EXERCICIOS DE APROFUNDAMENTO QUIMICA TERMOQUIMICA

Transcrição

1 14 1. (Fuvest 01) m uma reação de síntese, induzida por luz vermelha de frequência f igual a 4, 10 Hz, ocorreu a formação de 180 g de glicose. Determine a) o número N de mols de glicose produzido na reação; b) a energia de um fóton de luz vermelha; c) o número mínimo n de fótons de luz vermelha necessário para a produção de 180 g de glicose; d) o volume V de oxigênio produzido na reação (CNTP). Note e adote: 6HO 6CO energia C6H1 O6 6O ; Massas molares: H (1g/mol), C (1g/mol), O (16g/mol); 4 nergia do fóton: h f; Constante de Planck: h 6,6 0 J s; Nessa reação são necessários 800 kj de energia para a formação de um mol de glicose; 1 mol de gás ocupa,4 L (CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão).. (Fuvest 01) A matriz energética brasileira é constituída, principalmente, por usinas hidrelétricas, termelétricas, nucleares e eólicas, e também por combustíveis fósseis (por exemplo, petróleo, gasolina e óleo diesel) e combustíveis renováveis (por exemplo, etanol e biodiesel). a) Para cada tipo de usina da tabela abaixo, assinale no mapa seguinte, utilizando o símbolo correspondente, um estado, ou a divisa de estados limítrofes, em que tal usina pode ser encontrada. Usina Hidrelétrica binacional em operação Hidrelétrica de grande porte em construção Nuclear em operação ólica em operação Símbolo A entalpia de combustão do metano gasoso, principal componente do gás natural, corrigida para 5 C, é 1 kcal/mol e a do etanol líquido, à mesma temperatura, é 7 kcal/mol. b) Calcule a energia liberada na combustão de um grama de metano e na combustão de um grama de etanol. Com base nesses valores, qual dos combustíveis é mais vantajoso sob o ponto de vista energético? Justifique. Dados: Massa molar(g/mol): CH 4 =16; C H 6 O=46. Página 1 de 1

2 . (Fuvest 015) A dieta de jogadores de futebol deve fornecer energia suficiente para um bom desempenho. ssa dieta deve conter principalmente carboidratos e pouca gordura. A glicose proveniente dos carboidratos é armazenada sob a forma do polímero glicogênio, que é uma reserva de energia para o atleta. Certos lipídios, contidos nos alimentos, são derivados do glicerol e também fornecem energia. a) Durante a respiração celular, tanto a glicose quanto os ácidos graxos provenientes do lipídio derivado do glicerol são transformados em CO e HO. m qual destes casos deverá haver maior consumo de oxigênio: na transformação de 1mol de glicose ou na transformação de 1mol do ácido graxo proveniente do lipídio cuja fórmula estrutural é mostrada acima? xplique. Durante o período de preparação para a Copa de 014, um jogador de futebol recebeu, a cada dia, uma dieta contendo 600 g de carboidrato e 80 g de gordura. Durante esse período, o jogador participou de um treino por dia. b) Calcule a energia consumida por km percorrido em um treino (kcal / km), considerando que a energia necessária para essa atividade corresponde a da energia proveniente da dieta ingerida em um dia. Dados: nergia por componente dos alimentos: Carboidrato... 4 kcal / g Gordura... 9 kcal / g Distância média percorrida por um jogador: 5000 m / treino 4. (Unicamp 015) Água potável pode ser obtida a partir da água do mar basicamente através de três processos. Um desses processos é a osmose reversa; os outros dois envolvem mudanças de fases da água. No processo denominado MSFD, a água do mar é aquecida, vaporizada e em seguida liquefeita. No outro, denominado FM, a água do mar é resfriada, solidificada e em seguida fundida. Nesses dois processos, a água líquida passa para outro estado de agregação e dessa forma se separa dos solutos presentes na água do mar. a) Considere a afirmação: Os processos industriais MSFD e FM são análogos a fenômenos naturais ao promoverem a separação e purificação da água; no entanto, nos processos MSFD e FM essa purificação necessita de energia, enquanto nos fenômenos naturais essa energia não é necessária. Responda inicialmente se concorda totalmente, concorda parcialmente ou discorda totalmente e só depois justifique sua escolha. b) Suponha que uma mesma quantidade de água dessalinizada fosse obtida por esses dois processos industriais até a primeira mudança de fase, a partir de água do mar a 5 ºC. m qual dos dois processos, MSFD ou FM, a quantidade de energia envolvida seria maior? Justifique sua resposta. Dados: HO( ) HO(s); HO( ) HO(g); ΔHfus 6kJ mol ; ΔHvap 4kJ mol. Página de 1

3 Considerar que os processos MSFD e FM se baseiam nas transições de fases da água pura, em condições padrão, e que o calor específico da água do mar é constante em toda a faixa de temperatura. 6. (Unicamp 015) Um artigo científico recente relata um processo de produção de gás hidrogênio e dióxido de carbono a partir de metanol e água. Uma vantagem dessa descoberta é que o hidrogênio poderia assim ser gerado em um carro e ali consumido na queima com oxigênio. Dois possíveis processos de uso do metanol como combustível num carro combustão direta ou geração e queima do hidrogênio podem ser equacionados conforme o esquema abaixo: CHOH(g) O (g) CO (g) HO(g) combustão direta CHOH(g) HO(g) CO (g) H (g) H 1 (g) O (g) HO(g) geração e queima de hidrogênio De acordo com essas equações, o processo de geração e queima de hidrogênio apresentaria uma variação de energia a) diferente do que ocorre na combustão direta do metanol, já que as equações globais desses dois processos são diferentes. b) igual à da combustão direta do metanol, apesar de as equações químicas globais desses dois processos serem diferentes. c) diferente do que ocorre na combustão direta do metanol, mesmo considerando que as equações químicas globais desses dois processos sejam iguais. d) igual à da combustão direta do metanol, já que as equações químicas globais desses dois processos são iguais. 8. (Fuvest 015) O hidrogênio tem sido apontado como possível fonte de energia do futuro. Algumas montadoras de automóveis estão construindo carros experimentais que podem funcionar utilizando gasolina ou hidrogênio líquido como combustível. Considere a tabela a seguir, contendo dados obtidos nas mesmas condições, sobre a energia específica (quantidade de energia liberada pela combustão completa de 1 g de combustível) e o conteúdo de energia por volume (quantidade de energia liberada pela combustão completa de 1 L de combustível), para cada um desses combustíveis: Combustível nergia specífica (kj / g) Gasolina Líquida 47 5 Hidrogênio Líquido Conteúdo de energia por volume (10 kj / L) a) Com base nos dados da tabela, calcule a razão entre as densidades da gasolina líquida e do hidrogênio líquido (dgasolina( ) d hidrogênio( )). Mostre os cálculos. b) xplique por que, embora a energia específica do hidrogênio líquido seja maior do que a da gasolina líquida, o conteúdo de energia por volume do hidrogênio líquido é menor do que o da gasolina líquida. 18. (Fuvest 01) A partir de considerações teóricas, foi feita uma estimativa do poder calorífico (isto é, da quantidade de calor liberada na combustão completa de 1 kg de combustível) de grande número de hidrocarbonetos. Dessa maneira, foi obtido o seguinte gráfico de valores teóricos: Página de 1

