Estequiometria

A estequiometria é uma relação entre quantidades de substâncias que reagem entre si e as quantidades de produtos que são formadas em uma reação química. A estequiometria permite, assim, predizer quantidades de reagentes ou produtos que serão utilizadas em um processo químico. Para que isso seja possível, deve obedecer às leis ponderais, como a Lei de Proust e a Lei de Lavoisier.

A estequiometria, apesar de parecer complexa, pode ser realizada por meio de etapas específicas que auxiliam na interpretação e na resolução do cálculo. Por ser um dos temas de grande interesse da Química, a estequiometria está presente na Matriz de Referência do Exame Nacional do Ensino Médio.

Leia também: Afinal, o que são reações químicas?

Resumo sobre estequiometria

• A estequiometria é uma relação entre quantidades de substâncias que reagem entre si e quantidades que são produzidas em um processo químico.
• A estequiometria é utilizada para predizer quantidades de reagentes utilizadas ou quantidades de produtos que serão obtidas.
• A estequiometria, como parte da reação química, obedece à Lei de Proust e à Lei de Lavoisier.
• Para uma melhor resolução dos exercícios de estequiometria, deve-se seguir etapas específicas que auxiliem na interpretação e resolução do problema.

O que é estequiometria?

De acordo com a União Internacional de Química Pura e Aplicada (Iupac), a estequiometria é a relação entre quantidades de substâncias que reagem entre si, em uma reação química particular, e as quantidades de produtos que são formadas; ou seja, a estequiometria relaciona quantidades empregadas de reagentes com quantidades obtidas de produtos em um processo químico.

O que a estequiometria estuda?

A estequiometria permite predizer quantidades de reagentes ou produtos que serão utilizadas em um processo químico. Para isso, baseia-se Lei de Proust, que estabelece que as quantidades das substâncias participantes da reação química obedecem a uma proporção fixa e constante. Com isso, é possível extrapolar quantidades usadas em pequena escala para um processo em larga escala.

De modo geral, define-se a seguinte reação química:

a A + b B + ... → ... + y Y + z Z

Em uma relação estequiométrica, entendemos que a mols de A reagem com b mols de B, produzindo y mols de Y e z mols de Z. As letras minúsculas anteriormente representadas (a, b, y e z) são chamadas de “coeficientes estequiométricos” e indicam a proporção básica (ou estequiométrica) com que as substâncias participantes reagem. Dessa forma, segundo a Lei de Proust, caso um desses coeficientes estequiométricos varie, os demais devem variar na mesma proporção, mantendo-se a relação estequiométrica.

Como fazer cálculos estequiométricos?

Embora pareçam complexos, cálculos estequiométricos seguem etapas essenciais para serem realizados. Para expor essas etapas, vamos utilizar um exemplo concreto.

Exemplo:

A combustão do propano, C₃H₈, ocorre mediante a seguinte reação química não balanceada:

C₃H₈ (g) + O₂ (g) → CO₂ (g) + H₂O (l)

Determine a massa necessária de gás oxigênio, em gramas, necessária para a queima de 22 kg de propano.

Resolução:

• 1ª etapa - Realizar o balanceamento da reação química:

O balanceamento de uma reação química consiste em aplicar os coeficientes estequiométricos adequados para garantir a conservação de massa e estabelecer a relação estequiométrica correta. Para que isso ocorra, as quantidades dos elementos nos reagentes devem ser iguais à quantidade dos elementos nos produtos.

Existem duas formas clássicas para o balanceamento de reações: método das tentativas, em que os coeficientes são alterados aleatoriamente até que se chegue ao resultado; e método do balanceamento redox, um pouco mais complexo e que se aproveita da eletroneutralidade de uma reação química.

