Uma das etapas na produção de gás nitrogênio com alto grau de pureza é a remoção de pequenas quantidades de resíduos de oxigênio. Esse processo é realizado ao passar o gás por uma malha de cobre aquecida a aproximadamente
. Durante essa etapa, ocorre a seguinte reação química:
b) Qual o efeito do aumento da temperatura para
? E se a temperatura fosse menor, digamos
? Qual a razão provável da temperatura escolhida ter sido
?
Passo 1
Beleza, olha só o que o enunciado tá pedindo: a gente tem a reação
que rola lá dentro de um forno a 500 °C pra limpar o nitrogênio do oxigênio residual. A parte (b) quer saber: o que acontece se a gente aumenta pra 800 °C? E se a gente abaixa pra 300 °C? E por que escolheram 500 °C mesmo?
Conteúdo/matéria: equilíbrio químico e termodinâmica (Princípio de Le Chatelier e influência da temperatura no equilíbrio). Também é bom entender um pouquinho de cinética (velocidade da reação).
Passo 2
Antes de mais nada, precisamos saber se essa reação libera calor (exotérmica) ou absorve calor (endotérmica). Consultando tabelas, a formação de Cu₂O a partir de cobre e oxigênio tem ΔH°₍r₎ negativo, ou seja, é exotérmica. Em outras palavras:
Passo 3
Agora entra o Princípio de Le Chatelier, que diz: “se você perturbar um sistema em equilíbrio, ele reaja de um jeito que contrarie essa perturbação”. Aqui a perturbação é mexer na temperatura.
- Se a reação solta calor (exotérmica), aumentar T é como “adicionar calor” ao sistema. Então o equilíbrio vai tentar consumir esse calor extra, favorecendo o sentido endotérmico, isto é, reagentes. Conclusão: a 800 °C a reação fica menos deslocada para a formação de Cu₂O (menor conversão de O₂).
- Se a gente abaixa a T (300 °C), tá “tirando calor” — o sistema então favorece o sentido exotérmico, virando reação pra direita, formando mais Cu₂O. Isso melhora o rendimento, termodinamicamente falando.
Passo 4
Beleza, termodinâmica mostra: 300 °C dá mais rendimento, 800 °C dá menos. Mas tem mais um detalhe: a cinética. A reação, mesmo sendo favorável a 300 °C, fica bem lenta em temperaturas muito baixas. Por outro lado, em temperaturas muito altas você perde rendimento (equilíbrio ruim) e ainda pode até desenquadrar o cobre (sinternização, aglomeração do metal).
Então 500 °C é um meio-termo bacana:
Então 500 °C é um meio-termo bacana:
- calor suficiente pra reagir rápido (cinética ok);
- não tão quente a ponto de deslocar demais o equilíbrio pra reagentes.
Resposta
A 800 °C, o equilíbrio se desloca para a esquerda (menos Cu₂O), porque a reação é exotérmica e o sistema “não curte” calor extra — resultado: remoção de O₂ piora.
A 300 °C, o equilíbrio favorece a direita (mais Cu₂O), mas a reação fica muito lenta.
Por isso escolheram 500 °C: compromisso entre rendimento satisfatório (boa conversão de O₂) e velocidade de reação aceitável.
A 300 °C, o equilíbrio favorece a direita (mais Cu₂O), mas a reação fica muito lenta.
Por isso escolheram 500 °C: compromisso entre rendimento satisfatório (boa conversão de O₂) e velocidade de reação aceitável.