DISCIPLINA: Química Geral e Inorgânica CURSO - udesc

Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
DISCIPLINA: Química Geral e Inorgânica
QGI0001
CURSO: Engenharia de Produção
e sistemas
LISTA DE EXERCÍCIOS 04 – Termodinâmica
1. Nos quatro cilindros do motor de um automóvel, os gases se expandem de 0,22 L a 2,2
L durante um ciclo de ignição. Supondo que o virabrequim exerça uma força constante
equivalente à pressão de 9,60 atm sobre os gases, qual é o trabalho realizado pelo motor
em um ciclo?
Trabalho de expansão:
pext = 9,60 atm ~ 9,60.105 Pa
V = (2,2 – 0,22) L = 1,98 L = 1,98.10-3 m3
2. O perclorato de potássio (KClO4) é usado como oxidante em fogos de artifício. Calcule
o calor necessário para aumentar a temperatura de 10,0g de KClO4 de 25 °C até a
temperatura de ignição (900 °C). A capacidade calorífica do KClO4 é 0,8111 J/K.g.
Definição de capacidade calorífica específica:
, então:
m = 10,0 g
c = 0,8111 J/K.g
T = (900 – 25) oC = 875 K (a diferença de temperatura é a mesma, não importa se a
escala utilizada é Celsius ou Kelvin)
3. Um sistema foi aquecido usando-se 300 J de calor, mas sua energia interna caiu 150 J.
Calcule w. O sistema realizou trabalho ou foi o contrário?
Primeira Lei da Termodinâmica: U = w + q
q = 300 J (positivo, pois o calor foi fornecido ao sistema)
U = –150 J (negativo, pois o sistema perdeu energia)
O sistema realizou (sinal negativo) -450 J de trabalho.
4. Em certa reação endotérmica, que ocorreu a pressão constante, 30 kJ de energia
entraram no sistema sob a forma de calor. Os produtos ocuparam menos volume que os
reagentes e 40 kJ de energia entraram no sistema na forma de trabalho executado pela
atmosfera exterior. Quais os valores de H e U desse processo?
Primeira Lei da Termodinâmica: U = w + q
q = 30.000 J (positivo, pois o calor foi fornecido ao sistema)
w = 40.000 J (trabalho de compressão, a vizinhança realizou um trabalho sobre o
sistema)
H é definido como o calor transferido numa reação química que ocorre a pressão
constante, logo: H = q = 30kJ
5. Foram necessários 22 kJ para vaporizar uma amostra de 23 g de etanol (C2H5OH) no
seu ponto de ebulição. Qual é a entalpia de vaporização do etanol no ponto de ebulição?
Entalpia de vaporização: calor necessário para vaporizar 1 mol da substância
q = 22 kJ para 23g de etanol
netanol = metanol/MMetanol
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6.
A entalpia de fusão do metal sódio é 2,6 kJ/mol, em 25 °C, e a entalpia de sublimação
do sódio sólido é 101 kJ/mol. Qual é a temperatura de vaporização do sódio a 25 °C?
7.
A 25 °C, a entalpia de vaporização do metanol é 38 kJ/mol e a entalpia de fusão é 3
kJ/mol. Qual é a entalpia de sublimação do metanol na mesma temperatura?
8.
Quanto calor é necessário para converter 80,0 g de gelo, que está a 0 °C, em água a 20
°C?
Dados: Cp,m(H2O) = 75 J/K.mol; Hfus° (H2O) = 6,01 kJ/mol
(1)
(2)
Gelo a 0 oC  Água a 0 oC  Água a 20 oC
q1 = calor necessário para a fusão do gelo = entalpia de fusão da água multiplicada pela
quantidade (número de mol) de gelo: q1 = n.Hfus
q2 = calor necessário para aquecer a quantidade de água de 0 oC para 20 oC: q2 = n.c.T
qtotal = q1 + q2 = 26.711 + 6.666 = 33.377 J ou ~33kJ
9. Se começarmos com 325 g de água a 30 °C, quanto calor é preciso adicionar para
converter todo o líquido em vapor, a 100 °C?
Dados: Cp,m(H2O) = 75 J/K.mol; Hvap° (H2O) = 40,7 kJ/mol
(1)
(2)
Água a 30 C  Água a 100 oC  Vapor a 100 oC
q1 = calor necessário para aquecer a quantidade de água de 30 oC para 100 oC:
o
q2 = calor necessário para a vaporização da água = entalpia de vaporização da água
multiplicada pela quantidade (número de mol) de água: q2 = n.Hvap
qtotal = q1 + q2 = 94.792 + 734.861 = 829.653 J ou ~830kJ
10. O dissulfeto de carbono pode ser preparado a partir do coque (uma forma impura de
carbono), e do enxofre elementar segundo a reação:
4 C(s) + S8(s)  4 CS2(l) H° = +358,8 kJ
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a) Qual é o calor absorvido na reação de 1,25 mol de S8?
