2 - Lista de exercícios H, E e Capacidade Calorífica

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1 2 - Lista de exercícios H, E e Capacidade Calorífica 1) Sob certas circunstâncias, como em locais sem acesso a outras técnicas de soldagem, pode-se utilizar a reação entre alumínio (Al) pulverizado e óxido de ferro (Fe 2 O 3 ) para soldar trilhos de aço, visto que uma grande quantidade de energia é liberada nesta reação química. Usando as entalpias de formação ( H f ), calcule a variação da entalpia padrão para a reação ( H r ) da termita: 2Al(s) + Fe 2 O 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 2Fe(s) H r =... Resposta: -847,6 kj Dado: H f Al 2 O 3 = ,8 kj/mol H f Fe 2 O 3 = -822,2 kj/mol 2) A nitroglicerina é um potente explosivo, liberando quadro gases diferentes quando detonada: C 3 H 5 (NO 3 ) 3 (l) N 2 (g) + O 2 (g) + CO 2 (g) + H 2 O(g) (Não balanceada) a) Dada a entalpia de formação da nitroglicerina, H f = -364 kj/mol, calcule a energia (variação da entalpia da reação) liberada por esta reação. Consulte tabela de entalpia para buscar os valores de H f dos demais reagentes. Resposta: kj/2 mol de nitroglicerina Calcule a energia liberada quando 10,0 g de nitroglicerina são detonadas. Resposta: -62,7kJ 3) B 2 H 6 é um hidreto de boro altamente reativo, considerado no passado um importante combustível no programa espacial americano. Calcule H r para a síntese do B 2 H 6 a partir das reações químicas 1, 2, 3 e 4: Reação de síntese: B(s) + H 2 (g) B 2 H 6(g) (Não balanceada) 2B(s) + 3/2O 2 (g) B 2 O 3 (s) H r = kj (1) B 2 H 6 (g) +3O 2 (g) B 2 O 3 (s) + 3H 2 O(g) H r = kJ (2) H 2 (g) +1/2O 2 (g) H 2 O(l) H r = kj (3) H 2 O(l) H 2 O(g) H r = + 44kJ (4) Resposta: 36 kj 4) Considere a seguinte reação: 2Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) H = kj a) A reação é endotérmica ou exotérmica? b) Calcule a quantidade de calor transferida quando 2,4 g de Mg(s) reage a pressão constante. c) quantos gramas de MgO são produzidos durante uma variação de entalpia de 96,0 kj? d) Quantos quilojoules de calor são absorvidos quando 7,50g de MgO(s) se decompõem em Mg(s) e O 2 (g) a pressão constante? Respostas: (a) Exotérmica (b) 59 kj de calor transferido (c) 6,43 g de MgO produzidos (d) +112 kj de calor absorvido. 5) A partir das entalpias de reação: H 2 (g) + F 2 (g) 2HF (g) H = -537kJ C(s) + 2F 2 (g) CF 4 (g) H = -680 kj 2C(s) + 2H 2 (g) C 2 H 4 (g) H = +52,3 kj Calcule o H para a reação do etileno com F 2, conforme abaixo. Esta reação será endotérmica ou exotérmica? 1

2 C 2 H 4 (g) + 6F 2 (g) 2CF 4 (g) + 4HF(g) Resposta: H= 2,49 x 10 3 kj 6) Considere as reações termoquímicas abaixo: Fe 2 O 3 (s) 2Fe(s) + 3/2O 2 (g) SO 3 (l) S(s) + 3/2O 2 (g) H f = -826 kj/mol H f = -438 kj/mol 2Fe(s) + 3S(s) + 6O 2 (g) Fe 2 (SO 4 ) 3 (s) H f = kj/mol Qual será a entalpia da reação abaixo considerando duas estratégias de cálculo a) Usando a Lei de Hess; b) usando a relação que H reação = H f (produtos) - H f (reagentes). Fe 2 O 3 (s) + 3SO 3 (l) Fe 2 (SO 4 ) 3 (s) H reação... Resposta: igual para as duas estratégias, -443 kj 7) A oxidação da glicose, C 6 H 12 O 6, é um processo metabólico básico em toda a vida. Ela ocorre nas células, por meio de uma série complexa de reações catalisadas por enzimas. A reação total é: C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l) Ao consultar uma tabela de entalpias de formação-padrão encontraram-se os seguintes valores: H f C 6 H 12 O 6 (s) = kj/mol; H f CO 2 (g) = -393,51 kj/mol e; H f H 2 O(l) = -285,83 kj/mol. Determine: a) o calor envolvido na reação acima; b) é uma reação endo ou exotérmica? C) qual será o valor envolvido quando 1kg de glicose reage? Respostas; a) kj; b) exotérmico; c) kj 8) O nadador Michael Phelps surgiu na Olimpíada de Beijing como um verdadeiro fenômeno, tanto pelo seu desempenho quanto pelo seu consumo alimentar. Divulgou-se que ele ingere uma quantidade diária de alimentos capaz de lhe oferecer uma energia de 50 MJ. Quanto disto é assimilado, ou não, é uma incógnita. Só no almoço, ele ingere um pacote de macarrão de 500 gramas, além de acompanhamentos. a) Suponha que o macarrão seja constituído essencialmente de glicose (C 6 H 12 O 6 ), e que, no metabolismo, toda essa glicose seja transformada em dióxido de carbono e água. Considerando-se apenas o metabolismo do macarrão diário, qual é a contribuição do nadador para o efeito estufa, em gramas de dióxido de carbono? b) Qual é a quantidade de energia, em kj, associada à combustão completa e total do macarrão (glicose) ingerido diariamente pelo nadador? (Dados de entalpia de formação em kj/mol: glicose= , água= -242, dióxido de carbono = -394). Resposta: a) 733 g de CO 2 ; b) 7061 kj; 9) O besouro bombardeiro espanta seus predadores, expelindo uma solução quente. Quando ameaçado, em seu organismo ocorre a mistura de soluções aquosas de hidroquinona, peróxido de hidrogênio e enzimas, que promovem uma reação exotérmica, representada por: O calor envolvido nessa transformação pode ser calculado, considerando-se os processos: 2

3 Assim sendo, qual é o calor envolvido na reação que ocorre no organismo do besouro? Resposta: kj.mol -1 10) Quando se utiliza um biossistema integrado numa propriedade agrícola, a biodigestão é um dos processos essenciais desse conjunto. O biodigestor consiste de um tanque, protegido do contato com o ar atmosférico, onde a matéria orgânica de efluentes, principalmente fezes animais e humanas, é metabolizada por bactérias. Um dos subprodutos obtidos nesse processo é o gás metano, que pode ser utilizado na obtenção de energia em queimadores. A parte sólida e líquida que sobra é transformada em fertilizante. Dessa forma, faz-se o devido tratamento dos efluentes e ainda se obtêm subprodutos com valor agregado. Sabe-se que a entalpia molar de combustão do metano é de 803 kj/mol; que a entalpia molar de formação desse mesmo gás é de 75 kj/mol; que a entalpia molar de formação do CO 2 é de 394 kj/mol. A partir dessas informações, calcule a entalpia molar de formação da água nessas mesmas condições. Resposta: -242 kj/mol de água 11) A água expande-se quando congela. Quanto trabalho realiza uma amostra de 100g de água quando congela a 0 o C e estoura um cano de água quando a pressão externa é igual a 1,070 atm? As densidades da água e gelo a 0 o C são 1,00 e 0,92 g/cm3, respectivamente. Resposta: -0,90 kj 12) Calorímetro é o equipamento utilizado para determinar o calor associado a reações químicas ou para determinar a capacidade calorífica de substâncias. No entanto, o próprio recipiente do calorímetro absorve calor, portanto tem capacidade calorífica, que deve ser conhecido para posteriormente analisar o calor de reações químicas de interesse ou a capacidade calorífica do material em análise. Esta etapa inicial é conhecida como calibração do calorímetro e permite determinar a capacidade calorífica do calorímetro. Suponha que ao calibrar um calorímetro, tenhamos fornecido 80,0 kj de calor para o equipamento aquecendo-o eletricamente (controlando a corrente e tempo, conhecemos o calor fornecido) e que observamos que a temperatura do calorímetro aumenta 8,40 o C. Qual será a capacidade calorífica do calorímetro? Resposta: C=9,52 kj/k 13) Agora que o calorímetro foi calibrado e sua capacidade calorífica determinada (questão 3), pode-se utilizá-lo para determinar o calor liberado, por exemplo, em uma reação química. Considere que uma reação química ocorre em um calorímetro, com Capacidade calorífica de 9,52 kj/k. A temperatura do calorímetro aumentou 3,25 o C ( T). Qual é o valor de q para a reação química? Resposta: 30,94 kj 14) A capacidade calorífica de uma substância pode ser medida por experimento simples. Adicione 50g de água a 20,0 o C a um calorímetro confeccionado com paredes de poliestireno, cuja capacidade calorífica é tão pequena que assumimos que pode ser desprezada. Coloque 21g de ferro metálico a 90,2 o C no calorímetro. O equilíbrio térmico será estabelecido entre a água e o ferro, atingindo a temperatura final (água + ferro) de 23,3 o C. Observe que o calor perdido pelo ferro foi transferido para a água. Portanto, q ferro = q água e q ferro = m ferro. C s(ferro). T e q água = m água. C s(água). T Determine a capacidade calorífica específica do ferro. Dado: C s(água) = 4,184 J/g.K Resposta: 0,475 J/g.K 15) Calcule a temperatura final e a variação na energia interna quando 500J de energia são transferidos como calor a 0,900 mol de O 2 a 298 K e 1,00 atm nas seguintes situações: a) A volume constante; Resposta:+26,7 K b) À pressão constante Resposta:+19,1 K c) Justifique a diferença entre as temperaturas. 3

4 Considere comportamento ideal do gás e que C v,m =5/2 R Profa. Marcia Margarete Meier Disciplina QGE2001 Resposta: Ao transferir energia para um gás é necessário que ocorra expansão do gás para manter a pressão constante. A expansão exerce trabalho sobre a vizinhança, consumindo parte da energia, refletindo na menor temperatura final do gás à pressão constante. 16) Considerando o exercício 6, determine E para a situação (a) e (b). Resposta: a) 500 J pois w = 0; b) E = q+w, sendo que w = -P V = -nr T, w = -143 J e E = 357 J. 17) Calcule a temperatura final e a variação na energia interna quando 500 J de energia são transferidos como calor a 0,900 mol de Ne a 298 K e 1,00 atm (a) a volume constante; (b) à pressão constante. Trate o gás como ideal. Resposta: a) 343 K, 500J; (b) 325K, 300 J. 18) Nas questões anteriores foi possível perceber que em processos à volume constante E = q v, pois w =0. Em processos a pressão constante, parte da energia interna é convertida em trabalho de expansão, conforme visto anteriormente. Tipicamente os calorímetros (bombas calorimétricas) operam a volume constante. Podemos necessitar converter o valor medido de E em H. Por exemplo, é fácil medir o calor liberado pela combustão de glicose em uma bomba calorimétrica, mas para usar a informação no cálculo de variações de energia no metabolismo, que ocorre à pressão constante, necessitamos da entalpia. Um calorímetro a volume constante mostrou que a energia liberada durante a combustão de 1,00 mol de glicose (C 6 H 12 O 6 ) é kj/mol a 298 K. Portanto, E = kj/mol. Qual é a entalpia da reação? Observe que a energia perdida em forma de trabalho durante a combustão da glicose à pressão constante, deve-se ao gás formado. Como H = E +P V (pressão constante) e P V = n gás RT. Resposta: kj 19) A equação termoquímica para combustão do ciclohexano, é C 6 H 12 (l) + 9O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O H = kj a 298 K. Qual é a variação na energia interna para a combustão de 1,00 mol de ciclohexano a 298K? Resposta: kj 20) Gasolina, que contém octano como um omponente, pode queimar a monóxido de carbono se o fornecimento de ar for restrito. Obtenha a entalpia-padrão de reação para a combustão incompleta do octano líquido no ar a monóxido de carbono e água líquida a partir das reações a seguir: Resposta: kj 21) Metanol é combustível líquido de queima limpa considerado como candidato a substituinte da gasolina. Pode ser produzido através da reação controlada do oxigênio do ar com metano do gás natural. Encontre a entalpia-padrão de reação para a formação de 1 mol de metano a partir de metano e oxigênio, dadas as seguintes informações: Resposta: -164 kj 22) Uma maneira experimental bastante útil para determinar a entalpia de formação de um composto é utilizar a entalpia de reação na qual o composto de interesse está envolvido. Uma reação muito utilizada é a reação de combustão. Determine a entalpia de formação do propano a partir da sua reação de 4

5 combustão. O propano é frequentemente utilizado em botijões para acampamento. A entalpia da reação de combustão é kj/mol de propano. Resposta: -104 kj/mol 23) O Ciclo de Born-Haber é muito útil para calcular a entalpia de rede de compostos iônicos que revela a força de interação entre íons, refletindo em diversas propriedades como temperatura de fusão, solubilidade, etc. Tipicamente a entalpia de rede pode ser determinada conhecendo as entalpias de formação do composto iônico, a entalpia de vaporização dos átomos envolvidos, a energia de ionização (I) e a afinidade eletrônica(e), conforme segue (onde M representa cátion e X ânion): H f o [MX s ] = H f o [M(g)] + H f o [X(g)] + I[M] + E[A] - H rede Observe que a entalpia de rede tem sinal negativo por ser calor liberado devido a atração entre cargas opostas (cátion e ânion). Para ânions, o valor da afinidade eletrônica também terá sinal negativo, representando a facilidade em receber elétrons. Determine a energia de rede do KCl e faça um diagrama demonstrando todas as etapas do processo. Dado: H f o KCl(s) = -437 kj/mol, H[K(g)] = 89 kj/mol, H[Cl - (g)]= 122 kj/mol, I[K + (g)], E[Cl - (g)]= kj/mol Resposta: 717 kj/mol 24) Estime a variação de entalpia da reação entre iodoetano gasoso e vapor de água utilizando as entalpias de ligação médias tabeladas, dadas em kj/mol. CH 3 CH 2 I(g) + H 2 O(g) CH 3 CH 2 OH(g) + HI(g) 5

6 25) As caixas fechadas abaixo representam sistemas e as setas mostram as variações para o sistema em um processo. Os comprimentos das setas representam os valores relativos de q e w. a) Qual desses processos é endotérmico, qual será o sinal algébrico de calor e entalpia, a pressão constante? B) Para qual desses processos, se houver algum E<0? C) Para qual desses sistemas, se houver algum, existe um ganho líquido de energia interna? 6