Duas importantes tarefas que fazem parte do dia-a-dia dos químicos são:

• determinar a composição de uma substância, isto é, a quantidade de átomos de cada elemento presente no agregado atômico da substância;
• calcular as quantidades de reagentes, que serão consumidos, e produtos, que serão obtidos numa reação química. No primeiro caso se deseja conhecer a fórmula da substância. No segundo, utilizando o cálculo estequiométrico, os químicos podem prever o quanto de substância, em massa ou volume, deve ser utilizada, ou será obtida, numa reação realizada em laboratório ou numa indústria química.

Fórmula é a representação gráfica da composição de uma substância. Vários tipos de fórmulas são utilizadas. As teorias que explicam a formação das ligações químicas permitem prever a fórmula molecular, estrutural e eletrônica de uma substância molecular e a fórmula empírica de uma substância iônica. Estudaremos de que maneira é possível, através da análise de dados experimentais, determinar a fórmula molecular de uma substância e outros tipos de fórmulas como a centesimal e a mínima.

Fórmula centesimal (ou percentual) indica a percentagem, em massa, de cada elemento que constitui uma substância.

A fórmula centesimal, em outras palavras, nos indica a massa (em gramas) de cada elemento presente em 100 gramas de substância.

A determinação experimental da fórmula centesimal de uma substância é feita através de reações de síntese ou de decomposição.

Reação de síntese é aquela na qual uma substância é formada a partir de seus elementos.

Síntese da água: H₂ + ½ O₂ => H₂O;

síntese de dióxido de enxofre: S + O₂ => SO₂.

Reação de decomposição é aquela onde uma substância composta origina substâncias mais simples.

decomposição da água oxigenada: H₂O₂ => H₂O + ½ O₂;

decomposição da amônia: 2NH₃ => N₂ + 3H₂.

Para exemplificar como a fórmula centesimal pode ser calculada tomemos como exemplo a água. Uma das propriedades da água é ser decomposta em seus elementos constituintes através da passagem de corrente elétrica. Experimentalmente verifica-se que 900 gramas de água, ao serem decompostas, originam 100 gramas de gás hidrogênio e 800 gramas de gás oxigênio. Utilizando a lei de Proust, podemos calcular as massas de hidrogênio e oxigênio formadas pela decomposição de 100 gramas de água:

Matematicamente temos:

Repetindo esse procedimento para o oxigênio temos: y = 88,9 g

Cálculos mostram que cada 100 gramas de água é formada por 11,1 gramas de hidrogênio e 88,9 gramas de oxigênio. A fórmula centesimal da água é: H – 11,1% O – 88,9%

Massa molecular = 2 + 64 + 32 = 98

Utilizando a lei de Proust e realizando as proporções:

para o hidrogênio x = 2 x 100/98 = 2,0%

para o oxigênio y = 64 x 100/98 = 65,3%

para o enxofre z = 32 x 100/98 = 32,7%

Portanto, a fórmula centesimal do ácido sulfúrico é:

H – 2,0%; S – 65,3%; O – 32,7%

Fórmula mínima (ou empírica) indica a proporção, expressa pelos números inteiros, entre os átomos presentes num agregado atômico, ou íons num agregado iônico.

Conhecendo-se quanto de cada elemento está presente numa determinada amostra de substância, é possível calcular sua fórmula mínima. Assim, sabendo-se que 560 gramas de buteno são formadas por 480 gramas de carbono e 80 gramas de hidrogênio, o cálculo da fórmula mínima deve ser assim realizado:

• calcular o número de mols de cada tipo de átomo presente na amostra de substância,

para o carbono temos:

12 g é a massa de 1 mol de átomos;

480 g é a massa de x mol de átomos;

para o hidrogênio temos:

1 g é a massa de 1 mol de átomos;

80 g é a massa de y mol de átomos;

• determinar a relação entre os átomos do elemento. Neste exemplo, verificamos que a proporção entre os átomos de carbono e hidrogênio é 1 para 2 (40 mols de carbono: 80 mols de hidrogênio), ou seja, em qualquer amostra de buteno o número de átomos de hidrogênio presente será o dobro do número de átomos de carbono. A fórmula mínima do buteno é CH2.

Conhecendo-se a fórmula molecular de uma substância, sua fórmula mínima é determinada através de "simplificação matemática" dos índices dos elementos na fórmula molecular. Em muitos casos as fórmulas mínima e molecular são as mesmas.

Observe que substâncias diferentes, como o eteno, propeno e buteno, podem apresentar a mesma fórmula mínima. Isto não acontece com a fórmula molecular, que é característica de cada substância.

