P2 - PROVA DE QUÍMICA GERAL 22/10/05.

Transcrição

1 P2 - PROVA DE QUÍMICA GERAL 22/10/05. Nome: Nº de Matrícula: GABARITO Turma: Assinatura: Questão Valor Grau Revisão 1 a 2,5 2 a 2,5 3 a 2,5 4 a 2,5 Total 10,0 Constantes e Fatores de Conversão R = 8,314 J mol -1 K -1 R = 0,0821 atm L mol -1 K -1 1 atm L = 101,325 J Equações: ln[ A] t = t + ln[ A 1 1 = t + [ A] t [ A ] 0 ] 0 ln 1 Ea = R 1 T1 T 2 1 ΔG = ΔH - TΔS q = m c ΔT 2

2 1 a Questão Considere a reação de decomposição do fosgênio abaixo: COCl 2 (g) CO(g) + Cl 2 (g) a) Calcule ΔΗ e o ΔS da reação b) Calcule ΔG da reação c) Qual o efeito da temperatura na espontaneidade da reação e calcule a temperatura na qual a reação é espontânea? Obs.: Considere que ΔΗ e ΔS não variam com a temperatura. ΔH 0 f (J mol -1 ) S 0 (J K -1 mol -1 ) COCl 2 (g) ,8 CO(g) -110,5 197,5 Cl 2 (g) 0 223,0 Resolução: a) ΔΗ reação = n ΔΗ f Produtos - n ΔΗ f Reagentes = {0+ (-110,5)} - {-220} = 109,5 J/mol ΔS reação = n S Produtos - n S Reagentes = (223, ,5) - (283,8) = 136,7 J/. mol b) ΔG = ΔΗ - TΔS ΔG = 109,5-298 x 0,137 = 68,7 J/mol c) Observe que o ΔΗ e o ΔS são positivos; logo esta reação é não espontânea a baixas temperaturas e espontâneas a altas temperaturas. ΔΗ 109,5 T > = > 799,3K ΔS 0,137

3 2 a Questão Parte 1: Sabendo que a Lei de Velocidade é uma equação que fornece a velocidade da reação em função das concentrações das espécies presentes num sistema reacional e utilizando uma representação genérica de uma reação química como segue abaixo: aa + bb cc + dd Responda as questões abaixo: a) Escreva a lei de velocidade para a representação acima; b) Explique o que é ordem de reação; c) Descreva duas maneiras de determinar a ordem de reação exemplificando para casos de primeira ordem e de segunda ordem. Parte 2: Num experimento a C observou-se que um certo composto decompõe-se por uma reação de cinética de primeira ordem e que seu tempo de meia-vida foi de 5 h. Sabendo que a energia de ativação dessa decomposição é de J mol -1, calcule o tempo necessário para decompor 95 % do composto numa temperatura de C.

4 a) V = [A] m [B] n Resolução: b) Ordem de reação é a potência a que está elevada a concentração de uma espécie (produto ou reagente) na expressão da lei de velocidade, em relação à espécie química. 0,693 c) t 1 2 = = 5h = 0, C 2 Ea 1 1 ln = 1 R T1 T ln = 0,1386 8,314 ln 2 2 = 4,359 = 78,166 [ A] 0 ln [ A] t = t 5 ln 178,166 t 100 t = 0,038 h = 2,3min

5 3 a Questão a) Suponha que você queira aquecer 1,00 litro de água, inicialmente a 20 C, até 100 C usando o calor liberado na combustão do metano, conforme reação abaixo. Qual o volume de gás metano (CH 4 ) a 20 C necessário, supondo que este processo de aquecimento da água tenha um rendimento de 20%? CH 4 (g) + 2O 2 (g) 2H 2 O(g) + CO 2 (g) Considere a pressão igual a 1 atm e a densidade da água igual a 1 g ml -1. Dados: ΔΗ ƒ CH 4 (g) = -74,8 J/mol ΔΗ ƒ H 2 O(g) = -241,8 J/mol ΔΗ ƒ CO 2 (g) = -393,5 J/mol Calor específico do H 2 O = 4,184 J/ C.g b) Baseado em seus conhecimentos sobre as grandezas termodinâmicas, entalpia e entropia, o que se pode prever sobre a espontaneidade da reação acima?