4 Com base no gráfico, um hidrocarboneto que libera kcal/kg em sua combustão completa pode ser representado pela fórmula Dados: Massas molares (g/mol), C=1,0; H=1,00. a) CH 4 b) C H 4 c) C 4 H 10 d) C 5 H 8 e) C 6 H (Ita 01) 100 gramas de água líquida foram aquecidos utilizando o calor liberado na combustão completa de 0,5 gramas de etanol. Sabendo que a variação da temperatura da água foi de 1,5 C, assinale a alternativa que apresenta o valor CORRTO para a entalpia molar de combustão do etanol. Considere que a capacidade calorífica da água é igual a 4,18 kj kg C e que a energia liberada na combustão do etanol foi utilizada exclusivamente no aquecimento da água. a) 961kJ b) 5, kj c) 4, kj d) 5, kj e) 961kJ 0. (Ita 01) m um gráfico de pressão versus volume, represente o diagrama do ciclo idealizado por Carnot (máquina térmica) para uma transformação cíclica, ininterrupta, e sem perdas de calor e de trabalho, e vice-versa. Identifique e denomine as quatro etapas dessa transformação cíclica. TXTO PARA A PRÓXIMA QUSTÃO: Leia o texto a seguir para responder à(s) seguinte(s) questão(ões). O sucesso da experiência brasileira do Pró-álcool e do desenvolvimento da tecnologia de motores bicombustíveis é reconhecido mundialmente. Países europeus usam a experiência brasileira como base para projetos de implantação da tecnologia de veículos movidos a células a combustível, que produzem energia usando hidrogênio. Como o H não existe livre na natureza, ele pode ser obtido a partir do etanol de acordo com a reação: HC CH 1 OH( ) H O(g) O (g) 5H (g) CO (g) 1. (Fgv 01) Considere: o Δ H combustão C H 5 OH = 1 68 kj mol 1. Página 4 de 1

5 o Δ H formação H O = 86 kj mol 1 Pode-se afirmar corretamente que a entalpia da reação de produção de hidrogênio a partir do etanol, em kj, é igual a a) +6. b) c) 6. d) e) 798. Gabarito: Resposta da questão 1: [Resposta do ponto de vista da disciplina de Química] a) De acordo com o enunciado ocorreu a formação de 180 g de glicose e este valor corresponde a um mol de glicose (C6H1 O ). b) Como a energia do fóton é dada por h f 4, onde h 6,6 0 J s. Na reação de síntese, induzida por luz vermelha de frequência f igual a h f ,6 0 J s 4, 0 s 8,8 0,84 0 J 9,8 0 J (um fóton) 14 4, 10 Hz, então: c) Nessa reação são necessários 800 kj então: 6 (800 kj,8 10 J) de energia para a formação de um mol de glicose, 9,8 0 J 6,8 0 J 5 n 10 fótons 1 fóton n d) 6HO 6CO energia C6H1 O6 6O ; CNTP. 1mol (O ) 6mol (O ) V 14,4 L,4 L V [Resposta do ponto de vista da disciplina de Física] a) Química b) Dado: h 6,6 0 J s; f 4, 10 Hz. Aplicando esses valores na equação dada: hf 6,6 0 4, 0,8 10 J. c) Dado: Glicose C6H1 O 6; H (1g/mol), C (1g/mol), O (16g/mol); =.800 kj/mol = A massa molar da glicose é: M (6 1) (1 1) (6 16) 180 g. Calculando o número n de fótons para produzir 1 mol de glicose ou 180 g. 6,8 10 J/mol. Página 5 de 1

6 n n n 10 fótons.,8 10 d) Dado: nas CNTP, o volume ocupado por um mol de gás é,4 L. A reação dada mostra que são produzidos 1 mol de glicose e 6 mols de O. Assim, o volume produzido de O na reação é: V 6,4 V 14,4 L. Resposta da questão : [Resposta do ponto de vista da disciplina de Geografia] A hidrelétrica binacional em operação é a Usina de Itaipu, construída no rio Paraná, na fronteira do estado do Paraná com o Paraguai. A hidrelétrica de grande porte em construção é a Usina de Belo Monte, situada no Rio Xingu, no estado do Pará. Com produção estimada em cerca de 10% do consumo nacional, será a terceira maior hidrelétrica do mundo e a maior inteiramente brasileira. Seu funcionamento está previsto para 015. A usina nuclear em operação encontra-se na Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, no estado do Rio de Janeiro, formado pelo conjunto das usinas Angra 1, Angra e Angra que atualmente encontra-se em construção. O Brasil apresenta atualmente (01) 46 usinas eólicas em operação, estando a maior parte delas localizadas na região nordeste, como o Parque eólico Alegria e Rio de Fogo, no estado do Rio Grande do Norte. [Resposta do ponto de vista da disciplina de Química] b) A entalpia de combustão do metano gasoso, principal componente do gás natural, corrigida para 5 C, é 1 kcal/mol, então: 1mol CH 4 16 g CH 1 g CH CH kcal liberados 1 kcal liberados CH4 1,1kcal liberados A entalpia de combustão do etanol líquido, à mesma temperatura, é de 7 kcal/mol, então: Página 6 de 1