Aqui, vamos utilizar o método das tentativas. Para que não se fique tentando de forma aleatória os coeficientes, um trabalho dispendioso, é comum a utilização de uma regra empírica conhecida como “regra do MACHO”, que dispõe uma ordem em que os elementos devem ser balanceados. MACHO é um acrônimo para “Metal, Ametal, Carbono, Hidrogênio e Oxigênio”, ou seja, devemos balancear os elementos dentro dessa ordem.

Na reação apresentada, não há nenhum metal, apenas os ametais carbono, hidrogênio e oxigênio. Pela regra do MACHO, o carbono deve ser balanceado primeiro. Percebe-se que há três átomos de carbono no C₃H₈, enquanto há apenas um átomo de carbono no CO₂. Assim, coloca-se um coeficiente 3 na frente do CO₂:

C₃H₈ (g) + O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + H₂O (l)

Agora, olhando para o hidrogênio, percebe-se que há oito átomos de hidrogênio no C₃H₈, enquanto há apenas dois em H₂O. Para igualar as quantidades, coloca-se um coeficiente 4 na frente da água, o qual multiplica os dois átomos em H₂O, totalizando oito átomos ao todo.

C₃H₈ (g) + O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + H₂O (l)

Por fim, para o oxigênio, observamos que há apenas dois átomos de oxigênio, O₂, um reagente. Nos produtos, há 10 átomos de oxigênio: seis no CO₂ (o coeficiente 3 multiplica os dois átomos originais), mais quatro na água. Para que se tenha 10 átomos de oxigênio nos reagentes, deve-se colocar o coeficiente 5 na frente do O₂.

C₃H₈ (g) + 5 O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + H₂O (l)

Com isso, percebemos que a reação já está balanceada.

• 2ª etapa - Identificar as substâncias envolvidas:

A ideia da estequiometria é predizer quantidades desconhecidas de algum participante da reação, seja ele um reagente, seja ele um produto. Para que se consiga fazer tal previsão, devemos utilizar uma informação apresentada pela situação.

No caso, o exercício solicita a determinação da massa de gás oxigênio necessária para a queima de 22 kg de propano. Assim, vamos utilizar as informações de propano, as quais são conhecidas, para se determinar a informação necessária de gás oxigênio.

• 3ª etapa - Montar uma regra de três simples por meio da proporção estequiométrica:

Como as reações ocorrem mediante uma proporção definida, devemos utilizar ferramentas matemáticas que trabalhem proporção. Das disponíveis, a melhor de todas é a regra de três simples.

A regra de três simples é composta por duas linhas e duas colunas. Cada coluna será referente a uma substância envolvida, no nosso caso, o propano de gás oxigênio.

A primeira linha deve ser preenchida com a proporção estequiométrica, que pode ser obtida por meio da reação química balanceada. Já a segunda linha deve ser preenchida com os dados colhidos no enunciado. Ficando assim:

C3H8                        O2

1 mol   --------------      5 mols (reação)

22 kg   ----------------         x    (enunciado)

• 4ª etapa - Realizar conversão de unidades:

Da forma como está montada, a regra de três não deve ser realizada, pois não existe proporcionalidade entre mols e massas de substâncias diferentes. Isso só ocorreria se todas as substâncias tivessem a mesma molar, o que dificilmente acontece. Por isso, entendemos que o cálculo estequiométrico só será corretamente realizado se todos os valores estiverem na mesma unidade, seja mols, seja em gramas.

Devemos então realizar uma conversão de unidades. Embora alguns autores recomendem trabalhar apenas com mols, não há ausência de proporcionalidade se todos os valores estiverem em unidades de massa. Por isso, ambas as conversões são possíveis.

Como o valor que estamos buscando é uma massa de gás oxigênio, então vamos optar por converter todos os valores para massa. A conversão de mol para massa é por meio da massa molar, e esses valores podem ser consultados na Tabela Periódica, uma vez que a massa molar é numericamente igual à massa atômica.

A massa molar do carbono é igual a 12 g/mol; do oxigênio, 16 g/mol; e a do hidrogênio, 1 g/mol. Assim, as massas molares de propano e gás oxigênio são:

MM (C₃H₈) = 3 · MM (C) + 8 · MM (H) = 3 · 12 + 8 · 1 = 36 + 8 = 44 g/mol

MM (O₂) = 2 · MM (O) = 2 · 16 = 32 g/mol

Assim, 1 mol de propano tem 44 gramas, enquanto 1 mol de gás oxigênio tem 32 gramas. Substituindo esses valores na regra de três, temos:

C3H8                     O2

44 g      ----------   5 · 32 g      (reação)

22 kg      --------------    x      (enunciado)

• 5ª etapa - Calcular a regra de três:

Agora que toda regra de três está com as unidades padronizadas, é possível fazer o cálculo. Apesar de haver um valor em quilogramas, deve-se lembrar que quilograma é proporcional à grama, não havendo problema em manter dessa forma; porém o valor de “x” será encontrado também em quilogramas (pois está na linha dessa unidade). Como queremos encontrar a massa de oxigênio em gramas, converteremos os 22 kg para 22.000 gramas a fim de que o valor de oxigênio seja encontrado nesta unidade.

C3H8                      O2

44 -------------   5 ∙ 32 g   (reação)

22.000 g -------------- x     (enunciado)

Assim:

44 · x = 22.000 · 5 · 32

22.000 pode ser simplificado pelo 44, pois a divisão de 22.000 por 44 é igual a 500.

x = 500 · 5 · 32

x = 1000 · 32

x = 32.000 g de O₂

Sendo esta a resposta final para a questão.

Para saber mais detalhes sobre os cálculos estequiométricos, clique aqui.

Para que serve a estequiometria?

Não só podemos calcular quantidades de reagentes e produtos na reação por meio dos cálculos estequiométricos como também podemos, em certas situações, determinar um reagente que esteja em excesso, além de prever um rendimento teórico e real de uma reação química, fazendo com que os cálculos estequiométricos sejam aplicados em diversas situações, sejam elas teóricas, sejam mais próximas do cotidiano dos laboratórios e da indústria.

Essa versatilidade permite que os cálculos estequiométricos sejam aplicados em diversas áreas, como:

• Indústria química: produção de insumos e combustíveis.
• Indústria farmacêutica: produção de medicamentos de forma mais otimizada.
• Meio ambiente: medições de parâmetros relevantes dos ecossistemas, como a determinação de gás carbônico.
• Indústria alimentícia: otimização dos processos de produção de alimentos.

Cálculos estequiométricos permitem, então, um menor desperdício de reagentes, uma vez que são utilizados na otimização dos processos.

Estequiometria no Enem

A estequiometria é comumente abordada no Enem. Sua aplicação está de acordo com a Matriz de Referência divulgada pelo Inep, órgão governamental responsável pela prova. Esse documento apresenta as competências e habilidades com que os candidatos serão confrontados durante a realização do exame.

A estequiometria está em consonância com a habilidade 17, pertencente à competência de número 5 da área de Ciências da Natureza e Suas Tecnologias:

Competência de área 5 - Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicá-los em diferentes contextos.

H17 - Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica.

Por conta disso, observa-se a exigência de cálculos estequiométricos entre os objetos de conhecimento associados à Matriz de Referência, no item 3.2, que versa sobre a Química:

Representação das transformações químicas - Fórmulas químicas. Balanceamento de equações químicas. Aspectos quantitativos das transformações químicas. Leis ponderais das reações químicas. Determinação de fórmulas químicas. Grandezas Químicas: massa, volume, mol, massa molar, constante de Avogadro. Cálculos estequiométricos.

Exercícios resolvidos sobre estequiometria

Questão 1

(Enem PPL)

Objetos de prata sofrem escurecimento devido à sua reação com enxofre. Estes materiais recuperam seu brilho característico quando envoltos por papel alumínio e mergulhados em um recipiente contendo água quente e sal de cozinha.

