2010-2_FQ_Prova_Sele.. - Departamento de Química da UFMG

PROGRAMA DE PÓS -GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA -ICEX
31270-901 - BELO HORIZONTE - MG
TEL.: 031 - 3409-5732
PROVA DE FÍSICO-QUÍMICA
2º SEMESTRE DE 2010
12 Julho 2010
IDENTIFICAÇÃO:_________________________________________________________
Atenção: Esteja atento à numeração das páginas
Questão 1
Determine o volume molar (em unidades de L mol−1) e o fator de compressibilidade Z do vapor
saturado de água à pressão de 1,00 bar e temperatura de 100º C. Nessas condições de temperatura e
pressão, a densidade do vapor de água é de 598 g m−3.
Volume molar =
Fator de compressibilidade =
Questão 2
Calcule o trabalho, em kiloJoules (kJ), efetuado quando 30 g de ferro (sólido) reage com uma
solução de ácido clorídrico produzindo cloreto de ferro(III) e hidrogênio gasoso,
(a) Em um recipiente hermeticamente fechado (portanto um volume fixo)
(b) Em um béquer aberto, mantido à temperatura de 25oC e pressão de 1 atm.
Considere que os gases envolvidos no processo têm um comportamento de um gás perfeito.
(a) Trabalho =
(b) Trabalho =
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Questão 3
Calcule a diferença entre as variações de entalpia ∆H e de energia interna ∆U para a formação de
um mol de água a uma temperatura T e 1 atm de pressão. A equação química que representa esta
reação é:
1 H2(g) + 1/2 O2(g) → 1 H2O(l).
Considere que os gases envolvidos no processo têm um comportamento de um gás perfeito.
Resposta:
Questão 4
Conhecidas as entalpias de formação padrão ∆fHθ a 25oC, dos compostos HN3(g), NO(g), e
H2O2(l), respectivamente, 264,0 kJ mol−1, 90,25 kJ mol−1 e −187,78 kJ mol−1, calcule a variação
entalpia padrão para a reação de formação de 2 mols de peróxido de hidrogênio (H2O2) de acordo
com a reação química:
HN3(l) + NO(g) → H2O2(l) + N2(g).
Observação: a equação química não está balanceada.
Resposta:
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Questão 5
As entropias padrão a 25oC das substâncias H2(g), O2(g) e H2O(l) são mostradas na Tabela 1
abaixo. Nesta temperatura, a variação entalpia padrão de formação da água líquida é −268 kJ mol−1.
Tabela 1: Entropias padrão a 25º C de algumas substâncias simples.
Substância
H2O(l)
H2(g)
O2(g)
So /J K−1 mol−1
69,9
130,7
205,1
a) Calcule a variação de entropia padrão e a variação de entropia observada nas vizinhanças,
quando um mol de água líquida é formado à 25ºC.
∆rSo =
∆Soviz =
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b) Nas condições apresentadas, este é um processo espontâneo? Justifique plenamente sua
resposta.
Questão 6
a) Calcule a variação do potencial químico do gelo, µ(água,s) e o da água líquida, µ(água,l)
quando um mol desta substância sofre uma variação de pressão de 1,00 atm para 3,00 atm,
à temperatura constante de 0 oC. A densidade do gelo é 0,917 g cm−3 e a da água líquida
0,999 g cm−3, nas condições especificadas.
Resposta:
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b) Sabendo que os potenciais químicos da água sólida (gelo) e da água líquida são iguais na
temperatura de 0oC e pressão de 1 atm, nesta temperatura e pressão de 3 bar, devemos
encontrar a água no estado líquido ou sólido (gelo)? Justifique plenamente sua resposta.
Resposta:
Questão 7
Deduza a expressão que possibilita o cálculo da variação de entropia em uma expansão isotérmica
reversível de um gás perfeito.
Resposta:
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Questão 8
Determine a equação de estado de um gás, sabendo que a sua energia livre de Gibbs por mol, Gm, é
dada por
1
1
Gm = RT ln( p) + A + Bp + Cp 2 + Dp 3
2
3
onde A, B, C e D são parâmetros que dependem apenas da temperatura e p a pressão do gás.
Resposta:
6
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Questão 9
Uma amostra de 1,00 mol de vapor de água é condensada isotérmica e reversivelmente formando
água líquida, a 100 oC e pressão constante de 1 atm. A entalpia padrão da vaporização da água, a
100oC, é +40,656 kJ mol−1. Calcule o trabalho, w, calor, q, e variações da energia interna, ∆U, e da
entalpia, ∆H, para este processo. Admita que o vapor de água comporte-se como um gás ideal.
w=
q=
∆U =
∆H =
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Questão 10
O diagrama de fases obtido para uma mistura com dois componentes A e B é representado na
Figura 2 abaixo.
