a) Qual é a temperatura mais baixa na qual óxido de ferro(II) pode ser reduzido a ferro pelo carbono? Qual a reação global nessa temperatura?
b) Para qual intervalo de temperaturas a reação C(s)+CO2(g) 2 CO(g) é espontânea?
c) Qual a reação global para a redução do óxido de mercúrio por carbono a 500 K?
d) Qual a importância prática da alta afinidade do alumínio pelo oxigênio? Dê exemplos de reações de aluminotermia.

Passo 1

Beleza, vamos lá. O enunciado tá pedindo quatro coisas baseadas em termodinâmica e diagramas de Ellingham:
a) Descobrir a temperatura mínima pra reduzir FeO com carbono e escrever a reação global nessa temperatura.
b) Determinar pra quais temperaturas a reação
C (s) + CO2 (g) ;longrightarrow; 2,CO (g)
é espontânea.
c) Escrever a reação global da redução de HgO por carbono a 500 K.
d) Falar por que o alumínio “ama” oxigênio e dar exemplos de reações aluminotérmicas.
Conteúdo: termodinâmica (ΔG, ΔH, ΔS) e uso de diagramas de Ellingham pra ver espontaneidade de reações de redução. A gente vai precisar das equações de ΔG(T)=ΔH–T·ΔS e dos valores padrão de entalpia e entropia (ou do gráfico de Ellingham) pra descobrir os pontos de cruzamento.

Passo 2

(a) Temperatura mínima pra reduzir FeO com C
  1. No diagrama de Ellingham vemos duas curvas importantes:
    • Formação de FeO: 2,Fe + O2 ;longrightarrow; 2,FeO, ΔG^circFeO(T)approx a + b,T
    • “Linha do CO”: que representa C + CO2 ;longrightarrow; 2,CO, ΔG^circCO(T)approx a' + b',T
  2. A redução de FeO por C é globalmente
    FeO (s) + C (s) ;longrightarrow; Fe (l) + CO (g)
    Ela fica espontânea quando o carbono “consegue” tirar o oxigênio do FeO, i.e. quando a linha do CO fica abaixo da linha do FeO.
  3. Do diagrama de Ellingham ou resolvendo
    ΔG^circFeOtoFe(T) + tfrac12,ΔG^circC+CO2to2CO(T) = 0
    acha-se que isso ocorre por volta de 900 °C (≈ 1173 K).
Portanto, abaixo disso não é termodinamicamente favorável; acima, rola.

Passo 3

(b) Intervalo de espontaneidade de C + CO₂ → 2 CO
A reação é
C (s) + CO2 (g) ;longrightarrow; 2,CO (g)
Temos, em geral:
ΔG^circ(T) = ΔH^circ - T,ΔS^circ
Para essa reação típica:
ΔH^circ ≈ +172,5;kJ, ΔS^circ ≈ +173;J/K = +0,173;kJ/K
Queremos 172,5 - T,(0,173) < 0 longrightarrow T > 172,50,173 ≈ 997; K :
Logo, a reação é espontânea para T ≳ 1000 K.

Passo 4

© Reação global de redução de HgO por C a 500 K
A prática comum é que o carbono retira o oxigênio do óxido e forma CO₂ (já que a formação de CO não é favorável a 500 K). A equação global fica:
boxed HgO (s) + C (s) ;longrightarrow; Hg (l) + CO2 (g)
Isso porque abaixo de ~1000 K não dá pra gerar muito CO, então o O vai pra CO₂ mesmo.

Passo 5

(d) Afinidade do alumínio pelo oxigênio e aluminotermia
  1. Por que é importante?
    • O Al forma um óxido superestável ( Fe2O3 + 2,Al ;longrightarrow; 2,Fe + Al2O3 ) com ΔG muito negativo em toda a faixa de temperatura. Isso faz do Al um agente redutor poderoso: ele “puxa” O de quase qualquer outro óxido.
    • É a base das reações de aluminotermia (ou termo‐redução aluminotérmica), que liberam muuuito calor (é exotérmica de verdade).
  2. Exemplos clássicos de aluminotermia:
    • Reação com óxido de ferro(III) (termita): 3,CuO + 2,Al ;longrightarrow; 3,Cu + Al2O3
    • Reação com óxido de cobre(II):
    • Tem também reações pra produzir Cr, Mn, etc., todas baseadas no mesmo princípio.

Resposta

a) A partir de cerca de 1173 K (900 °C) o carbono reduz FeO, com reação global
FeO (s) + C (s) ;longrightarrow; Fe (l) + CO (g)
b) A reação
C (s) + CO2 (g) ;longrightarrow; 2,CO (g)
é espontânea para T ≳ 1000 K.
c) A redução de HgO por carbono a 500 K é
HgO (s) + C (s) ;longrightarrow; Hg (l) + CO2 (g)
d) O alumínio forma um óxido extremamente estável, tornando-o um redutor poderoso. Exemplos de aluminotermia:
Fe2O3 + 2,Alto 2,Fe + Al2O3, 3,CuO + 2,Alto 3,Cu + Al2O3

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