3º A – B – C – ENS. MÉDIO   PROFª CRISTIANE   QUÍMICA

E.E. Prof. Dr. Clóvis de Oliveira

ATIVIDADES DE QUÍMICA – 3º EM - Profª Cristiane

Olá alunos(as),

          Estou enviando atividades que seriam trabalhadas neste período em que estaremos em distanciamento escolar.

Procure um local em sua residência propício para a realização dos seus estudos e organize seu tempo para que não haja acúmulo de tarefas. Aproveitem esta nova ferramenta que está sendo disponibilizada, para tornar este período delicado pelo o qual todos estamos passando, em conhecimento pessoal e intelectual.

          Em relação a entrega das mesmas, deverão aguardar futuras orientações da escola.

          Caso tenham alguma dúvida, poderão entrar em contato pelo e-mail nesteriuk@prof.educacao.sp.gov.br

1ª ATIVIDADE: Leitura e análise de texto:   

                             Produção industrial da amônia pelo processo Haber-Bosch  

Desde o fim do século XVIII já se sabia que a amônia é formada a partir dos gases hidrogênio e nitrogênio na proporção em quantidade de matéria de 3:1 e que podia ser obtida pela reação representada por:

                                                 3 H_{2 (g)}    +    N_{2 (g)}  ↔  2 NH_3(g)

Na Europa do início do século XX, a amônia era matéria-prima na fabricação de compostos nitrogenados, indispensáveis para que a produção agrícola fosse suficiente para alimentar a todos. Compostos nitrogenados também eram usados na indústria bélica. Esses compostos eram obtidos a partir do salitre (NaNO₃) proveniente de minas do Chile. Em 1900, o Chile exportou 1 milhão de toneladas de salitre, das quais 1/3 foi destinado à Alemanha. Alguns anos mais tarde, a exportação anual do Chile ultrapassou 2,5 milhões de toneladas. Além do problema de o Chile poder fixar os preços do salitre, havia o perigo da exaustão de suas minas e, em decorrência, haveria o declínio das exportações e a fome. Vários países europeus buscaram desenvolver métodos para sintetizar compostos nitrogenados a partir do gás nitrogênio, abundante na atmosfera. Alguns processos foram desenvolvidos, porém consumiam muita energia e produziam pouca amônia. A Alemanha também estava empenhada em desenvolver um método de obtenção de amônia que usasse como matéria-prima o nitrogênio do ar. Isso lhe garantiria autonomia na obtenção dessa substância, autonomia crucial se levarmos em conta o momento histórico pelo qual passava a Europa: vésperas da Primeira Guerra Mundial.

Já se sabia que a síntese da amônia aparentemente não se completava, pois, empregando-se quantidades estequiométricas de hidrogênio e de nitrogênio, havia um momento em que a quantidade de amônia formada parecia ter alcançado o limite máximo. Alcançado esse limite, se a temperatura e a pressão permanecessem constantes e o sistema fosse mantido fechado, com a amônia formada existiria certa quantidade dos gases nitrogênio e hidrogênio, que, aparentemente, não reagiriam. Ao limite máximo de produto formado se dá o nome de “extensão da transformação química”.

Em um sistema fechado, a uma determinada condição de pressão e de temperatura, e colocando-se quantidades estequiométricas de reagentes, podem ocorrer transformações químicas, como a de síntese da amônia a partir dos gases nitrogênio e hidrogênio, que atingem uma extensão máxima onde coexistem reagentes e produtos. Essas quantidades não se modificam ao serem mantidas as condições de pressão e de temperatura e se o sistema for mantido fechado. O rendimento obtido nesses tipos de transformação química é menor que o previsto teoricamente, ou seja, é menor que o calculado pela estequiometria da reação. Diz-se que essas são transformações que entraram em um estado de equilíbrio químico.

Fritz Haber (1868-1934), um químico nascido na Polônia, estudou e trabalhou na Alemanha, onde buscou desenvolver um processo de obtenção do gás amônia a partir dos gases nitrogênio e hidrogênio. O processo deveria permitir a produção de amônia em escala industrial e ser economicamente viável. Haber fez reagir hidrogênio e nitrogênio gasosos na proporção em quantidade de matéria de 3:1 a diferentes temperaturas. Constatou que:

* Em temperaturas mais baixas, a transformação ocorria mais lentamente, mas se obtinham maiores quantidades de amônia. Por exemplo, a aproximadamente 100 ºC (temperatura considerada baixa para o processo da síntese da amônia), obtinha-se uma quantidade apreciável de amônia, mas o tempo gasto era muito grande. Dessa maneira, a obtenção da amônia em escala industrial tornava-se economicamente inviável.

* Em temperaturas mais altas, a transformação ocorria mais rapidamente, mas se obtinha menos amônia. Por exemplo, a temperaturas próximas a 1 000 ºC, obtinha-se pouca amônia, apesar de a transformação se dar mais rapidamente que a 100 ºC. O processo também era economicamente inviável, pois se gastava muito combustível para aquecer os reatores e, apesar de a transformação se dar mais rapidamente, a quantidade de amônia obtida não compensava o gasto envolvido em sua produção.

Haber resolveu testar essa reação a pressões mais elevadas. Testou então diferentes combinações de pressão e de temperatura buscando condições em que a síntese da amônia fosse economicamente viável, ou seja, que ocorresse em um tempo razoavelmente curto e que a extensão fosse grande o suficiente para compensar os custos envolvidos.

Para tanto, fixou diversas temperaturas e variou, para cada uma delas, as pressões. Depois, fixou diversas pressões e variou as temperaturas. Considerou as sínteses terminadas quando a quantidade de amônia formada se manteve constante. Então obteve dados semelhantes aos apresentados na tabela a seguir.

         

    Ao estudar a síntese do gás amônia a partir dos gases hidrogênio e nitrogênio, pôde-se perceber que o aumento da temperatura provoca uma diminuição na extensão da reação, ou seja, a quantidade de amônia formada diminui. Observou-se também que aumentos na pressão do sistema favorecem a formação da amônia.

Em busca de rapidez também no processo de produção da amônia, Haber resolveu testar as reações em presença de diferentes catalisadores. Naquela época já se sabia que catalisadores são substâncias que reduzem o tempo de transformações químicas. Fez então reagir hidrogênio e nitrogênio sobre as superfícies de diferentes metais e procurou verificar como eles afetavam a rapidez de obtenção da amônia. Observou que, quando a transformação ocorria sobre ferro aquecido, o equilíbrio químico era atingido mais rapidamente.

 Atenção: catalisadores aumentam a rapidez de transformações químicas,  porém   não   influem   na   extensão delas, ou seja, a quantidade máxima de produtos obtidos não será alterada. No caso de transformações que entram em equilíbrio químico, este será alcançado mais rapidamente.

Mais tarde, Carl Bosch aperfeiçoou o processo Haber, que ficou conhecido como processo Haber-Bosch, e até hoje esse método é utilizado na obtenção industrial da amônia.

  Enfim, a obtenção industrial da amônia mostra a importância de serem compreendidos os fatores que podem influenciar a rapidez e a extensão com que uma transformação química acontece. A elevação da temperatura aumenta a rapidez com que a reação atinge seu limite (o equilíbrio químico), e depois disso a quantidade de amônia não se altera mais. De outro modo, o aumento da temperatura diminui a extensão da transformação, isto é, uma menor quantidade de amônia é formada. Em razão desses aspectos, é necessário escolher valores de pressão e de temperatura que permitam que se obtenha a maior quantidade de amônia possível, no menor tempo possível, para que o processo seja economicamente viável.

 Como se faz isso? É necessário saber analisar e calcular os diferentes rendimentos, nas variadas condições de temperatura e de pressão, e verificar, para cada uma delas, quanta energia foi utilizada e qual foi o custo envolvido.

 Em 2004, Paul Chirik coordenou uma equipe de pesquisadores da Universidade Cornell (Estados Unidos) que conseguiu quebrar as ligações entre os átomos de uma molécula de gás nitrogênio, adicionando gás hidrogênio e obtendo gás amoníaco, sem a necessidade de altas temperaturas e de altas pressões. Para tanto, utilizou uma solução contendo zircônio. A conversão foi feita a 85 ºC. O foco da busca era encontrar um catalisador para essa reação de modo que ela possa ser utilizada em escala industrial.

2ª ATIVIDADE:  Responda as questões com base na análise do texto e nas aulas já ministradas em sala.

2) Com base na reação a seguir    2  N₂H_{4 (g)}    +   2   NO_{2  (g)  ↔}  3  N_{2  (g)}  +  4  H₂O _{(g)   ,}    

responda se o equilíbrio químico foi atingido quando formou-se 1.500 mols de gás nitrogênio a partir de 1.100 mols de NO₂. Justifique.      

3) Na tabela abaixo são apresentados dados hipotéticos (obtidos em determinadas pressão e temperatura) relativos às quantidades de produtos formados nas transformações químicas da combustão completa do carvão e da formação do tetróxido de dinitrogênio. As medidas foram colhidas até que as quantidades de produtos e de reagentes não se alterassem mais.

                        Combustão completa do carvão:   C _(s) +    O_{2 (g)}  →  CO_{2  (g)}

                        Formação do tetróxido de dinitrogênio:   2 NO_{2 (g)} ↔  N₂O_{4 (g)}

            

Analise os dados da tabela e responda: alguma dessas reações atingiu o equilíbrio químico? Justifique.

4) Analise o gráfico a seguir e responda a questão.

Um dono de uma indústria de amônia decidiu operá-la com pressões em torno de 400 atmosferas e com temperaturas em torno de 450 °C. Qual o rendimento de amônia esperado?

   

5) Na reação de combustão de certa quantidade de álcool etílico (etanol), a previsão teórica da quantidade de produtos formados é confirmada na prática. Pode-se dizer que essa é uma transformação química que entra em equilíbrio químico? Explique.

6) Utilizando a tabela de rendimento em porcentagem de amônia apresentada no texto, responda qual é o rendimento da síntese da amônia a 400 ºC e 500 atm de pressão? E qual é o rendimento da síntese da amônia a 600 ºC e              500 atm de pressão?

7) Complete:

“Ao se aumentar a pressão,  _____________________  o rendimento da reação de síntese da amônia”.

 “Ao se aumentar a temperatura _____________________  o rendimento da reação de síntese da amônia”.

8) Explique por que é importante escolher e controlar as condições de pressão e de temperatura na produção da amônia pelo processo Haber.

Responda as questões 9 e 10, com base na análise da seguinte situação:

Considere que um analista químico resolveu repetir o experimento de Haber. Para tanto, colocou em um frasco gás hidrogênio e gás nitrogênio na proporção em quantidade de matéria de 3:1 (proporção estequiométrica) a 400 ºC e a uma pressão de 200 atm. A amônia começou a se formar. Esperou até que a quantidade de amônia não se alterasse mais com o passar do tempo, ou seja, até que o equilíbrio químico fosse alcançado. Depois, o químico submeteu o mesmo frasco à temperatura de 450 ºC, mantendo a pressão de 200 atm. Esperou até que a quantidade de amônia formada não se alterasse mais com o passar do tempo.

9) O que deve ter acontecido com a quantidade de amônia nessa temperatura após o sistema ter alcançado o novo equilíbrio químico: aumentou ou diminuiu? Explique.

Depois dessa etapa, o químico submeteu o mesmo frasco a uma diminuição de temperatura, até que o sistema alcançasse novamente 400 ºC, mantendo a pressão de 200 atm. Esperou até que a quantidade de gás amônia não se alterasse mais com o passar do tempo.

10) O que aconteceu com a quantidade de gás amônia que coexiste com os gases nitrogênio e hidrogênio em equilíbrio químico? Justifique.

3ª ATIVIDADE:   Pesquisa sobre Catalisadores

                   Procurar em livros, apostilas e/ou internet definições, características, utilidades e formas de uso dos catalisadores .