1 mol de S8 absorve 358,8 kJ de calor (H da reação)
1,25 mol de S8 absorve (1,25 . 358,8) 448,5 kJ de calor
b) Calcule o calor absorvido na reação de 197 g de carbono com excesso de enxofre.
4 mol de C absorve 358,8 kJ de calor
mol de C absorve 5890 kJ de calor
c) Se o calor absorvido na reação foi 415 kJ, quanto CS2 foi produzido?
358,8 kJ de calor são absorvidos na produção de 4 mol de CS2
415 kJ de calor são absorvidos na produção de
mol de CS2
11. Use os dados da tabela abaixo para estimar o calor produzido na combustão completa
de 1 mol dos combustíveis listados, a 25 °C:
a) Etanol: C2H5OH(l) + 3O2(g)  2CO2(g) + 3H2O(l)
H = [2(HCO2) + 3(HH2O)] – [Hetanol + 3(HO2)]
H = [2(-393,51) + 3(-285,83)] – [-277,69 + 3(zero)] = -1367 kJ/mol
b) Metano: CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l)
H = [HCO2 + 2(HH2O)] – [Hmetano + 2(HO2)]
H = [(-393,51) + 2(-285,83)] – [-74,81 + 2(zero)] = -973,3 kJ/mol
c) Glicose: C6H12O6(s) + 9O2(g)  6CO2(g) + 6H2O(l)
H = [6(HCO2) + 6(HH2O)] – [Hglicose + 9(HO2)]
H = [6(-1268) + 6(-285,83)] – [6(-277,69) + 9(zero)] = -7657 kJ/mol
Entalpias padrão de formação em 25 °C (kJ/mol)
Substância
Fórmula
Hf°
dióxido de carbono
CO2(g)
-393,51
monóxido de carbono
CO(g)
-110,53
Água
H2O(l)
-285,83
H2O(g)
-241,82
Etanol
C2H5OH(l)
-277,69
Glicose
C6H12O6(s)
-1268
Metano
CH4(g)
-74,81
12. Calcule a variação de entropia de um bloco de cobre que absorve 65 J de energia de um
aquecedor:
a) Se ele estiver a 25 °C
b) Se ele estiver a 100 °C
c) Explique qualquer diferença na variação de entropia – A altas temperaturas, a
distribuição de energia já é alta, portanto, o aumento na quantidade de calor do sistema
causa menor variação na entropia do sistema.
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13. Use os dados abaixo para calcular a variação de entropia de:
Dados: ΔH°vap(H2O) = 40,7 kJ/mol e ΔH°fus(H2O) = 6,01 kJ/mol
a) Congelamento de 1 mol de água, em 0 °C
Sabendo que Hcongelamento = - Hfusão
b) Vaporização de 50,0 g de água a 100 °C
Para 50,0g de água:
, e Stotal = n.Sm = 2,78 . 109,1 = 303,3 J
14. Qual é a entropia de vaporização da acetona no ponto de ebulição normal (56,2 oC a 1 atm)?
Dado: ΔHvap(acetona) = 29,1 kJ/mol.
15. Será que a formação de fluoreto de hidrogênio (HF) a partir de seus elementos na forma
mais estável é espontânea a 25 0C? Dados:
H2(g) + F2(g) → 2 HF(g), ΔH0 = -542,18 kJ e ΔS0 = +14,1 J/K
Se G0 < 0, a reação é espontânea
ou -546 kJ/mol
16. Os combustíveis de foguete seriam inúteis se sua oxidação não fosse espontânea. Embora os
foguetes operem em condições muito diferentes das condições padrão, uma estimativa inicial do
potencial de um combustível de foguete pode determinar se sua oxidação nas temperaturas
elevadas que um foguete atinge é espontânea. Um químico que explorava combustíveis para uso
potencial no espaço imaginou usar cloreto de alumínio vaporizado em uma reação para a qual a
reação resumida é:
AlCl3(g) + O2(g) → Al2O3(g) + ClO(g)
Balanceie a equação. Use, em seguida os dados abaixo (que são para 2000 K) para decidir se o
combustível é promissor e merece mais estudo.
Dados:
ΔG°f(AlCl3, g) = -467 kJ/mol
ΔG°f(Al2O3, s) = -1034 kJ/mol
ΔG°f(ClO, g) = +75 kJ/mol
Equação balanceada: 4AlCl3(g) + 18O2(g) → 2Al2O3(g) + 12ClO(g)
kJ/mol
Greação > 0, logo a combustão não é espontânea e, portanto, o AlCl3 não deve ser pensado
como alternativa de combustível.