QUÍMICA PROFº JAISON MATTEI

Transcrição

1 QUÍMICA PROFº JAISON MATTEI. O hidrogênio cada vez mais tem ganhado atenção na produção de energia. Recentemente, a empresa britânica Intelligent Energy desenvolveu uma tecnologia que pode fazer a bateria de um smartphone durar até uma semana. Nesse protótipo ocorre a reação do oxigênio atmosférico com o hidrogênio armazenado produzindo água e energia. a) Escreva a equação química da reação descrita acima e calcule a sua variação de entalpia a partir dos dados abaixo. Ligação H H H O O O Energia de ligação (kj mol ) b) Um dos grandes problemas para o uso do gás hidrogênio como combustível é o seu armazenamento. Calcule o volume ocupado por g de hidrogênio nas CNTP. c) Atualmente, cerca de 96% do gás hidrogênio é obtido a partir de combustíveis fósseis, como descrito nas reações abaixo. Carvão: C(s) H O( ) CO(g) H(g) Gás natural: CH4(g) H O( ) CO(g) 3 H(g) Essa característica é considerada uma desvantagem para o uso do hidrogênio. Justifique essa afirmativa.. No processo de produção de ferro metálico (Fe), ocorre a redução do óxido ferroso (FeO) com monóxido de carbono (CO) de acordo com a equação representativa da reação: FeO(s) CO(g) Fe(s) CO(g) Considere os seguinte dados: Substância H (kj mol) FeO (s) 7, CO (g),5 CO (g) 394, f a) Indique o tipo de ligação química envolvida em cada substância química reagente deste processo. b) Calcule o valor, em kj mol, do calor envolvido na produção do ferro metálico a partir do óxido ferroso. 3. A reação de Sabatier-Sanderens consiste na hidrogenação catalítica de alcenos ou de alcinos com níquel, para a obtenção de alcanos. Considerando a reação de hidrogenação do acetileno, um engenheiro químico obteve os resultados abaixo:

2 Tempo (min) [Acetileno], mol [Hidrogênio], mol [Etano], mol A partir dessas informações, determine: a) a velocidade média da reação no período de 4 (quatro) a 6 (seis) minutos; b) a relação entre a velocidade média de consumo do acetileno e a velocidade média de consumo do hidrogênio; c) o efeito do aumento da temperatura de reação na constante de velocidade, considerando a equação de Arrhenius. 4. Considere a equação química global entre os compostos HBr e NO : HBr NO HO NO Br Para desenvolver um estudo cinético, foram propostos os mecanismos de reação I e II, descritos na tabela, ambos contendo duas etapas. Etapa Mecanismo I II lenta HBr NO HBrO NO HBr H Br rápida HBr HBrO HO Br H NO HO NO Realizou-se, então, um experimento no qual foi medida a velocidade da reação em função da concentração inicial dos reagentes, mantendo-se constante a temperatura. Observe os resultados obtidos: Concentração inicial (mol ) Velocidade (mol min ) HBr NO,,,5,,,,,, Determine a ordem global da reação. Em seguida, indique qual dos dois mecanismos propostos representa essa reação global, justificando sua resposta. 5. Alguns óxidos gasosos de nitrogênio e carbono são poluentes atmosféricos. A reação de NO com monóxido de carbono gera NO e dióxido de carbono. Em um estudo cinético dessa reação, foram obtidos os seguintes dados para a velocidade da reação química em função das concentrações iniciais dos reagentes:

3 [NO ] (mol L ) [CO] (mol L ) Velocidade de reação Temperatura (K) (mol L s ),, 5, 35,4, 5 4, 35,4,4 5 4, 35,4,4 5 6,? a) Escreva a equação química balanceada que representa essa reação. b) Qual é a lei de velocidade para essa reação química? c) Qual é o valor da constante de velocidade dessa reação a 35 K? Apresente os cálculos. d) A temperatura da reação na última linha da tabela acima é maior, menor ou igual às outras três temperaturas de reação? Justifique sua resposta. 6. A variação de entalpia ( Δ H) é uma grandeza relacionada à variação de energia que depende apenas dos estados inicial e final de uma reação. Analise as seguintes equações químicas: i) C H (g) 5 O (g) 3 CO (g) 4 H O( ) ΔH. kj 3 8 ii) C(grafite) O (g) CO (g) ΔH 394 kj iii) H (g) O (g) HO( ) ΔH 86 kj Ante o exposto, determine a equação global de formação do gás propano e calcule o valor da variação de entalpia do processo. 7. Velocidades iniciais v i de decomposição de peróxido de hidrogênio foram determinadas em três experimentos (A, B e C), conduzidos na presença de I aq sob as mesmas condições, mas com diferentes concentrações iniciais de peróxido H O, de acordo com os dados abaixo: Experimento H O i mol L 3 vi mol L s A,75,745 B,5,83 C,5,95 i Com base nestes dados, para a reação de decomposição do peróxido de hidrogênio: a) escreva a equação estequiométrica que representa a reação. b) indique a ordem desta reação. c) escreva a lei de velocidade da reação. d) determine o valor numérico da constante de velocidade, k. e) indique a função do I aq na reação. 8. A equação química abaixo representa a reação da produção industrial de gás hidrogênio. H O g C s CO g H g

