Química. 2º Ano. Nome completo: N.º

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1 Data: / /2012 Química 2º Ano Jesus 2ª UA B Nome completo: N.º ASSUNTO: TERMOQUÍMICA e CNÉTICA QUÍMICA PROFESSOR: JESUS I-Termoquímica Conceito: É o estudo das trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas e nas mudanças de estado físicos das substâncias. Processo Endotérmico: É aquele que ocorre com absorção de calor. Genericamente, podemos representar os processos endotérmicos por: A + calor B ou A B H > 0 Processo Exotérmico: É aquele que ocorre com liberação de calor. Genericamente, podemos representar os processos exotérmicos por: A B + calor ou A B H < 0 Entalpia (H): É um conteúdo de energia apresentado por cada substância.

2 Variação de Entalpia ( H): Essa variação corresponde à quantidade de energia liberada ou absorvida durante o processo, realizado à pressão constante. Conseguimos medi-la através de calorímetros, o cálculo da variação de entalpia é dado pela expressão genérica: H = (H) final (H) inicial ou H = (H) produtos (H) reagentes A entalpia de uma reação depende da quantidade de reagentes, do estado físico, da forma alotrópica, da temperatura, da pressão, etc. Como é impossível determinar a entalpia absoluta, adotou-se um Estado Padrão. Uma substância padrão apresenta-se a temperatura de 25 0 C, sob uma pressão de 1 atm, em seu estado mais comum nessas condições e no seu estado alotrópico mais estável. Se uma substância simples estiver no estado padrão, sua entalpia é nula. São e- xemplos de substâncias padrões: H 2 O (l), O 2(g), Al (s), C (grafite), Cl 2(g). Equação termoquímica: é a equação química que indica o estado físico (ou alotrópico) dos reagentes e produtos, a temperatura e a pressão do processo, bem como a variação de entalpia da reação. Entalpia de Formação: é a variação de entalpia que ocorre na formação de 1 mol de um composto a partir de substâncias simples no estado padrão (25 0 C e 1 atm). A entalpia de formação representa a entalpia de um mol do composto formado, já que a entalpia dos reagentes é nula por definição. Entalpia de Combustão: é a variação de entalpia na combustão de 1 mol de uma substância a 25 0 C e 1 atm. A entalpia de combustão é sempre negativa, pois, a combustão é uma reação exotérmica. Energia de ligação: é a variação de entalpia na quebra de 1 mol de determinada ligação química supondo todas as substâncias no estado gasoso LEI DE HESS A Lei de Hess também pode ser chamada de Lei da Soma dos Calores de Reação. É uma forma de calcular a variação de entalpia através dos calores das reações intermediárias. Podem ser infinitas variações de entalpia. Exemplo: Qual o valor da variação de entalpia da reação a seguir? Dados (equações intermediárias): Resolução: Observe que a ΔH 1 e ΔH 2 são somadas, obtendo-se o valor da variação de entalpia. As equações químicas também são somadas, obtendo-se a reação global. Para montar as equações e aplicar a Lei de Hess, podemos fazer algumas alterações matemáticas, seguindo as seguintes regras: 1 ) as equações intermediárias devem estar de acordo com a reação global. Colocam-se as equações (dados) na ordem que reagem ou são produzidas. Se não estiverem de acordo, troca-se o sinal da ΔH. 2 ) acertar os coeficientes também de acordo com a reação global. Se a equação for multiplicada, a ΔH também deve ser multiplicada pelo mesmo número. 3 ) realizar o somatório para montar a reação global 4 ) somar os valores das ΔH das equações intermediárias para achar a ΔH da reação global.

