P4 - PROVA DE QUÍMICA GERAL - 29/06/06

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1 P4 - PROVA DE QUÍMICA GERAL - 9/06/06 Nome: Nº de Matrícula: GABARITO Turma: Assinatura: Questão Valor Grau Revisão 1 a,5 a,5 a,5 4 a,5 Total 10,0 Constantes e equações: R 0,08 atm L -1 K -1 8,14 J -1 K -1 1 atm L 101,5 J F C -1 1C x V 1J ΔG ΔG o + R T ln Q ΔG o ΔH o - TΔS o ΔG o - n F ΔE o k ln k 1 ΔΗ 1 R T1 T 1 K p K c (RT) Δn

2 1ª Questão O ácido sulfúrico (H SO 4 ) pode ser preparado industrialmente pelo método de contato a partir de enxofre, oxigênio e água. Na primeira etapa, o enxofre é transformado em dióxido de enxofre (SO ) de acordo com a reação I. S(s) + O (g) SO (g) (Reação I) Na segunda etapa, o SO é oxidado para formar trióxido de enxofre (SO ), como mostrado na reação II. SO (g) + 1/O (g) SO (g) (Reação II) Na última etapa, o ácido sulfúrico é formado segundo a reação III. SO (g) + H O(l) H SO 4 (l) (Reação III) a) Qual é o volume de oxigênio, a 5 o C e 1 atm, que reage com 1000 Kg de enxofre, com 75% de pureza, para formar SO, segundo a reação I. Considere que a impureza presente no enxofre não reage com oxigênio e que esta reação tem 95% de rendimento. b) Calcule o trabalho envolvido na reação II, considerando que 100 de SO reagem com excesso de O para formar SO, a 5 C e 1 atm. Considere a reação com 100% de rendimento. c) O H SO 4 (l) obtido na reação III, corresponde a uma mistura contendo 98 % em massa de ácido sulfúrico e % em massa de água. Calcule a fração ar da água nessa mistura e a concentração ar do ácido, sabendo que a densidade da mistura é 1,8 g ml -1.

3 Resolução: a) Em 1000 Kg de material têm-se 750 kg de enxofre por causa da pureza 75%. N logo : N SO m MM g g g 1 s 47,5 de.47,5 x 0,95 65,6, por S causa do rendimento da reação. Assim, 65,6 de S reagem com o equivalente em de O. O volume de O que 65,6 de gás ocupa a 5 C e 1 atm é: nrt 65,6 x 0,08.98 V ,8 L P 1 b) SO(g) + 1 O ( g ) SO (g) Início Fim Δn -50 (diminuição de volume trabalho positivo) W ΔnRT 50 x 8,14 x ,65 J c) Em 100g de produto tem-se 98 g de H SO 4 e g de água, logo: g 1 18g 0,11 χh O g 0,11+ 1 μ HSO4 Logo : M H SO g 18g m MM 4 x HSO4 HO4.Vsolução Tomando 1L de ácido, têm - se 180 g 178, g 1 18, 1 de onde 98% ou 178,6 g de H SO 4

4 a Questão Considere a representação de uma reação, envolvendo os reagentes A e B e os produtos C e D: A + B C + D Com o intuito de determinar a lei de velocidade para essa reação, foram realizados experimentos para obtenção das velocidades iniciais: Experimento [A] o, L -1 [B] o, L -1 V, L -1 s ,1 0,1 1x10-4 0, 0,1 x10-4 0,1 0, 4x10-4 a) Calcule a ordem da reação em relação ao reagente A, ao reagente B e a ordem global da reação. b) Escreva a lei de velocidade da reação. c) Calcule a constante de velocidade da reação.

5 Resolução: a) Experimentos 1 e [B] 0 constante [A] 0 dobra assim como V Portanto, primeira ordem [A] 1 Vα [A] Experimento 1 e [A] 0 constante [B] 0 duplica e V quadruplica Vα [B] Ordem global 1 + ordem b) V K [A] [B] c) Experimento 1 1x10 4 L.S K.0,1 L 4 K 1x10 x10 L.S L K 0,1.S + L x 0,1 L K x 10 L

