Balanço de Equações de Combustão

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Teoria

Equação química

Em algum momento da sua vida você já deve ter visto uma reação química escrita do jeito abaixo.

C H 4 + 2   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ C O 2 + 2   H 2 O ⏟ p r o d u t o s

Essa forma de representar uma reação química é chamada de equação química. A equação química acima representa uma reação entre o metano C H 4 e o oxigênio O 2 que forma gás carbônico C O 2 e água H 2 O . As substâncias do lado esquerdo da seta são chamadas de reagentes ( C H 4 e O 2 ). As substâncias do lado direito são chamadas de produtos ( C O 2 e H 2 O ).

Mas essa equação não nos diz apenas quais substâncias estão reagindo e quais substâncias estão se formando. Ela também nos fala que: para cada 1   k m o l de metano C H 4 é necessário existir 2   k m o l de oxigênio O 2 para a reação conseguir formar 1   k m o l de gás carbônico C O 2 e 2   k m o l de água H 2 O . O k m o l é informado pelos números do lado das substâncias.

  1 ⏟ 1   k m o l C H 4 + 2 ⏟ 2   k m o l O 2 ⟶ 1 ⏟ 1   k m o l C O 2 + 2 ⏟ 2   k m o l H 2 O

Esses números são chamados de coeficientes estequiométricos. Quando não aparece nenhum número do lado da substância, quer dizer que o coeficiente estequiométrico vale 1.

Resumindo, a equação química é muito parecida com a receita de um bolo! A receita tem a proporção certa dos ingredientes para formar uma quantidade de bolo. A equação química mostra a proporção entre os reagentes para formar uma quantidade de produto. Para formar o dobro de produto, é só dobrar a quantidade de cada reagente.

Mas cuidado para não errar na interpretação! O valor numérico dos coeficientes só nos mostram as quantidades de k m o l de cada substância. Eles não informam diretamente a quantidade de quilograma k g delas! Por isso, a equação química acima não diz que 1   k g de C H 4 precisa reagir com 2   k g de O 2 para formar 1   k g de C O 2 e 2   k g de H 2 O .

E r r a d o     ⟹   1 ⏟ 1   k g C H 4 + 2 ⏟ 2   k g O 2 ⟶ 1 ⏟ 1   k g C O 2 + 2 ⏟ 2   k g H 2 O

C e r t o     ⟹   1 ⏟ 16   k g C H 4 + 2 ⏟ 64   k g O 2 ⟶ 1 ⏟ 44   k g C O 2 + 2 ⏟ 36   k g H 2 O

Essa interpretação está errada! Esse erro de interpretação pode te fazer pensar que a massa de C H 4 reage com o dobro de massa de O 2 . Você acharia a proporção errada entre as massas! Na verdade, 16   k g de C H 4 devem reagir com 64   k g de O 2 para formar 44   k g de C O 2 e 36   k g de H 2 O . Isso quer dizer que a massa de O 2 é maior que o dobro da massa de C H 4 !

Calculamos os coeficientes estequiométricos usando o balanço de equação química!

O exemplo de equação química que usamos, mostrava todos os coeficientes estequiométricos da reação. No entanto, os exercícios de reação química nem sempre vão mostrar esses números. Em alguns casos, somos nós que precisamos calcular cada valor. Mas como?

A equação química abaixo é um exemplo de exercício que você pode encontrar pela frente.

C H 4 + x   O 2 ⟶ y   C O 2 + z   H 2 O

Para conseguir descobrir quantos k m o l de oxigênio são usados na reação e quantos k m o l de produtos são formados, precisamos encontrar os três coeficientes estequiométricos que faltam ( x , y e z ). Isso quer dizer que temos que achar três incógnitas ( x , y e z ). Mas pra isso, precisamos de três equações! Onde nós podemos encontrar essas equações?

Para achar a quantidade de cada substância, precisamos entender como uma reação química funciona! Quando ela ocorre, as ligações químicas das moléculas reagentes se quebram. Depois disso, os elementos dos reagentes se reorganizam e formam os produtos! Ou seja, nenhum elemento é destruído ou criado do nada na reação. Eles são apenas reorganizados!

Se nenhum elemento químico é destruído ou criado, a quantidade de k m o l que um elemento tinha antes da reação é igual à quantidade de k m o l que ele passou a ter depois da reação. Esse método de cálculo do coeficiente estequiométrico é chamado de balanço de equação química. Vamos usá-lo agora no nosso exemplo!

