No processo siderúrgico de produção do ferro ocorre a seguinte reação:
\(\mathrm{FeO}_{(\mathrm{s})}+\mathrm{CO}_{(\mathrm{g})} \leftrightarrows \mathrm{Fe}_{(\mathrm{s})}+\mathrm{CO}_{2(\mathrm{~g})}), cuja constante de equilíbrio K possui a seguinte dependência com a temperatura:
\mathrm{T} /{ }^{\circ} \mathrm{C} 700 800 900 1000
K 0,678 0,552 0,466 0,403
Discuta em termos da temperatura e da concentração dos gases presentes como aumentar o rendimento da produção de ferro metálico.

Passo 1

O enunciado trata da reação de redução de óxido de ferro pelo monóxido de carbono
\mathrm{FeO}_{(s)} + \mathrm{CO}_{(g)} \;\rightleftharpoons\; \mathrm{Fe}_{(s)} + \mathrm{CO}_{2\,(g)}
e fornece a constante de equilíbrio K em função da temperatura. O objetivo é discutir, com base em Le Chatelier, como variar a temperatura e as concentrações dos gases para maximizar o rendimento em ferro metálico.

Passo 2

Como apenas os gases entram na expressão de K (os sólidos têm atividade unitária), temos
K = \frac{p_{\mathrm{CO}_2}}{p_{\mathrm{CO}}}\,.
Da tabela nota-se que, quando a temperatura aumenta, K diminui ( 0{,}678 \to 0{,}403 de 700\circC a 1000\circC). Pela relação de Van’t Hoff, uma queda de K com o aumento de T indica reação exotérmica (libera calor ao formar produtos).

Passo 3

Pela regra de Le Chatelier, para uma reação exotérmica, diminuir a temperatura desloca o equilíbrio para o lado dos produtos (direita), aumentando a formação de \mathrm{Fe}. Portanto, quanto mais baixa a temperatura de operação (desde que a cinética ainda seja aceitável), maior o rendimento em ferro metálico.

Passo 4

Para o mesmo princípio, alterar as pressões parciais dos gases desloca o equilíbrio. Como
K = \frac{p_{\mathrm{CO}_2}}{p_{\mathrm{CO}}},
manter p_{\mathrm{CO}} alto e remover continuamente \mathrm{CO}_2 faz com que a razão p_{\mathrm{CO}_2}/p_{\mathrm{CO}} fique abaixo de K, forçando o sistema para a direita e produzindo mais \mathrm{Fe}. Aumentar a alimentação de CO (ou purgar CO _2) é a estratégia.

Passo 5

Em resumo, para maximizar o rendimento em ferro metálico deve-se operar na menor temperatura viável (favorecendo o produto em reação exotérmica) e empregar alto suprimento de \mathrm{CO} com remoção rápida de \mathrm{CO}_2, deslocando o equilíbrio para a direita.

Resposta

Operar à menor temperatura possível (para favorecer a reação exotérmica em direção aos produtos), aumentar a concentração (ou pressão parcial) de CO e remover continuamente o C O_{2}.

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