4 Na determinação da variação de entalpia dessa reação química, são consideradas as seguintes equações termoquímicas, a 5 C e atm : Hg Og HOg ΔH 4, kj Cs Og COg ΔH 393,5 kj Og COg COg ΔH 477, kj Calcule a energia, em quilojoules, necessária para a produção de kg de gás hidrogênio e nomeie o agente redutor desse processo industrial. 9. Fullerenos são compostos de carbono que podem possuir forma esférica, elipsoide ou cilíndrica. Fullerenos esféricos são também chamados buckyballs, pois lembram a bola de futebol. A síntese de fullerenos pode ser realizada a partir da combustão incompleta de hidrocarbonetos em condições controladas. a) Escreva a equação química balanceada da reação de combustão de benzeno a C6. b) Fornecidos os valores de entalpia de formação na tabela a seguir, calcule a entalpia da reação padrão do item a. Espécie f H (kj.mol ) CH HO 86 C6 s 37. Os processos metabólicos que ocorrem em diferentes partes do organismo permitem a obtenção da energia necessária às funções vitais. A energia química liberada nesses processos pode ser dissipada na forma de calor ou armazenada para que o organismo possa usá-la quando necessário. Na oxidação total (aeróbica) de mol de glicose C6HO 6 são liberados 7 kcal, formando dióxido de carbono e água. O processo de oxidação parcial (anaeróbica) ocorre nas leveduras, e a glicose é convertida em etanol e dióxido de carbono, liberando 3 kcal. Ante o exposto, a) escreva as equações químicas balanceadas relacionadas aos dois processos de oxidação da glicose; b) calcule a energia relacionada à combustão de mols de etanol.

5 Gabarito: Resposta da questão : H O H O a) (g) (g) (g) Ligação H H H O O O Energia de ligação (kj mol ) H(g) O(g) H O (g) ΔHreação ΔHrompimento ΔHformação ΔH reação ( ) ( 463) (47 437) ( 96) ΔHreação 4kJ mol b) Teremos: g H,4 L g x x 4 L c) O uso de combustíveis fósseis lança gases poluentes para a atmosfera como o monóxido de carbono (CO). Resposta da questão : a) Tipos de ligação química envolvida nos reagentes: FeO (s) : ligação iônica CO (g) : ligação covalente ou molecular. b) Cálculo do valor, em kj mol, do calor envolvido na produção do ferro metálico a partir do óxido ferroso: FeO(s) CO(g) Fe(s) CO(g) 7, kj,5 kj, kj 394, kj H H H produtos reagentes H [, 394,] [ 7,,5] H,5 kj/ mol Resposta da questão 3: a) Cálculo da velocidade entre 4 e 6 minutos: Ni C H H C H (hidrogenação catalítica do acetileno) 6 vch v H v CH 6 vmédia vmédia vch,5 mol.l s 6 4 v v v v CH H CH 6 b) média

6 vch v H v CH v H c) Equação de Arrhenius, onde k é a constante de velocidade: E ativação RT. k A e A k aumenta E ativação R T e diminui Conclusão a cons tan te de velocidade aumenta. Resposta da questão 4: De acordo com a tabela fornecida no enunciado: Então, v k[hbr] [NO ]. Ordem global: + =. O mecanismo I representa a reação global, pois é aquele da etapa lenta e que apresenta os reagentes HBr e NO, cujas ordens são iguais a um. Resposta da questão 5: a) Equação química balanceada que representa a reação: NO CO NO CO. b) Analisando os dados fornecidos na tabela, vem: Quando a concentração de NO permanece constante e a concentração de CO dobra observa-se que a velocidade da reação permanece constante. Conclusão: o expoente da concentração de CO é zero.

