Para o silício ser usado na produção de componentes microeletrônicos, ele deve conter menos de 150 partes por trilhão de impurezas. Este silício ultra-puro pode ser produzido pela reação do silício metálico (
puro) e HCl em tricloro silício e outros produtos. Esta mistura é destilada e, então o tricloro silício é colocado para reagir com hidrogênio a
para formar cristais de silício, HCl e outros produtos de acordo com a seguinte reação:
Faça a tabela estequiométrica para os seguintes casos:
a)
e
A pressão total é 2 atm e a alimentação é estequiométrica. Encontre a concentração de cada espécie em função da conversão.
a)
Passo 1
O enunciado dá a reação generalizada
e pede para fazer a tabela estequiométrica e encontrar a concentração de cada espécie em função da conversão, no caso particular com
,
,
. Informações fornecidas e o que é pedido:
- Substituir
no produto genérico, ou seja o produto é . - A pressão total é
atm. - A alimentação é estequiométrica (ou seja as quantidades iniciais dos reagentes têm a razão estequiométrica da reação balanceada).
- Pedir: concentração de cada espécie em função da conversão (vamos interpretar “concentração” como pressão parcial das espécies gasosas — já que foi dada a pressão total e não foi dada temperatura nem volume; a pressão parcial é a forma prática de concentração em gases). Note:
é sólido e não contribui para a pressão parcial do gás.
Passo 2
Vamos primeiro balancear a reação para o caso dado. Escrevendo coeficientes inteiros desconhecidos (procura-se uma combinação inteira):
Balanceando átomos (Si, H, Cl):
- Si:
. - H:
. - Cl:
.
Procurando inteiros pequenos que satisfaçam essas equações, uma escolha que funciona é
,
,
,
,
. Verificação rápida:
- Si:
. - Cl:
. - H:
.
Portanto a equação balanceada (forma inteira mais simples) é
Passo 3
Montar a tabela estequiométrica. Para simplificar o uso da conversão, escolhemos a base igual aos coeficientes estequiométricos dos reagentes: inicialmente
mol e
mol (alimentação estequiométrica). Definimos:
-
= conversão da espécie , isto é, fração de consumida ( ). - Extensão da reação
: como a estequiometria usa 3 mol de por evento, se consumirmos uma fração dos 3 mol iniciais, moles reagidos de = . Logo a extensão é
Assim, com
a variação de cada espécie é diretamente dada pelos coeficientes multiplicados por
.
Tabela (inicial, variação, final em mols):
-
-
-
-
-
(sólido, não contribui para pressão parcial).
Passo 4
Calcular o número total de mols de gás no sistema (somando apenas as espécies gasosas). Soma:
Fazendo as contas:
Observação importante (muito prática): o número total de mols de gás é constante e igual a
mol, independentemente de
. Isso facilita muito os cálculos de fração molar.
Passo 5
Frações molares das espécies gasosas (
):
Passo 6
Como a pressão total é
atm, as pressões parciais (que usamos aqui como “concentrações” relativas em função da conversão) são
Substituindo
atm e as frações molares acima:
Para obter concentrações molares em
(se necessário) usa-se a equação dos gases ideais
, mas como o enunciado não fornece
nem
em unidades compatíveis para calcular número absoluto por volume, mantemos as pressões parciais como as concentrações apropriadas para gases.
Passo 7
Breve interpretação prática e exemplo numérico (útil para prova): se
(sem reação) então
Se
(conversão completa do
inicial) então
Isso mostra que as pressões parciais variam linearmente com
e que a soma das pressões parciais permanece
atm.