H3 \,\text H no lado dos reagentes, e 2Na2 \,\text {Na} e 2H2 \,\text H no lado dos produtos. Podemos balancear nossa equação multiplicando NaOH\text {NaOH} por 22 de modo que haja 2Na2 \,\text {Na} de cada lado, e multiplicando H2O\text H_2 \text O por 22, de modo que haja 6O6\,\text O e 4H4 \,\text H dos dois lados. Isso nos dá a seguinte reação balanceada:
2NaOH(aq)+H2SO4(aq)2H2O+Na2SO4(aq)    Balanceada, Viva!2 \text {NaOH}(aq) + \text H_2 \text{SO}_4 (aq) \rightarrow 2\text H_2 \text O + \text {Na}_2 \text{SO}_4(aq)~~~~ \text{Balanceada, Viva!}
Quando tivermos balanceado a equação, podemos nos fazer as seguintes perguntas:
  • Já sabemos a quantidade de produto químico de qual(is) reagente(s)?
  • O que estamos tentando calcular?
Neste exemplo, sabemos que a quantidade de H2SO4\text {H}_2 \text{SO}_4 é 3,10g3{,}10 \,\text g, e gostaríamos de calcular a massa de NaOH\text{NaOH}. Munidos com a equação balanceada e (esperamos) com um objetivo claro, podemos usar a seguinte estratégia para lidar com esse problema de estequiometria:

Etapa 1: Converta as quantidades de reagentes conhecidas em mols.

A quantidade conhecida nesse problema é a massa de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4. Podemos converter a massa de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 em mols usando o peso molecular. Dado que o peso molecular do H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 é 98,09 g/mol98{,}09\,\text{ g/mol}, podemos encontrar o número de mols de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 como apresentado a seguir:
3,10gdeH2SO4×1mol deH2SO498,09gdeH2SO4=3,16×102mol de H2SO43{,}10 \, \cancel{\text g \,\text de H_2 \text{SO}_4} \times \dfrac{1 \,\text{mol de} \,\text H_2 \text{SO}_4}{98{,}09 \, \cancel{\text g \,\text de H_2 \text{SO}_4}} =3{,}16 \times 10^{-2} \text {mol de H}_2 \text{SO}_4

Etapa 2: Uso da razão molar para encontrar o número de mols de outros reagentes.

Estamos interessados em calcular a quantidade de NaOH\text {NaOH}, então podemos usar a razão molar entre NaOH\text {NaOH} e H2SO4\text H_2 \text{SO}_4. Com base na nossa equação química balanceada, precisamos de 2mols de NaOH2\,\text{mols de NaOH} para cada 1mol de H2SO41\,\text{mol de H}_2 \text {SO}_4, o que nos dá a seguinte razão:
Razo molar entre NaOH e Ha˜2SO4=2mols de NaOH1mol de H2SO4\text{Razão molar entre NaOH e H}_2 \text{SO}_4=\dfrac{2\,\text{mols de NaOH}}{1\,\text{mol de H}_2 \text {SO}_4}
Podemos usar a razão molar para converter mols de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 da etapa 11 em mols de NaOH\text {NaOH}:
3,16×102mol deH2SO4×2mols de NaOH1mol de H2SO4=6,32×102mol de NaOH3{,}16 \times 10^{-2} \,\cancel{\text {mol de} \,\text H_2 \text{SO}_4} \times \dfrac{2\,\text{mols de NaOH}}{1\,\cancel{\text{mol de H}_2 \text {SO}_4}} =6{,}32 \times 10^{-2} \,\text {mol de NaOH}
Observe que podemos escrever a razão molar de duas formas:
2mol NaOH1mol H2SO4     \dfrac{2\,\text{mol NaOH}}{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}~~ \greenD{\checkmark}~~~ou   1mol H2SO42mol NaOH  X~~~ \dfrac{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}{2\,\text{mol NaOH}}~~\redD{\mathsf X}
Cada uma das formas nos fornece uma resposta diferente! No entanto, somente uma razão permite que as unidades de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 sejam canceladas apropriadamente. A mensagem importante aqui é sempre verifique as unidades! Para um vídeo explicando como as unidades podem ser tratadas como números e assim facilitar o controle do cálculo, você pode assistir a esse vídeo sobre análise dimensional.

Etapa 3: conversão de mols em massa.

Podemos converter o número de mols de NaOH\text {NaOH} da Etapa 2 em sua massa, em gramas, usando o peso molecular do NaOH\text {NaOH}:
6,32×102mol deNaOH×40,00g de NaOH1mol de NaOH=2,53g de NaOH6{,}32 \times 10^{-2} \cancel{\text {mol de} \,\text {NaOH} }\times \dfrac{40{,}00\,\text{g de NaOH}}{1\, \cancel{\text{mol de NaOH}}} =2{,}53 \,\text {g de NaOH}
Nós necessitaremos 2,53 gramas de NaOH\text{NaOH} para reagir totalmente com 3,10 gramas de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 nesta reação.
Atalho: Também podemos combinar as 33 etapas em um único cálculo (com o cuidado de que devemos prestar muita atenção às nossas unidades). Para converter a massa de H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 na massa de NaOH\text {NaOH}, devemos resolver a seguinte expressão:
Se examinarmos a expressão cuidadosamente, podemos separá-la nas etapas 131-3 acima. A única diferença é que, em vez de fazer cada conversão separadamente, as fizemos todas de uma vez.

Resumo

Os coeficientes da reação química balanceada nos informam as proporções dos reagentes e dos produtos. Podemos usar as razões dos coeficientes para fazer a conversão entre quantidades de reagentes e produtos na nossa reação.
Para saber mais sobre outros cálculos estequiométricos comuns, assista a essa excitante sequência sobre reagentes limitantes e rendimento percentual!
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