Estequiometria: A Aritmética das Reações
Em 1909, Fritz Haber descobriu como sintetizar amónia a partir do azoto e hidrogénio do ar. Em 1913, Carl Bosch industrializou o processo. Hoje, o Processo de Haber-Bosch produz ≈ 150 milhões de toneladas de amónia por ano, usada maioritariamente em fertilizantes agrícolas.
Sem Haber-Bosch, a agricultura moderna não poderia alimentar metade da população humana atual. Literalmente metade dos átomos de azoto no teu corpo passou pelo processo de Haber antes de chegar à tua comida.
Para operar esta escala, os engenheiros químicos precisam de saber exatamente quanto azoto e hidrogénio usar para cada tonelada de amónia. Isso é estequiometria.
O Mol e a Massa Molar
Átomos e moléculas são demasiado pequenos para contar individualmente. A química usa uma unidade de quantidade: o mol.
1 mol = 6,022 × 10²³ partículas (Número de Avogadro, Nₐ)
É a quantidade de carbono-12 que tem exatamente 12 g. Por analogia: 1 mol de H₂O tem massa 18 g (a massa molar da água).
Massa molar M de um composto: soma das massas atómicas de todos os átomos.
Exemplos:
- M(H₂O) = 2×1 + 16 = 18 g/mol
- M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol
- M(NH₃) = 14 + 3×1 = 17 g/mol
Conversão massa ↔ mol:
Equações Estequiométricas
A equação química balanceada indica as proporções molares dos reagentes e produtos.
Processo de Haber:
Lê-se: 1 mol de N₂ reage com 3 mol de H₂ para formar 2 mol de NH₃.
Em massa:
- 28 g N₂ + 6 g H₂ → 34 g NH₃
- (Verificação: 28+6 = 34 ✓ — Lei de Lavoisier conservada)
Reagente Limitante
Quando os reagentes não estão nas proporções estequiométricas exatas, um deles esgota-se primeiro: o reagente limitante. A quantidade de produto formado é determinada pelo reagente limitante.
Método de resolução:
- Calcula os moles de cada reagente disponível
- Determina qual produziria menos produto → esse é o limitante
- Calcula o produto com base no reagente limitante
Mistura-se 28 g N₂ (1 mol) e 3 g H₂ (1,5 mol). Qual o reagente limitante?
- 1 mol N₂ precisaria de 3 mol H₂. Temos 1,5 mol H₂ → H₂ é o limitante.
- 1,5 mol H₂ ÷ 3 = 0,5 mol NH₃ produzidos × 17 = 8,5 g NH₃
- N₂ que reagiu: 0,5 mol × 28 = 14 g. Sobrou: 28 − 14 = 14 g N₂.
Rendimento da Reação
O rendimento mede a eficiência da reação:
Reações industriais raramente atingem 100%: reações secundárias, perdas mecânicas e equilíbrio incompleto reduzem o rendimento. O Processo de Haber tem tipicamente ≈15% de conversão por passagem, mas o gás não convertido é reciclado.