P2 - PRVA DE QUÍMICA GERAL - 08/10/07 Nome: Nº de Matrícula: GABARIT 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 R = 8,314 J mol -1 K -1 = 0,0821 atm L mol -1 K -1 1 atm L = 101,325 J 1 cal = 4,184 J E = U = q + w G = H - T S K w = [H + ] [H - ] = 1,00 x 10-14 a 25 C
1ª Questão Veronal (verh, ácido dietilbarbitúrico) é o nome comercial do primeiro sedativo e sonífero do grupo dos barbitúricos. Em solução aquosa esse ácido sofre ionização segundo a reação abaixo: H 3 C H 3 C H H 3 C N H N - 3 C ( a q ) + H 2 ( l ) ( a q ) + H 3 + ( a q ) N N H (verh) (ver - ) H a) Calcule K a para o ácido e o ph para uma solução preparada pela dissolução de 0,020 mol de veronal em 1,0 L de água, a 25 o C. grau de ionização do veronal nessa solução é de 0,14%. b) Explique o que irá ocorrer ao equilíbrio descrito no item a quando 1,0 x 10-4 mol de HCl (ácido forte) forem adicionados à solução. Calcule o ph da solução resultante após o equilíbrio ser restabelecido. Considere que não há variação de volume. c) Calcule K b para a base conjugada do veronal, a 25 o C. d) Segundo o conceito de Bronsted-Lowry, a água é uma substância que pode comportar-se como um ácido ou como uma base. Identifique, na representação do equilibrio acima, se a água se comporta como ácido ou como base e justifique sua resposta.
Resolução: + [H3 ] eq a) Grau de ionização = x 100 [verh] inicial + [H ] 0,14 = 3 x 100 0, 020 [H 3 + ] = 2,8 x 10-5 mol L -1 [ver - ] = [H 3 + ] = 2,8 x 10-5 mol L -1 ph = 4,55 [verh] = 0,020-2,8 x 10-5 0,020 mol L -1 + 5 2 [H3 ] [ver ] (2,8 x 10 ) ka = = = 3,92 x 10 [verh] 0,020-8 b) Com a adição de HCl(aq), um ácido forte, a concentração de íons H 3 + (aq) irá aumentar e o equilíbrio ira se deslocar para os reagentes. verh(aq) + H 2 (l) ver - (aq) + H 3 + (aq) I 0,020 2,8 x 10-5 2,8 x 10-5 + x - x + 1,0 x 10-4 -x Eq. 0,020 + x 2,8 x 10-5 - x 1,28 x 10-4 - x (2,8x10 ka = -5 (0,020 - x) x)(1,28 x 10 4 - x) = 3,92 x 10 8 x 2 1,56 x 10-4 x + 2,80 x 10-9 = 0 = 1,31 x 10-8 x = 1,35 x 10-4 x = 2,05 x 10-5 [H 3 + ] = 1,28 x 10-4 - 2,05 x 10-5 = 1,08 x 10-4 mol L -1 ph = 3,97
c) ka kb = kw kb = kw ka 1,0x10 = 3,92x10 14 8 = 2,55x10 7 d) Segundo o conceito de Bronsted-Lowry ácido é uma substância que, em solução aquosa, doa íons H + e a base é uma substância que recebe íons H +. No equilíbrio descrito, a água esta recebendo H + do veronal, portanto, comporta-se como base.
2ª Questão Em um experimento para determinar o K ps do sulfato de cálcio, CaS 4, um volume de 25,00 ml de uma solução saturada de CaS 4 foi adicionada a uma coluna, conforme o desenho abaixo. À medida que a solução vai passando através dessa coluna, os íons Ca 2+ vão ficando retidos enquanto que íons H 3 +, inicialmente presentes na coluna, vão sendo liberados. Para cada íon Ca 2+ retido, dois íons H 3 + são liberados. A solução contendo os íons H 3 + liberados é coletada e o volume é completado para 100,0 ml em um balão volumétrico. Uma amostra contendo 10,00 ml dessa solução diluída de H 3 + é transferida para um recipiente e neutralizada com 8,25 ml de uma solução de NaH 0,0105 mol L -1. Calcule o K ps para o CaS 4. CaS 4 (s) Ca 2+ (aq) + S 4 2- (aq) 25,00 ml de uma solução saturada de CaS4(aq) + água CaS 4 (aq) CaS 4 (s) solução saturada de CaS 4
Resolução: Inicialmente calcular o numero de mol de NaH necessários para neutralizar o ácido contido no béquer de 10,00 ml: nh 3 + = n H - = concentração x volume = 0,0105 mol mol L No balão volumétrico haverá 10 vezes mais o nh 3 + = 0,000866 mol Agora calcular o numero de mol de Ca 2+ retido na coluna: + 1mol de Ca 0,000866 mol de H 3 + x + =0,000433 mol de Ca 2+ 2mol de H 3 x 0,00825 L = 0,0000866 Estes 0,000433 mol de Ca 2+ vierem dos 25,00 ml da solução saturado do CaS 4. Logo a concentração de Ca 2+ na solução saturada poderá ser calculada da seguinte maneira: n 0,000433mo l [Ca 2+ ] = = V 0,025L =0,0173 mol.l -1 Logo o Kp s para o CaS 4 poderá ser calculado da seguinte maneira: K ps = [Ca 2+ ] [S 4 2- ] Como a [Ca 2+ ] = [S 4 2- ] K ps = (0,0173) (0,0173) = 3,0 x 10-4
3ª Questão Uma solução preparada pela dissolução de 7,30 g de HCl em 250,00 g de água, a 25,0 o C e 1,0 atm, foi adicionada a um calorímetro (um erlenmayer isolado por um isopor e um termômetro para medir a temperatura) contendo uma solução preparada pela dissolução de 8,00 g de NaH em 50,00 g de água, também a 25,0 o C e 1,0 atm. Quando a reação ocorre, a temperatura da mistura aumenta para 33,5 o C. NaH (aq) + HCl (aq) NaCl (aq) + H 2 (l) a) Calcule o valor de ΔH, em kj mol -1, para a reação. Considere desprezível a quantidade de calor absorvida pelo vidro do calorímetro e considere que o calor específico da solução é igual ao calor especifico da água pura (4,18 J g -1 o C -1 ). b) experimento é repetido usando uma solução preparada pela mistura de 10,00 g de HCl em 247,30 g de água e 8,00 g de NaH em 50,00 g de água. A variação de temperatura observada nesse caso será diferente daquela observada no item a? Justifique. c) Calcule o ph das soluções resultantes nos itens a e b, a 33,5 o C? (Kw = 1,95 x 10-14 a 33,5 o C)
Resolução: a) Calcular o valor de q usando a seguinte equação: q = m. c. T q = 315,3g. 4,18 J. g -1 C -1. (33,5 25,0) C q = 11203 J 11,2 kj q =n H Calcular o valor de n 7,30g n HCl = = 0,2mol 36,46g/mol 8,00g n NaH = = 0,2mol 40,00g/mol Logo 11,2 kj = 0,2. H H = 11,2 = 56,0kJ/mol 0,2 b) Será a mesma temperatura, por que o NaH é o reagente limitante. c) Ítem (a) Haverá uma reação de neutralização completa + = n ). correrá a auto ionização da água a 33,5 C 2H 2 (l) H 3 + (aq) + H - (aq) Com a seguinte constante de equilíbrio: K w = [H 3 + ] [H - ]= 1,95 x 10-14 Calcular agora o valor da H 3 + [H + 14 7 3 ] = 1,95x10 = 1,40x10 E finalmente calcular o ph da solução resultante ph = - log [H 3 + ] = -log (1,40 x 10-7 ) = 6,85 c) Item (b) (nh H Haverá um excesso de 2,70 g de HCl em 297,30 g de água 2,70g n H + = = 0, 074 mol 36,46g/mol A concentração de H + (ou H 3 + ) em excesso que vai definir o ph, é calculado da seguinte maneira:
+ n 0,074mol 0,074mol [H3 ] = 0,249mol.L V 297,30 ml 0,2973L E finalmente calcular o ph da solução resultante. ph= -log[h 3 + ] - log 0,249 0,60 1
4ª Questão A melamina, C 3 H 6 N 6, uma substância fogoretardante, libera nitrogênio quando queimada. Para produzir melanina, utiliza-se uréia, (NH 2 ) 2 C, segundo a reação abaixo: 6(NH 2 ) 2 C(s) C 3 H 6 N 6 (s) + 3 C 2 (g) + 6 NH 3 (g) H = 469,4 kj a) Calcule o trabalho e a variação de energia interna, em kj, envolvido na produção de 1,0 mol de melamina, a 550 K e pressão alta e constante. Considere que C 2 e NH 3 comportam-se como gases ideais. b) trabalho e a variação de energia interna, calculados no item a, dependem do H da reação? Justifique. c) Faça uma previsão a respeito da variação de entropia, S, na produção de melanina, segundo a reação acima e justifique sua resposta. d) Explique, utilizando a segunda lei da termodinâmica, porque essa reação só é espontânea em temperaturas elevadas.
Resolução: a) H = U + RT n 469,4 = U + 8,314 10 3 550 9 U = 469,4 8,314 10 3 550 9 U = 469,4 41,1 = 428,2 kj mol 1 H = q + w +RT n 469,4 = 469,4 + w + 8,314 10 3 550 9 w = 8,314 10 3 550 9 = 41,2 kj mol 1 b) trabalho não depende da variação de entalpia da reação, enquanto que a energia interna depende. c) A variação de entropia é maior que zero, pois existe formação de gases e, portanto, um aumento da desordem do sistema. d) G = H T S Como H > 0 e S>0, então G < 0 (reação espontânea) somente se: H < T S Como S é geralmente um número pequeno comparado com H, isso somente acontecerá em temperaturas altas.