7 1mol CH6O 46 g C H O 6 1 g C H O CH6O 6 7 kcal liberados 7 kcal liberados CH6O 7,11kcal liberados Conclusão: O combustível mais vantajoso sob o ponto de vista energético é o metano, pois seu poder calorífico é maior do que o do etanol líquido. Resposta da questão : a) Para 1 mol de glicose, vem: 1C H O 6O 6CO 6H O mols de oxigênio consumidos Para 1 mol do ácido graxo derivado do lipídio, vem: Conclusão: haverá maior consumo de oxigênio no caso do ácido graxo proveniente do lipídio. b) Um jogador de futebol recebeu, a cada dia, uma dieta contendo 600 g de carboidrato e 80 g de gordura, então: nergia por componente dos alimentos: Carboidrato... 4 kcal/ g Gordura... 9 kcal/ g 1g 4 kcal 600 g carboidrato carboidrato.400 kcal 1g 9 kcal 80 g lipídio lipídio 70 kcal total.400 kcal 70 kcal.10 kcal Cálculo da energia consumida por km percorrido em um treino (kcal / km), considerando que a energia necessária para essa atividade corresponde a da energia total: Página 7 de 1

8 km.10 kcal km.080 kcal Distância média percorrida por um jogador: 5000 m/ treino, ou seja 5 km, então:.080 kcal 5 km 416 kcal 1km Conclusão : 416 kcal/ km. Resposta da questão 4: a) Concordo parcialmente. MSFD: a água do mar é aquecida, vaporizada (vaporização; passagem do estado líquido para gasoso) e em seguida liquefeita (condensação; passagem do estado gasoso para líquido). Neste caso os processos são análogos a fenômenos naturais. FM: a água do mar é resfriada, solidificada (solidificação; passagem do estado líquido para sólido) e em seguida fundida (fusão: passagem do estado sólido para líquido). Neste caso os processos são análogos a fenômenos naturais. Os processos industriais MSFD e FM são análogos a fenômenos naturais ao promoverem a separação e purificação da água. Nos processos MSFD e FM a purificação da água necessita de energia, e nos fenômenos naturais essa energia também é necessária sendo fornecida pelo ambiente. b) Primeira resolução: MSFD: Partindo se de 5 C e atingindo se 100 C (ebulição); ΔT (100 5) 75 C H O( ) H O(g) ΔH 4 kj mol vaporização nergia envolvida 4 kj para 18 g de água FM: Partindo se de 5 C e atingindo se 0 C (solidificação); ΔT (5 0) 5 C H O( ) H O(s) ΔH 6 kj mol fusão nergia envolvida 6 kj para 18 g de água Como a variação de temperatura no processo MSFD é três vezes maior do que no caso do FM ( ΔT 75 C 5 C; ΔT ΔT ), conclui-se que a energia envolvida neste caso também é maior. MSFD MSFD FM Segunda resolução: MSFD: a quantidade de calor envolvida partindo-se de 5 C e atingindo-se 100 C pode ser calculada pela fórmula Q m c ΔT. Para 1mol, ou seja, 18g de água e c 4,18J / (g C), vem: ΔT (100 5) 75 C Q m c ΔT Q 18 4,18 75 Q 5.64 J A quantidade de calor envolvida na vaporização da água pode ser calculada pela fórmula Q' m ΔH vaporização Q' Q' J J Q' m ΔH. vaporização Página 8 de 1

