2 - Lista de exercícios – ∆H, ∆E e Capacidade Calorífica

Profa. Marcia Margarete Meier
Disciplina QGE2001
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 (Fe2O3) para soldar trilhos de aço, visto que uma
grande quantidade de energia é liberada nesta reação química. Usando as entalpias de formação (∆Hf),
calcule a variação da entalpia padrão para a reação (∆Hr) da termita:
2Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2Fe(s)
Dado:
∆Hf Al2O3= -1.669,8 kJ/mol
∆Hr=..................
Resposta: -847,6 kJ
∆Hf Fe2O3= -822,2 kJ/mol
2) A nitroglicerina é um potente explosivo, liberando quadro gases diferentes quando detonada:
C3H5(NO3)3(l) → N2(g) + O2(g) + CO2(g) + H2O(g)
(Não balanceada)
a) Dada a entalpia de formação da nitroglicerina, ∆Hf = -364 kJ/mol, calcule a energia (variação da entalpia
da reação) liberada por esta reação. Consulte tabela de entalpia para buscar os valores de ∆Hf dos demais
reagentes. Resposta: -2.842 kJ/2 mol de nitroglicerina
Calcule a energia liberada quando 10,0 g de nitroglicerina são detonadas. Resposta: -62,7kJ
3) B2H6 é um hidreto de boro altamente reativo, considerado no passado um importante combustível no
programa espacial americano. Calcule ∆Hr para a síntese do B2H6 a partir das reações químicas 1, 2, 3 e 4:
Reação de síntese:
B(s) + H2(g) → B2H6(g) (Não balanceada)
2B(s) + 3/2O2(g) → B2O3(s)
∆Hr = -1.273 kJ
(1)
B2H6 (g) +3O2(g) → B2O3(s) + 3H2O(g)
∆Hr = -2.035kJ
(2)
H2 (g) +1/2O2(g) → H2O(l)
H2O(l)
→
H2O(g)
∆Hr = - 286 kJ
∆Hr = + 44kJ
(3)
(4)
Resposta: 36 kJ
4) Considere a seguinte reação:
2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)
∆H = -1.204 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 O2(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:
H2(g) + F2(g) → 2HF (g)
∆H = -537kJ
C(s) + 2F2(g) → CF4(g)
∆H = -680 kJ
2C(s) + 2H2(g) → C2H4(g)
∆H = +52,3 kJ
Calcule o ∆H para a reação do etileno com F2, conforme abaixo. Esta reação será endotérmica ou
exotérmica?
1
Profa. Marcia Margarete Meier
C2H4(g) + 6F2(g) → 2CF4(g) + 4HF(g)
Disciplina QGE2001
Resposta: ∆H= –2,49 x 103 kJ
6) Considere as reações termoquímicas abaixo:
Fe2O3(s) → 2Fe(s) + 3/2O2(g)
SO3(l) → S(s) + 3/2O2(g)
∆Hf = -826 kJ/mol
∆Hf = -438 kJ/mol
2Fe(s) + 3S(s) + 6O2(g) → Fe2(SO4)3(s) ∆Hf = -2583 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 ∆Hreação =∑∆Hf (produtos) - ∑∆Hf (reagentes).
Fe2O3(s) + 3SO3(l) → Fe2(SO4)3(s)
∆Hreação ..........................
Resposta: igual para as duas estratégias, -443 kJ
7) A oxidação da glicose, C6H12O6, 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:
C6H12O6 (s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l)
Ao consultar uma tabela de entalpias de formação-padrão encontraram-se os seguintes valores: ∆Hf C6H12O6
(s) = -1277 kJ/mol; ∆Hf CO2 (g) = -393,51 kJ/mol e; ∆Hf H2O(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) -2799 kJ; b) exotérmico; c) -15.590 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 (C6H12O6), 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= -1.274, água= -242, dióxido de carbono = -394).
Resposta: a) 733 g de CO2; 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
Profa. Marcia Margarete Meier
Disciplina QGE2001
Assim sendo, qual é o calor envolvido na reação que ocorre no organismo do besouro?
Resposta: - 204 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 CO2 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 0oC e estoura um cano de água quando a pressão externa é igual a 1,070 atm? As densidades da
água e gelo a 0oC 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 oC. 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 oC (∆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 oC 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 oC no
calorímetro. O equilíbrio térmico será estabelecido entre a água e o ferro, atingindo a temperatura final
(água + ferro) de 23,3 oC. Observe que o calor perdido pelo ferro foi transferido para a água. Portanto, q
e
q ferro = m ferro. Cs(ferro). ∆T e q água = m água. Cs(água). ∆T
ferro = qágua
Determine a capacidade calorífica específica do ferro. Dado: Cs(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 O2 a 298 K e 1,00 atm nas seguintes situações:
a) A volume constante;
Resposta:+26,7 K
Resposta:+19,1 K
b) À pressão constante
c) Justifique a diferença entre as temperaturas.
3
Profa. Marcia Margarete Meier
Disciplina QGE2001
Considere comportamento ideal do gás e que Cv,m =5/2 R
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 = qv, 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 (C6H12O6) é 2.559 kJ/mol a 298 K. Portanto,
∆E = -2.559 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 = ∆ngásRT.
Resposta: -2.544 kJ
19)
A equação termoquímica para combustão do ciclohexano, é
C6H12(l) + 9O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O ∆H = -3.920 kJ a 298 K.
Qual é a variação na energia interna para a combustão de 1,00 mol de ciclohexano a 298K?
Resposta: 3.910 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: -6.414 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
Profa. Marcia Margarete Meier
Disciplina QGE2001
combustão. O propano é frequentemente utilizado em botijões para acampamento. A entalpia da reação
de combustão é -2.220 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):
∆Hfo [MXs] = ∆Hfo [M(g)] + ∆Hfo [X(g)] + I[M] + E[A] - ∆Hrede
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: ∆Hfo KCl(s) = -437 kJ/mol, ∆H[K(g)] = 89 kJ/mol, ∆H[Cl-(g)]= 122 kJ/mol, I[K+(g)], E[Cl-(g)]= 349 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.
CH3CH2I(g) + H2O(g) → CH3CH2OH(g) + HI(g)
5
Profa. Marcia Margarete Meier
Disciplina QGE2001
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