Uma importante reação para a conversão de gás natural para outros hidrocarbonetos úteis é a conversão de metano em etano.
Na prática, essa reação é realizada na presença de oxigênio, que converte o hidrogênio produzido em água.
Use as entalpias de ligação para estimar o
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:
Ou seja, subtraímos a energia total das ligações formadas da energia total das ligações quebradas.
Passo 3
Vamos começar com a primeira reação:
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
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:
E a energia das ligações formadas:
Passo 6
Agora, aplicamos a fórmula do ΔH:
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:
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:
E a energia das ligações formadas:
Passo 10
Aplicando a fórmula do ΔH:
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.