Lista de Exercício COMPLEMENTAR de Termoquímica e Termodinâmica

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Osvaldo de Andrade Alcântara
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1 Lista de Exercíci COMPLEMENTAR de Termquímica e Termdinâmica 1) A água expande-se quand cngela. Quant trabalh realiza uma amstra de 100g de água quand cngela a 0 C e estura um can de água quand a pressã externa é igual a 1,070 atm? As densidades da água e gel a 0 C sã 1,00 e 0,92 g/cm3, respectivamente. Respsta: -0,90 kj 2) Calrímetr é equipament utilizad para determinar calr assciad a reações químicas u para determinar a capacidade calrífica de substâncias. N entant, própri recipiente d calrímetr absrve calr, prtant tem capacidade calrífica, que deve ser cnhecid para psterirmente analisar calr de reações químicas de interesse u a capacidade calrífica d material em análise. Esta etapa inicial é cnhecida cm calibraçã d calrímetr e permite determinar a capacidade calrífica d calrímetr. Supnha que a calibrar um calrímetr, tenhams frnecid 80,0 kj de calr para equipament aquecend- eletricamente (cntrland a crrente e temp, cnhecems calr frnecid) e que bservams que a temperatura d calrímetr aumenta 8,40 C. Qual será a capacidade calrífica d calrímetr? Respsta: C=9,52 kj/k 3) Agra que calrímetr fi calibrad e sua capacidade calrífica determinada (questã 3), pde-se utilizá-l para determinar calr liberad, pr exempl, em uma reaçã química. Cnsidere que uma reaçã química crre em um calrímetr, cm Capacidade calrífica de 9,52 kj/k. A temperatura d calrímetr aumentu 3,25 C ( T). Qual é valr de q para a reaçã química? Respsta: 30,94 kj 4) A capacidade calrífica de uma substância pde ser medida pr experiment simples. Adicine 50g de água a 20,0 C a um calrímetr cnfeccinad cm paredes de pliestiren, cuja capacidade calrífica é tã pequena que assumims que pde ser desprezada. Clque 21g de ferr metálic a 90,2 C n calrímetr. O equilíbri térmic será estabelecid entre a água e ferr, atingind a temperatura final (água + ferr) de 23,3 C. Observe que calr perdid pel ferr fi transferid para a água. Prtant, q ferr = q água e q ferr = m ferr. C s(ferr). T e q água = m água. C s(água). T Determine a capacidade calrífica específica d ferr. Dad: C s(água) = 4,184 J/g.K Respsta: 0,475 J/g.K 5) Calcule a temperatura final e a variaçã na energia interna quand 500J de energia sã transferids cm calr a 0,900 ml de O 2 a 298 K e 1,00 atm nas seguintes situações: a) A vlume cnstante; Respsta:+26,7 K b) À pressã cnstante Respsta:+19,1 K c) Justifique a diferença entre as temperaturas. Cnsidere cmprtament ideal d gás e que C v,m =5/2 R Respsta: A transferir energia para um gás é necessári que crra expansã d gás para manter a pressã cnstante. A expansã exerce trabalh sbre a vizinhança, cnsumind parte da energia, refletind na menr temperatura final d gás à pressã cnstante. 6) Cnsiderand exercíci 6, determine E para a situaçã (a) e (b). Respsta: a) 500 J pis w = 0; b) E = q+w, send que w = -P V = -nr T, w = -143 J e E = 357 J. 7) Calcule a temperatura final e a variaçã na energia interna quand 500 J de energia sã transferids cm calr a 0,900 ml de Ne a 298 K e 1,00 atm (a) a vlume cnstante; (b) à pressã cnstante. Trate gás cm ideal.

As densidades da água e gel a 0 C sã 1,00 e 0,92 g/cm3, respectivamente.

