Trabalho e calor. 1º Princípio da termodinâmica. Entalpia.

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1 Trabalho e calor. 1º Princípio da termodinâmica. Entalpia. 1. O volume de um gás aumenta de 2,0 L até 6,0 L a temperatura constante. Calcule o trabalho feito pelo gás se ele se expandir: a) contra o vácuo b) contra uma pressão constante de 1,2 atm. (1 atm.l = 101,3 J) R: a) 0 J: b) - 4,9x10 2 J 2. Um gás sofre uma expansão, a temperatura constante, de 264 ml até 971 ml. Calcule o trabalho feito pelo gás (em Joules) se ele se expandir: a) contra o vácuo b) contra uma pressão constante de 4,00 atm. R: a) 0 J: b) - 286J 3. O trabalho feito quando um gás é comprimido num cilindro é 462 J. Durante este processo transfere-se uma quantidade de calor igual a 128 J do gás para o meio exterior. Calcule a variação de energia para este processo. R: U = 334 J. 4. Um gás expande-se e realiza 279 J de trabalho P-V sobre a vizinhança. Ao mesmo tempo absorve uma quantidade de calor igual a 216 J do exterior. Qual a variação de energia do gás? R: U = - 63 J. 5. Considere as seguintes transformações a) Hg (l) Hg (g) b) 3 O 2 (g) 2 O 3 (g) c) CuSO 4.5H 2 O (s) CuSO 4 (s) + 5H 2 O (g) d) H 2 (g) + F 2 (g) 2HF (g) Em qual das reacções a pressão constante, há trabalho feito pelo sistema sobre o meio exterior? E pelo exterior sobre o sistema? Em qual não há realização de trabalho? R: trabalho feito pelo sistema sobre o meio exterior: a), c) trabalho feito pelo exterior sobre o sistema meio: b) não há realização de trabalho: d) 6. Uma quantidade de 0,02 mol de um gás inicialmente a 20ºC num volume de 0,050 L sofre uma expansão, a temperatura constante, até o seu volume ser de 0,050 L. Calcule o trabalho feito (em Joules) pelo gás ao expandir-se: 1

2 a) contra o vácuo b) contra uma pressão constante de 0,20 atm. R: a) 0 J; b) 9,117 J 7. Um gás expande-se e faz 525 J de trabalho p-v sobre o meio exterior. Simultaneamente absorve 127 J de calor do meio exterior. Calcule a variação de energia do gás. R: U = J. 8. Calcule a variação de energia interna quando 2 moles de CO são convertidas em 2 moles de CO 2, a 1 atm e 25ºC. Admita um comportamento de gás perfeito (pv = nrt; R = 8,314 J/K.mol) 2 CO (g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) r Hº = - 566,0 kj R: - 563,5 kj 9. Qual o valor de U para a formação de 1 mole de CO a 1 atm e 25ºC? C (grafite) + 1/2O 2 (g) CO (g) r Hº = - 110,5 kj Admita um comportamento de gás perfeito (PV = nrt; R = 8,314 J/K.mol) R: U = - 109,26kJ 10. Considere a reacção H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) r Hº = - 184,6 kj Se 3 moles de H 2 reagirem com 3 moles para formar HCl calcule o trabalho realizado (em joules) para a pressão de 1 atm a 25ºC. Qual o U para a reacção? Admita que é completa. Admita um comportamento de gás perfeito (PV = nrt; R = 8,314 J/K.mol) R: U = - 553,8 kj 11. Considere a reacção N 2 (g) + 3H 2 (g) 2 NH 3 (g) r Hº = - 92,6 kj Se 2 moles de N 2 reagirem com 6 moles de H 2 para formar NH 3 calcule qual o trabalho (em J) feito contra a pressão de 1 atm a 25ºC.. Qual o U para a reacção? Admita que é completa. Admita um comportamento de gás perfeito (PV = nrt; R = 8,314 J/K.mol) R: 9,9 kj; 175,3 kj. 12. A vaporização de 1,00g de CCl 4 requere 19,5 kj de calor ao seu ponto de ebulição normal, 349,9 K, e à pressão de 1 atm. Calcule a entalpia de vaporização molar do CCl 4 nestas condições. R: H vap = 30,0 kj/mol 2

