O ácido sulfúrico é uma commodity muito utilizada em países industrializados, sendo um indicador da força industrial de uma nação. Uma das formas de produção do ácido sulfúrico ocorre em três etapas, sendo (i) a oxidação do enxofre; (ii) a oxidação de dióxido de enxofre e (iii) a reação do trióxido de enxofre com a água para formação do ácido sulfúrico. Todas as etapas são bastante exotérmicas, e o calor liberado pode ser utilizado na produção de vapor para geração de eletricidade na indústria.
Com base nos dados abaixo, determine (A)
do ácido sulfúrico. (B) Idealmente, quantas toneladas de água podem ser vaporizadas a partir da produção de uma tonelada de ácido sulfúrico?
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
\hline Substância (a 1,0 bar e
) & M (g/mol) &
&
\
\hline S(s, rômbico) & 32,06 & 0 & 0 \
\hline S(s, monoclínico) & 32,96 & +0,33 & +0,1 \
\hline
& 64,06 & -296,83 & -300,19 \
\hline
& 80,06 & -395,72 & -371,06 \
\hline
(l) & 18,015 & -285,83 & -237,13 \
\hline
& 18,015 & -241,82 & -228,57 \
\hline
Com base nos dados abaixo, determine (A)
\hline Substância (a 1,0 bar e
\hline S(s, rômbico) & 32,06 & 0 & 0 \
\hline S(s, monoclínico) & 32,96 & +0,33 & +0,1 \
\hline
\hline
\hline
\hline
\hline
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
- (A) determinar
e do ácido sulfúrico (assumirei o ácido sulfúrico líquido ); - (B) estimar, idealmente, quantas toneladas de água podem ser vaporizadas usando o calor liberado pela produção de uma tonelada de
.
Informações relevantes dadas na tabela (peguei os números da tabela fornecida):
- massas molares / algumas constantes:
tem . Para vou usar . - entalpias e energias livres padrão fornecidas:
-
O processo industrial é descrito em três etapas:
A resolução começa a partir daqui.
Passo 2
Breve aula: Lei de Hess (ideia usada)
- A entalpia e a energia livre padrão são funções de estado; a variação para uma transformação que é soma de etapas é a soma das variações das etapas. Assim podemos somar as três etapas para obter a reação global e relacionar com entalpias e energias livres padrão de formação.
- A entalpia padrão de formação
de um composto é a variação de entalpia na reação que forma 1 mol do composto a partir dos seus elementos no estado padrão. De forma análoga para . - Vamos calcular primeiro as variações das etapas (i) e (ii) usando as formações fornecidas; isso é direto porque (i) e (ii) envolvem SO2 e SO3 cujas formações estão na tabela.
Passo 3
Calcular
e
das etapas (i) e (ii) a partir das formações fornecidas.
Etapa (i):
.
Como
e
,
Analogamente para a energia livre:
Etapa (ii):
.
Somando (i) e (ii):
que é justamente
(verificação consistente). E
Passo 4
Agora a etapa (iii) é
. Para obter
e
de
precisamos do valor padrão dessa formação. Em muitas tabelas termodinâmicas a entalpia e a energia livre padrão de formação de
são listadas; esses são valores tabelados e bem estabelecidos. Usarei os valores padrão da literatura/tabelas termodinâmicas (estes são valores tabulados reconhecidos):
(Observação didática: se a tabela do enunciado já incluísse
, aplicaríamos diretamente a definição: por exemplo, somando as três etapas ou somando
e identificando
. Aqui tomamos os valores tabelados finais para
.)
Passo 5
Com os valores tabelados, podemos também obter a entalpia (e energia livre) da etapa (iii) isoladamente, úteis para verificação:
Substituindo os números:
Para a energia livre:
Verificação rápida: somando as três etapas obtemos a variação total associada à formação de
a partir de
; e adicionando a formação de
a partir de elementos obtemos a formação de
a partir dos elementos (definição de
), tudo consistente com os números acima.
Passo 6
Parte (B) — quanto de água pode ser vaporizada com o calor liberado?
Primeiro, calcular a energia (entalpia) liberada (por mol de ácido formado) quando o processo parte de enxofre elementar + oxigênio + água líquida, ou seja a soma das três etapas:
Numérico:
Interpretação: ao formar 1 mol de
a partir de
, são liberados
(sinal negativo indica exotérmico — energia disponível).
A entalpia necessária para vaporizar 1 mol de água (a 1 bar, referência) é a diferença entre as entalpias de formação de
e
:
(Comentário: esse é o calor de vaporização padrão a 298,15 K — cerca de
.)
Número de mols de
que se pode vaporizar por mol de
produzido:
Massa correspondente de água por mol de ácido:
Agora para 1 tonelada de
(1 t =
):
- número de mols de ácido:
- massa de água vaporizada:
Conclusão prática: idealmente, produzindo 1 tonelada de
libera calor suficiente para vaporizar cerca de
toneladas de água (na condição padrão, 298,15 K → usando
).
Passo 7
Resumo didático rápido (para decorar/usar na prova):
- Use a Lei de Hess: some etapas ou use formações padrão.
- Calcule as variações das etapas conhecidas diretamente das formações tabeladas.
- O calor disponível por mol de produto é a soma das entalpias exotérmicas das etapas envolvidas.
- Para saber quantos mols de uma substância pode-se vaporizar, divida a energia disponível pelo
(entalpia de vaporização) dessa substância (aqui: ). - Converta mol → massa usando massa molar e escale para a massa de produto desejada (1 t).
Resposta
Produzindo