2 Respsta: a) 343 K, 500J; (b) 325K, 300 J. 8) Nas questões anterires fi pssível perceber que em prcesss à vlume cnstante E = q v, pis w =0. Em prcesss a pressã cnstante, parte da energia interna é cnvertida em trabalh de expansã, cnfrme vist anterirmente. Tipicamente s calrímetrs (bmbas calrimétricas) peram a vlume cnstante. Pdems necessitar cnverter valr medid de E em H. Pr exempl, é fácil medir calr liberad pela cmbustã de glicse em uma bmba calrimétrica, mas para usar a infrmaçã n cálcul de variações de energia n metablism, que crre à pressã cnstante, necessitams da entalpia. Um calrímetr a vlume cnstante mstru que a energia liberada durante a cmbustã de 1,00 ml de glicse (C 6H 12O 6) é kj/ml a 298 K. Prtant, E = kj/ml. Qual é a entalpia da reaçã? Observe que a energia perdida em frma de trabalh durante a cmbustã da glicse à pressã cnstante, deve-se a gás frmad. Cm H = E +P V (pressã cnstante) e P V = n gásrt. Respsta: kj 9) A equaçã termquímica para cmbustã d ciclhexan, é C 6H 12(l) + 9O 2(g) 6CO 2(g) + 6H 2O H = kj a 298 K. Qual é a variaçã na energia interna para a cmbustã de 1,00 ml de ciclhexan a 298K? Respsta: kj 10) Gaslina, que cntém ctan cm um mpnente, pde queimar a mnóxid de carbn se frneciment de ar fr restrit. Obtenha a entalpia-padrã de reaçã para a cmbustã incmpleta d ctan líquid n ar a mnóxid de carbn e água líquida a partir das reações a seguir: Respsta: kj 11) Metanl é cmbustível líquid de queima limpa cnsiderad cm candidat a substituinte da gaslina. Pde ser prduzid através da reaçã cntrlada d xigêni d ar cm metan d gás natural. Encntre a entalpia-padrã de reaçã para a frmaçã de 1 ml de metan a partir de metan e xigêni, dadas as seguintes infrmações: Respsta: -164 kj 12) Uma maneira experimental bastante útil para determinar a entalpia de frmaçã de um cmpst é utilizar a entalpia de reaçã na qual cmpst de interesse está envlvid. Uma reaçã muit utilizada é a reaçã de cmbustã. Determine a entalpia de frmaçã d prpan a partir da sua reaçã de cmbustã. O prpan é frequentemente utilizad em btijões para acampament. A entalpia da reaçã de cmbustã é kj/ml de prpan. Respsta: -104 kj/ml 13) O Cicl de Brn-Haber é muit útil para calcular a entalpia de rede de cmpsts iônics que revela a frça de interaçã entre íns, refletind em diversas prpriedades cm temperatura de fusã, slubilidade, etc. Tipicamente a entalpia de rede pde ser

Pdems necessitar cnverter valr medid de E em H.

3 determinada cnhecend as entalpias de frmaçã d cmpst iônic, a entalpia de vaprizaçã ds átms envlvids, a energia de inizaçã (I) e a afinidade eletrônica(e), cnfrme segue (nde M representa cátin e X ânin): H f [MX s] = H f [M(g)] + H f [X(g)] + I[M] + E[A] - H rede Observe que a entalpia de rede tem sinal negativ pr ser calr liberad devid a atraçã entre cargas pstas (cátin e ânin). Para ânins, valr da afinidade eletrônica também terá sinal negativ, representand a facilidade em receber elétrns. Determine a energia de rede d KCl e faça um diagrama demnstrand tdas as etapas d prcess. Dad: H f KCl(s) = -437 kj/ml, H[K(g)] = 89 kj/ml, H[Cl - (g)]= 122 kj/ml, I[K + (g)], E[Cl - (g)]= -349 kj/ml Respsta: 717 kj/ml 14) Estime a variaçã de entalpia da reaçã entre idetan gass e vapr de água utilizand as entalpias de ligaçã médias tabeladas, dadas em kj/ml. CH 3CH 2I(g) + H 2O(g) CH 3CH 2OH(g) + HI(g) 15) Na síntese da amônia através da reaçã N 2(g) 3H 2(g) 2NH 3(g), que é crucial para a agricultura, a entalpia-padrã da reaçã é -92,22 kj/ml a 298 K. Entretant, a síntese industrial crre a 450 C. a) Qual é a entalpia-padrã da reaçã nessa temperatura? Dad: Cp,m N 2(g) = 29,12 J/ml.K; Cp,m H 2(g)= 28,82 J/ml.K; Cp,m NH 3(g)= 35,06 J/ml.K. Cnsidere que as capacidades calríficas sã cnstantes nesta faixa de temperatura.