3 II-Cinética Química Conceito: A cinética química tem como objetivo estudar: velocidade das reações químicas (ou tempo das reações químicas),influência das condições experimentais e mecanismo das reações químicas. Velocidade de uma reação química é uma medida da quantidade de produto formado (ou de reagente consumido) por unidade de tempo. Mecanismo de uma reação química é a seqüência de etapas simples ou elementares que levam os reagentes iniciais aos produtos finais. A equação da reação global não mostra as etapas intermediárias, mostra apenas a modificação líquida, que é o resultado final de todas as etapas que constituem o mecanismo. Quando uma reação química é estudada, é importante que se determine: - Qual a velocidade com que a reação ocorre? - Até onde a reação pode avançar no sentido dos produtos? A cinética química se detém na primeira questão, enquanto a Termodinâmica, através do Equilíbrio Químico, se detém na segunda questão. a) Natureza química dos reagentes: a velocidade da reação química depende de características intrínsecas de seus reagentes, acarretando assim uma ampla faixa de velocidades. Cada reação química é caracterizada por uma constante cinética, k, a qual depende da temperatura. b) Habilidade dos reagentes se encontrarem: em solução ou em fase gasosa, as partículas reagentes são capazes de se misturar completamente e colidirem entre si facilmente (reação homogênea). Mas em reações heterogêneas, os reagentes só fazem contato na interface. Neste caso, a velocidade das reações depende da área de contato entre as fases. c) Concentração dos reagentes: as velocidades das reações homogêneas e heterogêneas são afetadas pela concentrações dos reagentes. Na maioria das vezes, a velocidade aumenta quando a concentração dos reagentes aumenta (ou pressão, no caso de reagentes gasosos). d) Temperatura do sistema: em geral a velocidade das reações aumenta com o aumento da temperatura. e) Presença de agentes externos: são substâncias que afetam a velocidade das reações químicas, sem serem consumidos no processo global, permanecendo inalterados após a reação. Catalisadores: aumentam a velocidade das reações químicas Inibidores: diminuem a velocidade das reações químicas Catálise Catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação química sem ser consumida propriamente. Quando a reação se completa, os catalisadores são recuperados quimicamente inalterados. Os catalisadores têm muita importância na indústria química, pois viabilizam que a reação ocorra em uma velocidade razoável, em temperatura mais baixa do que em outras circunstâncias. Temperatura mais baixa significa menor gasto de energia. Os catalisadores apresentam especificidade de ação, ou seja, aceleram algumas reações mas não aceleram outras. Um catalisador acelera uma reação, pois, propicia um mecanismo de reação alternativo, que tem energia de ativação mais baixa do que o mecanismo original.

4 Dependência de Velocidade e Concentração Teoria das Colisões A teoria das colisões estabelece que três condições que devem ser satisfeitas para que uma reação ocorra: 1 as partículas dos reagentes devem colidir entre si 2 as partículas que colidem devem ter valores mínimos de energia 3 as partículas que colidem devem estar apropriadamente orientadas Dependência de Velocidade e Concentração Lei de velocidade Observa-se experimentalmente que a velocidade das reações depende das concentrações de certos reagentes, mas a intensidade desta dependência varia de reagente para reagente. Por exemplo: considerando a reação do Dióxido de Nitrogênio com Flúor, formando Fluoreto de Nitrila: A velocidade desta reação é proporcional à concentração do Dióxido de Nitrogênio (apesar do seu coeficiente estequiométrico ser 2), pois verifica-se experimentalmente que a velocidade duplica, quando sua concentração duplica: A velocidade da reação também é proporcional à concentração do Flúor, pois também, verifica-se experimentalmente que a velocidade duplica, quando sua concentração duplica: A lei de velocidade é a equação que relaciona a velocidade de uma reação, à concentração dos reagentes, cada qual elevada a uma potência apropriada. A lei de velocidade para a reação anterior é: v = k [NO 2 ] [F 2 ] Neste caso, na lei de velocidade a concentração dos dois reagentes tem expoente 1, os quais não correspondem exatamente aos coeficientes estequiométricos. A constante k é a constante de velocidade ou constante cinética e é sempre a constante de proporcionalidade da relação entre a velocidade da reação e a concentração dos reagentes. Numa dada temperatura, k tem valor fixo, mas varia quando a temperatura se altera. As unidades de k, dependem da expressão da lei de velocidade e das unidades da velocidade. Generalizando, vamos considerar a reação genérica: a A + bb Produtos A lei da velocidade tem a forma: v = k [A] m [B] n Onde os expoentes m e n são frequentemente, mas nem sempre, números inteiros, que só podem ser determinados experimentalmente, e não podem ser obtidos simplesmente pelos coeficientes estequiométricos da equação da reação. Somente se a reação for considerada elementar que os expoentes da lei de velocidade serão iguais aos coeficientes estequiométricos. Mecanismo de Reação A maioria das reações químicas, não ocorre em uma única etapa, simples como descreve a reação global, mas sim em uma seqüência de etapas. Às vezes, estas etapas se ordenam em uma seqüência simples, mas em alguns casos inter-relacionam-se de maneira complexa. As etapas que levam dos reagentes aos produtos, e a relação dessas etapas entre si constituem o Mecanismo da reação química. Esta reação, se ocorresse em uma única etapa, envolveria a colisão simultânea de 4 moléculas, o que é muitíssimo pouco provável. Logo, esta reação segue um mecanismo em etapas. Cada etapa é uma reação elementar. A soma dessas etapas fornece a Reação Global Balanceada.

