Questão 2 Fuvest 2022 - 2ª fase - dia 2 - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 2

Deslocamento de Equilíbrio Cinética Química

Para possibilitar a exploração de Marte, é necessário viabilizar a viagem de retorno à Terra. Uma das formas de tornar os voos de retorno possíveis é produzir combustível a partir da água encontrada em Marte. Para tanto, o hidrogênio seria gerado por eletrólise da água e, posteriormente, utilizado na reação de Sabatier. Nessa reação, o combustível é gerado pela reação do hidrogênio com dióxido de carbono em temperaturas e pressões elevadas na presença de um catalisador de níquel, resultando na produção de metano e água e na liberação de aproximadamente 165 kJ de energia por mol de ${CO}_{2}$ .

a) No gráfico da folha de respostas, está representada a quantidade de metano gerado pela reação de Sabatier em função do tempo na temperatura T1, depois que o equilíbrio foi estabelecido. Nesse mesmo gráfico, represente a quantidade de metano em função do tempo em uma temperatura $T_{2}$ maior que $T_{1}$ ,após o estabelecimento do equilíbrio.

b) No gráfico da folha de respostas, está representada a quantidade de metano gerado pela reação de Sabatier em função do tempo na presença de $Ni$ . No mesmo gráfico, represente a quantidade de metano esperada em função do tempo na ausência de $Ni$ . Explique o efeito do catalisador na energia de ativação da reação de Sabatier.

c) Escreva a equação balanceada da reação de Sabatier. Considerando apenas a composição atmosférica da Terra e de Marte apresentada na tabela a seguir, explique, com base nesse equilíbrio químico, por que essa reação não seria indicada para gerar metano na Terra.

Resolução

a) Conforme descrito no enunciado, a reação de Sabatier libera 165 kJ/mol de $C O_{2}$ e, portanto, trata-se de uma transformação exotérmica no sentido da reação direta. Dessa forma, sendo $T_{2} > T_{1}$ espera-se que a formação de metano ( $C H_{4}$ ), produto da reação, seja desfavorecida em T₂ em relação à T₁, já que o aumento da temperatura desfavorece a reação exotérmica, isto é, desloca o equilíbrio no sentido da reação inversa. Com isso, há menor quantidade de metano no equilíbrio em T₂. Graficamente, temos:

b) O catalisador é uma substância que altera o mecanismo da reação, fazendo com que esta ocorra por um caminho de menor energia de ativação. Dessa forma, como a energia de ativação é o parâmetro que determina a rapidez com a qual a reação ocorre, na presença do catalisador, a transformação ocorre com maior velocidade e, dessa forma, espera-se que, para um mesmo intervalo de tempo, mais produto tenha sido formado em um sistema com catalisador (no caso, Ni) frente a um que não apresente essa espécie. Portanto, graficamente, tem-se:

c) A reação de Sabatier é dada pela equação química balanceada:

$4 H_{2 (g)} + C O_{2 (g)} ⇌ C H_{4 (g)} + 2 H_{2} O_{(g)}$

Dentre as espécies químicas envolvidas na transformação, o dióxido de carbono ( $C O_{2}$ ) está entre os principais componentes das atmosferas terrestre e de Marte, como mostrado na tabela. Como esse gás é muito abundante na atmosfera de Marte (95,3%), a ocorrência da reação direta (formação de metano) é favorecida já que, em altas quantidades de dióxido de carbono o equilíbrio é deslocado para a direita.
Frente a isso, na Terra, a baixa disponibilidade relativa de $C O_{2}$ (0,04%) faz com que o equilíbrio seja deslocado para a esquerda e, dessa forma, espera-se menor rendimento na obtenção de $C H_{4}$ por essa reação.