Lista de exercícios - Equilíbrio - Ext-M

química EXTENSIVO -­‐ MANHÃ EQUILÍBRIO QUÍMICO Lista de Exercícios
1. (Ita) A constante de equilíbrio da reação
H2O(g) + Cℓ2O(g) = 2HOCℓ(g).
°
°
a 25 C, é Kc = Kp = 0,0900. Recipientes fechados numerados de I até IV, e mantidos na temperatura de 25 C,
contêm somente as três espécies químicas gasosas envolvidas na reação anterior. Imediatamente após cada
recipiente ter sido fechado. as pressões e/ou as quantidades de cada uma destas substâncias, em cada um dos
recipientes, são:
I) 5mmHg de H2O(g); 400mmHg de Cℓ2O(g) e 10mmHg de HOCℓ(g).
II) 10mmHg de H2O(g); 200mmHg de Cℓ2O(g) e 10mmHg de NOCℓ(g)
III) 1,0mol de H2O(g); 0,080mols (sic) de Cℓ2O(g) e 0,0080mols de HOCℓ(g).
IV) 0,50mols de H2O; 0,0010mols de Cℓ2O(g) e 0,20mols de HOCℓ(g).
Pode-se afirmar que:
As misturas gasosas dos recipientes I e II não estão em equilíbrio químico e as reações avançam no sentido da
direita para a esquerda.
CERTO ou ERRADO? Justifique.
2. (Ufrj) Observe a reação química:
2NO2(g) = N2O4(g)
[reagente]
[produto]
O gráfico concentração versus tempo a seguir apresenta alterações na concentração das substâncias NO2 e N2O4 a
pressão constante.
O diagrama auxiliar de temperatura versus tempo permite analisar a dinâmica da reação apresentada; observe que
°
°
a reação se dá a uma temperatura de 80 C no intervalo de tempo de t0, a t4 e de 120 C entre t5 e t6.
°
a) Calcule a constante de equilíbrio (KC) da reação a 80 C.
b) Analisando o comportamento do sistema entre t4 e t5, explique por que a reação química representada é
exotérmica.
2+
3+
2+
3. (Unicamp) Íons como Cu , Fe e Fe , presentes em certos alimentos, como por exemplo maionese, podem
causar a sua deterioração através da formação de peróxidos. Para evitar este problema, em alguns alimentos
industrializados pode ser adicionada uma substância que complexa (reage com) estes íons, impedindo a sua ação.
Esta substância, genericamente conhecida como "EDTA", é adicionada na forma de seu sal de sódio e cálcio.
A reação que ocorre entre os íons "indesejáveis" e o "EDTA" adicionado pode ser representada pela equação:
2-
Ca EDTA + Me
n+
= Me EDTA
n-4
+ Ca
2+
Os valores dos logaritmos das constantes de equilíbrio para as reações de complexação desses íons com EDTA
são:
n+
a) Qual dos íons Me será removido com mais eficiência? Justifique.
2b) Escreva a equação química que representa a reação entre CaEDTA e o íon escolhido no item a da questão.
4. (Ufc) Considere a seguinte mistura em equilíbrio: 3H2(g) + N2(g) ! 2NH3(g) com as seguintes pressões parciais:
PH2 = 0,01 atm, PN2 = 0,001 atm, PNH3 = 0,004 atm.
a) Calcule a constante de equilíbrio em função das pressões parciais, Kp, para essa reação.
b) Considere que após 5 minutos do equilíbrio ser atingido, é adicionado H2(g), de modo que sua pressão parcial é
elevada para 0,10 atm. Desenhe um gráfico, mostrando o perfil qualitativo das pressões parciais de todas as
espécies presentes em função do tempo.
5. (Fuvest) Na produção de hidrogênio por via petroquímica, sobram traços de CO e CO2 nesse gás, o que impede
sua aplicação em hidrogenações catalíticas, uma vez que CO é veneno de catalisador. Usando-se o próprio
hidrogênio, essas impurezas são removidas, sendo transformadas em CH4 e H2O. Essas reações ocorrem a
temperaturas elevadas, em que reagentes e produtos são gasosos, chegando a um equilíbrio de constante KI no
caso do CO e a um equilíbrio de constante KII no caso do CO2. O gráfico traz a variação dessas constantes com a
temperatura.
°
a) Num experimento de laboratório, realizado a 460 C, as pressões parciais de CO, H2, CH4 e H2O, eram,
-5
respectivamente, 4 × 10 atm; 2 atm; 0,4 atm; e 0,4 atm. Verifique se o equilíbrio químico foi alcançado. Explique.
b) As transformações de CO e CO2 em CH4 mais H2O são exotérmicas ou endotérmicas? Justifique sua resposta.
c) Em qual das duas transformações, na de CO ou na de CO2, o calor desprendido ou absorvido é maior? Explique,
em termos do módulo da quantidade de calor (│Q│) envolvida.
6. (Fuvest 2014) Algumas gotas de um indicador de pH foram adicionadas a uma solução aquosa saturada de CO2,
a qual ficou vermelha. Dessa solução, 5 mL foram transferidos para uma seringa, cuja extremidade foi vedada com
uma tampa (Figura I). Em seguida, o êmbolo da seringa foi puxado até a marca de 50 mL e travado nessa posição,
observando‐se liberação de muitas bolhas dentro da seringa e mudança da cor da solução para laranja (Figura II). A
tampa e a trava foram então removidas, e o êmbolo foi empurrado de modo a expulsar totalmente a fase gasosa,
mas não o líquido (Figura III). Finalmente, a tampa foi recolocada na extremidade da seringa (Figura IV) e o êmbolo
foi novamente puxado para a marca de 50 mL e travado (Figura V). Observou‐se, nessa situação, a liberação de
poucas bolhas, e a solução ficou amarela. Considere que a temperatura do sistema permaneceu constante ao longo
de todo o experimento.
a) Explique, incluindo em sua resposta as equações químicas adequadas, por que a solução aquosa inicial,
saturada de CO2, ficou vermelha na presença do indicador de pH.
b) Por que a coloração da solução mudou de vermelho para laranja ao final da Etapa 1?
c) A pressão da fase gasosa no interior da seringa, nas situações ilustradas pelas figuras II e V, é a mesma?
Justifique.
7. (Ufpr 2011) O trióxido de dinitrogênio é um líquido de cor azul bastante intenso, formado pela associação de
óxido nítrico e dióxido de nitrogênio, conforme a seguinte reação de equilíbrio:
()
()
()
NO g + NO2 g ! N2O3 I
A formação do trióxido de dinitrogênio é favorecida em temperaturas inferiores a -21 ºC. Num sistema fechado de
volume constante, à pressão de 1 atm e à temperatura de 298 K, há uma mistura de NO e NO2, cujas frações
molares são 0,4 e 0,6, respectivamente. O sistema foi resfriado com uma mistura de acetona e gelo seco até a
temperatura de 196 K. Nessa condição, praticamente todo óxido nítrico reage com dióxido de nitrogênio presente. O
dióxido de nitrogênio em excesso também reage, formando tetróxido de dinitrogênio, um gás incolor, conforme a
reação abaixo.
Pode-se considerar que esse equilíbrio é deslocado totalmente no sentido do produto na temperatura da mistura
acetona/gelo seco empregada.
()
()
2NO2 g ! N2O4 g
Nas condições descritas acima, calcule qual a pressão do sistema a 196 K. Admita que o volume de trióxido de
−1
−1
dinitrogênio é desprezível em comparação com o volume do sistema. Dado: R = 0.082 L.atm.K .mol .
8. (Fatec 2013) A produção de alimentos para a população mundial necessita de quantidades de fertilizantes em
grande escala, sendo que muitos deles se podem obter a partir do amoníaco.
Fritz Haber (1868-1934), na procura de soluções para a otimização do processo, descobre o efeito do ferro como
catalisador, baixando a energia de ativação da reação.
Carl Bosch (1874-1940), engenheiro químico e colega de Haber, trabalhando nos limites da tecnologia no início do
século XX, desenha o processo industrial catalítico de altas pressões e altas temperaturas, ainda hoje utilizado
como único meio de produção de amoníaco e conhecido por processo de Haber-Bosch.
