P4 – PROVA DE QUÍMICA GERAL – 02/12/08

P4 – PROVA DE QUÍMICA GERAL – 02/12/08
Nome:
Nº de Matrícula: GABARITO
Turma:
Assinatura:
Questão
Valor
1a
2,5
2a
2,5
3a
2,5
4a
2,5
Total
10,0
Constantes e equações:
R = 0,082 atm L mol-1 K-1 = 8,314 J mol-1 K-1
G° = Ho - T So
G = Go + RT ln Q
[A] = [A]0 – kt
ln
[A]
= kt
[A]0
1
1
=
+ kt
[A] [A]0
Grau
Revisão
1a Questão
A figura 1 representa uma amostra de CaCO3 sólido que reage completamente
com uma quantidade em excesso (2,00 L) de HCl 2,52 mol L-1, através da
seguinte reação:
CaCO3(s) + H+(aq) + Cl-(aq) 7 Ca2+(aq) + HCO3-(aq) + Cl-(aq)
Após a reação, um volume de 10,0 mL da solução resultante foi transferido para
um frasco de vidro (figura 2) e neutralizado com 24,87 mL de NaOH(aq) 0,9987
mol L-1 (figura 3). Calcule a massa, em grama, de CaCO3 na amostra inicial
Desconsidere a contribuição do HCO-3 na neutralização.
Resolução:
0,9987 mol de NaOH
X
1L
x = 0,02484 mol
0,02487 L
NaOH para neutralizar o excesso de HCl
em 10 mL
0,02484 mol
X
10 mL
x = 4,968 mol de HCl total em excesso
2000 L
2,52 mol
x
1L
x = 5,04 mol de HCl colocado inicialmente
2L
nHCl total – nHCl sobrou em excesso = nHCl consumido pelo CaCO3
5,04
n=
m
M
– 4,968
= 0,072 mol
m(g) = n x M = 0,072 x 100,08 = 7,21 g
2a Questão
A reação de síntese da amônia é representada na equação abaixo:
N2(g) + 3 H2(g)
2 NH3(g)
Na figura A são indicadas as quantidades, em mol, das substâncias envolvidas na
reação, em equilíbrio a 500 K. Ao esfriarmos rapidamente este sistema, ocorre a
liquefação do NH3(g) para NH3(l), como representado na figura B. Após a total
remoção do NH3(l) do recipiente e reaquecimento da mistura até a temperatura
original (500 K), um novo equilíbrio é estabelecido (figura C).
a) Calcule o valor da constante de equilíbrio, Kc, da reação a 500 K, nas condições
indicadas nas figuras A e C.
b) Calcule a quantidade, em massa, do NH3(l) retirada do recipiente (figura B).
c) Calcule a quantidade, em mol, do H2 e do NH3 no equilíbrio, ilustrado na
figura C.
d) O que aconteceria com a quantidade de NH3(g) em equilíbrio no sistema
ilustrado na figura C se o volume do recipiente fosse diminuído? Sabendo que a
reação é exotérmica, o que aconteceria se a temperatura fosse aumentada?
Resolução:
a) Inicialmente devemos calcular as concentrações molares de todos os
componentes da reação no equilíbrio a 500 K.
[N2] =
0,424 mol
= 0,0424 mol L 1
10 L
[H2] =
1,272 mol
= 0,1272 mol L 1
10 L
[NH3] =
1,152 mol
= 0,1152 mol L 1
10 L
Para calcular Kc devemos usar a seguinte equação:
Kc =
[NH3 ] 2
[N 2 ][H 2 ]3
Agora devemos substituir nesta equação os valores das concentrações molares
calculados inicialmente.
Kc =
[0,1152] 2
[0,0424][0,1272] 3
152
(figura A)
Por dedução, incluindo os conhecimentos de equilíbrio químico e os princípios de
Le Châtelier, o Kc na (figura c) deverá ser de
152
b) Foram retirados 1, 152 mol de NH3(l) que correspondem a uma massa de:
(MM do NH3 = 17,0)
Massa = nº de mol x massa molar
Massa = 1, 152 x 17,0 = 19,6 g
c) Com a retirada do NH3(l) a reação tenderá ir para a direita (Qc < Kc):
N2(g)
+
3 H2(g)
2 NH3
Início
0,424
1,272
0
Variação
-x
-3x
+ 2x
Novo equilíbrio
0,240
1,272 – 3x
2x
Podemos agora calcular o valor de x:
0,424 – x = 0,240
- x = -0,424 + 0,240
-x = - 0,184
x = 0,184
Assim podemos calcular o nº de mol e a concentração molar dos componentes da
reação no novo equilíbrio na figura C.
nN2 = 0,240;
nH2 =1,272 – 3(0,184)=0,720
; nH3 =2 x 0,184 = 0,368
Vamos agora comprovar que o valor de Kc continua sendo o mesmo da figura C.