A fórmula mínima de uma substância geralmente é expressa da seguinte maneira:

onde n, é um número inteiro. Para a água oxigenada temos (HO)_n onde n = 2 e para a glicose (CH₂O)_n onde n = 6.

Calcular a fórmula mínima de um composto que apresenta 43,4% de sódio, 11,3% de carbono e 45,3% de oxigênio. Dados: massas atômicas: Na = 23; C = 12; O = 16

Vamos adotar o seguinte esquema:

Fórmula mínima = Na₂CO₃

OBS: No esquema explicado, acontece freqüentemente o seguinte: dividindo-se todos os valores pelo menor deles (coluna 3), nem sempre chegamos a um resultado com todos os números inteiros. Por exemplo, num outro problema, poderíamos ter a proporção 2 : 1,5 : 3; no entanto, multiplicando esse valores por 2, teremos 4 : 3 : 6. Generalizando, diremos que, às vezes, no final do problema somo obrigados a efetuar uma "tentativa", multiplicando todos os valores por 2, ou por 3, etc. (sempre um número inteiro pequeno), a fim de que os resultados finais tornem-se inteiros.

Fórmula molecular indica os elementos e a quantidade de átomos de cada elemento presente numa molécula da substância.

Um dos caminhos para determinar a fórmula molecular é calcular inicialmente a fórmula mínima e depois multiplicá-la por n. O valor de n, por sua vez, é calculado a partir da massa molecular da substância, uma vez que a relação anterior indica que:

massa molecular = (massa da fórmula mínima) x n

de onde resulta:

Nos problemas, a massa molecular em geral é dada. Para gases ou vapores, a massa molecular (M) pode também ser calculada pela expressão PV = mRT/M. Por sua vez, a massa da fórmula mínima é obtida somando-se as massas atômicas dos átomos formadores da fórmula mínima.

1. Cálculo da fórmula molecular através da fórmula mínima

Uma substancia de massa molecular 180, encerra 40,00% de carbono, 6,72% de hidrogênio e 53,28% de oxigênio. Pede-se sua fórmula molecular. Dados: massas atômicas: H = 1; C = 12; O = 16.

Vamos inicialmente, calcular a fórmula mínima, como aprendemos no item anterior:

Agora, podemos calcular, inclusive, a massa da fórmula mínima (CH₂O), somando as massa atômicas dos átomos aí contidos: 12 + 1 x 2 + 16 = 30

Podemos, também, dizer que:

fórmula molecular = (CH₂O)_n

onde:

n = massa molecular/massa da fórmula mínima = 180/30 = 6

do que resulta:

fórmula molecular = (CH₂O)₆ => fórmula molecular = C₆H₁₂O₆

Podemos calcular a fórmula molecular de uma substância sem passar pela fórmula mínima. Vamos resolver por carbono, hidrogênio e oxigênio.; isso nos permite iniciar o problema, escrevendo que a fórmula molecular e massa molecular serão:

Cálculo estequimétrico (ou estequiometria) é o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos das reações químicas, feito com base nas Leis das Reações e executado, em geral, com o auxílio das equações químicas correspondentes.

Esse tipo de cálculo segue, em geral, as seguintes regras:

1. Escrever a equação química mencionada no problema.
2. Acertar os coeficientes dessa equação (lembrando que os coeficientes indicam a proporção em número de moles existentes entre os participantes da reação).
3. Estabelecer uma regra de três entre o dado e a pergunta do problema, obedecendo aos coeficientes da equação, e que poderá ser escrita em massa, ou em volume, ou em número de moles, etc., conforme as conveniências do problema.

Calcular a massa de óxido cúprico obtida a partir de 2,54 gramas de cobre metálico. (Massas atômicas: O = 16; Cu = 63,5)

Inicialmente, devemos escrever e balancear a equação química mencionada no problema:

2 Cu + O₂ => 2 CuO

Vemos na equação que 2 atg de Cu (ou 2 x 63,5 gramas) produzem 2 moles de CuO (ou 2 x (63,5 + 16) = 2 x 79,5 gramas). Surge daí a seguinte regra de três:

Resolvendo temos:

x = 2,54 x 2 x 79,5/2 x 63,5 => x = 3,18 g CuO

1. Quando são dadas as quantidades de dois reagentes

 

Vamos calcular inicialmente a massa de NaOH que reagiria com os 147 g de H₂S0₄ mencionado no enunciado do problema:

H₂SO₄ + 2 NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

98 g => 2 x 40g

147 g => x

x = 120 g NaOH

Isso é impossível, pois o enunciado do problema diz que temos apenas 100 g de NaOH. Dizemos então que, neste problema, o H₂S0₄ é o reagente em excesso, pois seus 147 g "precisariam" de 120 g de NaOH para reagir e nós só temos 100 g de NaOH.

