Questão 6

Escreva 3 (três) reações químicas de produção de $\ce{H2(g)}$. Empregue, como reagentes, apenas as substâncias $\ce{Li}$, $\ce{H2O}$ e $\ce{CH4}$, reagindo individualmente ou combinadas duas a duas. Na sua resposta, indique:

i) o estado físico de cada reagente e produto;

ii) a estequiometria da reação;

iii) as condições básicas para que a reação ocorra;

iv) qual reação deve render mais $\ce{H2(g)}$ por mol de reagente, considerando reação completa.

Das combinações possíveis, três produzem $\ce{H2}$: metal alcalino com água, metano com água (reforma a vapor) e metano sozinho (decomposição térmica).
Reação 1 — lítio metálico com água:
$$\ce{2 Li(s) + 2 H2O(l) -> 2 LiOH(aq) + H2(g)}$$

Estequiometria: $2$ mol de $\ce{Li}$ para $2$ mol de $\ce{H2O}$, produzindo $2$ mol de $\ce{LiOH}$ e $1$ mol de $\ce{H2}$. Condições: temperatura ambiente e pressão atmosférica. A reação é espontânea e exotérmica, sem necessidade de catalisador, apenas contato entre os reagentes.

Reação 2 — reforma a vapor do metano:
$$\ce{CH4(g) + H2O(g) -> CO(g) + 3 H2(g)}$$

Estequiometria: $1$ mol de $\ce{CH4}$ para $1$ mol de vapor de água, produzindo $1$ mol de $\ce{CO}$ e $3$ mol de $\ce{H2}$. Condições: a reação é endotérmica e exige temperatura elevada (cerca de $700$ a $1000\ \mathrm{^\circ C}$), catalisador de níquel e água na forma de vapor, em reator pressurizado (processo industrial de produção de gás de síntese).

Reação 3 — decomposição térmica (pirólise) do metano:
$$\ce{CH4(g) ->[\Delta] C(s) + 2 H2(g)}$$

Estequiometria: $1$ mol de $\ce{CH4}$ produz $1$ mol de carbono sólido (negro de fumo ou grafite) e $2$ mol de $\ce{H2}$. Condições: aquecimento a temperatura elevada (acima de cerca de $1000\ \mathrm{^\circ C}$, ou menor na presença de catalisadores metálicos como $\ce{Ni}$ ou $\ce{Fe}$) e atmosfera interte (ausência de $\ce{O2}$, para que o metano não sofra combustão).

Rendimento de hidrogênio por mol de reagente:
Pelas equações balanceadas,

Reação 1: $0{,}25$ mol de $\ce{H2}$ por mol total de reagentes;

Reação 2: $1{,}5$ mol de $\ce{H2}$ por mol total de reagentes;

Reação 3: $2$ mol de $\ce{H2}$ por mol de $\ce{CH4}$, que é o único reagente.

A pirólise fornece $2$ mol de $\ce{H2}$ por mol, contra $1{,}5$ mol da reforma e $0{,}25$ mol da reação do lítio.

Resposta: Reação 1: $\ce{2 Li(s) + 2 H2O(l) -> 2 LiOH(aq) + H2(g)}$, temperatura ambiente, espontânea;
Reação 2: $\ce{CH4(g) + H2O(g) -> CO(g) + 3 H2(g)}$, temperatura alta ($700$–$1000\ \mathrm{^\circ C}$), catalisador de $\ce{Ni}$;
Reação 3: $\ce{CH4(g) -> C(s) + 2 H2(g)}$, alta temperatura, atmosfera inerte.
iv) A pirólise: $2$ mol de $\ce{H2}$ por mol)