6 a Questão A reação abaixo representa a síntese da amônia: N (g) + H (g) NH (g) ΔH o -9, kj A Figura 1 representa a variação da concentração dos componentes da reação em função do tempo e a Figura representa a variação da constante de equilíbrio, Kc, em função da temperatura. a) Usando os dados da Figura 1, calcule o valor de Kc da reação. b) Após o equilíbrio inicial, adicionou-se N (g). Calcule o quociente reacional (Q) nesse instante e diga qual o sentido da reação. c) Discuta o principio de Lê Chatelier considerando o equilíbrio inicial e o novo equilíbrio estabelecido após a adição de N (g). d) Por que, para essa reação, o valor da constante de equilíbrio diminui com o aumento da temperatura, como mostra a Figura? e) Qual é o valor de Kp a 700 K? f) Calcule o valor de ΔG o para essa reação, a 700 K? (Considere que ΔΗ e ΔS não variam com a temperatura) Figura 1 Figura

7 a) No equilíbrio [H ],00 M [N ] 0,50 M [NH ],00 M Resolução: (NH ) (N )(H ) (,00) (0,50)(,00) K c b) [H ],00 Q Q c c [N ] 1,55 [NH ],00 (NH ) (N )(H ) 0,1 < K c (,00) (1,55)(,00) 4,00 1,5 4,00 41,85 0,96 0, 0,096 0,1 A reação deverá ir para a direita, conforme prediz o princípio de Le Châtelier c) Em geral, quando o equilíbrio é perturbado pela adição de qualquer reagente (neste caso o N ), o princípio de Le Châtelier prediz que: a alteração provocada pela adição deste reagente (N ) é aliviada pela reação na direção que consome substância adicionada (N ) Quando o novo equilíbrio é estabelecido (Figura 1), as concentrações são [N ] 1,, [H ],4 e a [NH ],; e Q c é novamente igual ao K c. d) A baixas temperaturas, a mistura em equilíbrio é rica em NH porque K c é grande. As altas temperaturas, o equilíbrio desloca na direção do N e H. Em geral a dependência da constante de equilíbrio com a temperatura, depende do sinal do ΔΗ para a reação: a constante de equilíbrio para uma reação exotérmica (ΔΗ negativo) diminui quando a temperatura aumenta. O princípio de Le Châtelier diz que se calor é adicionado para uma mistura em equilíbrio (assim aumentando sua temperatura), a reação ocorre na direção que alivia o stress do calor adicionado.

8 Para uma reação exotérmica, como esta da produção de NH, o calor é absorvido pela reação na direção reversa, e consequentemente K c diminui com o aumento da temperatura. e) K c a 700 K 0, (retirado do gráfico ) Δn -4 - K p K c (RT) Δn K p 0, (0,08.700) - K P 0,/(0, ) 0,/(57,4) 0,/95 9,1 x 10-5 f) ΔG -RT ln K p -8,14 J/k. x 700 K ln 9,1 x ,0 x 8,14 x 700 log 9,1 x ,04 ΔG J 54,15 kj

9 4 a Questão As pilhas de combustível são células galvânicas em que os reagentes são continuamente fornecidos aos eletrodos. São de grande interesse, uma vez que energia química é diretamente transformada em energia elétrica. Uma pilha de combustível, na qual os reagentes são oxigênio e hidrogênio, é usada como combustível em viagens espaciais. As semi-equações de redução para essa pilha são dadas abaixo: H O(l) + e - H (g) + OH - (aq) Eº -0,88 V O (g) + H O(l) + 4e - 4OH - (aq) Eº +0,40 V a) Qual semi-reação se processa no catodo? b) Qual é a única substância produzida na célula? Mostre as equações. c) Na reação global, preveja se a variação de entropia favorece ou não uma formação dos produtos. Justifique d) Calcule ΔGº e K para a reação global.

10 Resolução: a) O (g) + H O(l) + 4e - 4OH - (aq) b) H O(l) + e - H (g) + OH - (aq) Eº -0,88 V [x(-)] H (g) + 4OH - (aq) O (g) + H O(l) + 4e - 4OH - H (g) + O (g) H O(l) 4 H O(l) + 4e - Eº +0,88 V Eº +0,40 V ΔEº 1, V A única substância produzida na célula é a água. c) A variação de entropia não favorece a formação dos produtos, pois o número de de substâncias gasosas diminui. d) ΔG -nfδe ΔG -4 x x 1, - 474,8 kj -1 nf lnk ΔE RT 4x96500 lnk 8,14x98 x 1, lnk 191,6 K 1,68x10 8