Mistura de soluções com reação química

Uma mistura de soluções com reação química é realizada quando adicionamos a um mesmo recipiente duas soluções (cujos solutos apresentam cátions e ânions diferentes). Elas resultam em pelo menos dois novos solutos após a mistura, como no caso a seguir:

Exemplo de uma mistura de soluções com reação química

Na ilustração acima, a solução 1 contém o soluto iodeto de cálcio (CaI₂, cátion cálcio Ca⁺² e ânion iodeto I^-), e a solução 2 apresenta o cloreto de alumínio (AlCl₃, cátion alumínio Al⁺³ e ânion cloreto Cl^-). Quando essas duas soluções são misturadas, por apresentarem íons diferentes, ocorre uma reação química, que pode ser representada pela equação balanceada a seguir:

3CaI₂ + 2AlCl₃ → 3CaCl₂ + 2AlI₃

Nessa mistura de soluções com reação química, ocorre a formação dos compostos cloreto de cálcio (CaCl₂) e iodeto de alumínio (AlI₃).

Para avaliar uma mistura de soluções com reação química

• 1º Passo: Conhecer a equação química que representa o processo;

• 2º Passo: Verificar ou efetuar o balanceamento da equação química que representa a reação para conhecer a proporção estequiométrica entre os participantes dessa equação;

• 3º Passo: Se houver dados suficientes, conhecer o número de mol utilizado de cada um dos solutos nas soluções misturadas;

• 4º Passo: Verificar se o número de mol utilizado está de acordo com a proporção estequiométrica do balanceamento;

• 5º Passo: Determinar o número de mol de cada um dos produtos formados na reação química resultante da mistura;

• 6º Passo: Determinar a concentração de cada um dos produtos na solução resultante, caso seja necessário.

Fórmulas utilizadas nos cálculos de misturas de soluções com reação química

⇒ Determinação do número de mol a partir da massa

Caso seja conhecida a massa do soluto em cada uma das soluções que, misturadas, resultarão em uma reação química, é possível determinar o número de mol de cada soluto pela seguinte fórmula:

n =  m₁ 
      M₁

• n = número de mol

• m = massa do soluto fornecida

• M₁ = massa molar do soluto

⇒ Determinação do número de mol a partir do volume e da concentração em mol/L da solução

Caso sejam conhecidos a concentração molar do soluto e o volume da solução de cada uma das soluções misturadas, é possível determinar o número de mol de cada soluto pela seguinte fórmula:

M =  n 
       V

• M = concentração molar ou em mol/L

• n = número de mol,

• V = volume da solução,

Obs.: Essa fórmula pode ser utilizada para determinar a concentração molar de cada um dos produtos tanto na solução final quanto nas soluções iniciais.

Exemplos de cálculos envolvendo mistura de soluções com reação química

1º Exemplo – (UFGD-MS) Um caminhão-tanque tombou e derramou 400 L de ácido sulfúrico, de concentração 6 mol/L, para dentro de uma lagoa. Para amenizar os danos ecológicos, decidiu-se adicionar bicarbonato de sódio à água da lagoa. Calcule a massa mínima de bicarbonato de sódio necessária para reagir com todo o ácido derramado. Dados: NaHCO₃ = 84 g/mol

• Volume da solução 1: 400 L

• Molaridade da solução 1: 6 mol/L

• Massa do soluto 2: ?

• Massa molar do soluto na solução 2: 84 g/mol

Para resolver a questão, devemos realizar os seguintes passos:

1º Passo: Montar e balancear a equação química:

H₂SO₄ + 2NaHCO₃ → 1Na₂SO4 + 2H₂CO₃

ou

H₂SO₄ + 2NaHCO₃ → Na₂SO4 + 2H₂O + 2CO₂

Obs.: O ácido carbônico (H₂CO₃) é instável e forma CO₂ e H₂O.

2º Passo: Proporção da reação.

De acordo com o balanceamento, há 1 mol do ácido sulfúrico (H₂SO₄) para 2 mol do bicarbonato de sódio nos reagentes e 1 mol de sulfato de sódio (Na₂SO₄) para 2 mol de ácido carbônico (H₂CO₃) no produto.

3º Passo: Determinar o número de mol do ácido, a partir dos dados fornecidos, pela expressão a seguir:

M = n_H2SO4
      V

6 = n_H2SO4
    400

n_H2SO4 = 6.400

n_H2SO4 = 2400 mol

4º Passo: Determinar o número de mol de bicarbonato de sódio (NaHCO₃).

Para isso, deve-se apenas multiplicar o número de mol do ácido encontrado no terceiro passo por dois, respeitando a estequiometria da equação:

n_NaHCO3 = 2. n_H2SO4

n_NaHCO3 = 2.2400

n_NaHCO3 = 4800 mol

5º Passo: Determinar a massa de NaHCO₃.

