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PONTÍFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Química Aplicada à Engenharia Ambiental
PARTE 2
Equações químicas
Estequiometria
Cálculo estequiométrico
Reações químicas
Prof.Dr. José Gilberto Jardine
Atualizada em janeiro 2012
Equações químicas
Uma transformação química é denominada reação química e é
descrita por uma equação química.
C + O2
P4(s) + 6 Cl2(g)
Reagentes
CO2
4 PCl3(l)
Produtos
Uma reação química significa uma transformação de substâncias em outras.
Os elementos químicos não são modificados, apenas as substâncias. Num
processo nuclear os elementos são transformados em outros. Num processo
físico nem os elementos e nem as substâncias são transformados.
Equações químicas
Para haver uma reação química deve existir afinidade entre os reagentes.
Essas afinidades podem ser estudadas através das funções químicas. Por
exemplo, quando se diz que os ácidos reagem com os carbonatos
produzindo sal, água e gás carbônico, estabelece-se uma generalização
resultante da experiência, ou seja, sabe-se que qualquer ácido é capaz de
reagir com qualquer carbonato.
A termodinâmica química é uma ferramenta importante para a química
porque, é capaz de dizer se uma dada reação, sob determinadas
circunstâncias, ocorre ou não. Isso será mostrado mais a diante no estudo
da termodinâmica, através da grandeza DG (variação de entalpia livre) da
reação.
Para DG < 0 a reação é espontânea e para DG >0 ela é não espontânea. No
caso onde DG = 0 tem-se a situação particular de um equilíbrio químico
(reações reversíveis).
Equações químicas
Uma equação química deve obedecer a Lei de Lavosier (conservação da massa ):
"Desde que uma reação química seja realizada num sistema fechado, não se observa
variação de massa no processo”. Portanto, a soma das massas dos reagentes é igual à
soma das massas dos produtos.
Para uma equação obedecer à lei de Lavoisier é necessário que número de átomos de
qualquer elemento seja o mesmo nos dois lados da equação.
Os números de átomos da equação são denominados coeficientes estequiométricos e o
método usado para obter os coeficientes é chamado das tentativas. O processo é
chamado balanceamento da equação. Deve-se usar na equação os menores números
inteiros, evitando-se o uso de números fracionários porque poderiam dar interpretação
diferente da reação.
A reação química poderá ser completa ou incompleta. No primeiro caso, ao final, temse os produtos e eventualmente algum reagente que havia sido colocado em excesso.
No segundo caso, não se obtém as quantidades esperadas dos produtos e, ao final, temse ainda reagentes que não reagiram, juntamente com os produtos.
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Uma reacção química acertada mostra a estequiometria da reacção: relação entre as
quantidades, em número de moles, de reagentes e produtos numa dada reacção
química.
Considere a reação de formação da água:
2H2 + O2
2H2O
• A proporção mínima em que ocorre a reação é de 2 moléculas de hidrogênio para uma
molécula de oxigênio, para formar 2 moléculas de água.
• Essa proporção sempre é mantida quando a reação se realiza. Ou seja, para 100
moléculas de H2 precisam-se de 50 moléculas de O2 para produzir 100 moléculas de
água.
• Portanto, para 2 mols de moléculas de H2 precisa-se de 1 mol de moléculas de O2 para
formar 2 mols de moléculas de água.
• Para 2 x 6 x 1023 moléculas de H2 precisa-se de 6 x 1023 2 moléculas de O2 para formar
2x 6 x 1023 moléculas de água.
• Para 4 g de H2 são necessárias 32 g de O2 para se obter 36 g de H2O
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Ao se determinar os coeficientes estequiométricos pode-se interpretar a reação de
várias maneiras:
• relacionar os números de mols;
• relacionar os números de moléculas;
• relacionar as massas das substâncias.
Pode-se também fazer leituras em diagonal ou em zig-zag. Por exemplo, pode-se
dizer que 2 mols de moléculas de H2 reagem com 6 x 1023 moléculas de O2 para
formar 36 g de H2O.
2H2
+
1O2
2H2O
As ligações nas moléculas H2 e O2 (reagentes) foram desfeitas. Na água, cada
molécula tem um átomo de oxigênio ligado a dois de hidrogênio.
Acerto (balanceamento) de equações químicas
O processo de romper ligações envolve absorção de energia (endotérmico). Quando
os átomos se ligam há desprendimento de energia (exotérmico). A discussão sobre
esse assunto será feito na Termodinâmica.
Há três métodos para balancear as equações químicas: tentativas; algébrico;
oxirredução.
Se a equação química apresenta até quatro substâncias cujas moléculas não são
complicadas, deve-se usar o método das tentativas.
No método algébrico atribui-se um coeficiente (incógnita) a cada substância,
fazendo-se em seguida, para cada elemento, uma equação matemática simples.
Obtidas as equações, escolhe-se um número (2 ou 4, geralmente) para uma das
incógnitas, o que permite resolver as equações.
O método de oxirredução aplica-se somente às reações desse tipo (de troca de
elétrons). Ao se aplicar o método deve-se iniciar pelo conceito de número de
oxidação (NOx), conhecer as regras que permitem achar esse número, reconhecer a
reação de oxirredução, o oxidante, o redutor e, finalmente, fazer o balanceamento da
equação que pode estar escrita tanto na forma molecular como na forma iônica.
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método das Tentativas.
Este método permite obter os coeficientes das equações através da observação e do
raciocínio. O que podemos exemplificar através do balanceamento da equação de
combustão do propeno, C3H6:
Reagentes
Produtos
C3H6 + O2 → CO2 + H2O
1. Escolher como ponto de partida o elemento químico que apareça em apenas uma
das substâncias de cada lado da equação. No exemplo não seria uma boa escolha
iniciar o balanceamento pelo Oxigênio. Já o H e o C podem ser utilizados como ponto
de partida, sendo mais fácil começar pelo hidrogênio, que tem os índices mais altos: 6
no C3H6 e 2 no H2O.
2. Fixamos um número na frente das fórmulas que contém o elemento escolhido, de
modo a igualar o seu número de átomos nos dois membros da equação. Assim,
teríamos:
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método das Tentativas.
1 C3H6 + O2
→
1 x 6 = 6 hidrogênios
CO2 + 3 H2O
3 x 2 = 6 hidrogênios
3. Continuamos o balanceamento lembrando que ao colocarmos um coeficiente de
acerto diante de uma fórmula, determinamos outros coeficientes: o 1 na frente do
C3H6 determina 3C no lado dos produtos; por isso agora colocamos 3 à frente do
CO2 para balancear o Carbono.
1 C3H6 + O2 → 3 CO2 + 3 H2O
4. Para sabermos que número deve ser colocado à frente do O2, único coeficiente a
ser escrito, devemos nos perguntar: Qual é o número que multiplicado por 2 dá 9
(há 6 O no CO2 e 3 no H2O)? A fração 9/2 deve ser o coeficiente do O2.
1 C3H6 + 9/2 O2 → 3 CO2 + 3 H2O
Podemos não utilizar coeficientes fracionários. Basta multiplicar todos os
coeficientes por 2.
2 C3H6 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método das Tentativas.
Atenção!
Durante o balanceamento da equação é útil que você escreva o número 1 na frente
das substâncias cujo coeficiente de acerto já tenha sido definido como unitário.
Desse modo, você fica sabendo que essas substâncias já foram balanceadas e não
corre o risco de errar, trocando um coeficiente de acerto que já fora definido. Ao
final, os coeficientes unitários podem ser dispensados.
Exemplo1:
NH3 + O2
NO + H2O
2 NH3 + O2
NO + 3 H2O
2 NH3 + O2
2 NO + 3 H2O
2 NH3 + 5/2 O2
2 NO + 3 H2O
4 NH3 + 5 O2
4 NO + 6 H2O
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Exemplo2:
balancear a equação abaixo
Al + O 2
Al2 O3
Método das Tentativas.
Regra (a):
Tanto o “Al ” como o “O” aparecem apenas uma vez em cada membro.
Regra (b):
Preferir o oxigênio (O), que possui índices maiores.
Regra (c):
Invertemos os índices do oxigênio de um membro para o outro usando-os como
coeficientes das substâncias em que o oxigênio toma parte.
Al + 3O 2
2 Al2 O3
Regra (d):
Fazemos a contagem do alumínio no 2º membro e colocamos o seu coeficiente no 1º
membro da equação
4Al + 3O 2
2 Al2 O3 (Equação balanceada)
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método das Algébrico
Este método consiste em atribuir coeficientes literais às substâncias que
figuram na reação. A seguir, armamos uma equação para cada elemento,
baseada no fato de que o total de átomos de átomos desse elemento deve ser o
mesmo em cada membro.
Resolvendo o sistema constituído por todas as equações obtemos os valores das
incógnitas, que são os coeficientes da equação.
Exemplo:
x Fe + y H 2 O z
Armando as equações:
Fe : x = 3 z
H : 2 y = 2 w ou y = w
O:y=4z
Fe 3 O4 + w H2
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método das Algébrico
O sistema de equações será:
x=3z
y=w
y=4z
Para resolver o sistema escolhemos UMA VARIÁVEL e atribuímos a ela um valor
QUALQUER.
z = 1, portanto, os valores de “x” e “y” serão, respectivamente, 3 e 4.
Como “w = y”, teremos: w = 4.
Substituindo estes valores na equação:
3 Fe + 4 H 2 O
1 Fe 3 O 4 + 4 H2
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método de oxi-redução
Esse método fundamenta-se no fato de que o total de elétrons cedidos é igual ao total
de elétrons recebidos.
As regras práticas a serem seguidas são:
a) Descobrir todos os elementos que sofreram oxidação ou redução, isto é, mudaram o
número de oxidação.
b) Calculemos agora as variações de Nox desses elementos, que chamaremos de (delta).
Criamos então dois ramais; o de oxidação e o de redução.
c) Tomamos uma substância do ramal de oxidação e uma substância do ramal de
redução (a substância escolhida deve ter Nox exclusivo).
d) Multiplicamos a variação do Nox do elemento, na substância escolhida, pela sua
atomicidade. Teremos, neste caso, a variação total do Nox.
e) Dar a inversão dos resultados para determinar os coeficientes.
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método de oxi-redução
f) Prosseguir com os demais elementos químicos usando o método das tentativas.
0
+5
+5
+2
P + HNO3 + H2O
H3PO4 + NO
Os elementos que tiveram variação no Nox foram: Fósforo e nitrogênio.
Regra (a):
O fósforo passou de “zero” para + 5, sofrendo oxidação.
O nitrogênio passou de + 5 para + 2, sofrendo redução.
Regra (b):
Fósforo: Δ = ( + 5 ) – 0 = 5
Nitrogênio: Δ = ( + 5 ) – ( + 2 ) = 3
Regra (c):
Ramal de oxi: P
Ramal de red: HNO3
Acerto (balanceamento) de equações químicas
Método de oxi-redução
Regra (d):
P: Variação total = 5 x 1= 5
HNO3: Variação total = 3 x 1 = 3
Regra (e):
3 P e 5 HNO3
Regra (f):
3 P + 5 HNO3 + H2O
5 NO + 3 H3PO4
contamos 3 fósforos
Regra (g):
Balanceamos a água por tentativas
3 P + 5 HNO3 + 2 H2O
3 H3PO4 + 5 NO
Cálculo estequiométrico
Uma reação química acertada mostra a estequiometria da reacção: relação entre as
quantidades, em número de moles, de reagentes e produtos numa dada reacção
química.
Além da lei de Lavoisier, merece atenção especial a Lei de Proust (Lei das proporções
definidas). As duas leis respondem basicamente por todo o cálculo estequiométrico.
A lei de Proust afirma que "as substâncias reagem em proporções fixas e definidas".
Por exemplo, na reação do hidrogênio com oxigênio para formar água, 4 g de H2
reagem sempre com 32 g de O2, 8 g reagem com 64 g, e assim por diante.
O que aconteceria se 10 g de H2 fossem colocados para reagir com 32 g de O2?
Reagiriam somente 4 g de H2 e restariam 6 g ao final, pois o H2 foi colocado em
excesso. Diz-se nesse caso que o O2 é o reagente limitante, porque é consumido
totalmente .
Cálculo estequiométrico
Massa de reagente(s)
nº de moles de reagente
Volume de reagente(s)
Estequiometria
Massa de produto(s)
nº de moles de produto
Volume de produto(s)
Cálculo estequiométrico
Exemplo:
2 Li(s) + 2 H2O(l)
2 LiOH(aq) + H2(g)
Qual a massa de hidrogénio produzida pela reacção completa de 80.57 g de lítio?
nLi = 80.57 g/ 6.941 g.mol-1 = 11.6 mol
nH2 = 11.6 mol Li  1 mol H2/2 mol Li = 5.8 mol H2
massa de H2 = 5.8 mol  2 g.mol-1 = 11.7 g
Cálculo estequiométrico
Cálculos envolvendo volumes de substâncias gasosas
Quando se tem substâncias gasosas é possível estabelecer relações entre volumes,
tanto para reagentes como entre eles e os produtos da reação.
O raciocínio envolve a Lei de Avogadro: "O volume ocupado por um gás, sob
pressão e temperatura constantes, é diretamente proporcional ao seu nº de
moléculas”.
Matematicamente tem-se:
V = K . N , para P e T constantes
Como o nª de moléculas é, diretamente proporcional ao nª de mols do gás,
tem-se
N = k' . n.
Cálculo estequiométrico
Desse modo tem-se:
V = K’ . n
Essa constante k' é dada por
P
R.T
onde T e P são, a temperatura e a pressão do gás, e R é a constante universal dos gases.
Uma avaliação mais correta é realizada considerando gases ideais. Assim tem-se:
V= n .R .T
P
Quando na reação aparecem duas ou mais substâncias gasosas; a razão entre seus
números de mols é a mesma que existe entre seus volumes, desde que nas mesmas
condições de temperatura e pressão.
Não se aplica a razão entre volumes quando a substância se encontra como líquido
ou sólido. Ela é usada apenas para gases e vapores.
Cálculo estequiométrico
Exemplo, na reação entre H2(g) e O2(g) para formar H2O pode-se escrever da
seguinte maneira:
2H2 + 1O2
2H2O
nH2 = VH2 = 2
nO2 = VO2 = 1
Em vários problemas envolvendo substâncias gasosas fala-se de condições normais de
pressão e temperatura (CNTP) e também em condições ambientais.
No primeiro caso, CNTP, a pressão é de 1 atm e a temperatura O °C, ou 273 K. Desse
modo, ao se aplicar a lei dos gases ideais para 1 mol de moléculas do gás, acha-se o
valor: V = 22,4 L/mol quantidade chamada de volume molar nas CNTP.
As condições ambientais são P = 1 atm e T= 298K, ou seja, em torno de 25 °C. A
Equação dos gases aplicada a essa situação fornece um volume molar próximo de
25 L/mol .
Cálculo estequiométrico
Rendimento das reacções
As reações são completas, quando, as quantidades colocadas para reagir
produzem, de acordo com a estequiometria, as quantidades máximas possíveis
dos produtos com por exemplo, quando 2 mols de H2 reagem com 1 mol de O2
encontra-se no final 2 mols de H2O.
Considere agora a possibilidade de a quantidade do produto ser inferior à
quantidade dada pela estequiometria. Ao se produzir menos do que o esperado
diz-se que a reação não teve rendimento total, ou seja, 100%. Para saber o
rendimento de uma reação deve-se raciocinar tanto sobre os produtos como sobre
os reagentes.
Raciocinando em termos de produto o rendimento é dado por:
 
conv ersão obtida
conv ersão máx ima
 100
Cálculo estequiométrico
Raciocine agora em relação aos reagentes. Suponha que a quantidade do produto seja
fixada em uma dada situação e que a reação tem um rendimento determinado. Como
calcular as quantidades dos reagentes?
Proceder da seguinte forma:
a) calcule a quantidade (ou quantidades) do reagente como se a reação tivesse
rendimento total (100%);
b) após o cálculo, divida o valor achado pelo rendimento, achando assim a massa do
reagente que deve ser empregada na reação.
Cálculos envolvendo mais de uma reação
Nesse tipo de problema, em geral, o produto de uma reação é o reagente na reação
posterior, estabelecendo um elo de ligação entre elas. Assim, basta ajustar os
coeficientes de todas as substâncias nas reações de modo que aquela que faz a ligação
tenha o mesmo valor.
Em outros capítulos como na termoquímica, na cinética e nos equilíbrios químicos a
estequiometria será também usada com os mesmos princípios aqui estudados.

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