P3_LISTA 12 QG- Energia livre e equilibrio_final

12ª LISTA - DE EXERCÍCIOS DE PROVAS – Energia Livre e Equilíbrio
a
Pg. 1/6 1 Questão
a) A solidificação da água ocorre a 0 °C e é representada pela equação 1.
H2O(l)
H2O(s)
eq. 1
a.1) Calcule o valor da variação de entropia, ΔS°, para a reação representada na eq. 1.
a.2) Complete a tabela e explique em qual das temperaturas a reação de solidificação da
água (eq. 1) é espontânea. Considere ΔSo constante neste intervalo de temperatura.
Parâmetros termodinâmicos para a reação de solidificação da água:
ΔHo (J mol-1)
T (°C)
−1,00
−6008
0
−6008
+1,00
−6008
ΔGo(J mol-1)
b) A reação de dissociação ou auto ionização da água é representada pela equação 2
H2O(l)
H+(aq) + OH-(aq)
ΔH° = 55,9 kJ mol-1 a 25 °C
eq. 2
Kw = 1,00 x 10-14 a 25 °C
b.1) Calcule o produto iônico, Kw, da água pura, a 0 °C e a 40 °C.
b.2) Calcule as concentrações de H+ e OH-, em mol L-1, a 0 °C e 40 °C no equilíbrio.
Dados:
0 oC = 273,15 K
R = 8,3145 J mol-1K-1
Gabarito:
a.1) ∆S0 = -22,00 J mol-1 K-1
a.2) Parâmetros termodinâmicos para a reação de solidificação da água
ΔHo(J mol-1)
T (°C)
ΔGo(J mol-1)
−1,00
−6008
-21
0
−6008
0
+1,00
−6008
+22
A reação é espontânea a -1,00 °C porque ∆Go < 0.
b.1) a 0 0C: Kw = 1,3 x 10-15;
a 40 0C: Kw = 3,0 x 10-14
b.2) a 0 0C: [H+] = [OH-] = 3,6 x 10-8 mol L-1; a 40 0C: Kw = [H+] = [OH-] = 1,7 x 10-7 mol L-1
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a
Pg. 2/6 2 Questão
A amônia, NH3, é um gás usado em refrigeração. Este gás é produzido segundo a reação
representada abaixo, sendo que a formação de um mol de amônia libera 46,4 kJ a 25 °C:
1
2
N2(g) +
3
2
H2(g)
NH3(g)
Considere uma mistura dos 3 gases participantes da reação, cada um com pressão
parcial de 0,50 atm, a 25 °C.
a) Calcule a variação de energia livre, ΔG, e responda se a reação é espontânea nessas
condições.
b) Compare os valores de Qp e Kp e justifique em que direção a reação se desloca nessas
mesmas condições.
Dados termodinâmicos a 25 oC:
S° (J K-1 mol-1)
N2(g)
191,61
H2(g)
130,68
NH3(g)
192,45
Obs. considere que ΔS° não varia com a temperatura
Dados:
0 oC = 273,15 K
R = 8,3145 J mol-1K-1
Gabarito:
a) ∆G = -15,0 kJ mol-1
A reação é espontânea, pois ∆G é negativo.
b) Q <Kp → 2,0 < 8,8 x 102
Quando Qp<Kp, as pressões parciais dos produtos estão baixas, portanto a reação
se desloca na direção dos produtos. Os reagentes se transformam em produtos até
que atinjam o valor de Kp.
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a
Pg. 3/6 3 Questão
A síntese do metanol, CH3OH, é feita a partir da reação entre o monóxido de carbono,
CO, e o hidrogênio, H2, conforme a equação abaixo:
CO(g) + H2(g)
CH3OH(g)
Kp = 2,20 x 104, 25°C
Kp = 8,60 x 10-3, 227°C
a) Calcule a variação de entalpia padrão, ΔHº, para a reação a 25 °C.
b)Calcule o valor da variação de energia livre padrão, ΔG°, a 25 °C e a 227 °C.
c) Em escala industrial, esta reação usualmente é realizada a 500 K com as pressões
parciais de CO e de H2 controladas. Tomando como referência o valor de Kp nesta
temperatura, diga se a reação será espontânea abaixo ou acima desse valor.
