Estequiometria, rendimento do produto e reagentes limitantes

As equações químicas representam como uma reação química procede de reagentes para produtos por meio de mudanças físicas ou químicas usando fórmulas químicas.

Estequiometria é um termo que descreve as quantidades relativas de reagentes e produtos em uma reação química. Baseia-se na Lei da Conservação da Massa, que é uma lei fundamental que afirma que a matéria não é criada nem destruída. Muito simplesmente, o número e a identidade dos átomos reagentes devem ser iguais ao número e à identidade dos átomos do produto. As reações reorganizam os átomos, mas não os criam ou destroem. Isso requer que uma reação proposta seja balanceada, o que significa que o número de átomos para cada elemento é igual no lado do reagente e do produto.

Por exemplo, na equação química abaixo, o lado esquerdo (os reagentes) inclui um átomo de cobre, um átomo de hidrogênio, um átomo de nitrogênio e três átomos de oxigênio.

+ HNO₃ →(NO₃)₂ + 4 H₂O + NO

No lado direito, observe que o produto da água tem um número antes dele. Este é um coeficiente e representa o número de moléculas na reação. Usando essas informações, podemos calcular o número de átomos no lado do produto. Há um átomo de cobre e oito átomos de hidrogênio (4 x 2). Contar os átomos de nitrogênio e oxigênio requer um pouco mais de matemática. Existem dois átomos de nitrogênio no primeiro produto e um átomo de nitrogênio no terceiro produto, o que dá um total de três átomos de nitrogênio. Para o oxigênio, existem seis átomos de oxigênio no primeiro produto, quatro átomos de oxigênio no segundo produto e um átomo de oxigênio no terceiro produto para um total de 11 átomos de oxigênio.

Se deixada dessa forma, a reação não seria viável porque desafia a Lei da Conservação das Massas. Há mais átomos de hidrogênio, nitrogênio e oxigênio no lado do produto. Portanto, a equação precisa ser equilibrada.

Equilibrar uma equação é um processo iterativo que requer a adição de coeficientes a cada lado até que os números se tornem iguais. Existem várias abordagens para equilibrar uma equação química. Uma abordagem usa uma tabela para visualizar os números e um pouco de tentativa e erro.

Como há apenas um átomo de hidrogênio no lado do reagente, mas oito átomos de hidrogênio no lado do produto, multiplicar o composto contendo o nitrogênio no lado do reagente por oito equilibraria o hidrogênio. A segunda linha da nova tabela reflete essa mudança no número de átomos.

Em seguida, para aumentar o número de nitrogênios no lado do produto, multiplicar o produto (NO₃) ₂ por três aumentaria o número de átomos de nitrogênio de três para sete. O número de átomos de nitrogênio ainda não está equilibrado, mas ainda há coeficientes para um reagente e um produto a serem considerados.

Se houver duas moléculas de NO produzidas, isso adiciona mais um átomo de nitrogênio e mais um átomo de oxigênio ao lado do produto, equilibrando essas duas espécies com o lado do reagente.

O único átomo que resta desequilibrado agora é o cobre. Aumentar o número para três átomos de cobre no lado do reagente equilibra a equação.

A equação balanceada é escrita da seguinte forma:

3 + 8 HNO₃ → 3(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 NO

Equilibrar a equação também é essencial para determinar o reagente limitante porque o coeficiente dos compostos é usado para calcular quanto produto é produzido por cada reagente (rendimento do produto). A partir dessa quantidade, o reagente que produz a menor quantidade de produto é considerado o reagente limitante - que é completamente consumido na reação e, portanto, limita a quantidade total de produto gerado. Essa quantidade calculada também representa o rendimento teórico da reação, que é necessário para calcular o rendimento percentual.

A equação balanceada é mais do que uma simples contabilidade de átomos. Os coeficientes descrevem a relação molar entre produtos e reagentes, ou seja, quanto produto é produzido por cada reagente. O número de moles do reagente é usado para calcular o número de moles de outro produto ou reagente. O reagente que produz a menor quantidade de produto é considerado o reagente limitante.

O reagente limitante é completamente consumido na reação e, portanto, limita a quantidade total de produto gerado. Uma vez que o reagente limitante seja totalmente consumido, nenhum outro produto se formará. A quantidade possível de produto que pode ser formada com base no reagente limitante é o rendimento teórico da reação.

O rendimento real é comparado ao rendimento teórico, resultando no 'rendimento percentual'. Um rendimento percentual de 100% significa que, com base nos reagentes usados, a quantidade máxima possível de produto foi produzida. Rendimentos percentuais inferiores a 100% são comuns e indicam que houve alguma perda de produto durante a reação. O rendimento percentual nunca é maior que o rendimento teórico. Se for esse o caso, ocorreram erros experimentais ou de cálculo.