No processo Deacon para a fabricação de cloro, HCl e
reagem para formar
e
. Alimenta-se o ar (
molar
) o suficiente para fornecer
de excesso de oxigênio, e a conversão fracional de HCl é
.
a. Calcule as frações molares dos componentes na corrente de produto usando balanços de espécies atômicas.
b. Calcule de novo as frações molares na corrente de produto usando agora a extensão da reação.
a. Calcule as frações molares dos componentes na corrente de produto usando balanços de espécies atômicas.
b. Calcule de novo as frações molares na corrente de produto usando agora a extensão da reação.
Passo 1
Enunciado e dados (o que o problema pede e o que é fornecido):
- Reação de Deacon (dada no enunciado): quatro moléculas de HCl reagem com oxigénio para formar cloro e água. O enunciado pede as frações molares na corrente de produto em dois métodos diferentes.
- Dados numéricos:
- Perguntas:
a) Calcular as frações molares na corrente de produto usando balanços atómicos (espécies atómicas).
b) Recalcular as frações molares usando a extensão da reação (método do avanço/extent). - Observação útil para a solução (não é resolução): a reação global que vamos usar é
Passo 2
Escolha de uma base conveniente e interpretação física dos dados (ensinando a pensar como em prova).
- Em problemas estequiométricos é prático escolher uma base simples. Vou escolher como base a alimentação de
mol de . Isso facilita porque a conversão fraccional de significa imediatamente quantos mols reagem. - Explicação breve: "conversão fraccional
" significa que, de cada mol de alimentado, mol reagem e mol ficam não reagidos e aparecem na corrente de produtos.
Passo 3
Determinar a quantidade de oxigénio estequiométrica necessária para a reação — passo chave para o balanço atómico.
- Da estequiometria da reação vemos que
mol de consomem mol de . Portanto a quantidade estequiométrica de por mol de é - Como somente
mol de reagem (visto a conversão), a quantidade de realmente necessária (estequiométrica para o que reage) é
Passo 4
Incluir o excesso de oxigénio e calcular a alimentação de ar (aqui ensino a converter excesso em moles de ar).
- O enunciado dá
de excesso de . Isso significa que a alimentação real de é vezes a necessária: - O ar tem
molar de , logo a quantidade de ar (em mols) necessária para fornecer essa quantidade de é - Dessas moles de ar, a fração de
é , então moles de alimentados:
Passo 5
Aplicar os balanços atómicos (ou de espécie) para obter as mols na corrente de produto — método pedido no item (a). Vou fazer elemento a elemento, mas como temos a estequiometria conhecida podemos proceder por mols das espécies.
- Dados de alimentação (base
mol de ): - Quantidade de
que reage: - Pela estequiometria, para cada
mol de reagidos consome-se mol de e produz-se mol de e mol de . Assim:
- Agora as quantidades na corrente de produto (mols):
Passo 6
Calcular o total de mols no produto e as frações molares (continuação do método por balanços).
- Soma total de mols no produto:
- As frações molares
são definidas por . Calculando cada uma (arredondando para 4 casas decimais quando apropriado):
- Comentário didático rápido: este procedimento é exatamente o que se chama de balanço de espécie — determinamos quantos mols de cada espécie saem somando o que entra menos o que consome/mais o que produz pela estequiometria.
Passo 7
Agora resolvemos o item (b) com o método da extensão da reação (extent). Vou explicar o conceito e aplicar: método útil para acompanhar mudanças lineares quando há reação.
- Definição didática: extensão da reação
(xi) é uma variável que mede “quantas vezes” a reação estequiométrica ocorreu. Com a reação se a extensão for mols então as variações de mol são: - Relação com conversão: como sabemos que
mol de reagiram (base 1 mol), isto significa
Passo 8
Aplicar o método da extensão com os valores iniciais e a alimentação de
com excesso; calcular os mols no produto e as frações molares — deve dar o mesmo resultado numérico.
- Moles iniciais (base 1 mol HCl):
e inicialmente . - Mols finais usando
:
- Total e frações molares calculadas exatamente como antes:
- Comentário de entendimento: os dois métodos são equivalentes — balanços de espécie e extensão da reação são apenas formas diferentes de organizar as mesmas equações estequiométricas. É bom dominar ambos pois um pode ser mais direto que outro dependendo do enunciado.
Resposta
a)
b)