(Felder, p. 193, q. 95) Uma mistura de propano e butano é queimada com oxigênio puro. Os produtos da combustão contêm 47,4 % molar H2 O. Depois que toda a água é removida dos produtos, o gás residual contém 69,4 % molar CO2 e o resto de O2.
a) Qual é a percentagem molar de propano no combustível? R : 65,1 %.
b) Parece agora que a mistura combustível pode conter não apenas propano e butano, mas também outros hidrocarbonetos. Tudo o que se sabe é que não há oxigênio no combustível. Use balanços atômicos para calcular a composição elementar do combustível a partir da análise dada dos produtos de combustão. Prove que a sua solução é consistente com a da parte a). R: Composição elementar (base molar) C=27,8 % ; H=72,2 %.

Passo 1

Resumindo, temos uma mistura de propano C3H8 e butano C4H10 que é queimada com O2 em excesso. Nos produtos mol-por-mol de combustível há:
,47,4% molar de H2O (base “úmida”).
– Após remover a água, o gás residual contém ,69,4% molar de CO2 e o resto O2.
Na parte (a) queremos a fração molar de propano; na parte (b) supondo agora um combustível genérico CaHb, usar balanços atômicos para achar a composição elementar (C e H) e checar consistência com (a).

Passo 2

Escrevemos as estequiometrias de cada componente:
C3H8 + 5,O2 longrightarrow 3,CO2 + 4,H2O,
C4H10 + 6,5,O2 longrightarrow 4,CO2 + 5,H2O
Logo, se queimar 1 mol de propano gera 3 mol de CO2 e 4 mol de H2O; 1 mol de butano gera 4 mol de CO2 e 5 mol de H2O.

Passo 3

Definimos:
x = fração molar de propano no combustível, logo (1-x) de butano.
b = mol de O2 alimentado por mol de combustível.
Então, por mol de combustível:
y = 4x + 5(1-x) = 5 - x(H2O),
z = 3x + 4(1-x) = 4 - x(CO2),
consumido de (O2) = 5x + 6,5(1-x) = 6,5 - 1,5x,
sobrou t = b - (6,5 -1,5x)(O2 não reagido) ã

Passo 4

Pela análise “seca” vale
zz + t = 0,694 Longrightarrow t = z,1 - 0,6940,694 = z;0,3060,694approx 0,441,z

Passo 5

Pela análise “úmida” (incluindo H2O) vale
yy + z + t = 0,474
Substituindo y=5-x, z=4-x e t=0,441,(4-x):
5 - x(5 - x) + (4 - x) + 0,441,(4 - x) = 0,474
Fazendo as contas, obtém-se
x approx 0,651,
ou seja 65,1% de propano.

Passo 6

Concluímos a parte (a): a fração molar de propano no combustível é 65,1%.

Passo 7

Para a parte (b), supomos agora um combustível genérico CaHb. A combustão ideal (excesso de O2) produz por mol de combustível:
a;CO2 e b2;H2O

Passo 8

Repetimos a análise dos produtos: seja d = z + t o total de CO2 + O2 (seca). Então
z = 0,694,d, t = 0,306,d,
e pela fração “úmida”
yy + d = 0,474 Longrightarrow y = 0,901,d

Passo 9

Identificando agora z=a e y=tfracb2, temos
a = 0,694,d, b2 = 0,901,d ;Longrightarrow; b = 1,802,d

Passo 10

A composição elementar (base molar de átomos) é
%C = aa + b = 0,694,d0,694,d + 1,802,d approx 0,278 = 27,8%,
%H = ba + b = 1 - 0,278 = 0,722 = 72,2%
Isso coincide com a parte (a), pois a mistura C3H8/ C4H10 dá exatamente este balanço C–H.

Resposta

(a) Fração molar de propano =65,1%.
(b) Composição elementar (base atômica): C=27,8%, H=72,2%.

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