7 Quando a concentração de CO permanece constante e a concentração de NO dobra observa-se que a velocidade quadruplica. Conclusão: o expoente da concentração de NO é dois. Então, v k[no ]. c) Utilizando-se os dados da primeira linha da tabela fornecida, vem: v k[no ] 5, k (,) 5 k,5,5 6 4 d) Analisando-se as duas últimas linhas da tabela, percebe-se que a concentração de NO e de CO permanece constante, porém, a velocidade da reação aumenta. Conclusão: a temperatura da reação na última linha da tabela é maior do que 35K. Resposta da questão 6: Teremos, de acordo com a Lei de Hess: i) C3H 8(g) 5 O (g) 3 CO (g) 4 HO( ) ΔH. kj (inverter) ii) C(grafite) O (g) CO (g) ΔH 394 kj ( 3) iii) H (g) O (g) HO( ) ΔH 86 kj ( 4) i) 3 CO (g) 4 HO( ) C3H 8(g) 5O (g) ΔH. kj ii) 3C(grafite) 3 O (g) 3CO (g) ΔH 3( 394) kj iii) 4H (g) O (g) 4HO( ) ΔH3 4( 86) kj 3C(grafite) 4H (g) C3H 8(g) ΔH ΔH ΔH ΔH3 ΔH. kj 3( 394) kj 4( 86) kj ΔH 6kJ Resposta da questão 7: a) Decomposição de peróxido de hidrogênio: HO ( ) HO( ) O (g). a b) Teremos a seguinte equação de velocidade: v k[ho ]. A partir da tabela fornecida, vem:

8 Conclusão: a =, a reação é de primeira ordem ou ordem. b) Lei de velocidade da reação: v k[ho ]. c) Cálculo do valor numérico da constante de velocidade, k: A partir da primeira linha da tabela, substituindo os dados na equação da Lei de velocidade, vem:,745 k,759 3,745 moll s k 3,66 s,75 moll c) I aq catalisador. acelera a reação de decomposição da água oxigenada, ou seja, funciona como Resposta da questão 8: H O g C s CO g H g Equação global. Para obtermos a equação global, devemos aplicar a Lei de Hess com as equações fornecidas. Assim: Equação I inverter HOg Hg Og ΔH 4, kj Equação II manter C O CO ΔH 393,5 kj s g g Equação III inverter e dividir por CO(g) CO(g) O(g) ΔH 38,5, kj H O g C s CO g H g com valor de ΔH 87 kj por mol de hidrogênio produzido. Assim: g de H produzido 87 kj g E E 43.5 kj/kg de hidrogênio produzido. O agente redutor da reação é o carbono, pois este sofre oxidação, conforme mostra o esquema

9 abaixo: H O(g) C(s) CO(g) H(g) Nox Nox Resposta da questão 9: a) Equação química balanceada da reação de combustão de benzeno a C 6 : C6H 6( ) 5O (g) 3HO( ) C 6(s) b) Teremos: C H ( ) 5O (g) 3H O( ) C (s) ( 49 kj) 3( 86 kj) 37 kj HReagentes H HPr odutos HReagentes H 6743 kj/ mol C6 H 674,3 kj/ mol C6H6 HPr odutos H [3( 86 kj) 37 kj] [( 49 kj) ] Resposta da questão : a) Equações químicas balanceadas relacionadas aos dois processos de oxidação da glicose: C6HO 6 6CO 6HO (oxidação total) leveduras C6HO 6 CH6O CO (oxidação parcial) b) Cálculo da energia relacionada à combustão de mols de etanol: C6HO 6 6CO 6HO H 7 kcal (manter) C6HO 6 CH6O CO H 3 kcal (inverter) C6HO 6 6 (4)CO 6HO H 7 kcal CH6O CO C 6 H O 6 H 3 kcal CH6O 4CO 6HO H H H H kcal Resumo das questões selecionadas nesta atividade Data de elaboração: 7/7/7 às 5:4 Nome do arquivo: PRODEZ - TERMOQUÍMICA E CINÉTICA Legenda: Q/Prova = número da questão na prova Q/DB = número da questão no banco de dados do SuperPro

10 Q/prova Q/DB Grau/Dif. Matéria Fonte Tipo Elevada... Química... Ufjf-pism /7... Analítica Média... Química... Fac. Santa Marcelina - Medicin/6... Analítica Elevada... Química... Ime/6... Analítica Elevada... Química... Uerj/6... Analítica Elevada... Química... Ufjf-pism 3/5... Analítica Elevada... Química... Ufg/4... Analítica Elevada... Química... Ita/4... Analítica Média... Química... Uerj/3... Analítica Elevada... Química... Ufpr/3... Analítica Elevada... Química... Ufg/... Analítica