Baixe Termodinâmica e Cinética de Reações Químicas e outras Exercícios em PDF para Mecânica, somente na Docsity!
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- o.^ semestre - Disc.: Curso: Série: <Se rDis Aluno: ^ c>a. Curso: Série a.^
Período:
RG: São Caetano do Sul, 02 de outubro de 2015 – 09 h 30 RA: (^) Assinatura: Nota:
DIURNO
Instruções
GABARITO
1- Essa prova é constituída de 5 questões.
2- Não é permitido qualquer tipo de consulta.
3- Não é permitido ao aluno se ausentar da
sala antes da entrega da prova.
4- Não é permitido o uso de telefones celulares.
5- A prova pode ser feita a lápis ou à tinta.
6- Não é permitido o uso de calculadoras gráficas
e alfanuméricas.
7- Indique claramente os cálculos e métodos utilizados.
8- Cada questão vale 2,0 pontos.
9- Duração: 90 minutos
Formulário: 2
2 ( ) V
an V nb
P nRT
G = Go^ + R T lnQ G = H - T.S k^ ^ A.e-Ea/RT
1 𝑎𝑜𝑟𝑑𝑒𝑚: 𝑡1/2 = 𝑙𝑛2𝑘 ; 𝑙𝑛[𝐴]𝑡 − 𝑙𝑛[𝐴] 0 = −𝑘𝑡 2 𝑎𝑜𝑟𝑑𝑒𝑚: 𝑡1/2 = (^) 𝑘[𝐴]^10 ; (^) [𝐴]^1 𝑡 − (^) [𝐴]^10 = 𝑘𝑡 R = 0,082 atm.L.K-1.mol-1^ = 62,36 Torr.L.K-1.mol-1^ = 8,314 J.K-1.mol- 1 atm = 1,013 x 10^5 Pa T(oC) + 273,15 = T(K)
Consulte a Tabela Periódica na última folha deste caderno.
Questão Nota
1 a
2 a
2 a
3 a
4 a
5 a
Total:
- Justifique por que as afirmações abaixo são falsas: a) Reações cujas variações de energia livre de Gibbs são negativas ocorrem espontânea e rapidamente. (0,7 ponto)
Resposta:
ΔG é um parâmetro termodinâmico, não cinético. ΔG indica se um processo é espontâneo ou não em uma dada temperatura, mas não tem relação com a velocidade das transformações químicas. Assim sendo, quando ΔG < 0, a reação é espontânea, mas nada se pode afirmar a respeito da velocidade de reação a partir dessa informação.
b) A reação não balanceada abaixo é espontânea em qualquer temperatura. CH4(g) + H 2 O(g) + calor → CO(g) + H2(g) (0,8 ponto)
Resposta:
A reação é endotérmica (ΔH > 0), pois calor é absorvido no processo (aparece como reagente na equação). A equação balanceada (abaixo) indica que ΔS > 0, visto que 2 mols de reagentes gasosos são convertidos em 4 mols de produtos gasosos, conduzindo o sistema a uma maior desordem (maior espalhamento de energia). 1 CH4(g) + 1 H 2 O(g) + calor → 1 CO(g) + 3 H2(g) Análise de Sinais: ΔG = ΔH - T. ΔS
Como o termo entálpico é positivo (ΔH > 0) e o termo entrópico é negativo (- T. ΔS < 0), para que a reação seja espontânea (ΔG < 0), |ΔH| < |- T. ΔS|, ou seja, a reação tende a não ser espontânea em baixas temperaturas e espontânea em temperaturas elevadas.
c) A entalpia padrão de formação do gás oxigênio é - 28,2 kJ.mol-1. (0,5 ponto)
Resposta:
O gás oxigênio (O 2 ) é uma substância simples em sua forma alotrópica mais estável, assim sendo, ΔHoformação (O2(g)) = 0.
- O lança-chamas é um artefato bélico cuja forma consiste em um tanque de combustível acoplado a um tanque de gás propelente. Sabe-se que o propelente é um gás relativamente inerte que deve propiciar a maior pressão possível para um maior alcance da chama.
a) Supondo um equipamento operado a 25 oC e contendo 20 mols de gás, qual dos sistemas seria mais adequado para esse fim: um tanque de propelente com CO 2 , N 2 ou argônio? Justifique a sua resposta. (0,8 ponto)
Dados: Gás a (atm.L^2 .mol-^2 ) b (L.mol-^1 )
Argônio 1,34 0,
Nitrogênio 1,34 0,
Dióxido de carbono 3,610 0,
b) Qual dos gases citados apresenta interações intermoleculares mais intensas? Justifique. Calcule a pressão real de 120 kg desse gás ocupando um volume de 2,30 m^3 a 300 oC. (1,2 ponto)
Resposta:
a) Considerando a equação de van der Waals, 2
2 ( ) V
an V nb
P nRT
, vemos que a pressão diminui com
o fator de interação a e aumenta com o covolume b , portanto, para uma maior pressão de propelente, deve-se utilizar o gás com a menor interação intermolecular (menor “a”) e o maior volume das partículas (maior “b”). Por inspeção, o gás mais adequado é o nitrogênio.
b) O fator a de van der Waals está relacionado à intensidade das interações intermoleculares, sendo vinculado à natureza do gás. Quanto maiores as interações advindas de sua polaridade ou polarizabilidade, maior será o fator, portanto, o gás com interações mais intensas é o dióxido de carbono.
