Sulfeto de cobre II em ácido nítrico produzem sal, enxofre sólido, água e óxido neutro conforme pode ser observado a partir da equação química não balanceada: CuS(s) + HNO (aq) → Cu(NO ) (aq) + S(s) + NO(g) + H O(l). Partindo de 1000 g de cada reagente químico, com grau de pureza de 35%, assinale a alternativa que apresenta, aproximadamente, a massa de sal formada e o volume de óxido nítrico, respectivamente, levando em consideração as condições normais de temperatura e pressão, e sabendo que o processo possui um rendimento de 88 %.(Dados: Volume nas CNTP = 24,45 L mol . Massas atômicas: H = 1 u; Cu = 63,5 u; N = 14 u; S = 32 u; O = 16 u)
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada nesse exercício juntos! A gente tem uma reação química envolvendo sulfeto de cobre II (CuS) e ácido nítrico (HNO₃) que produz sal (Cu(NO₃)₂), enxofre sólido (S), óxido nítrico (NO) e água (H₂O). Nosso objetivo aqui é descobrir a massa de sal formada e o volume de óxido nítrico produzido quando começamos com 1000 g de cada reagente, considerando uma pureza de 35% e um rendimento de 88%. Para isso, vamos precisar equilibrar a equação química, calcular as quantidades de cada reagente puro, identificar o reagente limitante, e então calcular as quantidades desejadas usando conceitos de estequiometria e condições normais de temperatura e pressão (CNTP).
Passo 2
Primeiro, vamos equilibrar a equação química fornecida:
CuS(s) + HNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + S(s) + NO(g) + H₂O(l)
Para isso, vamos ajustar os coeficientes para que o número de átomos de cada elemento seja igual nos dois lados da equação. Vamos fazer isso passo a passo:
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Cobre (Cu): 1 no reagente e 1 no produto – está equilibrado.
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Enxofre (S): 1 no reagente e 1 no produto – está equilibrado.
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Nitrogênio (N): 1 no reagente (HNO₃) e 2 no produto (Cu(NO₃)₂). Vamos colocar um coeficiente 2 na frente do HNO₃:CuS + 2 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + S + NO + H₂O
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Oxigênio (O): Vamos contar:
- Reagentes: 2 HNO₃ têm 6 O (cada HNO₃ tem 3 O)
- Produtos: Cu(NO₃)₂ tem 6 O, NO tem 1 O, e H₂O tem 1 O, totalizando 8 O
Para equilibrar, precisamos ajustar os coeficientes. Colocamos um coeficiente 2 na frente do NO:
CuS + 2 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + S + 2 NO + H₂O -
Hidrogênio (H):
- Reagentes: 2 HNO₃ têm 2 H
- Produtos: H₂O tem 2 H – está equilibrado.
Agora, a equação balanceada fica assim:
CuS + 2 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + S + 2 NO + H₂O
Passo 3
Agora que temos a equação balanceada, vamos calcular quantas moles de cada reagente puro temos. Lembrando que a massa fornecida é de 1000 g para cada reagente, mas com pureza de 35%. Então, a massa efetiva de cada reagente puro é:
Massa pura = Massa total × Pureza
- Para CuS: 1000 g × 35% = 350 g
- Para HNO₃: 1000 g × 35% = 350 g
Passo 4
Vamos calcular as massas molares dos reagentes:
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CuS:
- Cu = 63,5 g/mol
- S = 32 g/mol
- Massa molar do CuS = 63,5 + 32 = 95,5 g/mol
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HNO₃:
- H = 1 g/mol
- N = 14 g/mol
- O = 16 g/mol × 3 = 48 g/mol
- Massa molar do HNO₃ = 1 + 14 + 48 = 63 g/mol
Passo 5
Agora, vamos calcular o número de moles de cada reagente puro:
Número de moles = Massa pura / Massa molar
- CuS: 350 g / 95,5 g/mol ≈ 3,66 mol
- HNO₃: 350 g / 63 g/mol ≈ 5,56 mol
Passo 6
Com a equação balanceada:
CuS + 2 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + S + 2 NO + H₂O
Vemos que 1 mol de CuS reage com 2 mols de HNO₃. Agora, vamos identificar qual reagente é o limitante. Para isso, comparamos a quantidade disponível com a necessária:
- Para 3,66 mol de CuS, precisamos de 2 × 3,66 ≈ 7,32 mol de HNO₃.
- Mas temos apenas 5,56 mol de HNO₃ disponível.
Como não temos HNO₃ suficiente para reagir com todo o CuS, o HNO₃ é o reagente limitante.
Passo 7
Agora, vamos calcular a quantidade de sal (Cu(NO₃)₂) formada e o volume de NO produzido, considerando o rendimento de 88%.
Primeiro, determinamos a quantidade teórica de produtos baseados no reagente limitante (HNO₃):
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Da equação balanceada, 2 mols de HNO₃ produzem 1 mol de Cu(NO₃)₂ e 2 mols de NO.
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Então, com 5,56 mol de HNO₃:
- Mols de Cu(NO₃)₂ = 5,56 / 2 ≈ 2,78 mol
- Mols de NO = 5,56 mol
Agora, aplicamos o rendimento de 88%:
- Mols de Cu(NO₃)₂ reais = 2,78 mol × 0,88 ≈ 2,45 mol
- Mols de NO reais = 5,56 mol × 0,88 ≈ 4,89 mol
Passo 8
Vamos converter os mols de Cu(NO₃)₂ para massa:
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Massa molar do Cu(NO₃)₂:
- Cu = 63,5 g/mol
- N = 14 g/mol × 2 = 28 g/mol
- O = 16 g/mol × 6 = 96 g/mol
- Massa molar = 63,5 + 28 + 96 = 187,5 g/mol
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Massa de Cu(NO₃)₂ formada = 2,45 mol × 187,5 g/mol ≈ 459,4 g
Passo 9
Agora, vamos calcular o volume de NO produzido nas CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão). Sabemos que 1 mol de gás ocupa 24,45 L nas CNTP.
- Volume de NO = 4,89 mol × 24,45 L/mol ≈ 119,6 L
Resposta
Aproximadamente 459,4 gramas de sal (Cu(NO₃)₂) são formados e o volume de óxido nítrico (NO) produzido é de cerca de 119,6 litros.