Slide - Reações Químicas Balanceamento de Equações Químicas 2020

Disciplina: Química Geral 2020 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Reações Químicas: balanceamento de equações químicas Reações Químicas ▪ Antoine Laurent Lavoisier (1743 – 1794) ✓ Importante contribuição para o estudo das reações químicas. “Podemos aceitar como um axioma incontestável que, em todas as operações da arte e da natureza, nada se cria; uma quantidade igual de matéria está presente antes e depois do experimento. Toda a arte que envolve a realização de experimentos químicos depende desse princípio.” 2 Antoine L. Lavoisier. Fonte: Ventura, 2019. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) 16,03 g + 2  32,00 g → 44,01 g + 2  18,01 g 80,03 g → 80,03 g Reações Químicas: equações químicas ✓ Reações químicas são representadas por meio de equações químicas. 2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s) 3 Reação de oxidação (queima) do magnésio. Fonte: Atkins et al., 2018. ✓ O sinal + significa “reage com”, e a seta, “produz”. As fórmulas químicas à esquerda da seta representam as entidades moleculares de partida, chamadas de reagentes. A fórmula química da direita da seta representa a entidade molecular produzida na reação, denominada de produto. ✓ Os números na frente das fórmulas, denominados coeficientes estequiométricos, indicam a quantidade relativa de entidades moleculares de cada tipo envolvidas na reação. Reações Químicas: equações químicas 4 ✓ Uma equação química está balanceada quando há o mesmo número de átomos de cada elemento nos lados direito e esquerdo da seta. O número de átomos é obtido ao multiplicar cada subscrito em uma fórmula química pelo coeficiente da fórmula. 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ✓ Subscritos indicam a identidade da entidade molecular; coeficientes indicam a quantidade dessa entidade molecular. ✓ Para indicar o estado físico de cada reagente e produto nas equações químicas, usamos os símbolos (g), (l), (s) e (aq) para as entidades moleculares que são gases, líquidas, sólidas, e que estão solúveis/miscíveis em água, respectivamente. Reações Químicas: Padrões de reatividade ✓ Reações de combinação (síntese) CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq) N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ✓ Reações de decomposição 2 KClO3(s) → 2 KCl(s) + 3 O2(g) Cu(OH)2(s) → CuO(s) + H2O(g) ✓ Reações de combustão CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) combustão completa 2 CH4(g) + 3 O2(g) → 2 CO(g) + 4 H2O(g) combustão incompleta 5 Reações Químicas: equações químicas 6 ✓ Equação molecular: todas as espécies listadas como entidades moleculares. HCl(aq) + Mg(OH)2(aq) → H2O(l) + MgCl2(aq) 2 HCl(aq) + Mg(OH)2(aq) → 2 H2O(l) + MgCl2(aq) ✓ Equação iônica: utilizada para representar a reação entre íons. Ela lista TODOS os íons (em solução aquosa). Sólidos e líquidos não devem ser dissociados {PbS(s)} ou ionizados {HBr(l)}. 2 H+(aq) + 2 Cl-(aq) + Mg2+(aq) + 2 OH−(aq) → 2 H2O(l) + Mg2+(aq) + 2 Cl−(aq) ✓ Equação iônica simplificada: lista somente íons relevantes (as espécies espectadoras não aparecem): 2 H+(aq) + 2 OH−(aq) → 2 H2O(l) H+(aq) + OH−(aq) → H2O(l) Reações Químicas: equações químicas ▪ Escrevendo equações químicas ✓ O metal cálcio reage com água líquida ocorrendo a produção de gás hidrogênio e hidróxido de cálcio em solução aquosa. Ca(s) + 2 H2O(l) → H2(g) + Ca(OH)2(aq) Equação molecular Ca(s) + 2 H2O(l) → H2(g) + Ca2+(aq) + 2 OH−(aq) Equação iônica e iônica simplificada ✓ Uma solução de nitrato de prata é misturada com uma solução de cromato de potássio e ocorre formação de um precipitado. 2 AgNO3(aq) + K2CrO4(aq) → 2 KNO3(aq) + Ag2(CrO4)(s) Eq. molecular 2 Ag+(aq) + 2 NO3 −(aq) + 2 K+(aq) + CrO4 2−(aq) → 2 K+(aq) + 2 NO3 −(aq) + Ag2(CrO4)(s) Eq. iônica 2 Ag+(aq) + CrO4 2−(aq) → Ag2(CrO4)(s) Eq. Iônica simplificada 7 Reações de Oxidação e Redução (Oxirredução) ▪ Definições ✓ Oxidação: a remoção completa de um ou mais elétrons de uma entidade molecular (átomo, íon, molécula etc.). (Mcnaught e Wilkinson, 2019). Mg(s) → Mg2+(aq) + 2 e− 2 Cr3+(aq) + 7 H2O(l) → Cr2O7 2−(aq) + 14 H+(aq) + 6 e− ✓ Redução: a transferência completa de um ou mais elétrons para uma entidade molecular (átomo, íon, molécula etc.). (Mcnaught e Wilkinson, 2019). Ag+(aq) + e− → Ag(s) MnO4 −(aq) + 8 H+(aq) + 5 e− → Mn2+(aq) + 4 H2O(l) 8 Reações de oxirredução ▪ Definições ✓ Estado de oxidação (número de oxidação, na língua inglesa): é a carga do átomo considerando-se o modelo iônico na formação das ligações heteronucleares. (Mcnaught e Wilkinson, 2019). NaCl ⇨ Na = +1 e Cl = −1 (estados de oxidação) NaCl ⇨ Na(1+) e Cl(1−) ou Na+ e Cl− (cargas iônicas) CO2 ⇨ C = +4 e O = −2 (estados de oxidação) ✓ Algumas regras ajudam a definir o estado de oxidação dos elementos nos diferentes compostos. 9 Reações de oxirredução ▪ Regras para atribuição dos estados de oxidação (EO) ✓ Em uma substância elementar, o EO do átomo é considerado igual a zero (0)  Br2 ⇨ Br tem EO = 0. ✓ A soma dos EO de todos os átomos em uma entidade molecular é igual à sua carga total.  KMnO4 ⇨ EOK + EOMn + 4 × EOO = 0 (zero), porque a espécie é neutra.  BrO− ⇨ EOBr + EOO = 1− (carga iônica da espécie). ✓ O EO do hidrogênio é +1 quando combinado a não metais e -1 quando combinado com metais.  HCl ⇨ EOH = +1  NaH ⇨ EOH = −1 10 Reações de oxirredução ▪ Regras para atribuição dos estados de oxidação (EO) 11 ✓ O EO dos elementos do grupo 1 é +1 e dos elementos do grupo 2 é +2. ✓ O EO dos elementos do grupo 17 é -1, exceto quando o halogênio está combinado ao oxigênio ou outro halogênio presente em um nível superior.  BrO3 − ⇨ EOBr = +5.  ICl2 − ⇨ EOCl = −1 e EOI = +1. ✓ O EO do oxigênio é −2 na maior parte dos compostos.  Peróxidos (EO = −1) ⇨ H2O2  Superóxidos (EO = −½) ⇨ Cs2O4 Reações de oxirredução ▪ Balanceamento de equações que representam reações de oxirredução ✓ Para balancear qualquer equação química, sempre fique atento ao balanço de massas e de cargas. Ag+(aq) + Fe(s) → Ag(s) + Fe2+(aq) 2 Ag+(aq) + Fe(s) → 2 Ag(s) + Fe2+(aq) H2(g) + Co3+(aq) → H+(aq) + Co2+(aq) H2(g) + 2 Co3+(aq) → 2 H+(aq) + 2 Co2+(aq) 12 Reações de oxirredução ▪ Balanceamento de equações que representam as reações de oxirredução Ca3(PO4)2(s) + SiO2(s) + C(s) → P4(g) + CaSiO3(s) + CO(g) Primeiro passo: identifique as espécies que sofreram mudança no EO. P ⇨ +5 para 0, corresponde a uma redução de 5 elétrons por átomo C ⇨ 0 para +2, corresponde a uma oxidação de 2 elétrons por átomo Segundo passo: encontre os coeficientes estequiométricos, considerando o número total de elétrons de cada processo (oxidação e redução). P ⇨ 5 e- × 4 (átomos de P) = 20 (sempre escolha a espécie com maior número de átomos) C ⇨ 2 e- × 1 (átomo de C) = 2 Terceiro passo: use os coeficientes encontrados de forma inversa (o coeficiente da espécie que oxidou naquela que reduziu e vice-versa). 