Para isso, são utilizados o número de mol encontrado no quarto passo e a massa molar desse sal na expressão a seguir:

n_NaHCO3 = m_NaHCO3
               M_NaHCO3

4800 = m_NaHCO3
          84

m_NaHCO3 = 4800.84

m_NaHCO3 = 403200 g

2º Exemplo - (UFBA) 100 mL de uma solução 1 mol/L de Al₂(SO₄)₃ são adicionados a 900 mL de uma solução 1/3 mol/L de Pb(NO₃)₂. Determine, em gramas, o valor aproximado da massa do PbSO₄ formado. Considera-se desprezível a perda de massa do PbSO₄ por solubilidade.

• Volume da solução 1: 100 mL

• Molaridade da solução 1: 1 mol/L

• Volume da solução 2: 900 mL

• Molaridade da solução 2: 1/3 mol/L

Para resolver essa questão, devemos realizar os seguintes passos:

1º Passo: Montar e balancear a equação química:

1Al₂(SO₄)₃3 + 3Pb(NO₃)₂ → 3PbSO₄ + 2Al(NO₃)₃

2º Passo: Proporção da reação.

De acordo com o balanceamento, há 1 mol do sulfato de alumínio [Al₂(SO₄)₃] para 3 mol do nitrato de chumbo II [Pb(NO₃)₂] nos reagentes e 3 mol de sulfato de chumbo II (PbSO₄) para 2 mol de nitrato de alumínio [Al(NO₃)₃] no produto.

3º Passo: Determinar o número de mol do sulfato de alumínio, a partir dos dados fornecidos, pela expressão a seguir:

M = n_Al2(SO4)3  
     V

1 = n_Al2(SO4)3  
     0,1

n_Al2(SO4)3 = 1.0,1

n_Al2(SO4)3 = 0,1 mol

4º Passo: Determinar o número de mol do nitrato de chumbo II, a partir dos dados fornecidos, pela expressão a seguir:

M = n_Pb(NO3)2
      V

1 = n_Pb(NO3)2
3       0,9     

3n_Pb(NO3)2 = 0,9.1

n_Pb(NO3)2 = 0,9
                3

n_Pb(NO3)2 = 0,3 mol

5º Passo: Verificar se o número de mol encontrado em cada solução obedece à estequiometria da reação.

Há 1 mol do sulfato de alumínio [Al₂(SO₄)₃] para 3 mol do nitrato de chumbo II [Pb(NO₃)₂]. No terceiro e quarto passo, foram encontrados, respectivamente, 0,1 mol e 0,3 mol, o que significa que os valores obedecem à estequiometria.

6º Passo: Determinar o número de mol do PbSO₄.

Para determinar o número de mol do PbSO₄, basta utilizar a estequiometria do balanceamento e qualquer número de mol encontrado no terceiro e quarto passo. No balanceamento, há 3 mol para o PbSO₄ e 3 mol para o 3Pb(NO₃)₂, logo, se no quarto passo são encontrados 0,3 mol para o 3 Pb(NO₃)₂, o PbSO₄ também vale 0,3 mol.

7º Passo: Determinar a massa molar do PbSO₄.

Para isso, basta multiplicar a quantidade de átomos de cada elemento por sua massa molar e depois somar os resultados:

M_PbSO4 = 1.207 + 1.32 + 4.16

M_PbSO4 = 207 + 32 + 64

M_PbSO4 = 303 g/mol

8º Passo: Determinar a massa do PbSO₄.

Para isso, são utilizados o número de mol encontrado no sexto passo e a massa molar encontrada no sétimo passo na fórmula a seguir:

n_PbSO4 = m_PbSO4
             M_PbSO4

0,3 = m_PbSO4
       303

m_PbSO4 = 0,3.303

m_PbSO4 = 90,9g.

3º Exemplo – (UNA-MG) Um tablete de antiácido contém 0,450 g de hidróxido de magnésio. O volume de solução de HCl a 0,100 M (aproximadamente a concentração de ácido no estômago), que corresponde à neutralização total do ácido pela base, é: Dados: Mg(OH)₂ = 58 g/mol

a) 300 mL

b) 78 mL

c) 155 mL

d) 0,35 L

e) 0,1 L

• Massa do soluto 1: 0,450 g

• Massa molar do soluto 1: 58 g/mol

• Volume da solução 2: ?

• Molaridade da solução 2: 0,1 mol/L

Para resolver essa questão, devemos realizar os seguintes passos:

1º Passo: Montar e balancear a equação química:

Mg(OH)₂ + 2HCl → 1MgCl₂ + 2H₂O

2º Passo: Proporção da reação.

De acordo com o balanceamento, há 1 mol do hidróxido de magnésio (Mg(OH)₂) para 2 mol do ácido clorídrico (HCl) no reagente e 1 mol de cloreto de magnésio (MgCl₂) para 2 mol de água (H₂ O) no produto.

3º Passo: Determinar o número de mol da base (Mg(OH)₂), a partir dos dados fornecidos, na expressão a seguir:

n_Mg(OH)2 = m_Mg(OH)2
               M_Mg(OH)2

n_Mg(OH)2 = 0,450
               58

n_Mg(OH)2 = 0,0077 mol

4º Passo: Determinar o número de mol de ácido clorídrico (HCl).

Para isso, deve-se apenas multiplicar o número de mol da base encontrado no terceiro passo por dois, respeitando a estequiometria da equação:

n_HCl = 2. n_H2SO4

n_HCl = 2.0,0077

n_HCl = 0,0154 mol

5º Passo: Determinar o volume de HCl.

Para isso, são utilizados o número de mol encontrado no quarto passo e a concentração molar fornecida no enunciado na expressão a seguir:

M_HCl = n_HCl
          V

0,1 = 0,0154
        V

0,1V = 0,0154

V = 0,0154
      0,1

V = 0,154 L ou 154 mL

4º Exemplo – (PUC-RJ) Na reação de neutralização de 40 mL de solução 1,5 mol.L^–1 de hidróxido de sódio com 60 mL de solução 1,0 mol.L^–1 de ácido clorídrico, é correto afirmar que a concentração em quantidade de matéria (mol.L–1) de Na+ nos 100 mL resultantes da mistura das soluções é igual a:

a) 0,2

b) 0,4

c) 0,6

d) 0,8

e) 1,2

• Volume da solução 1: 40 mL ou 0,04 L (dividindo por 1000)

• Molaridade da solução 1: 1,5 mol/L

• Volume da solução 2: 60 mL ou 0,06 L (dividindo por 1000)

• Molaridade da solução 2: 1 mol/L

Para resolver essa questão, devemos realizar os seguintes passos:

1º Passo: Montar e balancear a equação química:

NaOH + HCl → NaCl + 1H₂O

2º Passo: Proporção da reação.

De acordo com o balanceamento, há 1 mol do hidróxido de sódio (NaOH) para 1 mol do ácido clorídrico (HCl) nos reagentes e 1 mol de cloreto de sódio (NaCl) para 1 mol de água (H₂O) no produto.

3º Passo: Determinar o número de mol do sulfato de alumínio, a partir dos dados fornecidos, na expressão a seguir:

M = n_NaOH
     V

1,5 = n_NaOH
        0,04

n_NaOH = 1,5.0,04

n_NaOH = 0,06 mol

4º Passo: Determinar o número de mol do nitrato de chumbo II, a partir dos dados fornecidos, na expressão a seguir:

M = n_HCl
     V

1 = n_HCl
    0,06

n_HCl = 1.0,06

n_HCl = 0,06 mol

5º Passo: Verificar se o número de mol encontrado em cada solução obedece à estequiometria da reação.

Há 1 mol do NaOH para 1 mol de HCl. No terceiro e quarto passo, foram encontrados 0,06 mol e 0,06 mol, respectivamente, logo, os valores obedecem à estequiometria.

6º Passo: Determinar o número de mol do NaCl.

Para determinar o número de mol do NaCl, basta utilizar a estequiometria do balanceamento e qualquer número de mol encontrado no terceiro e quarto passo. No balanceamento, há 1 mol para o HCl e 1 mol para o NaCl, logo, se no quarto passo forem encontrados 0,06 mol para o HCl, o NaCl também valerá 0,06 mol.

7º Passo: Determinar o volume após a mistura das soluções.

Para isso, basta somar o volume de cada uma das duas soluções que foram misturadas:

V= volume da solução 1 + volume da solução 2

V= 0,004 + 0,06

V=0,1 L

8º Passo: Determinar a concentração molar do NaCl.

Para isso, basta utilizar o número de mol do sexto passo com o volume final da solução encontrado no sétimo passo na expressão a seguir:

M_NaCl = n_NaCl
          V

M_NaCl = 0,06
            0,1

M_NaCl = 0,6 mol/L

9º Passo: Determinar a quantidade de cátions Na⁺ na solução final.

Para isso, basta multiplicar a concentração molar encontrada no oitavo passo pela quantidade de átomos do Na na fórmula NaCl:

[Na⁺] = 1.M_NaCl

[Na⁺] = 1. 0,6

[Na⁺] = 0,6 mol/L