O ácido nítrico, $\mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq})\left(M=63,02 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}\right)$, é considerado um ácido forte, sendo bastante corrosivo. É um dos compostos químicos mais produzidos mundialmente. Desde 1902, é preparado industrialmente em três etapas sequenciais (processo de Ostwald):
Etapa I) Combustão do amoníaco, $\mathrm{NH}_3\left(M=17,04 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}\right)$, para formar monóxido de nitrogénio, $\mathrm{NO}$.
$$4 ~\mathrm{NH}_3(\mathrm{g})+5 ~\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \longrightarrow 4 ~\mathrm{NO}(\mathrm{g})+6~ \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})$$
Etapa II) Oxidação do $\mathrm{NO}$ a dióxido de nitrogénio, $\mathrm{NO}_2$.
$$2~ \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \longrightarrow 2~ \mathrm{NO}_2(\mathrm{g})$$
Etapa III) Reação do $\mathrm{NO}_2$ com água, para formação de $\mathrm{HNO}_3$.
$$3 ~\mathrm{NO}_2(\mathrm{g})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2~ \mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq})+\mathrm{NO}(\mathrm{g})$$
Questão:
Considere que, nas duas primeiras etapas do processo de Ostwald, se dá a conversão completa dos reagentes em produtos e que a terceira etapa tem um rendimento de $75 \%$.
Determine a massa de $\mathrm{NH}_{3}$, em kg , necessária para produzir $1200$ toneladas de $\mathrm{HNO}_{3}$.
Apresente todos os cálculos efetuados.
Fonte: IAVE
Fonte: IAVE
Resolução do Exercício:
Comecemos por calcular a quantidade de matéria de $\mathrm{HNO}_{3}$ que se pretende obter em moles:
$$
\begin{gathered}
n=\frac{m}{M} \\\\M_{\mathrm{HNO}_{3}}=M_{\mathrm{H}}+M_{\mathrm{N}}+3 \times M_{\mathrm{O}}= \\\\
=1,01 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}+14,01 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}+3 \times 16,00 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}=63,02 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} \\\\
n_{\mathrm{HNO}_{3}}=\frac{1,2 \times 10^{9}}{63,02} \approx 1,904 \times 10^{7} \mathrm{~mol}
\end{gathered}
$$
Atendendo a que o rendimento da reação III é de $75\%$, pode ser calculada a quantidade de $\mathrm{HNO}_{3}$ teórica produzida se o rendimento fosse de $100\%$:
$$
\begin{gathered}
R(\%)=\frac{n_{\text {obtido}}}{n_{\text {teórico }}} \times 100 \\
75=\frac{1,904 \times 10^7}{n_\text {teórico }} \times 100 \Leftrightarrow n_{\text {teórico }} \approx 2,54 \times 10^{7} \mathrm{~mol}
\end{gathered}
$$
Atendendo à estequiometria da reação III, 3 mol de $\mathrm{NO}_{2}$ permitem a produção de 2 mol de $\mathrm{HNO}_{3}$. De acordo com esta razão, pode ser calculada a quantidade de $\mathrm{NO}_{2}$ necessária à produção da quantidade pretendida de $\mathrm{HNO}_{3}$ :
$$
\frac{3}{2} \times n_{\mathrm{N O_{2}}}=2,54 \times 10^{7} \mathrm{~mol} \text { de } \mathrm{HNO}_{3}\Leftrightarrow n_{\mathrm{N O_{2}}}=3,81 \times 10^{7} \mathrm{~mol}
$$
Como as equações II e I têm rendimentos de $100\%$ visto que se dá a conversão completa de reagentes e as conversões $\mathrm{NO} \rightarrow \mathrm{NO}_{2}$ e $\mathrm{NH}_{3} \rightarrow \mathrm{NO}$ ocorrem com um rácio de $1:1$, a quantidade de matéria de $\mathrm{NO}$ necessária para formação da quantidade de matéria de $\mathrm{NO}_{2}$ é igual a esta, assim como é o caso para a conversão $\mathrm{NO} \rightarrow \mathrm{NO}_{2}$. Logo, a quantidade de matéria de $\mathrm{NH}_{3}$ requerida para a formação da quantidade requerida de $\mathrm{NO}_{2}$ é igual a esta.
$$
\begin{gathered}
n_{\mathrm{N H_{3}}}=3,81 \times 10^{7} \mathrm{~mol}\\\\
M_{\mathrm{N H_{3}}}=3 \times M_{\mathrm{H}}+M_{\mathrm{N}}=3 \times 1,01 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}+14,01 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}=17,04 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} \\\\\
m_{\mathrm{N H_{3}}}=n_{\mathrm{N H_{3}}} \times m_{M} \quad \quad \quad m_{\mathrm{N H_{3}}}=3,81 \times 10^{7} \times 17,04 \approx 6,5 \times 10^{5} ~\mathrm{kg}
\end{gathered}
$$
Resposta: São necessários aproximadamente $6,5 \times 10^{5} ~\mathrm{kg}$
Fonte: Mestre Panda