Uma importante reação para a conversão de gás natural para outros hidrocarbonetos úteis é a conversão de metano em etano.
2 CH4(g) C2 H6(g)+H2(g)
Na prática, essa reação é realizada na presença de oxigênio, que converte o hidrogênio produzido em água.
2 CH4(g)+1 / 2 O2(g) C2 H6(g)+H2 O(g)
Use as entalpias de ligação para estimar o De para essas duas reações. Por que a conversão do metano em etano é mais favorável quando o oxigênio é usado?

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. Temos duas reações químicas envolvendo o metano (CH₄) e queremos calcular a variação de entalpia (ΔH) para cada uma delas usando as entalpias de ligação. Além disso, precisamos entender por que a conversão do metano em etano (C₂H₆) é mais favorável quando usamos oxigênio. Para resolver isso, vamos precisar saber as entalpias de ligação das moléculas envolvidas e aplicar alguns conceitos básicos de termoquímica.

Passo 2

Primeiro, vamos relembrar o que é entalpia de ligação. A entalpia de ligação é a quantidade de energia necessária para quebrar uma ligação química no gás. É medida em kJ/mol. Para calcular a variação de entalpia da reação (ΔH), usamos a seguinte fórmula:
ΔH = sum Energia das ligações quebradas - sum Energia das ligações formadas çõçõ
Ou seja, subtraímos a energia total das ligações formadas da energia total das ligações quebradas.

Passo 3

Vamos começar com a primeira reação:
2 CH4(g) C2 H6(g) + H2(g)
Para calcular o ΔH dessa reação, precisamos identificar quais ligações estão sendo quebradas e quais estão sendo formadas.

Passo 4

Primeiro, identifiquemos as ligações quebradas:
  • Metano (CH₄): Cada molécula de CH₄ tem 4 ligações C-H. Como temos 2 mols de CH₄, isso totaliza 2 times 4 = 8 ligações C-H quebradas.
Agora, as ligações formadas:
  • Etano (C₂H₆): Cada molécula de C₂H₆ tem 6 ligações C-H e uma ligação C-C. Como formamos 1 mol de C₂H₆, temos 6 ligações C-H e 1 ligação C-C formadas.
  • H₂: Cada molécula de H₂ tem 1 ligação H-H. Como formamos 1 mol de H₂, temos 1 ligação H-H formada.

Passo 5

Agora, vamos usar as entalpias de ligação (valores aproximados):
  • C-H: 413 kJ/mol
  • C-C: 348 kJ/mol
  • H-H: 436 kJ/mol
Vamos calcular a energia das ligações quebradas:
Energia quebrada = 8 times 413 , kJ/mol = 3304 , kJ
E a energia das ligações formadas:
Energia formada = (6 times 413) + (1 times 348) + (1 times 436) = 2478 + 348 + 436 = 3262 , kJ

Passo 6

Agora, aplicamos a fórmula do ΔH:
ΔH = Energia quebrada - Energia formada = 3304 , kJ - 3262 , kJ = 42 , kJ
Então, para a primeira reação, ΔH = +42 kJ/mol. O sinal positivo indica que a reação absorve energia, ou seja, é endotérmica.

Passo 7

Agora, vamos para a segunda reação:
2 CH4(g) + 12 O2(g) C2 H6(g) + H2 O(g)
Novamente, identificamos as ligações quebradas e formadas.

Passo 8

Ligações quebradas:
  • Metano (CH₄): 2 mols × 4 C-H = 8 ligações C-H
  • Oxigênio (O₂): 0,5 mol × 1 ligação O=O = 0,5 ligação O=O
Ligações formadas:
  • Etano (C₂H₆): 6 ligações C-H e 1 ligação C-C
  • Água (H₂O): Cada molécula de H₂O tem 2 ligações O-H. Como formamos 1 mol de H₂O, temos 2 ligações O-H formadas.

Passo 9

Usando as entalpias de ligação:
  • O=O: 498 kJ/mol
  • O-H: 463 kJ/mol
Calculamos a energia das ligações quebradas:
Energia quebrada = 8 times 413 + 0,5 times 498 = 3304 + 249 = 3553 , kJ
E a energia das ligações formadas:
Energia formada = (6 times 413) + (1 times 348) + (2 times 463) = 2478 + 348 + 926 = 3752 , kJ

Passo 10

Aplicando a fórmula do ΔH:
ΔH = 3553 , kJ - 3752 , kJ = -199 , kJ
O ΔH = -199 kJ/mol. O sinal negativo indica que a reação libera energia, ou seja, é exotérmica.

Resposta

Para a primeira reação, ΔH = +42 kJ/mol (endotérmica). Para a segunda reação, ΔH = -199 kJ/mol (exotérmica). A conversão do metano em etano é mais favorável quando o oxigênio é usado porque a reação que envolve o oxigênio libera mais energia, tornando o processo energeticamente mais vantajoso.

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