A reação não balanceada que ocorre é:

Ag₂S (s) + Al (s) → Al₂S₃ (s) + Ag (s)

Dados da massa molar dos elementos (g mol⁻¹): Ag = 108; S = 32.

UCKO, D. A. Química para as ciências da saúde: uma introdução à química geral, orgânica e biológica. São Paulo: Manole, 1995 (adaptado).

Utilizando o processo descrito, a massa de prata metálica que será regenerada na superfície de um objeto que contém 2,48 g de Ag₂S é:

A) 0,54 g.

B) 1,08 g.

C) 1,91 g.

D) 2,16 g.

E) 3,82 g.

Resolução:

Alternativa D.

Primeiro, balanceamos a reação:

3 Ag₂S (s) + 2 Al (s) → Al₂S₃ (s) + 6 Ag (s)

A seguir, estabelecemos a relação entre Ag (prata metálica) e Ag₂S, substância de que temos informação.

3 mols de Ag₂S → 6 mols de Ag

2,48 g de Ag₂S → x

Com base nas massas molares fornecidas, chega-se à massa molar de Ag₂S:

MM(Ag₂S) = 2 · 108 + 32 = 216 + 32 = 248 g/mol

Assim, a regra de três fica:

3 · 248 g de Ag₂S → 6 · 108 g de Ag

2,48 g de Ag₂S → x

A conta final fica da seguinte forma:

3 · 248 · x = 2,48 · 6 · 108

x = 2,16 g de Ag

Questão 2

(Enem PPL) Climatério é o nome de um estágio no processo de amadurecimento de determinados frutos, caracterizado pelo aumento do nível da respiração celular e do gás etileno (C₂H₄). Como consequência, há o escurecimento do fruto, o que representa a perda de muitas toneladas de alimentos a cada ano.

É possível prolongar a vida de um fruto climatérico pela eliminação do etileno produzido. Na indústria, utiliza-se o permanganato de potássio (KMnO₄) para oxidar o etileno a etilenoglicol (HOCH₂CH₂OH), sendo o processo representado de forma simplificada na equação:

2 KMnO₄ + 3 C₂H₄ + 4 H₂O → 2 MnO₂ + 3 HOCH₂CH₂OH + 2 KOH

o processo de amadurecimento começa quando a concentração de etileno no ar está em cerca de 1,0 mg de C₂H₄ por kg de ar.

As massas molares dos elementos H, C, O, K e Mn são, respectivamente, iguais a 1 g/mol, 12 g/mol, 16 g/mol, 39 g/mol e 55 g/mol.

A fim de diminuir essas perdas, sem desperdício de reagentes, a massa mínima de KMnO₄ por kg de ar é mais próxima de

A) 0,7 mg.

B) 1,0 mg

C) 3,8 mg.

D) 5,6 mg.

E) 8,5 mg.

Resolução:

Alternativa C.

Como a reação química já está balanceada, montamos a relação entre o KMnO₄ e o etileno, C₂H₄.

2 mols de KMnO₄ → 3 mols de C₂H₄

x → 1,0 mg de C₂H₄

Pelas massas molares fornecidas, determinamos a massa molar de cada substância envolvida:

MM(KMnO₄) = 39 + 55 + 4 ∙ 16 = 158 g/mol

MM(C₂H₄) = 2 ∙ 12 + 4 ∙ 1 = 28 g/mol

Assim, a regra de três convertida para valores de massa fica:

2 ∙ 158 g de KMnO₄ → 3 ∙ 28 g de C₂H₄

x → 1,0 mg de C₂H₄

A conta final é:

2 ∙ 158 ∙ 1 = x ∙ 3 ∙ 28

x ≈ 3,8 mg

Fontes

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Príncípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY – IUPAC. Glossary of terms used in physical organic chemistry. Pure and Applied Chemistry, Reino Unido, 1994.