Controlar as condições que afetam os diferentes equilíbrios que constituem o processo de formação destes e de
outros produtos, otimizando a sua rentabilidade, é um dos objetivos da Ciência/Química e da Tecnologia para o
desenvolvimento da sociedade.
(nautilus.fis.uc.pt/spf/DTE/pdfs/fisica_quimica_a_11_homol.pdf Acesso em: 28.09.2012.)
Considere a reação de formação da amônia N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) e o gráfico, que mostra a influência
conjunta da pressão e da temperatura no seu rendimento.
A análise do gráfico permite concluir, corretamente, que
a) a reação de formação da amônia é endotérmica.
b) o rendimento da reação, a 300 atm, é maior a 600°C.
c) a constante de equilíbrio ( K c ) não depende da temperatura.
d) a constante de equilíbrio ( K c ) é maior a 400°C do que a 500°C.
e) a reação de formação da amônia é favorecida pela diminuição da pressão.
9. (Ibmecrj 2013) Num recipiente fechado, de volume constante, hidrogênio gasoso reage com excesso de carbono
sólido, formando gás metano, como descrito na equação:
C(s) + 2H2(g) ↔ CH4(g)
Essa reação foi realizada em duas temperaturas, 800 a 900 K e, em ambos os casos, a concentração de metano foi
monitorada, desde o inicio do processo, até certo tempo após o equilíbrio ter sido atingido. O gráfico apresenta os
resultados desse experimento:
Após as informações, foram feitas algumas considerações. Assinale a alternativa que indica considerações
corretas:
I. A adição de mais carbono, após o sistema atingir o equilíbrio, favorece a formação de mais gás metano.
II. A reação de formação do metano é exotérmica.
III. O número de moléculas de metano formadas é o mesmo de moléculas de hidrogênio consumidas na reação.
IV. O resfriamento do sistema em equilíbrio de 900 K para 800 K provoca uma diminuição da concentração de
metano.
a) I
b) II
c) I e II
d) II e III
e) III
Gabarito:
Resposta da questão 1:
Cálculo da relação das pressões (Qp) e das concentrações (Qc), dos recipientes I e II
Recipiente I:
2
Qp = P HOCℓ / P H2O . P Cℓ2O =
2
= (10 mmHg) / (5 mmHg) (400 mmHg) =
= 100 / 2000 = 0,05
Recipiente II:
2
Qp = P HOCℓ / P H2O . P Cℓ2O =
2
= (10 mmHg) / (10 mmHg) (200 mmHg) =
= 100 / 2000 = 0,05
A afirmativa está errada pois as misturas gasosas não estão em equilíbrio (Qp ≠ Kp e Qc ≠ Kc) e o deslocamento
ocorre da esquerda para a direita (Qp < Kp e Qc < Kc).
Resposta da questão 2:
a) KC = 2,2
b) A reação é exotérmica porque, quando ocorre uma elevação da temperatura (entre t4 e t5), observa-se a
diminuição da concentração de produto (N2O4), mostrando que o equilíbrio é deslocado no sentido da formação do
reagente (NO2).
Resposta da questão 3:
a) A partir da equação fornecida no texto que representa o equilíbrio químico, teremos:
Ca EDTA 2- + Men+ = Me EDTAn-4 + Ca2+
K eq =
[Me EDTAn-4 ][Ca2+ ]
[Ca EDTA 2- ][Men+ ]
Para que o íon Men+ seja retirado com maior eficiência, o equilíbrio deverá ser deslocado para a direita, ou seja:
K ↑=
[Me EDTAn-4 ][Ca2+ ]
[Ca EDTA 2- ][Men+ ] ↓
A partir da tabela fornecida obtemos os valores das constantes de equilíbrio:
logK eq = x
10 x = K eq
Men+
logK eq
K eq
Fe2+
14,4
1014,4
Cu2+
18,8
1018,8
Fe3 +
25,1
1025,1
A maior constante de equilíbrio (Keq = 1025,1) pertence a presença do cátion Fe3+ , logo este será removido com
maior facilidade.
