A reação abaixo ocorre em fase gasosa.
4 NH3+5 O2 4 NO+6 H2 O. A alimentação consiste de 15 % mol de amônia em ar a 8,2 atm e 227^circ C.
Expresse Pi e Ci para todas as espécies como função da conversão para um reator a volume constante. Expresse PT como função de X.

Passo 1

Beleza, vamos lá! Temos uma reação gasosa: . A mistura de entrada é composta por 15% mol de amônia ( ) em ar, com uma pressão total de e temperatura de . Nosso objetivo aqui é encontrar as pressões parciais ( ) e as concentrações ( ) de todas as espécies em função da conversão ( ) no reator a volume constante, além de expressar a pressão total ( ) em função de . Vamos precisar de conceitos de estequiometria, conversão química e relações entre pressão, concentração e número de mols em condições de gás ideal.

Passo 2

Primeiro, vamos definir a conversão . Ela representa a fração de que reage. Se começamos com n mols de , a quantidade que reage é mols, de acordo com a equação balanceada. Mas vamos simplificar assumindo que n = 1 mol para facilitar os cálculos.

Passo 3

Agora, identificamos a composição inicial da mistura. Temos 15% mol de , então em 1 mol total de ar, temos 0,15 mol de e 0,85 mol de e outros componentes inertes. Contudo, vamos considerar apenas para simplificação, já que eles reagem com .

Passo 4

De acordo com a reação, para cada 4 mols de que reagem, 5 mols de são consumidos, e são formados 4 mols de e 6 mols de . Assim, se a conversão de é , então:
  • consumido:
  • consumido:
  • formado:
  • formado:

Passo 5

Vamos montar uma tabela de balanço de massa para cada espécie:
c|c|c Espécie & Inicial & Final hline NH3 & 0,15 & 0,15 - 4X O2 & 0,85 & 0,85 - 5X NO & 0 & 4X H2O & 0 & 6X é

Passo 6

Agora, vamos calcular o número total de mols no final da reação:
ntotal = (0,15 - 4X) + (0,85 - 5X) + 4X + 6X = 1 - 5X + 10X = 1 + 5X

Passo 7

Como o volume é constante e a temperatura também (227°C, que convertemos para Kelvin: PT = P0 times (1 + 5X) ), a pressão total está relacionada ao número total de mols pela equação dos gases ideais:
onde .

Passo 8

Para encontrar a pressão parcial de cada espécie ( Pi = nintotal times PT ), usamos a relação:
Pi = ni1 + 5X times 8,2 times (1 + 5X) = 8,2 times ni1 + 5X
Substituindo os valores:
PNH3 = 0,15 - 4X1 + 5X times 8,2
Assim,
PO2 = 0,85 - 5X1 + 5X times 8,2
PNO = 4X1 + 5X times 8,2
PH2O = 6X1 + 5X times 8,2

Passo 9

Agora, para as concentrações Ci = PiRT , usamos a relação entre pressão e concentração para gases ideais:
Ci = Pi0,0821 times 500
onde CNH3 = (0,15 - 4X) times 8,2(1 + 5X) times 0,0821 times 500 e CO2 = (0,85 - 5X) times 8,2(1 + 5X) times 0,0821 times 500 .
Portanto,
CNO = 4X times 8,2(1 + 5X) times 0,0821 times 500
Substituindo CH2O = 6X times 8,2(1 + 5X) times 0,0821 times 500 de cada espécie:

Passo 10

Resumindo, expressamos todas as pressões parciais e concentrações em função da conversão , considerando o volume constante e utilizando a equação dos gases ideais para relacionar pressão e concentração.

Resposta

As pressões parciais ( PNH3 = 0,15 - 4X1 + 5X times 8,2 atm ) e as concentrações ( PO2 = 0,85 - 5X1 + 5X times 8,2 atm ) das espécies em função da conversão PNO = 4X1 + 5X times 8,2 atm são:
PH2O = 6X1 + 5X times 8,2 atm
PT = 8,2 times (1 + 5X) atm
Ci = Pi0,0821 times 500 mol/L
A pressão total em função de é:
As concentrações ( ) podem ser calculadas usando:

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