Grandezas químicas: massa, volume, mol, massa molar, constante de Avogadro e Estequiometria

Provavelmente, você já ouviu que matéria é tudo o que ocupa lugar no espaço. Esse é um conceito bastante simplificado, pois a massa é o que realmente define a matéria.

Nesses termos, as grandezas são uma importante ferramenta para determinar a quantidade de matéria, o espaço ocupado por ela ou medir, comparar e entender como ocorrem as alterações sofridas por ela em processos de transformação.

Uma grandeza é o que pode ser medido e as unidades são representações padronizadas para medir essas grandezas. Para entender melhor, vamos considerar as grandezas: massa, volume, mol, massa molar, constante de Avogadro e estequiometria.

Massa e Volume

A massa é uma grandeza relacionada diretamente com a quantidade de matéria contida em um corpo. Por exemplo, um copo com água tem massa menor que o mesmo copo preenchido com ferro. Assume-se, então, que o copo com ferro tem mais matéria que com água.

A massa de um corpo está relacionada à inércia desse corpo: a massa é considerada como a medida quantitativa da inércia. Quanto maior a massa de um corpo, maior a dificuldade imposta por ele ao repouso (de uma vez estando em movimento, fazê-lo parar) ou ao movimento (fazê-lo movimentar-se, quando em repouso).

A balança é o equipamento utilizado para medir a massa (m). Geralmente, diz-se que um objeto foi “pesado” na balança. O peso (P) é uma grandeza relacionada à ação da gravidade (g), ou seja, à força com que o corpo é atraído à superfície da Terra.

Assim, se P = m ∙ g, ele varia em função da massa e da interação gravitacional. A massa, por sua vez, é invariável, independente de onde for medida!

A unidade de medida mais utilizada para determinar a massa é o quilograma, representado por kg. Essa também é a unidade padrão adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) para medir a massa. Contudo, outras unidades são utilizadas. A seguir, algumas delas são relacionadas:

Em laboratório, muitas vidrarias são utilizadas para medir volume de líquidos: balão volumétrico, pipeta, bureta, proveta, entre outros.

A medida de sólidos pode ser realizada indiretamente por verificar o deslocamento causado pela imersão do corpo em um líquido, conforme representado na imagem a seguir.

Massa e volume são propriedades gerais da matéria. Ao contrário da densidade (d), que relaciona essas duas grandezas (d = m/v), não é possível identificar a substância ou o composto medindo seu volume ou sua massa.

Mol, Massa Molar e Constante de Avogadro

No laboratório, trabalha-se com amostras de matéria constituída por uma enorme quantidade de átomos, íons, moléculas, entre outros. Por isso, é conveniente utilizar uma unidade que possibilite descrever esses valores de uma forma prática.

Fazemos isso no dia a dia, quando usamos o termo “par” para designar duas unidades de algo; ou ainda, atribuímos a unidade dúzia para um conjunto de 12 entidades, objetos etc.

Para um composto como o NaCl, a massa atômica é dada pela soma das massas molares dos átomos constituintes. Na tabela periódica, para o sódio e para o cloro, encontram-se os valores de massa atômica 22,990 u e 35,453 u, respectivamente.

Estequiometria

A estequiometria envolve cálculos que relacionam as quantidades relativas de elementos combinados em moléculas ou compostos e que, com base nas leis das reações químicas e nas equações correspondentes das reações, determinam as quantidades de reagentes e produtos.

As questões de estequiometria exigem do aluno a capacidade de interpretação de texto, uma vez que o texto-base fornece dados importantes à resolução. A partir disso, o primeiro passo para realizar os cálculos estequiométricos é escrever a equação balanceada que representa a reação química descrita no texto. Dessa forma, é possível relacionar os dados fornecidos e solicitados na situação-problema.

Em seguida, deve-se identificar as especificações químicas envolvidas na situação-problema. Por exemplo, considere a reação de produção da amônia, representada pela equação balanceada:

Para determinar a massa produzida, deve-se converter a proporção molar na unidade do parâmetro solicitado: massa, cuja unidade pode ser gramas (g). Para isso, considera-se a massa molar dos elementos químicos e a quantidade de cada um deles na composição das substâncias envolvidas.

Por fim, após converter as unidades de acordo com o que foi solicitado na questão, deve-se calcular a massa por meio de regra de três simples. A resolução desse problema é apresentada de forma resumida a seguir.

Resumindo, as etapas para realizar os cálculos estequiométricos são:

1- Escrever a equação química que representa a reação descrita;

2- Balancear corretamente os coeficientes estequiométricos da equação, de forma que as quantidades de átomos de cada elemento seja igual nos reagentes e nos produtos;

3- Identificar as espécies envolvidas na situação-problema;

4- Estabelecer a relação entre a quantidades de mol, de átomos ou moléculas, a massa e o volume, convertendo as unidades de forma adequada;

5- Determinar o que está sendo solicitado, por meio de regra de três.

Os casos de estequiometria podem ainda envolver um reagente limitante e um reagente em excesso, reagentes que não são 100% puros e determinação do rendimento da reação.

Estequiometria no Enem

Estequiometria é um tema recorrente nas provas do Enem, cujos itens estão geralmente relacionados com processos tecnológicos e meio ambiente. Considere o item a seguir.

A minimização do tempo e custo de uma reação química, bem como o aumento na sua taxa de conversão, caracterizam a eficiência de um processo químico. Como consequência, produtos podem chegar ao consumidor mais baratos. Um dos parâmetros que mede a eficiência de uma reação química é o seu rendimento molar (R, em %) definido como:

em que n corresponde ao número de mols. O metanol pode ser obtido pela reação entre brometo de metila e hidróxido de sódio, conforme a equação química:

As massas molares (em g/mol) desses elementos são: H = 1; C = 12; O = 16; Na = 23; Br = 80.

O rendimento molar da reação, em que 32 g de metanol foram obtidos a partir de 142,5 g de brometo de metila e 80 g de hidróxido de sódio, é mais próximo de:

a) 22%. b) 40%. c) 50%. d) 67%. e) 75%.

Resolução:

O texto-base fornece a equação química balanceada, com razão entre reagentes e produtos de 1:1:1:1; e indica que 32 g de CH3OH foram produzidos a partir de 142,5 g de CH3Br e 80 g de NaOH.

O rendimento molar da reação, em que 32 g de metanol foram obtidos a partir de 142,5 g de brometo de metila e 80 g de hidróxido de sódio, é aproximadamente 67%.