6 Resolução: a) 1,00 de água = 1000 g Calor necessário para elevar a temperatura de 20 à 100 C Q = 1000 g x 4,184 J/ C. g x (100-20) C = 334,7 J Levando em consideração o rendimento de 20 %, temos que: Q = Q/0,20 = 1673,5 J Esta quantidade de calor deve ser suprida pela queima do metano. Pela estequiometria da reação, vemos que a queima de um mol de metano fornece libera uma quantidade de energia igual: ΔΗ reação = {2. ΔΗ f (H 2 O(g)) + ΔΗ f (CO 2 )} - ΔΗ f (CH 4 ) = -802,2 J Para obtermos 1673,5 J, são necessários (1673,5/802,2) mol de metano, ou seja, 2,09 mol de metano. Esta quantidade de metano, a 20 C e 1 atmosfera, equivalem a: V = (2,09 mol x 0,082 atm.l/mol. x 293 /1 atm) = 50,2 litros b) Como a variação do número de mols de substâncias gasosas é nula, ΔS 0; ΔG reação é basicamente função apenas de ΔH reação que é negativo, assim sendo, a reação deve ser espontânea para quase todas as temperaturas.

7 4 a Questão O etanol é um álcool cuja fórmula molecular é C 2 H 5 OH, apresentando-se na fase líquida a 25 0 C e 1 atm. O processo de vaporização do etanol é expresso pela equação abaixo. Na fase líquida o etanol possui calor específico de 2,46 J g -1 0 C -1 e densidade igual a 0,79 g ml -1. C 2 H 5 OH(l) C 2 H 5 OH(g) a) Calcule a temperatura (a pressão constante) de ebulição do etanol usando os dados da tabela abaixo. b) Calcule a variação de energia interna quando um volume de 1456 ml de etanol é aquecido de 25 0 C até o ponto de ebulição e depois vaporizado completamente. Dados Substância ΔH 0 f (J mol -1 ) S 0 (J K -1 mol -1 ) C 2 H 5 OH(l) -277,4 214 C 2 H 5 OH(g) -253,3 283 As variações de entalpias de formação ΔH 0 f para uma substância não variam significantemente com a temperatura.

8 Resolução: a) ΔΗ = ΔΗ f C 2 H 5 OH(g) - ΔΗ f C 2 H 5 OH(l) ΔΗ = (-277,4) = 24,1 J mol -1 ΔS = S C 2 H 5 OH(g) - S C 2 H 5 OH(l) ΔS = = 69 J mol -1-1 Como a transição de fase ocorre em situação de semi-equilíbrio pode se aplicar: 3 ΔΗ 24,1 x 10 J = 1 ΔS 69 J mol mol T = 1 1 = 349,2 = 76,1 C b) A variação de energia interna ocorre em duas etapas: i) No aquecimento do líquido ii) Na vaporização do líquido i) Aquecimento do etanol: nesse caso a variação na energia interna (ΔU i ) é devido ao ponto de calor devido ao aquecimento. Poderia usar a calorimetria para medir esse calor; pois na pressão constante, q = ΔΗ q = ΔΗ = m c Δt m etanol = d etanol.v etanol = 0,79 g ml -1 x 1456 ml = 1150,2 g Δt = 76,1 C - 25 C = 51,1 C Q = 1150,2. 2,46. 51,1 = J ΔU i = q = J ii) Vaporização do etanol: Na mudança de fase existe uma variação de entalpia (já calculado no item a por mol de etanol) e uma variação de volume devido a vaporização. Assim a variação de energia interna ΔUii é igual a q + w. ΔΗ vaporização = 24,1 J mol -1 ou J mol -1 n etanol = 1150,2 g 46 g mol = 1 25 mol Logo q = n. ΔΗ vap = = J O trabalho envolvido é de expansão, logo W = - ΔnRT , ,2 = J Assim, ΔU ii = q + w = = Logo, a variação de energia interna total será: ΔU total = ΔU i + ΔU ii = = J