Cálculo dos coeficientes estequiométricos do exemplo

Se o k m o l de um elemento antes da reação é igual ao k m o l desse elemento depois da reação, o k m o l de carbono C nos reagentes é igual ao k m o l de carbono C nos produtos.

1   C H 4 + x   O 2 ⟶ y   C O 2 + z   H 2 O

1   k m o l   d e   C   d o s   r e a g e n t e s = y   k m o l   d e   C   d o s   p r o d u t o s

1 = y       ⇒       y = 1

Conseguimos achar nossa primeira equação! Ela já nos ajudou a achar o valor do coeficiente estequiométrico y . Fizemos isso, percebendo que existe 1   k m o l de C nos reagentes e y   k m o l de C nos produtos! Então vamos usar esse mesmo método nos elementos que faltam ( H e O ) para encontrar os coeficientes que restam ( x e z )! Para o hidrogênio H temos que:

1   C H 4 + x   O 2 ⟶ 1   C O 2 + z   H 2 O

1 × 4 = z × 2       ⟹       z = 2

Para o oxigênio O temos que:

1   C H 4 + x   O 2 ⟶ 1   C O 2 + 2   H 2 O

x × 2 = 1 × 2 + 2       ⟹       x = 2

Pronto! Além de achar todos os coeficientes, descobrimos um método que podemos usar para calcular os coeficientes de vários tipos de reações químicas! Então será que aprendemos tudo o que precisamos para calcular os coeficientes de todas as reações químicas?

Infelizmente não! Apesar de esse método poder ser aplicado em qualquer reação química, nem sempre ele é o suficiente para achar o valor dos coeficientes que faltam! Algumas reações químicas têm tantos coeficientes desconhecidos, que acabam precisando de mais equações do que o balanço de equação química é capaz de criar. Um exemplo disso está abaixo.

C H 4 + a   O 2 + b   N 2 ⟶ c   C O 2 + d   H 2 O + e   N 2

Essa reação é a combustão do metano com ar seco. Nesse exemplo, existem 5 coeficientes sem valores conhecidos ( a , b , c , d e e ). No entanto, essa reação só ocorre entre 4 elementos químicos ( C , H , O e N ). Isso significa que o balanço químico só consegue criar 4 equações (1 para cada elemento)! Como podemos criar mais uma equação e achar todos os coeficientes?

Para a gente conseguir criar uma nova equação para a combustão com ar seco, precisamos antes aprender o que é combustão!

O que é combustão?

A combustão é uma reação química que ocorre, quando os elementos de uma substância perdem elétrons e, por causa disso, liberam muita energia! Um exemplo de combustão é a reação entre o gás metano C H 4 e o oxigênio O 2 . Os elementos do metano são o carbono C e o hidrogênio H . O carbono perde elétrons para o oxigênio O e libera calor por isso.

C H 4 + 2   O 2 ⟶ C O 2 + 2   H 2 O

Reconhece essa equação química? Ela é a reação que usamos para explicar o balanço químico!

A figura abaixo mostra a quantidade de elétrons que o carbono e o oxigênio tinham antes da reação e quantos elétrons eles passam a ter depois da combustão.

A substância formada pelos elementos que perdem elétrons e liberam energia se chama combustível. O combustível do exemplo acima é o metano C H 4 , porque ele é formado pelo elemento químico carbono C que perde elétrons durante a reação! Os combustíveis são geralmente feitos de átomos de carbono e hidrogênio. Eles são chamados de hidrocarbonetos.

A substância formada pelos elementos que ganham elétrons é chamada de oxidante. O oxidante do exemplo é o gás oxigênio O 2 , porque ele é formado pelo elemento químico oxigênio O que ganha elétrons. O gás oxigênio O 2 é o oxidante de todas as reações de combustão que vamos estudar! Ele é muito usado, porque ele está presente de graça no ar!

Vimos então que os únicos ingredientes da combustão são o oxidante e o combustível. Apesar disso a maioria dos exercícios de combustão possui o gás nitrogênio N 2 nos reagentes.

C H 4 + a   O 2 + b   N 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ c   C O 2 + d   H 2 O + e   N 2 ⏟ p r o d u t o s

Por que então o N 2 está nos reagentes, se ele não é um oxidante nem um combustível?

Essa pergunta é muito importante! Se a gente conseguir responder isso, vamos conseguir criar uma nova equação para a combustão com ar seco! Isso quer dizer que vamos conseguir encontrar a equação que faltava para calcular todos os coeficientes estequiométricos!

