Questão 119 — ENEM 2023 PPL
Ácido nítrico é um importante reagente usado no preparo de nitrato de amônio, NH₄NO₃, um fertilizante nitrogenado. Industrialmente, o ácido nítrico é obtido a partir da reação da amônia com gás oxigênio, um processo que ocorre em três etapas, todas exotérmicas.
Etapa 1: 4 NH₃ (g) + 5 O₂ (g) → 4 NO (g) + 6 H₂O (l)
Etapa 2: 2 NO (g) + O₂ (g) → 2 NO₂ (g)
Etapa 3: 3 NO₂ (g) + H₂O (l) → 2 HNO₃ (aq) + NO (g)
Na primeira etapa, forma-se NO, o qual reage com mais oxigênio formando NO₂, um óxido ácido, que reage com a água formando HNO₃ e NO. O composto NO é, portanto, um subproduto da reação. É importante o seu reaproveitamento, senão ele pode ser liberado para o ambiente, onde reagirá com o oxigênio, formando NO₂.
ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2006 (adaptado).
O procedimento que permite diminuir a quantidade formada do subproduto NO é aumentar a
Alternativas
Resolução
Ficha da Questão
- Matérias necessárias: Química → Equilíbrio químico (Princípio de Le Chatelier) + Reações industriais (Processo Ostwald) + Estequiometria.
- Nível: Difícil — requer identificar em qual etapa o NO residual aparece e como aumentar a conversão do NO em NO₂ (produto útil) e não em liberação ambiental.
- Tema/Habilidade BNCC: reações químicas em contextos industriais e impacto ambiental.
- Gabarito: D — aumentar a quantidade de oxigênio na etapa 2.
Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando
- Comando reformulado: "Para reduzir o subproduto NO (liberado ao ambiente), que ajuste no processo deve ser feito?"
- Palavras-chave decisivas: 3 etapas exotérmicas, NO subproduto, Etapa 2: 2 NO + O₂ → 2 NO₂, Etapa 3: 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO.
- Armadilha típica: alterar a etapa 1 ou a etapa 3 — mas o NO é consumido na etapa 2 e regenerado parcialmente na etapa 3. Para minimizar acúmulo, é na etapa 2 que devemos intensificar a conversão.
- Critério de acerto: perceber que, na etapa 2, aumentar a quantidade de O₂ desloca o equilíbrio para a direita (mais NO₂, menos NO) — aplicação direta do Princípio de Le Chatelier.
Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais
- Processo Ostwald (fabricação de HNO₃):
- Etapa 1: 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O (oxidação catalisada por Pt/Rh, ~850 °C).
- Etapa 2: 2 NO + O₂ → 2 NO₂ (oxidação adicional).
- Etapa 3: 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO (desproporcionamento em água).
- Localização do NO "sobrando":
- Etapa 1 produz NO em massa.
- Etapa 2 converte NO em NO₂ (vital reduzir NO liberado).
- Etapa 3 regenera NO como subproduto que precisa ser reciclado de volta à etapa 2.
- Princípio de Le Chatelier (etapa 2): aumentar [O₂] desloca equilíbrio para a direita → mais NO₂, menos NO livre.
- Outras alternativas e seus efeitos:
- Etapa 1: aumentar NH₃ ou O₂ produz mais NO, piorando o problema (mais NO para gerenciar).
- Etapa 1: temperatura alta já é otimizada (equilíbrio industrial); mudar pode reduzir rendimento.
- Etapa 3: aumentar NO₂ só aumenta HNO₃ e NO juntos, proporcionalmente — não reduz o NO.
Passo 3 — Decodificação do Enunciado
- Evidência 1: enunciado destaca "Etapa 2: 2 NO + O₂ → 2 NO₂" → é aqui que o NO é convertido.
- Evidência 2: "É importante o seu reaproveitamento [do NO], senão ele pode ser liberado para o ambiente" → o foco é minimizar liberação de NO.