Obs. considere que ΔH° não varia com a temperatura.
Dados:
0 oC = 273,15 K
R = 8,3145 J mol-1K-1
Gabarito
a) ∆H0 = -90,5 kJ mol-1
b) a 25 0C : ∆G0 = -24,8 kJ mol-1 a 2270C: ∆G0 = 19,8 kJ mol-1
c) A reação será espontânea quando o Qp for menor do que 8,60 x10-3 (valor de Kp).
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a
Pg. 4/6 4 Questão
O tetróxido de nitrogênio, N2O4, pode ser convertido a dióxido de nitrogênio, NO2, como
representado pela reação abaixo:
N2O4(g)
2NO2(g)
ΔS° = + 175,83 J K-1 mol-1
ΔG°= + 4,73 kJ mol-1
a) Calcule a variação de entalpia padrão, ΔH°, em kJ mol-1, da reação, a 25 °C, dizendo
se a mesma é exotérmica ou endotérmica.
b) Calcule a constante de equilíbrio da reação, KP, a 25°C.
c) Calcule a variação da energia livre, ΔG, da reação, a 25°C, no momento em que estão
presentes 0,200 mol de N2O4 e 0,800 mol de NO2 em um recipiente de 1,00 L. Qual é a
direção espontânea da reação, nestas condições?
Dados:
0 oC = 273,15 K
R = 8,3145 J mol-1K-1
Gabarito:
a) ∆H0 = 57,2 kJ mol-1
A reação é endotérmica.
b) Kp = 0,15
c) ∆G = 15,5 kJ mol-1
Como ∆G é maior que zero, a reação espontânea ocorre no sentido inverso, ou seja, no
sentido de formação do reagente, nestas condições.
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Pg. 5/6 5ª. Questão
Em uma das etapas da síntese comercial do ácido sulfúrico, H2SO4, tem-se inicialmente a
reação do dióxido de enxofre, SO2, em presença de oxigênio, como representado na
equação abaixo.
2 SO2 (g) + O2(g)
catalisador
2 SO3 (g)
a) Calcule o valor da constante de equilíbrio, Kp, da reação acima, nas condições padrão.
b) Considerando um reator de 2,50 L a 25 °C, diga em que direção a reação acima
ocorrerá no momento em que a composição da mistura reacional for 0,40 mol de SO2,
0,18 mol de O2 e 0,72 mol de SO3. Mostre com cálculos.
c) Usando o princípio de Le Châtelier, diga o que acontece com a concentração de SO3
quando há um aumento de temperatura. Justifique.
d) Qual é o efeito do aumento da temperatura e da presença de um catalisador na energia
de ativação?
e) O que ocorre com a constante de equilíbrio na presença de um catalisador? Comente.
Dados termodinâmicos a 25 oC:
Substância
ΔHof (kJ mol-1)
So (J K-1 mol-1)
SO2 (g)
-296,8
248,1
O2 (g)
0
205,0
SO3 (g)
-395,7
256,6
Dados:
0 oC = 273,15 K
R = 8,3145 J mol-1K-1
Gabarito:
a) 7 x 1024
b) ΔG = -140,2 kJ mol-1 – Sentido direto.
c) Aumentando a temperatura favorece a reação endotérmica (reação inversa). Para
favorecer a reação exotérmica (reação para a direita) é necessária baixas temperaturas.
Portanto esta mistura em equilíbrio terá baixas concentrações de SO3 a altas
temperaturas; isto é a conversão de SO2 para SO3 é mais favorecida a baixas
temperaturas.
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Pg. 6/6 d) A energia de ativação continua a mesma com o aumento da temperatura. A presença
do catalisador baixa a energia de ativação mudando o mecanismo e a velocidade da
reação.
e) Não é alterada. A adição de um catalisador na reação aumenta ambas as constantes
de velocidade, kd e kc. Como kd e kc aumentam pelo mesmo fator, a sua razão kd/kc que
é o valor da constante de equilíbrio não é alterada.