13 Reações de oxirredução ▪ Balanceamento de equações que representam as reações de oxirredução Ca3(PO4)2(s) + SiO2(s) + 20 C(s) → 2 P4(g) + CaSiO3(s) + CO(g) 4 Ca3(PO4)2(s) + SiO2(s) + 20 C(s) → 2 P4(g) + CaSiO3(s) + 20 CO(g) 4 Ca3(PO4)2(s) + 12 SiO2(s) + 20 C(s) → 2 P4(g) + 12 CaSiO3(s) + 20 CO(g) 2 Ca3(PO4)2(s) + 6 SiO2(s) + 10 C(s) → 1 P4(g) + 6 CaSiO3(s) + 10 CO(g) 14 Reações de oxirredução 15 ▪ Balanceamento de equações que representam reações de oxirredução: semiequações Mn2+(aq) + Cr2O7 2−(aq) → Cr3+(aq) + MnO4 −(aq) (meio ácido) Identifique as espécies que estão oxidadas ou reduzidas no processo. Escreva as semiequações de oxidação e de redução (separadamente). Cr2O7 2−(aq) → Cr3+(aq) Mn2+(aq) → MnO4 -(aq) Quantifique o número de elétrons envolvidos no processo (oxidação ou redução) e acrescente na semiequação (se necessário, faça o balanço de massa para o átomo envolvido no processo). Cr2O7 2−(aq) + 6 e− → 2 Cr3+(aq) Mn2+(aq) → MnO4 -(aq) + 5 e− Reações de oxirredução ▪ Balanceamento de equações que representam reações de oxirredução: semiequações Mn2+(aq) + Cr2O7 2−(aq) → Cr3+(aq) + MnO4 −(aq) (meio ácido) Faça o balanço de cargas da semiequação usando o meio (ácido = H3O+ ou básico = OH−) no qual a reação ocorre. Cr2O7 2−(aq) + 6 e− + 14 H3O+(aq) → 2 Cr3+(aq) Mn2+(aq) → MnO4 -(aq) + 5 e− + 8 H3O+(aq) Faça o balanço de massas da semiequação usando a molécula de água (somente ela pode ser usada). Cr2O7 2−(aq) + 6 e− + 14 H3O+(aq) → 2 Cr3+(aq) + 21 H2O(l) semiequação de redução Mn2+(aq) + 12 H2O(l) → MnO4 -(aq) + 5 e− + 8 H3O+(aq) semiequação de oxidação 16 Reações de oxirredução 17 ▪ Balanceamento de equações que representam reações de oxirredução: semiequações Mn2+(aq) + Cr2O7 2−(aq) → Cr3+(aq) + MnO4 −(aq) (meio ácido) Para obter a equação global, iguale o número de elétrons das duas equações, usando os coeficientes estequiométricos adequados. 5 Cr2O7 2−(aq) + 30 e− + 70 H3O+(aq) → 10 Cr3+(aq) + 105 H2O(l) (x5) 6 Mn2+(aq) + 72 H2O(l) → 6 MnO4 −(aq) + 30 e− + 48 H3O+(aq) (x6) Escreva a equação global somando as duas semiequações. 5 Cr2O7 2−(aq) + 6 Mn2+(aq) + 22 H3O+(aq) → 10 Cr3+(aq) + 6 MnO4 −(aq) + 33 H2O(l) Resumindo... 18 ✓ Uma reação é representada por meio de uma equação química. ✓ Todas as espécies químicas da equação devem possuir um estado físico associado. ✓ Deve-se verificar sempre o balanço de massa e de carga das equações químicas. ✓ Equações iônicas simplificadas indicam as espécies relevantes para a ocorrência da reação química. ✓ Reações de oxirredução envolvem a transferência de elétrons entre substâncias químicas. Referências 19 ✓ ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. ✓ MCNAUGHT, A. D.; WILKINSON, A. Compendium of Chemical Terminology. IUPAC recommendations. 2. ed. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 2019. Disponível em: <https://doi.org/10.1351/goldbook>. Acesso em: 15 jul. 2020. ✓ VENTURA, D. Antoine Lavoisier, o químico revolucionário que foi decapitado graças a disputa científica, 2019. Disponível em: <https://www.bbc.com/portuguese/geral-50861019>. Acesso em: 20 jul 2020.