5 Este mecanismo foi obtido combinando teoria e experiência Quando uma reação química ocorre em mais de uma etapa, sempre vai existir uma etapa mais lenta que vai atuar como gargalo no caminho e que, portanto, vai ser determinante da velocidade da reação global, logo: A etapa mais lenta é denominada Etapa Determinante da Velocidade da Reação Química (EDR), pois dela depende a velocidade do processo global. Vamos analisar o exemplo anterior: Para esta reação, a lei de velocidade determinada experimentalmente é: Como foi determinada esta lei? Foram realizados experimentos em que as concentrações fossem variadas de forma sistemática: - [NO] mantida constante e [H 2 ] variável, verificou-se que velocidade é proporcional a [H 2 ] - [NO] variável e [H 2 ] mantida constante, verificou-se que a velocidade é proporcional a [NO] 2 Logo resulta a lei experimental: v = k [NO] 2 [H 2 ] Ordem de Reação A ordem de reação em relação a um reagente é o expoente ou concentração deste reagente na lei de velocidade determinado experimentalmente. A ordem global da reação, é a soma dos expoentes, ou seja, a soma das ordens dos reagentes na expressão de velocidade. Ou seja, para a reação química: a A + b B Produtos A lei de velocidade é: v = k [A] m [B] n Esta reação é dita de: - ordem m em relação a A - ordem n em relação a B - ordem global (m + n)

6 EXERCÍCIOS 01-O carbeto de cálcio, CaC 2, é fabricado pela redução da cal (CaO) pelo carvão, a alta temperatura. CaO(s) + 3 C(s) CaC 2 (s) + CO(g) ΔH = + 464,8 kj Sobre o carbeto de cálcio e sua obtenção são feitas as seguintes afirmações: I. O carbeto de cálcio pode ser usado para fabricar acetileno, importante produto orgânico industrial. II. A obtenção de carbeto de cálcio é endotérmica. III. A quantidade de calor liberada quando 10 g de CaO reagem com carbono em excesso é igual a 183 kj. Dessas afirmações, somente: a) I e II são corretas. b) I e III são corretas. c) I é correta. d) II é correta. e) III é correta. 02-O metanol (CH 3 OH) é uma substância muito tóxica, seu consumo pode causar cegueira e até morte. Ele é geralmente empregado como anticongelante, solvente e combustível. A reação de síntese do metanol é: CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(l). A partir das equações termoquímicas seguintes e de suas respectivas entalpias padrão de combustão, a 25 o C: CH 3 OH(l) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) ΔH = -638 kj/mol H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(l) ΔH = -286 kj/mol CO(g) + 1/2 O 2 (g) CO 2 (l) ΔH = -283 kj/mol Determine o valor da entalpia-padrão da reação de síntese do metanol a 25 C, em kj/mol. 03-A termoquímica é a área da química que trata dos fenômenos térmicos envolvidos nas reações químicas. A quantidade de calor trocado durante uma reação que acontece a pressão constante corresponde à variação de entalpia ΔH. É INCORRETO afirmar que o ΔH de uma reação: a) depende do estado físico dos reagentes e produtos. b) depende da quantidade de reagentes e produtos. c) aumenta com a presença de um catalisador. d) é positivo quando a reação é endotérmica. e) é negativo quando a reação é exotérmica. 04-Com base nas reações I. 2 Na(s) + H 2 (g) + 2 C(graf.) + 3 O 2 (g) 2 NaHCO 3 (s) ΔH = ,6 kj II. 2 Na(s) + C(graf.) + 3/2 O 2 (g) Na 2 CO 3 (s) ΔH = -1130,7 kj III. C(graf.) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH = - 393,5 kj IV. H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(g) ΔH = - 241,8 kj Determine a entalpia da reação de decomposição do bicarbonato de sódio: 2 NaHCO 3 (s) Na CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(g) 05-Utilizando uma bomba calorimétrica é possível determinar o calor de combustão do benzeno, do hidrogênio e do carbono grafite, como ilustram os diagramas a seguir. A partir desses dados, calcule a entalpia de formação do benzeno (ΔH f ).