3 13. A fusão de 0,140 g de Br 2 (que ocorre a 7,2 ºC) absorve 9,43 J de calor a pressão constante. Calcule a variação de entalpia para a congelação de 2 mol de Br 2. R: H vap = - 2,15x10 4 J 14. Um gás é arrefecido a pressão constante de 1 atm desde 2,00 L até ao volume final de 1,20l. Calcule o trabalho realizado sobre o gás. R: + 81,0 J 15. Calcule a energia interna de vaporização de 1 mol de CCl 4 ao seu ponto de ebulição normal, 349,9 K, e à pressão de 1 atm e compare com a entalpia de vaporização molar do CCl 4 nestas condições, calculada no problema 12. R: U = 27,1 kj; w = 2,9 kj (trabalho gasto para expandir o vapor resultante) 16. Calcule a energia interna de vaporização de 1 mol de H2O ao seu ponto de ebulição normal, 373,15 K, e à pressão de 1 atm e compare com a entalpia de vaporização molar da H 2 O nestas condições (40,66 kj/mol). R: U = 37,56 kj; U é cerca de 8% inferior a H. 17. Quando ocorre a reacção Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Verifica-se um aumento de temperatura. Qual o sinal de H para esta reacção? R: reacção exotérmica, H> O bromo líquido dissolve-se facilmente em NaOH aquoso: Br 2 (l) + 2 NaOH (aq) NaBr (aq) + NaOBr (aq) + H 2 O(l) Suponha que se selam numa cápsula 2,88x10-3 mol de Br 2 (l) e se mergulham na solução de NaOH(aq). A cápsula é partida, a mistura agitada e verifica-se a libertação de calor (121,3 J). Numa outra experiência, em que se procede de modo análogo mas com a cápsula vazia libertam-se 2,34 J. Calcule o calor libertado quando se dissolve 1 mol de Br 2 em NaOH (aq). R: 41,3 kj/mol 19. Preveja o sinal da entalpia nos processos: a) H 2 O (l) H 2 O (g) b) Cl 2 (g) Cl 2 (s) c) Hg (l) Hg (s) R: a) H < 0; b) H > 0; c) H < 0 3

4 20. Calcule a variação de entalpia quando 2,38g de CO vaporizam ao seu ponto de ebulição normal ( H vap = 6,04 kj/mol). R: H = 513 J. 21. A variação de entalpia para a combustão do CH 2 CO é 981,1 kj a 25ºC: CH 2 CO (g) + 2O 2 (g) 2CO 2 (g) + H 2 O (g) A variação de entalpia para a combustão do metano é 802,3 kj a 25ºC: 2 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (g) Calcule a variação de entalpia a 25ºC para a reacção. 4 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CH 2 CO(g) + 3H 2 O (g) R: H = - 623,5 J. 22. A variação de entalpia para converter grafite em diamante é 1,88 kj/mol. Qual liberta amis calor quando sofre combustão, 1 Kg de grafite ou 1 Kg de diamante? 23. A entalpia de formação padrão de clorofórmio líquido a 25ºC é -134,5 kj/mol e para CCl 4 gasoso a 25ºC é -103,15 kj/mol. Calcule a variação de entalpia padrão quando se condensam 2,5 mol de CCl 4 a 25ºC. R: - 78,5 kj. 24. Um sistema químico é selado à temperatura ambiente num contentor rígido e aquecido vigorosamente. a) Qual o sinal de U, q e w no processo de aquecimento (positivo, negativo ou zero)? b) De seguida o contentor é arrefecido à sua temperatura original. Determine os sinais de U, q e w neste processo. c) Designe o aquecimento como passo 1 e o arrefecimento como passo 2. Determine os sinais de ( U 1 + U 2 ), (q 1 + q 2 ) e (w 1 + w 2 ) se possível. R: a) U>0, q>0, w =0. b) U<0, q<0, w = 0. c) (w 1 + w 2 ) = 0, ( U 1 + U 2 ) = (q 1 + q 2 ), podem ser ambos positivos, negativos ou zero. 25. Calcule a diferença entre a entalpia e a energia interna de 2,00 mol de N 2 (g) a 400 K. Assuma que N 2 (g) é um gás ideal, (PV = nrt; R = 8,314 J/K.mol). R: 6,65 kj. 26. Uma amostra de naftaleno sólido puro (C 10 H 8 ) de massa 0,6410g é queimado completamente com O 2 para dar CO 2 (g) e H 2 O (l), num calorímetro a volume constante a 25ºC. A quantidade de calor libertado foi 25,79 kj. 4

5 a) Escreva e acerte a equação química para o processo. b) Calcule a variação de energia interna padrão ( Uº) para a combustão de 1 mol de naftaleno em CO 2 (g) e H 2 O (l). c) Calcule a variação de entalpia padrão ( r Hº) para a combustão de 1 mol de naftaleno em CO 2 (g) e H 2 O (l). d) Calcule a entalpia de formação padrão ( f Hº) por mole de naftaleno a partir de f Hº de CO 2 (g) e de f Hº de H 2 O(l) que se encontram nas tabells do apêndice. R: a) C 10 H 8 (s) + 12 O 2 (g) 10 CO 2 (g) + 4 H 2 O (l) b) kj; c) kj; d) +84 kj/mol 5

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