Questão 2
FUVEST 2022
(FUVEST - 2022 - 2ª FASE)
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 CO2.
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 T2 maior que T1, 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.
Gráfico do item A:
Gráfico do item B:
Gabarito:
Resolução:
a) Segundo o dado da questão a produção de metano ocorre com a liberação de aproximadamente 165 kJ de energia por mol de CO2, ou seja, é uma reação exotérmica que será favorecida com o abaixamento da temperatura. Se em T1 o sistema está em equilíbrio, em uma temperatura maior do que T1 o sistema irá deslocar no sentido de consumo de CO2, portanto, a quantidade de CO2 irá diminuir ao longo do tempo.
b) Na reação de Sabatier o níquel atua como catalisador, ou seja, diminui a energia de ativação promovendo uma reação mais rápida. Sendo assim, na ausência do catalisador a quantidade de produto obtida é a mesma, mas com uma taxa de formação mais lenta:
c) A reação de Sabatier é a reação de hidrogenação catalítica, que, como afirma o enunciado, forma metano e água a partir de hidrogênio e gás carbônico. Essa reação é representada pela equação:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Essa reação não é adequada para gerar metano na terra porque a concentração de CO2 é muito pequena na terra e muito maior em Marte, portanto, a eficiência seria maior se a reação se procedesse em Marte.