O dióxido de nitrogénio, $\mathrm{NO}_2(\mathrm{g})$, é um poluente atmosférico com diversos efeitos adversos.
Em laboratório, o $\mathrm{NO}_2(\mathrm{g})$ pode ser preparado por reação do cobre sólido com uma solução concentrada de ácido nítrico, $\mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq})\left(M=63,02 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}\right)$. Essa reação pode ser traduzida por
$$\mathrm{Cu}(\mathrm{s})+4 \mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(1)+2 \mathrm{NO}_2(\mathrm{g})$$
Adicionaram-se $80,0 \mathrm{~g}$ de cobre a $2,00 \times 10^2 \mathrm{~cm}^3$ de uma solução de ácido nítrico, de densidade $1,42 \mathrm{~g} \mathrm{~cm}^{-3}$, que contém $68 \%$, em massa, de $\mathrm{HNO}_3$.
Identifique o reagente limitante.
Apresente todas as etapas de resolução.
Fonte: IAVE
Fonte: IAVE
$$\mathrm{Cu(s)+4~HNO_{3}(aq)\rightarrow Cu(NO_{3})_{2}(aq)+2~H_{2}O(l)+2~NO_{2}(g)}$$
Primeiramente é necessário calcular a quantidade de reagentes adicionados inicialmente. Comecemos pelo cobre, recorrendo ao valor da sua massa molar.
$$n_{Cu}=\frac{m_{Cu}}{M_{Cu}}=\frac{80,0}{63,55}\approx1,26~\mathrm{mol}$$
E agora a quantidade de ácido nítrico na solução. Atendendo ao valor de densidade (massa volúmica) da solução de ácido nítrico:
$$\sigma=\frac{m}{V} \Leftrightarrow 1,42=\frac{m_{\text{solução}}}{2,00\times10^{2}} \Leftrightarrow m_{\text{solução}}=284~\mathrm{g}$$
Conhecendo a massa da solução e atentando que apenas 68% desta consiste em ácido nítrico:
$$m/m(\%)=\frac{m_{\mathrm{HNO_{3}}}}{m_{\text{solução}}} \times 100 \Leftrightarrow 68=\frac{m_{\mathrm{HNO_{3}}}}{284}\times 100 \Leftrightarrow m_{\mathrm{HNO_{3}}}=193,12~\mathrm{g}$$
E por fim, recorrendo ao valor da massa molar do ácido nítrico:
$$n_{\mathrm{HNO_{3}}}=\frac{193,12}{63,02}\approx3,06~\mathrm{mol}$$
Atendendo à estequiometria da reação, o cobre e o ácido nítrico reagem com uma razão de 1:4, ou seja, por cada n mol de cobre que reagem, 4n mol de ácido nítrico devem reagir, assim como para n mol de ácido nítrico que reagem, devem reagir $\frac{n}{4}$ mol de cobre. Com isto passemos a calcular a quantidade de reagentes necessária.
$$n_{\mathrm{HNO_{3}(necess\acute{a}rio)}}=4n_{Cu}=4 \times 1,26=5,04~\mathrm{mol}$$
$$n_{Cu(\mathrm{necess\acute{a}rio)}}=\frac{n_{\mathrm{HNO_{3}}}}{4}=\frac{3,06}{4}=0,765~\mathrm{mol}$$
$$n_{\mathrm{HNO_{3}(necess\acute{a}rio)}} < n_{\mathrm{HNO_{3}}}$$
A quantidade de ácido nítrico necessária à reação de todo o cobre presente no sistema não está disponível do sistema. Assim sendo, o ácido nítrico irá esgotar-se limitando a extensão da reação.
Resposta: O ácido nítrico é o reagente limitante.
Fonte: Mestre Panda
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