Exercício 2: A oxidação do dióxido de enxofre é uma reação que ocorre em duas etapas com catálise homogênea no estado gasoso.
\begin{aligned} \mathrm{SO}_{2}+\mathrm{NO}_{2} & \longrightarrow \mathrm{SO}_{3}+\mathrm{NO} \\\ \mathrm{NO}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2} & \longrightarrow \mathrm{NO}_{2} \end{aligned}
a) Encontre a equação química que representa a reação global.
b) Que substância funciona como catalisador e que substância é um intermediário (estado de transição)?

Passo 1

O enunciado dá duas etapas elementares da reação (copiei-as do enunciado) e pede duas coisas:
  • Etapa 1: \mathrm{SO}_{2}+\mathrm{NO}_{2}\longrightarrow \mathrm{SO}_{3}+\mathrm{NO}
  • Etapa 2: \mathrm{NO}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}\longrightarrow \mathrm{NO}_{2}
Perguntas:
(a) Encontrar a equação química que representa a reação global (ou líquida) resultante dessas duas etapas.
(b) Indicar qual substância funciona como catalisador e qual é o intermediário.

Passo 2

Como resolver passo a passo (ideia prática que será aplicada): somar algebricamente as duas etapas elementares e cancelar (eliminar) as espécies químicas que aparecem tanto como produto de alguma etapa quanto como reagente de outra etapa. Espécies que aparecem em ambos os lados se anulam na soma e não aparecem na reação global.
Agora escrevo as duas etapas novamente e as somo termo a termo em forma algébrica (cada lado da seta soma-se com o lado correspondente da outra etapa):
\big(\mathrm{SO}_{2}+\mathrm{NO}_{2}\big)+\big(\mathrm{NO}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}\big) \longrightarrow \big(\mathrm{SO}_{3}+\mathrm{NO}\big)+\big(\mathrm{NO}_{2}\big)

Passo 3

Identificar as espécies que aparecem nos dois lados e cancelar:
  • \mathrm{NO} aparece como produto na primeira etapa e como reagente na segunda etapa. Logo, uma molécula de \mathrm{NO} é produzida e consumida durante o mecanismo — ela se cancela na soma.
  • \mathrm{NO}_{2} aparece como reagente na primeira etapa e como produto na segunda etapa. Logo, uma molécula de \mathrm{NO}_{2} é consumida e regenerada — também se cancela na soma.
Cancelando \mathrm{NO} e \mathrm{NO}_{2} da soma obtém-se a equação líquida (a soma restante):
\mathrm{SO}_{2}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}\longrightarrow \mathrm{SO}_{3}

Passo 4

Para evitar o coeficiente fracionário \tfrac{1}{2} é comum multiplicar toda a equação por 2. Fazendo isso obtemos a forma com coeficientes inteiros:
2\mathrm{SO}_{2}+\mathrm{O}_{2}\longrightarrow 2\mathrm{SO}_{3}
Faço uma checagem rápida de conservação de átomos na versão inteira:
  • Enxofre: 2 átomos de S à esquerda e 2 á direita.
  • Oxigênio: à esquerda 2\cdot2 + 2 = 6 átomos de O; à direita 2\cdot3 = 6 átomos de O.
    Portanto está balanceada.

Passo 5

Definições curtas e aplicação ao caso (para entender na hora da prova):
  • Catalisador: substância que participa de uma ou mais etapas do mecanismo (pode entrar como reagente), mas é regenerada ao final do mecanismo; não aparece na equação global (não é consumida no balanço total). Além disso, um catalisador geralmente acelera a reação ao diminuir a energia de ativação.
  • Intermediário: espécie formada em uma etapa do mecanismo e consumida em uma etapa subsequente; existe apenas temporariamente durante o processo. Também não aparece na equação global.
Aplicando estas definições às etapas dadas:
  • \mathrm{NO}_{2} é consumida na primeira etapa e re-formada na segunda etapa; aparece nas etapas, mas é regenerada no conjunto. Logo \mathrm{NO}_{2} atua como catalisador.
  • \mathrm{NO} é formada na primeira etapa e consumida na segunda etapa; ela existe apenas durante o mecanismo e não é uma espécie inicial/externa regenerada como catalisador. Logo \mathrm{NO} é o intermediário.

Passo 6

Resumo final do raciocínio e uma dica para a prova:
  • Some as equações elementares, cancele as espécies que aparecem dos dois lados e verifique conservação de átomos. Para identificar catalisador vs intermediário, observe se a espécie é regenerada (catalisador) ou se é produzida e depois consumida (intermediário).
  • Fique atento a frações de \mathrm{O}_2; é normal multiplicar por 2 para obter coeficientes inteiros.

Resposta

\mathrm{SO}_{2}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}\longrightarrow \mathrm{SO}_{3}
(forma com coeficientes inteiros: \;2\mathrm{SO}_{2}+\mathrm{O}_{2}\longrightarrow 2\mathrm{SO}_{3})
Catalisador: \mathrm{NO}_{2}
Intermediário: \mathrm{NO}

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