Equacione a reação de hidrogenação enérgica (adição de \mathrm{H}_{2} ) do benzeno a 200^{\circ} \mathrm{C} catalisada com níquel.

Passo 1

O enunciado pede para “equacionar a reação de hidrogenação enérgica (adição de \mathrm{H}_{2}) do benzeno a 200^\circ\mathrm{C} catalisada com níquel”. Informações dadas e relevantes:
  • Reagente: \mathrm{C_6H_6} (benzeno).
  • Reagente adicional: \mathrm{H_2} (hidrogénio molecular), adicionado por hidrogenação.
  • Condições: temperatura 200^\circ\mathrm{C} e catalisador \mathrm{Ni} (níquel).
  • Expressão “hidrogenação enérgica” indica que se pretende a hidrogenação completa do anel aromático (ou seja, saturação total da cadeia cíclica).
    A partir disso, devemos escrever a equação química balanceada que representa a transformação ocorrendo sob essas condições.

Passo 2

Entendendo o que significa “hidrogenação” na prática (aula rápida e bem prática):
  • Hidrogenação é a adição de átomos de hidrogénio às ligações múltiplas carbono–carbono. Cada par de átomos de hidrogénio provém de uma molécula \mathrm{H_2}.
  • Para uma ligação dupla \mathrm{C=C} típica, a adição de \mathrm{H_2} converte-a numa ligação simples e consome exatamente uma molécula de \mathrm{H_2}.
  • O benzeno é aromático e, na sua fórmula real, tem seis átomos de carbono e seis de hidrogénio: \mathrm{C_6H_6}. Para passar de \mathrm{C_6H_6} a um ciclo completamente saturado (ciclano ciclohexano), precisamos aumentar o número de hidrogénios até \mathrm{C_6H_{12}}. Portanto, precisamos de 6 átomos de hidrogénio adicionais, ou seja, 3 moléculas de \mathrm{H_2}.

Passo 3

Como traduzir isso em conta simples de balanceamento (uma forma segura de checar):
  • Átomos de carbono: do lado dos reagentes temos 6 átomos em \mathrm{C_6H_6}; do produto queremos 6 átomos em \mathrm{C_6H_{12}}. Carbono já balanceado.
  • Átomos de hidrogénio: do lado dos reagentes temos 6 (no \mathrm{C_6H_6}) mais 2 por cada \mathrm{H_2}. Se usarmos 3 moléculas de \mathrm{H_2} isso dá 6 + 3\cdot 2 = 12, que corresponde aos 12 átomos de H no \mathrm{C_6H_{12}}.
  • Logo, a este nível de verificação a estequiometria fica: \mathrm{C_6H_6} + 3\,\mathrm{H_2} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}}.

Passo 4

Breve descrição passo a passo (mecanicazinha) do que ocorre na superfície do catalisador — útil para saber o que escrever na prova:
  • A molécula \mathrm{H_2} adsorve-se na superfície metálica do catalisador \mathrm{Ni} e dissocia-se em átomos de hidrogénio activos.
  • O benzeno também interage com a superfície metálica; os átomos de hidrogénio ligados ao metal adicionam-se sequencialmente ao anel aromático, rompendo a aromaticidade aos poucos.
  • Essa hidrogenação costuma ocorrer por etapas intermediárias plausíveis: \mathrm{C_6H_6} + \mathrm{H_2} \longrightarrow \mathrm{C_6H_8} \quad(\text{ciclohexadieno})
\mathrm{C_6H_8} + \mathrm{H_2} \longrightarrow \mathrm{C_6H_{10}} \quad(\text{ciclohexeno})
\mathrm{C_6H_{10}} + \mathrm{H_2} \longrightarrow \mathrm{C_6H_{12}} \quad(\text{ciclohexano})
  • Cada etapa usa uma molécula de \mathrm{H_2}; no total são 3 moléculas de \mathrm{H_2} para chegar ao \mathrm{C_6H_{12}}.

Passo 5

Por que são necessárias condições “enérgicas” como 200^\circ\mathrm{C} e um catalisador?
  • O benzeno tem uma estabilização aromática significativa; romper essa estabilidade requer energia e um catalisador para baixar a barreira energética.
  • O catalisador ( \mathrm{Ni}) fornece uma superfície onde \mathrm{H_2} se dissocia e onde as espécies orgânicas são ativadas para a adição de hidrogénio.
  • Temperatura elevada e, frequentemente, pressão de \mathrm{H_2} ajudam a acelerar a reação até a hidrogenação completa.

Passo 6

Agora escrevemos a equação final, incluindo o catalisador e a condição de temperatura na seta (toda a fórmula química e as condições em LaTeX para ficar impecável):
\mathrm{C_6H_6} + 3\,\mathrm{H_2} \xrightarrow{\mathrm{Ni},\\\ 200^\circ\mathrm{C}} \mathrm{C_6H_{12}}

Passo 7

Checagem final (sempre faça na prova para evitar erros bobos):
  • Carbono: 6 à esquerda, 6 à direita.
  • Hidrogénio: 6 + 3\cdot 2 = 12 à esquerda, 12 à direita.
  • Equação balanceada e compatível com a expressão “hidrogenação enérgica” (hidratação completa do anel aromático).

Resposta

\mathrm{C_6H_6} + 3\,\mathrm{H_2} \xrightarrow{\mathrm{Ni},\\\ 200^\circ\mathrm{C}} \mathrm{C_6H_{12}}

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