- Evidência 3: se o problema é NO → ambiente, a solução é maximizar conversão NO → NO₂ na etapa 2 → aumentar O₂ nessa etapa.
Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)
Subpasso 4.1 — Identificar onde o NO é consumido
- NO é consumido principalmente na etapa 2: 2 NO + O₂ → 2 NO₂.
- Se aumentarmos [O₂] nessa etapa, pelo Princípio de Le Chatelier:
- Equilíbrio desloca para a direita (consumindo mais NO).
- Mais NO₂ é produzido → mais HNO₃ na etapa 3.
- Menos NO sobra para escapar ao ambiente.
Subpasso 4.2 — Rejeitar mudanças na etapa 1
- Aumentar pressão de O₂ na etapa 1 (alternativa A) ou quantidade de NH₃ (C) só faria produzir mais NO — não reduz o NO final; pelo contrário, aumenta a carga para a etapa 2.
- Aumentar temperatura dos reagentes na etapa 1 (E) pode até reduzir o rendimento da etapa 1 (reação exotérmica, Le Chatelier diz que T alta desloca para reagentes), mas isso é efeito lateral indesejado.
Subpasso 4.3 — Rejeitar mudança na etapa 3
- Aumentar [NO₂] na etapa 3 (B) gera mais HNO₃ e mais NO proporcionalmente (a estequiometria é 3 NO₂ → 2 HNO₃ + 1 NO). Não resolve o problema do NO.
Subpasso 4.4 — Confirmar alternativa D
- "Aumentar quantidade de oxigênio, na etapa 2" é a intervenção correta — aplica Le Chatelier no passo certo, consumindo o NO que seria desperdiçado.
Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas
A) pressão de oxigênio, na etapa 1.
❌ Incorreta. Aumentar O₂ na etapa 1 aumenta a produção de NO (reagente da etapa 2), mas o problema é o NO residual, não a produção. Pode até agravar.
B) concentração de NO₂, na etapa 3.
❌ Incorreta. Na etapa 3, aumentar NO₂ gera HNO₃ e NO proporcionalmente — gera mais NO, não menos.
C) quantidade de amônia, na etapa 1.
❌ Incorreta. Mais NH₃ → mais NO na etapa 1 → mais NO para processar (agrava, não resolve).
D) quantidade de oxigênio, na etapa 2. ✅ Correta.
O excesso de O₂ na etapa 2 desloca o equilíbrio 2 NO + O₂ → 2 NO₂ para a direita, consumindo o NO subproduto e convertendo-o em NO₂ (que segue para a etapa 3 produzindo HNO₃).
E) temperatura dos reagentes, na etapa 1.
❌ Incorreta. A etapa 1 já opera em alta T (~850 °C) com catalisador Pt/Rh. Mudar a temperatura fora do ótimo pode reduzir a conversão global, não resolver o NO residual.
🏆 Gabarito: D — aumentar O₂ na etapa 2.
Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova
- Reafirmação: aplicação do Princípio de Le Chatelier no passo certo — a etapa 2 é a que converte NO em NO₂. Excesso de O₂ aí consome NO.
- Padrão de cobrança ENEM: processos industriais (Haber-Bosch, Ostwald, Contato) são cobrados com Le Chatelier e estequiometria. Identificar a etapa afetada pelo subproduto é a chave.
- Generalização: Regra de Le Chatelier para processos seriais — para reduzir um subproduto B em uma reação A → B, aumenta-se a concentração do reagente que consome B na etapa seguinte.
- Dica de eliminação: toda alternativa que age na etapa 1 produzirá mais NO (não menos); toda alternativa que agirá na etapa 3 gera NO como coproduto. Só sobra a etapa 2.
- Conexões: Processo de Haber-Bosch (NH₃), Processo de Contato (H₂SO₄), Princípio de Le Chatelier aplicado a pressão/temperatura/concentração, chuva ácida por NOₓ, catálise heterogênea industrial.