7 06-Observe o gráfico abaixo. 1. O gráfico corresponde a um processo endotérmico. 2. A entalpia da reação é igual a +226 kcal. 3. A energia de ativação da reação é igual a 560 kcal. Está (ão) correta(s): a) 1 apenas b) 2 apenas c) 2 e 3 apenas d) 1 e 3 apenas e) 1, 2 e 3 07-Determine a entalpia, em kj/mol, da reação química a 298,15 K e 1 bar, representada pela seguinte equação: C 4 H 10 (g) C 4 H 8 (g) + H 2 (g). Dados eventualmente necessários: Hf (C 4 H 8 (g)) = -11,4; Hf (CO 2 (g)) = -393,5; Hf (H 2 O(l)) = -285,8 e Hc (C 4 H 10 (g)) = ,6, em que Hf e Hc, em kj/mol, representam as variações de entalpia de formação e de combustão a 298,15 K e 1 bar, respectivamente. 08-Com o objetivo de solucionar o problema da grande demanda de energia proveniente de fontes energéticas não renováveis, uma das alternativas propostas é o uso da biomassa, matéria orgânica que quando fermenta, produz biogás, cujo principal componente é o metano, utilizado em usinas termelétricas, gerando eletricidade, a partir da energia térmica liberada na sua combustão. Calcule o calor envolvido, em kj, na combustão de 256 g do principal componente do biogás. Dados: C (graf) + 2H 2(g) CH 4(g) H = -74,4 kj/mol H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (g) H = -242,0 kj/mol C (graf) + O 2(g) CO 2(g) H = -393,5 kj/mol 09-Dadas as equações termoquímicas: C (graf) + O 2(g) CO 2(g) H = -393 kj/mol H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) H = -286,0 kj/mol 2 C (graf) + 2 H 2(g) + O 2(g) CH 3 COOH (l) H = -484,0 kj Calcule a entalpia-padrão de combustão de um mol de ácido acético. 10-Observe os dados a seguir: 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) H = -1203,6 kj Mg(OH) 2(s) MgO (s) + H 2 O (l) H = +37,1 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H = -571,7 kj Baseando-se no exposto acima, calcule a entalpia padrão do Mg(OH) 2(s), a 25ºC e 1 atm.

8 11-Parece claro que o desenvolvimento tem gerado um gasto considerável de energia (especialmente das formas que incrementam gás carbônico na atmosfera). E tudo foi alavancado quando, na Inglaterra, entre 1760 e 1800, a máquina a vapor foi aperfeiçoada, exigindo uma demanda maior de carvão mineral (substituindo o carvão vegetal), também utilizado na fusão de minérios de ferro. Uma das primeiras inovações metalúrgicas da época foi a fusão de minério de ferro (hematita) com carvão coque*. Isso levou à produção de ferro batido de alta qualidade, o qual começou a ser empregado na fabricação de máquinas, na construção civil e nas ferrovias, substituindo a madeira. *Ao ser queimado junto com o minério, o carvão coque tem por finalidade produzir CO para a reação (equação abaixo) e fornecer o calor necessário para essa reação ocorrer. Pelas informações contidas no texto, é possível concluir que a reação representada pela equação é..., e que o símbolo significa O peróxido de hidrogênio que, em solução aquosa, é conhecido comercialmente como água oxigenada, é um líquido claro de fórmula química H 2 O 2. Recentemente foi utilizado de forma ilegal, juntamente com o hidróxido de sódio, para aumentar o volume de comercialização de leite. No leite a água oxigenada sofre um processo de decomposição dado pela equação: 2H 2 O 2 (l) +2H 2 O(l) + O2 (g), com um H = 196kJ Em relação a este processo, qual o calor (q) desprendido na decomposição de 5,0g de H 2 O 2 (l) a pressão constante? (Dados de massa atômica: H=1; O=16.) 13-A combustão de um mol de metano nas condições padrão, de acordo com a equação (I) libera 606,7 kj. Qual será a quantidade de calor liberada na reação representada pela equação (II) em kj/mol, se o calor de vaporização da água é 44,0 kj/mol? I-CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) II-CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) 14-Dado diagrama abaixo Determine o valor da energia de ativação e a entalpia da reação da reação direta e da reação inversa. 15- Seja a reação: X Y + Z. A variação na concentração de X em função do tempo é: Calcule a velocidade média da reação no intervalo de 2 a 5 minutos. 16- A decomposição da água oxigenada em determinadas condições experimentais produz 3,2 g de oxigênio por minuto. Calcule a velocidade de decomposição do peróxido em mol/min. Dado: O = 16 u.

9 17-Considere os estudos cinéticos de uma reação química e julgue os itens abaixo. 1) Toda reação é produzida por colisões, mas nem toda colisão gera uma reação. 2) Uma colisão altamente energética pode produzir uma reação. 3) Toda colisão com orientação adequada produz uma reação. 4) A velocidade média de uma reação pode ser determinada pela expressão: v = quantidade dos produtos/ quantidade dos reagentes Assinalando V para verdadeiro e F para falso e, lendo de cima para baixo, teremos: a) V, V, F, F. b) V, V, V, F. c) F, V, F, F. d) V, F, V, F. e) V, V, V, V. 18-Nas reações químicas, de um modo geral, aumenta-se a velocidade da reação por meio da elevação de temperatura. Isto ocorre porque aumenta: I. A velocidade média das moléculas reagentes. II. A energia cinética média das moléculas dos reagentes. III. A freqüência das colisões entre as moléculas. Das afirmações acima são corretas: a) I apenas. b) II apenas. c) III apenas. d) I e III apenas. e) I, II e III. 19-No diagrama abaixo o valor da energia de ativação correspondente (em kcal) é: a) 25 b) 85 c) 110 d) 65 e) O óxido nítrico reage com hidrogênio, produzindo nitrogênio e vapor de água de acordo com a reação: Acredita-se que essa reação ocorra em duas etapas: De acordo com esse mecanismo, a expressão da velocidade da reação é: a) v = k [NO] 2 [H 2 }. b) v = k [NO 2 ][H 2 O]. c) v = k [NO][H 2 ]. d) v = k [N 2 ][H 2 O]. e) v = k [N 2 ][H 2 O] 2.

10 21-A reação A + 2 B P se processa em uma única etapa. Qual a velocidade desta reação quando K = 0,3 L/mol. min, [A] = 2,0 M e [B] = 3,0 M? 22-A tabela abaixo indica valores das velocidades da reação e as correspondentes concentrações em mol/l dos reagentes em idênticas condições, para o processo químico representado pela equação: 3 X + 2 Y Z + 5 W Determine equação de velocidade desse processo. 23-Quais a condições para que ocorra uma reação química: I- Energia cinética para as moléculas. II- Orientação espacial favorável. III- Energia de ativação. IV- Afinidade entre os reagentes. V- Reações endotérmicas. A alternativa, contendo afirmações VERDADEIRAS, é: a) apenas I, b) I, II, III e IV c) apenas III d) I e III e) todas. 24-Na preparação de hidrogênio, realizaram-se cinco experiências entre magnésio e ácido clorídrico, nas condições a- baixo especificadas. Escolha a alternativa correspondente à reação com maior velocidade. 25-Dada a reação elementar: N H 2 2 NH 3 Calcule a velocidade da reação quando a concentração do N 2 for triplicada e a concentração do H 2 for duplicada. 26-A regra de Van t Hoff diz que um aumento de 10 0 C na temperatura duplica a velocidade de uma reação química. Admita que essa regra seja válida para as reações que fazem os alimentos estragarem. Dentro de uma geladeira (5 0 C) os alimentos estragam com certa velocidade. As velocidades de degradação dos alimentos ficariam quantas vezes maiores, se o alimento estivesse fora da geladeira: a) em um dia a 15 0 C? b) em um dia a 25 0 C? c) em um dia a 45 0 C? 27-Para remover uma mancha de um prato de porcelana fez-se o seguinte: cobriu-se a mancha com meio copo de água fria, adicionaram-se algumas gotas de vinagre e deixou-se por uma noite. No dia seguinte a mancha havia clareado levemente. Usando apenas água e vinagre, sugira duas alterações no procedimento, de tal modo que a remoção da mancha possa ocorrer em menor tempo. Justifique cada uma das alterações propostas. 28-A reação química, representada genericamente pela equação: A + B produtos, apresenta velocidade v 1 = 0,343 mol/s à temperatura de 25 C. Calcule a velocidade (v 2 ) a 45 C, com base na Regra de Van t Hoff, mantidas as mesmas concentrações. 29-Considerando elementar a reação de síntese da água: 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g), e sendo v sua velocidade, ao se duplicar a concentração molar do hidrogênio, mantendo-se a temperatura constante, a velocidade da reação será: a) 2v b) 3v c) 4v d) 5v e) 6v