Para ânins, valr da afinidade eletrônica também terá sinal negativ, representand a facilidade em receber elétrns.

4 Respsta:-111,54 kj/ml b) Cm justificar as diferenças nas C p,m da amônia, gás nitrgêni e hidrgêni? c) A reaçã é mais extérmica em qual temperatura? 16) A entalpia da reaçã de frmaçã d óxid de alumíni a partir de seus cnstituintes elementares é kj/ml a 298 K. Estime seu valr a C. Respsta: kj/ml 17) Uma amstra de gás nitrgêni de vlume 20,0 L a 5,00 kpa tem sua temperatura aumentada de 20 C a 400 C a vlume cnstante. Qual é a variaçã de entrpia d nitrgêni devid a aqueciment? A capacidade calrífica mlar d nitrgêni a vlume cnstante, C v,m é 20,81 J/K.ml. Assuma cmprtament de gás ideal. Respsta: +0,710 J/K 18) A temperatura de 1,00 ml de He(g) é aumentada de 25 C para 300 C à pressã cnstante. Qual é a variaçã na entrpia d héli? Assuma cmprtament ideal e que C p,m = 5/2 R. Respsta: +13,6 J/K 19) Calcule a variaçã na entrpia mlar quand dióxid de carbn, tratad cm um gás ideal, se expande istermicamente até 10 vezes seu vlume inicial. Respsta: -17,3 J/K 20) Qual será a variaçã na entrpia de vaprizaçã da acetna na sua temperatura de ebuliçã, 56,2 C. Dad: H vap = 2,91 x 10 4 J/ml. Respsta: +88,3 J/K.ml 21) Cnsidere a tabela abaix e justifique as divergências à Regra de Trutn para a variaçã da entrpia de vaprizaçã de diferentes líquids. 22) Cnsidere diagrama abaix e justifique a descntinuidade da entrpia quand crre mudança de estad físic.

378 kj/ml 17) Uma amstra de gás nitrgêni de vlume 20,0 L a 5,00 kpa tem sua temperatura aumentada de 20 C a 400 C a vlume cnstante. Qual é a variaçã de entrpia d nitrgêni devid a aqueciment?

23) Calcule a entrpia-padrã para a reaçã de frmaçã da amônia a partir de seus elements cnstituintes. Utilize s dads da Tabela abaix: Respsta: -198,9 J/Kml O prdut gerad é mais rdenad que s reagentes?

5 23) Calcule a entrpia-padrã para a reaçã de frmaçã da amônia a partir de seus elements cnstituintes. Utilize s dads da Tabela abaix: Respsta: -198,9 J/Kml O prdut gerad é mais rdenad que s reagentes? As infrmações dispníveis permitem avaliar se a reaçã é espntânea? 24) Qual a imprtância da desigualdade de Clausius na previsã da espntaneidade de prcesss? 25) A frmaçã d fluret de hidrgêni a partir de seus elements em suas frmas mais estáveis é espntânea a 25 C? Dad: H reaçã = -546,4 kj, S reaçã =+14,1 J/K Respsta: S univers = J/K, prtant, espntânea. 26) Determine S sis, S viz, S tt, para a expansã istérmica reversível de 1,00 ml de mléculas de um gás ideal de 8,00 L a 20,00 L a 292 K. Respstas: a) S sis=+7,6 J/K S viz=-7,6 J/K, S tt = 0 (reversível, está em cnstante equilíbri) 27) Cm vcê interpreta as duas imagens abaix em relaçã a flux de energia (calr u trabalh) entre uma fnte quente (ht) e fnte fria (cld)? Qual destas representações trata de um prcess espntâne?

25) A frmaçã d fluret de hidrgêni a partir de seus elements em suas frmas mais estáveis é espntânea a 25 C? Dad: H reaçã = -546,4 kj, S reaçã =+14,1 J/K Respsta: S univers = +1.

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