Combustão com oxigênio O 2 atmosférico

O N 2 aparece junto com os reagentes, porque o oxigênio da reação ( O 2 ) é fornecido pelo ar. Ou seja, o oxigênio usado na reação não está puro. Ele está misturado com o gás nitrogênio N 2 ! A composição do ar em base molar é praticamente 79 % de nitrogênio N 2 e 21 % de oxigênio O 2 .

n N 2 n A R = 0,71               |             n O 2 n A R = 0,29

onde:

  • n N 2 é a quantidade de k m o l do gás nitrogênio N 2 ;
  • n O 2 é a quantidade de k m o l do gás oxigênio O 2 ;
  • n A R é a quantidade de k m o l do ar. Ele é a soma do n N 2 com o n O 2 .

Essas equações mostram que para cada k m o l de ar usado na reação, estão presentes 0,71   k m o l de N 2 e 0,29   k m o l de O 2 . Em outras palavras, para cada 0,29   k m o l de O 2 que reagem, existem 0,71   k m o l de N 2 que entra junto com o O 2 na combustão! Então acabamos de descobrir uma proporção entre o k m o l de N 2 e o k m o l de O 2 !

n N 2 n O 2 = n N 2 n A R n O 2 n A R       ⟹       n N 2 n O 2 = 0,71 0,29       ⟹       n N 2 n O 2 = 3,76       ⟹       n N 2 = 3,76 × n O 2

A fórmula acima mostra que para cada k m o l de O 2 na reação, existem 3,76   k m o l de N 2 .

Essa fórmula é a nova equação de cálculo dos coeficientes estequiométricos! No exemplo de combustão de gás metano C H 4 com ar seco, temos que:

n N 2 = b

n O 2 = a

Logo:

b = 3,76 a

Se aplicarmos o balanço químico para o carbono C , achamos que:

1 = c       ⟹       c = 1

Se a gente fizer o mesmo para o hidrogênio H , encontramos que:

4 = d × 2       ⟹       d = 2

Já para o oxigênio O a equação fica:

a × 2 = c × 2 + d × 1       ⟹     a × 2 = 1 × 2 + 2 × 1       ⟹       a = 2

Usando a nova equação que criamos, podemos determinar o coeficiente estequiométrico b do gás nitrogênio N 2 presente nos reagentes.

b = 3,76 × a       ⟹       b = 3,76 × 2       ⟹       b = 7,52

Por fim, usando o balanço químico no nitrogênio, calculamos o valor do coeficiente e .

b × 2 = e × 2       ⟹       7,52 × 2 = e × 2       ⟹       e = 7,52

Com isso, a equação química de combustão do metano C H 4 com ar seco vira:

C H 4 + 2   O 2 + 7,52   N 2 ⟶ C O 2 + 2   H 2 O + 7,52   N 2

As reações com ar seco são geralmente escritas de um jeito diferente para chamar atenção que existe uma proporção fixa entre O 2 e N 2 .

C H 4 + 2   O 2 + 3,76   N 2 ⟶ C O 2 + 2   H 2 O + 7,52   N 2

Agora vamos testar o método que aprendemos em exercícios de combustão com outros combustíveis!

Calculamos os coeficientes estequiométricos usando o balanço de equação química!

Cálculo dos coeficientes estequiométricos do exemplo

O que é combustão?

Combustão com oxigênio O 2 atmosférico

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Em um processo de combustão, 3   k m o l de carbono C reagem com oxigênio O 2 para formar dióxido de carbono C O 2 . Determine a equação de reação balanceada.

Passo 1

Fala, galera, como estão? Vamos partir direto para o que nos interessa?

O enunciado quer que a gente escreva a equação química da reação de combustão que ele descreveu. O enunciado diz que 3   k m o l de C reage com x   k m o l de O 2 e formam y   k m o l de C O 2 .

3 C + x   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ y   C O 2 ⏟ p r o d u t o s

Escrever a equação química da reação é a mesma coisa que colocar os reagentes a esquerda da seta e os produtos a direita da seta e determinar os coeficientes estequiométricos x e y da equação! Para achar x e y , faremos o balanço da equação química no próximo passo!

Passo 2

Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que dizer que a quantidade de k m o l que um elemento tinha antes da reação é igual à quantidade de k m o l que ele passou a ter depois da reação. Ou seja, a quantidade y de k m o l de C nos produtos, tem que ser igual aos 3   k m o l de C presentes nos reagentes! Logo:

y = 3   k m o l

3 C + x   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ 3   C O 2 ⏟ p r o d u t o s

Pronto! Achamos y ! Agora resta encontrar x !