𝑛𝐶𝑂2 =
𝑀𝑀𝐶𝑂2^ =
120𝑥10^3 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎𝑠
𝑎𝑛^2
𝑉^2 =^
(2,30𝑥10^3 − 2727𝑥0,0429) −
3,610𝑥(2727)^2
(2,30𝑥10^3 )^2 = 53,7 𝑎𝑡𝑚
- A cinética de decomposição da sacarose (C 12 H 22 O 11 ) em meio aquoso foi monitorada de acordo
com os dados da tabela abaixo:
C 12 H 22 O11(aq) + H 2 O(l) 2 C 6 H 12 O6(aq) v = k [C 12 H 22 O 11 ] Tempo (minutos) [C 12 H 22 O11(aq)] (mol/L) 0 0, 40 0, 80 0, 140 0, 250 0,
a) Determine a ordem de reação em relação à sacarose a partir da construção de um gráfico. (1,0 ponto) b) Determine graficamente a constante de velocidade. (0,5 ponto) c) Calcule a concentração de sacarose após de 7 horas de reação. (0,5 ponto)
Resposta:
a) A reação da decomposição da sacarose obedece a uma cinética de 1a^ ordem, já que a construção de um gráfico de ln [C 12 H 22 O 11 ] versus tempo resulta numa reta (comportamento linear). ln [C 12 H 22 O 11 ] = ln [C 12 H 22 O 11 ] 0 - k. t
tempo (minutos) ln [C^12 H^22 O^11 ] 0 -1, 40 -1, 80 -1, 140 -1, 250 -2,
- A combustão do etano ocorre de acordo com a reação não balanceada abaixo:
C 2 H6(g) + O2(g) → CO2(g) + H 2 O(g)
a) Considere que, inicialmente, 11,2 kg de oxigênio e 3,0 kg de etano tenham sido inseridos em um cilindro de gás (ver dimensões abaixo) a 25 oC. Qual é a pressão parcial de cada gás e a pressão total nessas condições? (1,0 ponto) b) Após duas horas, a 450 oC, a reação completou-se, não havendo sobra de reagentes no cilindro. Calcule as pressões parciais dos produtos nessas condições. (1,0 ponto) Dados: Vcilindro = Abase. h Abase = π. r^2
Resposta:
a) 𝑛𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 3,0𝑥
(^3) 𝑔 30 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 100 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜^ 𝑛𝑂^2 =^
11,2𝑥10^3 𝑔 32 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 350 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑂^2 ntotal = 100 + 350 = 450 mol de gás no início do processo T = 25 + 273,15 = 298,15 K Volume do cilindro = Abase. h = π. (1,5 m)^2. 7 m Volume do cilindro = 49,46 m^3 PtotalV = ntotalRT 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 450 𝑚𝑜𝑙 𝑥 8,314 𝐽𝐾
−1𝑚𝑜𝑙−1 (^) 𝑥 298,15 𝐾 49,46 𝑚^3 = 22553 Pa 𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 𝑋𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑋𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 =^ 𝑛 𝑛𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 100 𝑚𝑜𝑙450 𝑚𝑜𝑙 𝑥 22553 𝑃𝑎 𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 5011,8 𝑃𝑎 𝑝𝑂 2 = 𝑋𝑂 2 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑋𝑂 2 = 𝑛^ 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑂^2 𝑝𝑂 2 = 350 𝑚𝑜𝑙450 𝑚𝑜𝑙 𝑥 22553 𝑃𝑎 𝑝O2 = 17541,2 𝑃𝑎
b) C 2 H6(g) + 72 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H 2 O(g) 1 mol C 2 H6(g) -------------------- 2 mol CO2(g) 1 mol C 2 H6(g) ------------------ 3 mol H 2 O(g) 100 mol C 2 H6(g) ----------------- 200 mol CO2(g) 100 mol C 2 H6(g) -------------- 300 mol H 2 O(g) ntotal = 200 + 300 = 500 mol de gases após duas horas T = 450 + 273,15 = 723,15 K PtotalV = ntotalRT
h = 7 m
d = 3 m
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 500 𝑚𝑜𝑙^ 𝑥^8 ,^314 𝐽𝐾
− (^1) 𝑚𝑜𝑙− (^1) 𝑥 723 , 15 𝐾 49 , 46 𝑚^3 = 60779 Pa 𝑝𝐶𝑂 2 = 𝑋𝐶𝑂 2 𝑃𝑇 𝑋𝐶𝑂 2 = (^) 𝑛𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝐶𝑂^2 = 0 , 4 𝑝𝐶𝑂 2 = 200500 𝑚𝑜𝑙𝑚𝑜𝑙 𝑥 60779 𝑃𝑎 𝑝𝐶𝑂 2 = 24311 , 6 𝑃𝑎 𝑝𝐻 2 𝑂 = 𝑋𝐻 2 𝑂 𝑃𝑇 𝑋𝐻 2 𝑂 = 𝑛^ 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝐻^2 𝑂 = 0, 𝑝𝐻 2 𝑂 = 300500 𝑚𝑜𝑙𝑚𝑜𝑙 𝑥 60779 𝑃𝑎 𝑝𝐻 2 𝑂 = 36467 , 4 𝑃𝑎
O exercício pode ser resolvido de outras maneiras equivalentes (mmHg ou atm) Considerando R = 62,36 Torr.L.K-1.mol-1:
a) 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 169 , 160 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 37 , 215 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑝𝑂 2 = 131 , 945 𝑚𝑚𝐻𝑔
b) 𝑝𝐶𝑂 2 = 182,351 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑝𝐻 2 𝑂 = 273 , 528 𝑚𝑚𝐻𝑔
Considerando R = 0,082 atm.L.K-1.mol-1:
a) 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0 , 222 𝑎𝑡𝑚 𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 0 , 0489 𝑎𝑡𝑚 𝑝𝑂 2 = 0 , 173 𝑎𝑡𝑚
b) 𝑝𝐶𝑂 2 = 0,239 𝑎𝑡𝑚 𝑝𝐻 2 𝑂 = 0 , 360 𝑎𝑡𝑚