9 QMSFD (total) Q Q' QMSFD (total) J QMSFD (total) J FM: a quantidade de calor envolvida partindo-se de 5 C e atingindo-se 0C pode ser calculada pela fórmula Q m c ΔT. Para 1mol, ou seja, 18g de água e c 4,18J / (g C), vem: ΔT (0 5) 5 C Q m c ΔT Q 18 4,18 ( 5) Q.881 J Q Q A quantidade de calor envolvida na solidificação da água pode ser calculada pela fórmula Q' m ΔH fusão Q' 18 ( 6.000) Q' J QFM (total) Q Q' QFM (total) QFM (total) J Q Q MSFD (total) FM (total) MSFD (total) FM (total) Conclusão : Q MSFD (total) J J J J Q FM (total) Q' m ΔH fusão. Resposta da questão 6: [D] O processo de geração e queima de hidrogênio apresentaria uma variação de energia igual à da combustão direta do metanol, já que as equações químicas globais desses dois processos são iguais (Lei de Hess). CHOH(g) O (g) CO (g) HO(g) combustão direta CHOH(g) HO(g) CO (g) H (g) H (g) O (g) ()H O(g) Global CHOH(g) O (g) CO (g) HO(g) geração e queima de hidrogênio Resposta da questão 8: a) A partir da tabela, vem: Página 9 de 1

10 Combustível nergia specífica (kj / g) Conteúdo de energia por volume (10 kj / L) Gasolina Líquida 47 5 Hidrogênio Líquido Para 1 L : 1g mgasolina 47 kj 5 0 kj mgasolina 0,745 0 g dgasolina 745 g/l Para 1 L : 1g 14 kj mh líquido 10 0 kj mh líquido 0, g dh líquido 70,4 g/l Cálculo da relação entre as densidades da gasolina e do hidrogênio líquido: dgasolina ,568 10,6 dh líquido 70,4 b) Supondo o volume igual a V, teremos: dgasolina 10,6 dh líquido mgasolina V 10,6 mh líquido V mgasolina 10,6 mh líquido mgasolina 0,6 m H líquido (válida também para 1 litro) mgasolina mh líquido Combustível Conteúdo de energia por litro Gasolina Líquida 5 10 kj Hidrogênio Líquido kj 5 0 kj 10 0 kj ou 10 0 kj 5 0 kj H líquido Gasolina Conclusão: o conteúdo de energia por volume do hidrogênio líquido é menor do que o da gasolina líquida. Página 10 de 1

11 Resposta da questão 18: [B] Com base no gráfico, para um hidrocarboneto que libera kcal/kg, teremos: massa de carbono 6 massa de hidrogênio m n m n M, então : M ncarbono Mcarbono 6 nhidrogênio Mhidrogênio n carbono g / mol n carbono 6 n hidrogênio 1 6 n hidrogênio g / mol n hidrogênio 1 n carbono 6 n hidrogênio n carbono CH 4. Resposta da questão 19: [A] A partir da massa água aquecida, da capacidade calorífica da água e da variação da temperatura, calcula-se a quantidade de energia liberada na combustão do etanol: o m 100 g; c 4,18 kj kg C ; T 1,5 C Q m c T o Q 100 g 4,18 kj kg C,5 C Q 55 g kj0 g C o C 5,5 kj Q 5,5 kj 5,5 kj equivale ao valor da energia absorvida pela água na queima de 0,5 g de etanol. Para um mol de etanol, ou seja, 46 g, vem: 5,5 kj 0,5 g (etanol) 961,4 kj 46 g Página 11 de 1

12 Resposta da questão 0: Gráfico: Temos duas transformações adiabáticas e duas transformações isotérmicas. A - B: isotérmica. C - D: isotérmica. D - A: adiabática. B - C: adiabática. Resposta da questão 1: [A] quações obtidas a partir dos dados fornecidos: C H OH O CO H O H 68 kj.mol H O HO H 86 kj.mol quação de formação do hidrogênio a partir do etanol: CH5 OH H 1 O O CO 5H ntão: C H OH O CO H O H 68 kj.mol (manter) H O HO H 86 kj.mol (multiplicar por 5 e inverter) CH5OH O CO HO H1 68 kj.mol 5 5HO 5H O H 5( 86) kj.mol 1 CH5OH HO O CO 5H Htotal H1 H Htotal 68 5( 86) 6 kj Página 1 de 1