Vamos agora "inverter" o cálculo, isto é, determinar a massa de H₂SO₄ que reage com os 100 g NaOH dados no enunciado do problema:

H₂SO₄ + 2 NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

98 g => 2 x 40g

y => 100 g

y = 122,5 g H₂SO₄

 

Agora isso é possível e significa que os 100 g de NaOH dados no problema reagem com 122,5 g H₂SO₄. Como temos 147 g de H₂SO₄, sobrarão ainda 147 - 122,5 = 24,5 g H₂SO₄ , o que responde à pergunta b do problema.

Ao contrário do H₂SO₄ que, neste problema, é o reagente em excesso, dizemos que o NaOH é o reagente em falta, ou melhor, o reagente Iimitante da reação, pois no final da reação, o NaOH será o primeiro reagente a "acabar" ou "e esgotar", pondo assim um ponto final na reação e determinando também as quantidades de produtos que poderão ser formados.

De fato, podemos calcular:

(reagente em excesso) H₂SO₄ + 2 NaOH (regente limitante) => Na₂SO₄ + 2 H₂O

2 x 40 g => 142 g

100g => z

z = 177,5 g Na₂SO₄

Isso responde à pergunta a do problema. Veja que o cálculo foi feito a partir dos 100 g de NaOH (reagente limitante), mas nunca poderia ter sido feito a partir dos 147 g de H₂SO₄ (reagente em excesso), pois chegaríamos a um resultado falso, já que os 147 g do H₂SO₄, não conseguem reagir integralmente, por falta de NaOH.

2. Quando os reagentes são substâncias impuras

É comum o uso de reagentes impuros, principalmente em reações industriais, ou porque eles são mais baratos ou porque eles já são encontrados na Natureza acompanhados de impurezas (o que ocorre, por exemplo, com os minérios). Consideremos, por exemplo, o caso do calcário, que é um mineral formado principalmente por CaCO₃ (substância principal), porém acompanhado de várias outras substâncias (impurezas): se em 100 g de calcário encontramos 90 g de CaCO₃ e 10 g de impurezas, dizemos que o calcário tem 90% de pureza (porcentagem ou teor de pureza) e 10% de impurezas (porcentagem das impurezas).

Para o cálculo estequiométrico é importante a seguinte definição:

Grau de pureza (p) á o quociente entre a massa (m) da substância principal e a massa (m’) total da amostra (ou massa do material bruto).

Matematicamente: p = m/m’

Note que:

• valor de (p) multiplicado por 100 nos fornece a porcentagem de pureza;
• da expressão acima tiramos m = m’ . p , que nos fornece a massa (m) da substância principal, a qual entrará na regra de três habitual.

Deseja-se obter 180 litros de dióxido de carbono, medidos nas condições normais, pela calcinação de um calcário de 90% de pureza. Qual a massa de calcário necessária? (Massas atômicas: C = 12; O = 16; Ca = 40)

Se a porcentagem de pureza é 90%, o grau de pureza será igual a 90/100 = 0,90

donde resulta: m’ = 100 x 180/0,90 x 22,4 => m’ = 892,8 g de calcário

1. Quando o rendimento da reação não é o total

É comum uma reação química produzir uma quantidade de produto menor que a esperada pela equação química correspondente. Quando isso acontece dizemos que o rendimento da reação não foi total ou completo. Esse fato pode ocorrer ou porque a reação é "incompleta" (reação reversível) ou porque ocorrem "perdas" durante a reação.

Para esse tipo de cálculo estequiométrico é importante a seguinte definição:

Rendimento (r) de uma reação é o quociente (q) de produto realmente obtida e a quantidade (q’) de produto que seria teoricamente obtida pela equação química correspondente.

Ou seja: r = q/q’

Note que:

• O valor (r) multiplicado por 100 nos fornece o chamado rendimento percentual;
• Da expressão acima tiramos q = q’ . r , que nos fornece a quantidade (q) de substância que será realmente obtida, a qual entrará na regra de três usual.

Queimando-se 30 gramas de carbono puro, com rendimento de 90%, qual a massa de dióxido de carbono obtida?

Se o rendimento percentual ‘90%, o rendimento propriamente dito será igual a 90/100 = 0,90. Temos então:

donde resulta: x = 30 x 44 x 0,9/12 => x = 99 g CO₂