b) Teremos:
Ca EDTA 2- + Men+ ! Me EDTAn-4 + Ca2+
Ca EDTA 2- + Fe3+ ! Fe EDTA1- + Ca2+
Resposta da questão 4:
a) Teremos:
Kp =
pNH3 2
3
pH2 × pN2
=
(0,004)2
3
(0,01) × (0,001)
= 16 × 103 = 1,6 × 104 atm−2
b) Observe o gráfico a seguir:
Resposta da questão 5:
°
-2
a) A 460 C para KI = 500 atm , teremos:
3H2(g) + CO(g) = CH4(g) + H2O(g)
3
QI = (P(CH4) x P(H2O))/((P(H2)) x P(CO))
3
-5
3
2
QI = (0,4 x 0,4) / ((2 ) x 4 x 10 ) = 0,5 x 10 = 500 atm .
-2
Conclusão: QI = KI = 500 atm . O equilíbrio foi alcançado.
b) São transformações exotérmicas, pois, de acordo com o gráfico, com a elevação da temperatura os valores de KI
e de KII diminuem, ou seja, os produtos se formam em menor quantidade.
c) Numa dada temperatura, de acordo com o gráfico, KI > KII. Isto significa que a variação de temperatura influencia
mais o valor de KI do que o valor de KII. Ou seja, a reação I é mais exotérmica do que a reação II, logo, o calor
liberado na reação I é maior do que o calor liberado na reação II. Então QI > QII . Conclusão, a reação I libera
maior quantidade de calor.
Resposta da questão 6:
a) Equações químicas adequadas:
CO2 (g) ! CO2 (aq)
CO2 (aq) + H2O(ℓ) ! H2CO3 (aq) ! H+ (aq) + HCO3− (aq)
De acordo com a reação química descrita pela equação acima se percebe que o meio fica ácido. De acordo com
o enunciado a solução ficou vermelha, isto significa que houve saturação, ou seja, que o pH é inferior a 4,5 (vide
tabela).
b) No final da etapa I se observou a liberação de muitas bolhas de gás carbônico, isto significa que o equilíbrio foi
deslocado para a esquerda e que a concentração de íons H+ diminui:
⎯⎯⎯⎯⎯
→ CO2 (aq)
CO2 (g) ←⎯⎯⎯⎯
⎯
esquerda
⎯⎯⎯⎯⎯
→ H2CO3 (aq) ←⎯⎯⎯⎯
⎯⎯⎯⎯⎯
→ H+ (aq) + HCO3 − (aq)
CO2 (aq) + H2O( l ) ←⎯⎯⎯⎯
⎯
⎯
esquerda
esquerda
Consequentemente o pH aumenta e supera 4,5. A solução muda da coloração vermelha para laranja.
c) Foram feitas as seguintes observações:
Etapa 1: liberação de bolhas de gás carbônico e a solução ficou laranja.
Etapa 4: houve liberação de poucas bolhas e a solução ficou amarela.
Conclui-se que a pressão da fase gasosa no interior da seringa, nas situações ilustradas pelas figuras II e V, não
é a mesma:
P×
{V
= nCO2 × R
{× T
{V
= nCO2 × R
{× T
cons tan te
P×
cons tan te
cons tan te
cons tan te
nCO2 = k × P
nCO2 ↑= k × P ↑
nCO2 ↓= k × P ↓
Resposta da questão 7:
Teremos:
NO( g) + NO2( g) É N2 O3 ( l )
0,4
0,6
0
(início)
−0,4 − 0,4
+ 0,4
(durante)
0 − 0,2
+ 0,4
(final)
2NO2( g) É N2 O4 ( g)
0,2
0
(início)
−0,2
0,1
(durante)
0
0,1
(final)
Então,
Pi × Vi
n × R × Ti
= i
Pf × Vf nf × R × Tf
1× V
1× R × 298
=
Pf × V 0,1× R × 196
Pf = 0,0657 = 0,066 atm
Resposta da questão 8:
[D]
⎛
[NH3 ]2
A constante de equilíbrio ⎜ K c =
⎜
[N2 ][H2 ]3
⎝
Resposta da questão 9:
[B]
⎞
⎟ é maior a 400°C do que a 500°C, conforme o gráfico demonstra.
⎟
⎠
A reação de formação do metano é exotérmica, pois, verifica-se pelo gráfico que a concentração de metano é maior
a 800 K do que a 900 K: