2. Equações químicas e rendimentos de reacções: Que relação?

Os cálculos baseados em equações químicas exigem que estas equações estejam acertadas e, portanto, têm em conta os coeficientes numéricos que precedem cada fórmula - coeficientes estequiométricos. Designam-se, geralmente, por cálculos estequiométricos. A palavra "estequiometria" vem dos termos gregos "stoichio" e "metris" que significam, respectivamente, "elemento" e "medir". Estes cálculos podem relacionar:

  1. Um reagente com um produto: A + B seta no sentido directo C + D
  2. Um reagente com outro: A + B seta no sentido directo C + D
  3. Um produto com outro: A + B seta no sentido directo C + D

Por exemplo, quando, no 10º ano, procedeu à determinação quantitativa de um ião (por exemplo, SO42-) presente numa solução, através da reacção com outro ião para formar um sólido - Ba2+(aq) + SO42-(aq) seta no sentido directo BaSO4(s) - pesou o precipitado de sulfato de bário obtido e inferiu, por cálculo, a massa de ião SO42- que reagiu perante excesso de ião Ba2+: análise gravimétrica. É um exemplo da situação 1. acima referida.

Quando, no mesmo ano, procedeu à determinação quantitativa de um ácido, por reacção com uma base, em solução aquosa, HCl(aq) + NaOH(aq) seta no sentido directo NaCl(aq) + H2O, misturando quantidades equivalentes do ácido e da base até se atingir um ponto de equivalência revelado pela mudança de cor de um indicador de pH, inferiu a quantidade de HCl presente - um reagente - a partir da quantidade de NaOH - o outro reagente - utilizada. É um exemplo da situação 2. Nesse exemplo, medem-se volumes de soluções - análise volumétrica - em vez de se fazerem pesagens como na gravimetria.

Na análise elemental de carbono e hidrogénio de um composto orgânico procede-se à combustão de uma amostra do composto - Comp. orgânico + oxigénio seta no sentido directo dióxido de carbono + água - determina-se a quantidade de CO2 e H2O produzidos e inferem-se as massas dos elementos C e H na amostra de composto orgânico.

Subjacente a estes cálculos está a leitura de uma equação química em termos molares. No entanto, estas relações entre quantidades químicas podem, facilmente, converter-se em relações entre massas (conhecidas as massas molares), ou entre volumes (especialmente no caso de gases, fazendo intervir o respectivo volume molar: 22,4 dm³ a 0°C e a 1 atm, 24,5 dm³ a 25°C e a 1 atm). Num cálculo gravimétrico, estabelecem-se relações entre massas. Numa determinação volumétrica, intervêm quantidades químicas de substâncias e volumes de soluções, utilizando o conceito de concentração.

Vejamos alguns exemplos, a título de revisão esquemática de aprendizagens anteriores.

Exemplo 2.1 A combustão da glicose, tal como a sua oxidação durante o metabolismo celular, pode ser representada pela equação química C6H12O6 + 6O2 seta no sentido directo 6CO2 + 6H2O. Que massa de água se produz por combustão de 1,00 g de glicose?

Exemplo 2.2 Pode determinar-se quantitativamente o ião cálcio, Ca2+, presente no leite por reacção de precipitação com ião oxalato, C2O42-. A partir de 80,0 g de leite e por adição do sal solúvel oxalato de sódio, obtém-se 0,302 g de oxalato de cálcio. Calcular a percentagem do elemento cálcio no leite e comparar com o valor indicado na embalagem (105 mg/100 g).

Exemplo 2.3 O hidrogénio pode ser obtido, no laboratório, por reacção entre o zinco e uma solução aquosa diluída de ácido sulfúrico: Zn(s) + H2SO4(aq) seta no sentido directo ZnSO4(aq) + H2(g). Calcular o volume (PTN) de hidrogénio produzido a partir de 16,34 g de zinco, admitindo um rendimento de 100%.

Exemplo 2.4 A concentração de ácido clorídrico no estômago pode atingir 0,17 mol dm-3. Que quantidade e que massa do "anti-ácido" hidróxido de alumínio é necessária para neutralizar 50 cm³ dessa solução, de acordo com a equação 3HCl(aq) + Al(OH)3(s) seta no sentido directo AlCl3(aq) + 3H2O(l)?

Exemplo 2.5 A titulação de uma amostra de 50,0 cm³ de vinagre - cujo ácido é o ácido acético - requer 22,5 cm³ de Na(OH)(aq) 0,680 mol dm-3. Calcular a massa de ácido acético naquela amostra.

Exemplo 2.6 Na titulação de 25 cm³ de uma solução aquosa que contém Fe2+, utilizando uma solução 0,020 mol dm-3 de dicromato de potássio, em meio ácido, tem lugar a reacção praticamente completa 6Fe2+(aq) + Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) seta no sentido directo 6Fe3+(aq) + 2Cr3+(aq) + 7H2O e consomem-se 20 cm³ da solução de dicromato de potássio. Calcular a concentração do ião ferro(II) na solução titulada.

É, agora, a altura de estender estes cálculos às situações referidas atrás: presença de impurezas e considerando reagentes limitantes.

Exemplo 2.7 No laboratório, prepara-se acetileno, C2H2, fazendo reagir carboneto de cálcio, CaC2, com água: CaC2(s) + H2O(l) seta no sentido directo Ca(OH)2(aq) + C2H2(g). A partir de 25,0 g de carboneto de cálcio impuro - carbite - obtiveram-se 6,0 dm³ de acetileno (PTN). Calcular a massa de CaC2 que reagiu e, admitindo que a diferença corresponde unicamente a impurezas, determinar a percentagem destas na carbite.

Exemplo 2.8 O óxido de ferro(III) pode ser reduzido a ferro metálico por reacção com alumínio: 2Al(s) + Fe2O3(s) seta no sentido directo 2Fe(s) + Al2O3(s). Calcular a massa de ferro que se pode obter a partir de 81,0 kg de alumínio e 100 kg de óxido de ferro(III).