Enunciado

A pirita de ferro, FeS2, é a forma mais comum do enxofre no carvão. Na combustão do carvão, o oxigênio reage com a pirita de ferro para produzir óxido de ferro (III) e dióxido de enxofre, que é uma fonte importante de poluição do ar e contribui fortemente para as chuvas ácidas.

a) Escreva a equação balanceada da queima do FeS2, no ar para dar óxido de ferro (III) e dióxido de enxofre.

b) Calcule a massa de Fe2O3, produzida na reação de 75,0 L de oxigênio, sob 2,33 atm e 150°C, com excesso de pirita de ferro.

c) Se o dióxido de enxofre gerado em b) for dissolvido para formar 5,00 L de solução em água, que é a concentração molar da solução do ácido sulfuroso resultante, H2SO3?

d) Que massa de SO2, é produzida na queima de 1,00 tonelada (1t = 103 kg) de carvão rico em enxofre, se o conteúdo de pirita é 5% em massa?

e) Qual é o volume do gás SO2, gerado em d) em 1,00 atm e 25°C?

f) Um modo de remover o SO2 dos gases de exaustão é usar a reação C a O s + S O 2 g → C a S O 3 ( s ) . Em um teste deste procedimento, uma mistura de dióxido de enxofre e nitrogênio gasosos foi preparada em 25°C em um balão de volume 500 ml em 1,09 atm. A mistura foi passada sobre óxido de cálcio em pó, a quente, que remove o dióxido de enxofre, e transferida para um balão de volume 150 ml, sob pressão de 1,09 atm em 50°C. (i) Qual era a pressão parcial do SO2 na mistura inicial? (ii) que massa de SO2 estava presente na mistura inicial?

g) Os parâmetros de van der Walls do SO2 são a = 6,865 L2.atm.mol-1 e b = 0,0568 L.mol-1. Calcule a pressão do gás SO2 confinado em um balão de 1,00 L em 27°C, usando a lei dos gases ideais e a equação de van der Walls para 0,100 mol a 0,500 mol de SO2 em incrementos de 0,100 mol.

h) Calcule o desvio percentual entre o valor ideal e o valor de van der Walls em cada ponto da parte g).

i) Nas condições da parte g), que termo tem o maior efeito sobre a pressão do SO2, as atrações intermoleculares ou as repulsões?

j) Se considerarmos como ideais todos os gases em que a pressão observada difere por menos de 5% do valor ideal, em que ponto o SO2 torna-se um gás “real”?

Passo 1

Letra a)

A equação balanceada da queima do FeS2 se dá:

4 F e S 2 + 11 O 2 → 2 F e 2 O 3 + 8 S O 2

Passo 2

Letra b)

P V = n R T

n = 2,33   a t m ⋅ 75,0   L 0,08206   L . a t m . m o l - 1 . K - 1 ⋅ ( 423   K ) = 5,03   m o l   d e   O 2

Sabemos que a razão molar entre O 2   e   F e 2 O 3 é de 11:2, então calculando o número de mols do F e 2 O 3 ,   o b t e m o s :

5,03   m o l   d e   O 2 ⋅ 2   m o l s   d e   F e 2 O 3 11   m o l   d e   O 2 = 0,915   m o l   d e   F e 2 O 3

Com a massa molar do F e 2 O 3   ( M M = 159,69   g . m o l - 1 ) somos capazes de obter a massa:

n = m M M → m = n ⋅ M M = 0,915   m o l ⋅ 159,69   g ⋅ m o l - 1 = 146,04   g   d e   F e 2 O 3

Passo 3

Letra c)

Temos que a razão molar entre O 2   e   o   S O 2   é   11 : 8 , assim, calculando o número de mols de S O 2 , obtemos:

5,03   m o l   d e   O 2 ⋅ 8   m o l s   d e   S O 2 11   m o l   d e   O 2 = 3,66   m o l   d e   S O 2

Agora, dividindo pelo volume fornecido, obtemos a concentração molar:

c = n V = 3,66   m o l 5,00   L = 0,732   m o l . L - 1

Passo 4

Letra d)

Já que o carvão possui 5% em massa de pirita, devemos calcular a massa da pirita presente:

1,00   t   d e   C a r v ã o ⋅ 10 3   k g 1 t ⋅ 10 3 g 1   k g ⋅ 5   g   d e   F e S 2 100   g   d e   C a r v ã o = 5 ⋅ 10 4   g   d e   F e S 2

A partir da massa obtida e da massa molar do F e S 2   ( 119,84   g . m o l - 1 ) conseguimos obter o número de mols de pirita:

n = m M M = 5 ⋅ 10 4   g 119,84   g . m o l - 1 = 417,22   m o l s

Temos que a razão molar entre F e S 2   e   o   S O 2   é   4 : 8 , assim, calculando o número de mols de S O 2 , obtemos:

417,22   m o l   d e   F e S 2 ⋅ 8   m o l s   d e   S O 2 4   m o l   d e   F e S 2 = 834,44   m o l   d e   S O 2

Relacionando o número de mols de S O 2 com sua massa molar, 64   g . m o l - 1 , obtemos sua massa presente:

n = m M M → m = n ⋅ M M = 834,44   m o l ⋅ 64   g . m o l - 1 = 53.404,16   g   d e   S O 2

Passo 5

Letra e)

P V = n R T

V = n R T P = 834,44   m o l ⋅ 0,08206   a t m . L , m o l - 1 . K - 1 ⋅ 298   K 1,00   a t m = 20.405,3   L

Passo 6

Letra f)

i) Primeiramente, devemos calcular o número de mols total presente:

P V = n R T → n = R T P V = 1,09   a t m ⋅ 0,500   L 0,08206   a t m . L . m o l - 1 . K - 1 = 0,0223   m o l

Agora, calcularemos o número de mols de N 2 presente:

n N 2 = 1,09   a t m ⋅ 0,150   L 0,05206   a t m . L . m o l - 1 ⋅ 323   K = 0,00617   m o l   d e   N 2

A partir dos dados obtidos, temos que:

n = n N 2 + n S O 2

Então, o número de mols de S O 2 presente é:

n S O 2 = 0,0223 - 0,00617 = 0,0161   m o l   d e   S O 2

Sabemos que a pressão parcial de um gás ideal é dada por P i = x i ⋅ P :

P S O 2 = n S O 2 n ⋅ P = 0,0161   m o l 0,0223   m o l ⋅ 1,09   a t m = 0,787   a t m

Passo 7

ii) Apenas devemos multiplicar o número de mols de S O 2 obtidos pela sua massa molar ( M M S O 2 = 64   g . m o l - 1 ) :

m = 0,0161   m o l ⋅ 64   g . m o l - 1 = 1,09   g

Passo 8

Letra g)

Equação dos gases ideais:

P V = n R T

Equação de Van der Wall:

P = n R T V - n b - a n 2 V 2

Tendo:

R = 0,08206   a t m . L . m o l - 1 K - 1 ;

T = 300   K ;

V = 1,00     L ;

n = 0,100   à   0,500   m o l ;

a = 6,865   L 2 . a t m . m o l - 1 ;

b = 0,0568   L . m o l - 1 .

Calculando as pressões pelas duas fórmulas obtemos:

Passo 9

Letra h)

Temos que o desvio pode ser calculado pela fórmula de Z (Compressibilidade) multiplicada por 100%:

Z = V R e a l V I d e a l

Como volume é inversamente proporcional à pressão, temos:

Z = P R e a l P I d e a l

%   D e s v i o = Z ⋅ 100 %

Obtendo os seguintes valores:

Passo 10

Letra i)

Comparando os resultados, percebemos que com o aumento do número de mols, há também um aumento no desvio obtido, isso nos mostra que as forças repulsivas são dominantes, assim, o fator b tem um maior efeito.

Passo 11

Letra j)

Observando a tabela da letra h, percebemos que a partir de 0,200 mol o gás começa a apresentar comportamentos de gases reais, já que possuí um desvio próximo de 5%.

Resposta

a) 4 F e S 2 + 11 O 2 → 2 F e 2 O 3 + 8 S O 2 ;

b) 146,04   g   d e   F e 2 O 3 ;

c) 0,732   m o l . L - 1 ;

d) 53.404,16   g   d e   S O 2 ;

e) 20.405,3   L ;

f) i) 0,787   a t m ;

ii) 1,09   g ;

g) Tabela;

h) Tabela;

i) Forças repulsivas dominam;

j) A partir de 0,200 mol.

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