Figura 2 – Diagrama de temperatura (θ) “versus” composição (xA) para uma mistura de dois
componentes A e B.
a) Identifique em cada região do diagrama as fases presentes.
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b) Desenhe para este sistema o diagrama de pressão versus composição (xA) identificando qual
o componente é mais volátil.
c) Identifique qual a composição e as quantidades relativas das fases presentes em um sistema
constituído de 80% de A a uma temperatura de 130 0C. Identifique este sistema no
diagrama da Figura 2.
d) Esta mistura é ideal ou não ideal? Justifique adequadamente sua resposta.
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DADOS
Massas atômicas:
H = 1,01 g mol−1
O =16,00 g mol−1
Fe = 55,85 g mol−1.
Algumas definições físico-químicas e equação de estado de gases:
p
Pressão
T
Temperatura
n
Número de moles
Vm = V/n
Volume molar
Z = pVm/RT
Fator de compressibilidade:
pVm = RT
(p + a/Vm2 ) (Vm – b) = RT
pVm = RT[1+B(T)/Vm + C(T)/Vm2 + D(T)/Vm3 + ... ]
Equação dos Gases ideais.
Equação de Van der Waals.
Expansão do Virial.
Valores numéricos de algumas constantes físico-químicas:
R = 0,082057 atm l mol-1 K-1
Constante dos gases ideais.
= 8,3143 J mol-1 K-1
= 1,98717 cal K-1 mol-1
NA = 6,02252 x 1023 partículas mol-1
Constante de Avogrado.
Valores fatores de conversão:
T( K ) = Θ( ºC ) + 273,15
1 bar = 105 Pa
1 atm = 101 325 Pa
1 tor = 133,32 Pa
1 J = 1 Pa × m3
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Algumas relações e definicões de parâmetros termodinâmicos:
d( ) ou δ( )
Uma variação infinitesimal.
δwexp/comp = −popdV
Trabalho de expansão/compressão.
pop
Pressão de oposição.
U
Função Energia interna.
q
Calor.
dU = δq + δw
1º Princípio da termodinâmica.
H = U + pV
Função Entalpia.
CV = (∂U/∂T)V
Calor específico.
CP = (∂H/∂T)P
Calor específico.
CP − CV = nR (gás perfeito)
pVγ = cte
Isóbara de Gases ideais.
nR/Cv
T2 = T1(V1/V2)
Relação
de
temperaturas
em
transformações adiabáticas de gases ideais.
πT = (∂U/∂V)T
Pressão interna.
µJT = (∂T/∂p)H
Coeficiente de Joule-Thompson.
µT = (∂H/∂p)T
Coef.de Joule-Thompson Isotermico.
α = (1/V)(∂V/∂T)P
Coef. de expansão (térmico)
κΤ = −(1/V)(∂V/∂p)T
Coef. de compressibilidade isotérmica
dS = δqver/T
Entropia
Algumas relações matemáticas:
dF(x,y) = g(x,y)dx + h(x,y)dy
Diferencial de primeira ordem em duas
variáveis (x,y).
Diferencial total de uma função M(x,y) de
duas variáveis (x,y).
Regra da cadeia para diferenciais de
primeira ordem em duas variáveis.
Relação de reciprocidade de diferencias.
dM(x,y) = ∂M(x,y)/∂x)y dx + ∂M(x,y)/∂y)xdy
(∂x/∂y)z(∂y/∂z)x(∂z/∂x)y = −1
(∂x/∂y)z = 1/[∂y/∂x)z]
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Algumas Funções termodinâmicas e suas diferencias (para um trabalho de expansão/compressão):
A = U − TS
G = H − TS
dU = −pdV + TdS
dH = Vdp + TdS
dG = Vdp − SdT
dA = −pdV − SdT
Equações de Maxwell da Termodinâmica:
(∂T/∂V )S = −(∂p/∂S )V
(∂T/∂p )S = +(∂V/∂S )p
(∂p/∂T )V = +(∂S/∂V )T
(∂V/∂T )p = −(∂S/∂p )T
f = φp
fugacidade e coeficiente de fugacidade
ln φ = (1/RT)∫(Vm – Vm,perfeito) dp = (1/RT) ∫[(Z−1)/p] dp
µ (T,p) = (∂G/∂n )T,P
Potencial químico de sustância pura
µ(T,p) = −SmdT − Vmdp
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