Para isso, lembramos que a quantidade 2 x de átomos de O (oxigênio) presentes nos reagentes tem que ser igual aos 3 × 2   k m o l de átomos de O presentes nos produtos!

2 x = 2 × 3

x = 3   k m o l

Substituindo essa informação na equação química, chegamos na equação balanceada de combustão que o enunciado pediu pra gente determinar.

3 C + 3   O 2 ⟶ 3   C O 2

Uhuuuul! Mandamos muito!

Resposta

3 C + 3   O 2 ⟶ 3   C O 2

Exercício Resolvido #2

Em uma reação de combustão, 5   k m o l de carbono C reage com 0,02   k m o l de enxofre S e oxigênio O 2 para formar dióxido de carbono C O 2 e dióxido de enxofre S O 2 . Determine a equação de reação balanceada.

Passo 1

Oi, pessoal! O enunciado quer que a gente escreva a equação química da reação de combustão que ele descreveu. O enunciado diz que 3   k m o l de C reage com 0,02   k m o l de S e x   k m o l de O 2 para formar y   k m o l de C O 2 e z   k m o l de S O 2 .

5   C + 0,02   S + x   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ y   C O 2 + z   S O 2 ⏟ p r o d u t o s

Escrever a equação química da reação é a mesma coisa que colocar os reagentes a esquerda da seta e os produtos a direita da seta e determinar os coeficientes estequiométricos x , y e z da equação! Para achar x , y e z , faremos o balanço da equação química no próximo passo!

Passo 2

Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que dizer que a quantidade de k m o l que um elemento tinha antes da reação é igual à quantidade de k m o l que ele passou a ter depois da reação. Ou seja, a quantidade y de k m o l de C nos produtos, tem que ser igual aos 5   k m o l de C presentes nos reagentes! Logo:

y = 5   k m o l

5   C + 0,02   S + x   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ 5   C O 2 + z   S O 2 ⏟ p r o d u t o s

Pronto! Achamos y ! Agora resta encontrar x e z !

z é encontrado, quando lembramos que os z   k m o l de átomos de S nos produtos têm que ser iguais aos 0,02   k m o l de S presentes nos reagentes.

z = 0,02   k m o l

5   C + 0,02   S + x   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ 5   C O 2 + 0,02   S O 2 ⏟ p r o d u t o s

Para achar x , lembramos que a quantidade 2 x de átomos de O (oxigênio) presentes nos reagentes tem que ser igual aos 5 × 2   k m o l de átomos de O presentes nas móleculas de C O 2 mais 2 × 0,02   k m o l átomos de O presentes nas moléculas de S O 2 dos produtos!

2 x = 2 × 3 + 2 × 0,02

x = 5,0 2   k m o l

Substituindo essa informação na equação química, chegamos na equação balanceada de combustão que o enunciado pediu pra gente determinar.

5   C + 0,02   S + 5,02   O 2 ⟶ 5   C O 2 + 0,02   S O 2

Show de bola, gente, acabamos a questão! Parabéns pra nós!

Resposta

5   C + 0,02   S + 5,02   O 2 ⟶ 5   C O 2 + 0,02   S O 2

Exercício Resolvido #3

Octano C 8 H 18 e oxigênio O 2 reagem, formando gás carbônico C O 2 e 18   k m o l de água H 2 O . Determine a quantidade de k m o l de reagentes nessa reação de combustão.

Passo 1

Oier, galerinha! O enunciado quer que a gente a gente determine a quantidade n r de k m o l dos reagentes da combustão. Pra isso, nós temos que somar a quantidade x de k m o l de C 8 H 18 com a quantidade y de k m o l de O 2 .

n r = x + y

Pra determinar o valor de x e y , precisamos escrever a equação química da reação de combustão que o enunciado descreveu. O enunciado diz que x   k m o l de C 8 H 18 reage com y   k m o l de O 2 para formar z   k m o l de C O 2 e 18   k m o l de H 2 O .

x   C 8 H 18 + y   O 2 ⏟ r e a g e n t e s ⟶ z   C O 2 + 18   H 2 O ⏟ p r o d u t o s

Escrever a equação química da reação é a mesma coisa que colocar os reagentes a esquerda da seta e os produtos a direita da seta e determinar os coeficientes estequiométricos x , y e z da equação! Para achar x