Exercício 02 (Balanço de energia com reação química). Uma preocupação pública acerca do aumento crescente do dióxido de carbono na atmosfera tem levado a inúmeras propostas para sequestrá-lo ou eliminá-lo. Um inventor acredita que ele tenha desenvolvido um novo catalisador em que a reação em fase gasosa
ocorre com
de conversão do
. A fonte do hidrogênio seria a eletrólise da água usando eletricidade gerada a partir de células solares.
Considere que
de
entra no reator a
, juntamente com 4 mol de
a
(ambos a 1 atm ). Determine a quantidade de calor envolvida no processo, se os gases de exaustão saem a 1 atm e
.
Dados:
36,11
28,84
0
33,46
34,31
Considere que
Dados:
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36,11 |
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28,84 | 0 |
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33,46 |
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34,31 |
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Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. Temos uma reação química onde dióxido de carbono (
) reage com hidrogênio (
) para formar água (
) e metano (
). A gente precisa descobrir quanto de calor está envolvido nesse processo. Para isso, vamos usar conceitos de balanço de energia e entalpia, que são partes da termodinâmica química. Também vamos precisar usar as capacidades caloríficas dos gases e as entalpias de formação fornecidas na tabela.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a conversão que está acontecendo. A reação tem 40% de conversão de
. Isso significa que, dos 1,5 mol de
que entram no reator, apenas 40% vão reagir. Calculando:
Passo 3
Agora, vamos balancear a quantidade de
que reage. A reação balanceada diz que para cada mol de
, são necessários 4 mols de
. Então, para 0,6 mol de
:
Isso significa que sobraram:
Passo 4
Vamos calcular a variação de entalpia da reação (
). Usaremos a fórmula:
Usando os valores da tabela:
Então:
Como só reagiram 0,6 mol de
, ajustamos a
:
Passo 5
Agora, precisamos considerar as variações de temperatura dos gases. A mudança de entalpia também depende da capacidade calorífica (
) e da variação de temperatura (
). A fórmula é:
Calculamos para cada substância:
Para a
não reagida (1,5 - 0,6 = 0,9 mol):
Para a
não reagida (1,6 mol):
Para os produtos que saem a 500°C:
Para
:
Para
:
Somando todas as variações de entalpia térmica:
Passo 6
Para encontrar a quantidade total de calor envolvida no processo, somamos a variação de entalpia da reação com a variação térmica:
Resposta
A quantidade de calor envolvida no processo é aproximadamente
.