Reações Químicas

Prof. Dr. Dirceu Noriler

Engenharia Química - Reatores I

Processo QuímicoMatéria-prima

Pré-tratamento (Físico)

Mistura, separação, transferência de calor, purificação, extração...

Pós-tratamento (Físico)

Destilação, granulação...

Produtos

Tratamento QuímicoReação

Reciclo

Reator

1 Reações Químicas

• Reação Química:

• Identidade de uma espécie química: tipo, número e configuração eletrônica/ geométrica das espécies atômicas.

Processo no qual ocorre a mudança do tipo de molécula e/ou de sua estrutura e/ou no número atômico

Quando há uma alteração na identidade de uma espécie química, há uma reação química.

1 Reações Químicas

• Tipos de Reações Químicas:

Geometria

Isomerização Adição / Combinação

Decomposição

1. Reações Químicas

• A taxa de reação é governada pelos princípios da Cinética Química;

• A Cinética relaciona a taxa da reação com propriedades como temperatura, pressão, concentração, presença ou não de catalisador...

• As reações químicas podem ser classificadas quanto:

Número de Fases Direção da reaçãoPresença de agentes

externos

✔ Homogêneas ✔ Irreversível ✔ Catalíticos

✔ Heterogêneas ✔ Reversível ✔ Não Catalíticos

Para uma reação química balanceada, a seguinte expressão deve ser respeitada:

– Para a reação do exemplo:

– Note que, por definição, o coeficiente estequiométrico é – para os reagentes e + para os produtos;

– A soma mostra a variação do número de mols totais da reação.

1.Reações Químicas

Cl2 + C3 H6 + 2NaOH → C3 H6 O + 2NaCl + H2O

∑i=1

nc

νi A i = 0

A1 ≡ Cl2 A2 ≡ C3H6 A3 ≡ NaOHA4 ≡ C3H6O A5 ≡ NaCl A6 ≡ H2 O

ν1 =−1 ν2 =−1 ν3 =−3ν4 = 1 ν5 = 2 ν6 = 1

∑i=1

n

νi

Onde: νi ≡ coeficiente estequiométrico da espécie iA i ≡ espécie química i

Considere a reação:

NOTAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA

– Em uma reação química, o que se conserva?

– O número de moléculas NÃO se conserva

– Os elementos são conservados

– A massa é conservada

1. Reações Químicas

• Para descrever as mudanças de composição em um reator, faz-se necessário conhecer as taxas de reação

• Considere a reação:

• Nós definimos taxa da reação, , como o número de vezes que este evento reacional ocorre por tempo e por volume

1.1 Taxa de reação

r

• Considere moléculas de N2, H2,e NH3 soltas em uma “caixa” de volume fixo “V”

• Define-se a extensão da reação, , como o número de vezes que este evento reacional ocorre, ou seja, o número de vezes que uma molécula de N2 se choca com três moléculas de H2 e se transforma em duas moléculas de NH3 em um curto intervalo de tempo

• A variação na extensão da reação, , é definida como o número líquido de eventos reacionais que ocorrem em um intervalo de tempo

1.1 Taxa de reação

Δξ

Δ t

V

ξ

A taxa de reação é então definida como:

• Se o evento direto (no exemplo: uma molécula de N2 se choca com três moléculas de H2 e se transforma em duas moléculas de NH3) ocorre com maior frequência que o evento reverso (no exemplo: duas moléculas de NH3 se decompondo em uma molécula de N2 e três moléculas de H2) então a mudança em é positiva e a taxa da reação é positiva

• Se o evento reverso ocorre com maior frequência que o evento direto, então a mudança em e a taxa da reação são negativas

• No equilíbrio, a mudança em e os eventos direto e reverso ocorrem em igual número

1.1 Taxa de reação

r =Δξ

V Δ t

ξ

ξ

ξ

• A extensão da reação é o número de eventos em que ocorrem alterações moleculares

• Assim, as unidades da taxa de reação, , são:

moléculas/(tempo-volume)

• Se a taxa da reação for dividida pelo número de Avogadro, a unidade da extensão da reação é moles e a unidade da taxa é

• Ao assumir que a matéria se comporta como um contínuo e ignorando a natureza discreta das moléculas, pode-se considerar que a taxa da reação é definida em um ponto no espaço dentro de um grande sistema reacional ou um reator químico

1.1 Taxa de reação

r≡moles

tempo−volume

r

• É difícil medir a taxa da reação diretamente, pois não se consegue medir diretamente os eventos de transformação molecular

• A concentração das espécies é, por este motivo, utilizada para mensurar a taxa da reação

• A Taxa de Produção, , é a taxa com que as espécies j são produzidas devido à reação que está ocorrendo

• Para o exemplo:

• Cada vez que um evento reacional direto ocorre, duas moléculas de NH3 são produzidas

• Cada vez que um evento reacional reverso ocorre, duas moléculas de NH3 são consumidas

1.1 Taxa de reação

R j

• A Taxa de Produção de NH3, , está, portanto, diretamente relacionada com a taxa da reação:

• Para as demais espécies:

1.1 Taxa de reação

RNH3

RNH3= 2r

RH 2=−3 r

RN 2=−r

1.2 Extensão da Reação

Considere um sistema fechado no qual ocorre uma reação química. A extensão da reação é definida como:

Onde:

– Ni0 = Número de mols da espécie “i” no tempo t=0;

– Ni = Número de mols da espécie “i” no tempo t;

– ΔNi = Variação do número de mols da espécie “i” em Δt.

ξ =Ni − Ni0

νi=

ΔNiνi

≡ [mol]

Para um sistema aberto, em regime estacionário:

Onde:

– Fi0= Vazão molar da espécie “i” na entrada do sistema;

– Fi = Vazão molar da espécie “i” na saída do sistema;

– ΔFi = Variação da espécie “i” no ΔV.

ξ =Fi − Fi0

νi=

ΔFiνi

≡ [mol/s]

1.2 Extensão da Reação

GRAU DE AVANÇO MÁXIMO:

O grau de avanço máximo será atingido quando o número de mols (final) do reagente inicialmente em menor proporção estequiométrica for igual a zero, ou seja:

Sistema Fechado: Sistema Aberto:

ξMÁX =−Ni0νi

ξMÁX =−Fi0νi

1.2 Extensão da Reação

REAGENTE LIMITE: é o reagente que está em menor proporção estequiométrica em um sistema reacional. Desta forma, ele apresenta o menor grau de avanço máximo.

Exemplo:

Para a reação:

Sendo o número de mols inicial de cada espécie igual a:

C3 H6 + 9/2O2 → 3CO2 + 3H2O

N(C3H6)0=− 100 mols N(O2)0 =− 200 mols

ξMÁX :(C3H6)=−

100(−1)

= 100 mols ξMÁX :(O2)=−

200(−9/2)

= 44,4 mols

REAGENTE LIMITE

1.2 Extensão da Reação

LEI DAS PROPORÇÕES:

• Para Sistemas Fechados:

• Para Sistemas Abertos em estado estacionário:

• Ou seja:

• Ou, sendo:

ξ =NA − NA 0

νA=

NB − NB 0νB

= ...Nn − Nn0

νn

ξ =FA − FA0

νA=

FB − FB0νB

= ...Fn − Fn0

νn

NA − NA0=νAνB

(NB − NB0)

NA − NA0= νA ξξ=

(NB − NB0)νB

1.2 Extensão da Reação