Kc =
[0,0368] 2
[0,0720] 3 [0,0240]
151
d) Segundo “Le Châtelier”: A temperatura constante, a redução do volume
ocupado por mistura gasosa em equilíbrio provoca deslocamento do equilíbrio no
sentido em que há redução do numero de moles do gás; logo a quantidade de NH3
em equilíbrio na figura C é aumentada.
Também segundo “Le Châtelier: nas reações exotérmicas a elevação da
temperatura provoca a diminuição do Kc; logo a quantidade de NH3(g) em
equilíbrio na figura C é diminuída.
3a Questão
A reação de neutralização de um ácido forte com uma base forte pode ser
representada da seguinte maneira:
H+(aq) + OH-(aq)
H2O(l)
Em um laboratório de química, a 25 oC, foi realizada uma reação de neutralização
misturando-se 25,00 mL de uma solução de um ácido forte, HNO3(aq), com pH
2,00, com outra solução de mesmo volume de uma base forte, KOH(aq), pH
12,00.
a) Qual é o pH da solução final, após a reação. Justifique.
b) Calcule o valor da variação de entalpia de neutralização, THneutralização, para esta
reação nas condições do problema, e diga se haverá aquecimento ou resfriamento
da solução.
c) Nessas condições, a reação é espontânea? Justifique com cálculos.
d) Calcule o valor da constante de equilíbrio da auto-ionização da água, Kw, a
25oC.
H2O(l)
H+(aq) + OH- (aq)
Kw = ?
Dados:
Tabela: Parâmetros termodinâmicos, a 25 ºC, 1 atm e 1 mol L-1
THof (kJ mol-1)
So (J mol-1 K-1)
TGof (kJ mol-1)
0
0
0
OH- (aq)
-229,99
-10,75
-157,29
H2O (l)
-285,80
69,92
-237,20
H+ (aq)
Resolução:
a) Solução ácida, pH = 2, [H+] = 0,01 mol L-1
Solução básica, pH = 12, pOH = 2, [OH-] = 0,01 mol L-1
[H+] = [OH-], ocorre neutralização completa, pH final = 7
b) VHo = -55,81 kJ mol-1
Na reação, foram envolvidos 25 mL de solução 0,01 mol L-1 de H+ (0,00025 mol) e
a mesma quantidade de mols de OH-, formando 0,00025 mol de H2O.
Assim, o VH da reação, nessas condições, é -13,95 J.
A reação é exotérmica, libera calor, a solução se aquece.
c) VGo pode ser calculado através de:
VGo = VHo - T VSo ou VGo = VGprodutos – VGreagentes
VGo = -79,91 kJ mol-1
x 0,00025 = -0,02 kJ.
VG ‹ 0, reação espontânea.
d) A reação de auto-ionização da água é a reação contrária da neutralização,
então o VGo = 79,91 kJ mol-1
Para uma reação química: VG = VGo + RT ln Q
No equilíbrio, VG = 0 e VGo = - RT ln K
ln K = -32,25
K = 9,83 x 10-15
4a Questão
O gás nitrogênio, N2, pode ser obtido a partir da reação abaixo:
2 NO(g) + 2 H2(g) 7 N2(g) + 2 H2O(g)
A tabela abaixo mostra o efeito das pressões iniciais, P, dos reagentes sobre a
velocidade inicial da reação, v. Com base nessas informações responda o que se
pede:
PNO inicial (mmHg)
PH2 inicial (mmHg)
v (mmHg s-1)
400
289
0,800
400
147
0,395
300
400
0,515
152
400
0,125
a) Qual é a ordem da reação em relação ao H2? Mostre com cálculos. Esboce um
gráfico de velocidade versus pressão de H2.
b) Qual é a ordem da reação em relação ao NO? Mostre com cálculos. Esboce um
gráfico de velocidade versus pressão de NO.
c) Qual é a ordem global da reação?
d) Escreva a lei de velocidade para esta reação.
Resolução
v = k [NO]x[H2]y
Para saber a influência de um componente fixamos a concentração do outro,
logo v = k1 [H2]y onde k1 = k [NO]x ou v = k2 [NO]x onde k2 = k [H2]y
Como [.....] = n/V e é diretamente proporcional à P, podemos utilizar os valores de
P da tabela, para ver a razão entre 2 situações
a) v = k1 [H2]y
Fixando PNO = 400 mmHg
0,800 = k1 289y = v = 0,395= k1 147y
Logo 0,800 = k1 289y = 2,02 = 1,96 y
0,395
y=1
ordem 1 em relação ao H2
k1 147y
v
v = k1 [H2] = k1’ PH2
equação de uma
ascendente reta
passando pela origem
PH2
b) v = k2 [NO]x
Fixando PH2 = 400 mmHg0,515 = k1 300x = v = 0,125= k1 152x
Logo 0,515 = k2 300y = 4,12 = 1,97 x
0,125
x =2
ordem 2 em relação ao NO
k2 152y
v
v = k2 [NO]2 = k1’ PNO2
equação de uma
curva ascendente
passando pela origem
PNO
c) ordem global = x + y = 3
d) v = k [NO]2[H2]1