A reação em fase líquida
é realizada em um reator batelada operado a temperatura constante. O volume do reator é constante e igual a 50 L . A reação é de primeira ordem em relação a ambos os reagentes. A constante da velocidade de reação é de
min ). O reator é carregado com 50 mols de A e 100 mols de B. Calcule o tempo de reação para alcançar
de conversão e determine as concentrações de A, B e C.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão tá pedindo! Temos uma reação líquida onde A reage com duas moléculas de B para formar C:
. A reação é de primeira ordem em relação a ambos os reagentes, ou seja, a velocidade depende diretamente das concentrações de A e B. A gente precisa calcular quanto tempo leva para 60% de A se transformar e descobrir as concentrações finais de A, B e C no reator batelada que tem 50 litros. Para resolver isso, vamos usar conceitos de cinética química e balanço de massa.
Passo 2
Primeiro, vamos definir o que significa 60% de conversão. Se começamos com 50 mols de A, 60% de conversão quer dizer que 60% desses 50 mols vão reagir. Vamos calcular quantos mols de A isso representa:
Passo 3
Agora, vamos calcular quantos mols de B são consumidos nessa reação. A equação balanceada diz que para cada mol de A que reage, 2 mols de B são consumidos:
Passo 4
Vamos determinar os mols finais de cada substância no reator:
- A: Começamos com 50 mols e consumimos 30 mols.
- B: Começamos com 100 mols e consumimos 60 mols.
- C: Formamos 30 mols de C, já que cada mol de A convertido forma um mol de C.
Passo 5
Agora, vamos encontrar as concentrações finais de cada substância no reator. Sabemos que a concentração é dada por:
O volume do reator é 50 litros. Então:
- Concentração de A:
- Concentração de B:
- Concentração de C:
Passo 6
Para calcular o tempo necessário para alcançar 60% de conversão, usamos a expressão da velocidade da reação. Para uma reação de primeira ordem em relação a A e B, a velocidade é:
Como a concentração de A e B muda com o tempo, precisamos integrar essa expressão. Porém, como conhecemos a conversão desejada, podemos usar uma abordagem simplificada baseada na taxa desejada.
Sabemos que:
Usando os valores de concentração no início e no ponto de conversão desejada, podemos resolver para o tempo.
Mas, para simplificar, consideramos a média das concentrações durante a reação para uma estimativa:
Então:
Agora, a mudança na concentração de A é 0,6 vezes 0,4 mol/L (60% de conversão):
Então, o tempo é:
Resposta
O tempo de reação necessário para alcançar 60% de conversão é aproximadamente 1,13 minutos. As concentrações finais no reator são: