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Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 1 EQUILÍBRIO QUÍMICO 5.1. a lei de ação de massas dada por:KP = PCOPH2 3 PCH4PH2O 5.2. Sendo a lei de ação de massas dada por: KC = [NO2 ] 4 [N2O3 ] 2[O2 ] A reação que descreve o equilíbrio é dada por: 2N2O3 + O2 4NO2 5.3. Escreva a expressão da constante de equilíbrio para cada uma das seguintes equações: (a)KC = [POCl3 ] 3 [PCl3 ] 2[O2 ] (b)KC = [SO2 ] 2[O2 ] [SO3 ] 2 (c)KC = [NO]2[H2O] 2 [N2H4 ][H2O] 6 (d)KC = [SO2 ][HCl ] 2 [SOCl2 ][H2O] 6 (e)KC = [Ag(NH3)2 + ] [Ag+ ][NH3 ] 2 (f )KC = [Cd(SCN)4 2− ] [Cd 2+ ][SCN − ]4 (g)KC = [CO]2 [O2 ] (h)KC = [H2O][SO2 ] (i)KC = [CH4 ][CO2 ] [H2O] 2 ( j)KC = [H2O][CO2 ] [HF ]2 (k)KC = [H2O] 5 (l)KC = [CO2 ] [SO2 ] (m)KC = [Cl − ] [Br − ] (n)KC = [Cu 2+ ][OH − ]2 (o)KC = [H2O] (p)KC = [N2 ][H2O] 3 [NH3 ] 2 5.4. Q é igual a K quando o sistema atinge o equilíbrio. 5.5. Se Q é menor do que K a reação alcançará o equilíbrio na direção direta pois [reagentes] > [produtos] antes do equilíbrio. 5.6. Quanto maior for o valor de K, maior será a tendência de uma reação avançar no sentido de se completar. Logo Kc(a) < Kc(c) < Kc(b). 5.7. KC = [HCl ]2 [H2 ][Cl2 ] KC ' = [HCl ] [H2 ] 1/2[Cl2 ] 1/2 ⇒ KC ' = KC 5.8. Para quais das seguintes reações KC = Kp? (a) CO2(g) + H2(g) C2H6(g) para esta reação Δn = (1) – (2) = -1; Kp ≠ K (b) N2(g) + O2(g) 2NO(g) para esta reação Δn = (2) – (2) = 0; Kp = K (c) 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) para esta reação Δn = (2) – (3) = -1; Kp ≠ K 5.9. Para esta reação Δn = (2) – (0) = 2; 5.10. Segundo o princípio de Le Chântelier, uma perturbação no sistema desloca ao equilíbrio no sentido de se opor a perturbação. Logo adicionando reagente à reação, o equilíbrio se deslocará no sentido de consumir o reagente adicionado formando mais produto. 5.11. Reduzir o volume pela metade indica que a pressão dobrará, fazendo com que as moléculas estejam mais próximas. O equilíbrio se deslocará no sentido de diminuir esta pressão deslocando-se no sentido do menor número de moléculas ocupando um menor volume e assim diminuindo a pressão. 5.12. Como o aumenta da temperatura afetará o valor de Kp para os seguintes equilíbrios Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 2 (a) Reação exotérmica q é produto da reação logo o aumento de T desloca o equilíbrio no sentido de consumir o calor restaurando os reagentes, reação inversa. (b) Reação endotérmica q é reagente logo o aumento de T desloca o equilíbrio no sentido de consumir o calor e formar produtos, reação direta. (c) Reação exotérmica q é produto da reação logo o aumento de T desloca o equilíbrio no sentido de consumir o calor restaurando os reagentes, reação inversa. 5.13. KP = (RT)Δn; para esta reação: Δn = 3-3 = 0 como Δn = 0, Kp = KC = 2,2 x 1059 5.14. Pois este não influencia nas concentrações apenas na velocidade da reação. 5.15. (a) desloca no sentido direto (b) desloca no sentido inverso (c) desloca no sentido direto (d) desloca no sentido inverso (e) desloca no sentido direto 5.16. Temos 0,2 mol para um volume de 2,0 litros logo: H2(g) + I2(g) 2HI(g) I 0,1 0,1 0 V -0,02 -0,02 2(0,02) E 0,98 0,98 0,04 A expressão de KC para a reação é: KC = [HI]2 [H2 ][I2 ] Substituindo os valores na expressão temos: KC = [0,04]2 [0,98][0,98] = 0,0016 0,9604 = 1,67x10−3 5.17. Para a reação a constante de equilíbrio é dada por:KC = [CO][H2 ] 3 [CH4 ][H2O] , substituindo os valores tem-se que: KC = [CO][H2 ] 3 [CH4 ][H2O] = 5,67 = 0,3x(0,8) 3 0,4[H2O] ⇒ [H2O] = 0,1536 2,268 = 0,0677mol / L 5.18. A reação CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) I 0,1 0,1 0 V -x -x x x E 0,1-x 0,1-x x x A expressão de K para a reação é: K = [CO2 ][H2 ] [CO][H2O] = 4,06 Substituindo os valores na expressão temos: 4,06 = x.x (0,1− x)(0,1− x) = x 2 (0,1− x)2 = 4,06 Extraindo a raiz quadrada: x 2 (0,1− x)2 = 4,06 = x 0,1− x = 2,015 desenvolvendo a equação: 3,015x = 0,201 logo x será x = 0,2015 3,015 = 0,0667mol / L Substituindo valor de x na tabela temos: [CO] = [H2O] = 0,1 – 0,0667 = 0,0333 mol/L [CO2] = [H2] = 0,0667 mol/L 5.19. Agora temos uma condição em que há, além de reagentes, produto no início da reação. Deste modo, a reação pode atingir o equilíbrio por via direta ou inversa. Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 3 Determinando o valor de Q temos: Q = (0,1) 2 (0,06)2 = 2,78 Como Q < K a reação atingirá o equilíbrio na via direta. Portanto: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) I 0,06 0,06 0,1 0,1 V -x -x x x E 0,06-x 0,06-x 0,1+x 0,1+x A expressão de K para a reação é: K = [CO2 ][H2 ] [CO][H2O] = 4,06 Substituindo os valores na expressão temos: 4,06 = (0,1+ x)(0,1+ x) (0,06 − x)(0,06 − x) = (0,1+ x) 2 (0,06 − x)2 = 4,06 Extraindo a raiz quadrada: (0,1+ x) 2 (0,06 − x)2 = 4,06 = 0,1+ x 0,06 − x = 2,015 desenvolvendo a equação: 0,1+ x = 0,1209 − 2,015x 3,015x = 0,0209 logo x será x = 0,0209 3,015 = 0,0067 Substituindo valor de x na tabela temos: [CO] = [H2O] = 0,06 – 0,0067 = 0,0533 mol/L [CO2] = [H2] = 0,1 + 0,0067 = 0,1067 mol/L 5.20. A reação N2O4(g) 2NO2(g) I 0,15 0 V -x 2x E 0,15-x 2x A expressão de K para a reação é: KC = [NO2 ]2 [N2O4 ] = 4,5 Substituindo os valores na expressão temos: 4,5 == (2x) 2 (0,15 − x) ⇒ 4x2 = 4,5(0,15 − x) = 4x2 + 4,5x − 0,675 = 0 resolvendo a equação do 2o. grau obtém-se duas raízes 0,13 e uma outra negativa e que não tem sentido. Substituindo valor de x na tabela temos: [N2O4] = 0,02 mol/L e [NO2] = 0,26 mol/L EQUILÍBRIO ÁCIDO-BASE 5.21 Assim como KW = [H+][OH-] = 1,0x10-14 Então: KD = [D + ][OD− ] = 8,9x10−16 onde : [D+ ] = [OD− ] substituindo [D+] por [OD-] na primeira equação temos: Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 4 [OD− ][OD− ] = KD [OD− ]2 = 8,9x10−16 logo [OD− ] = 8,9x10−16 = 2,98x10−8mol / L = [D+ ] pD = − log[D+ ] = − log(2,98x10−8) = pOD pD = 7,52 pOD = 7,52 5.22 (a) pOH = 2,17 pH = 11,83, [H+] = 10-11,83 = 1,48x10-12 mol/L (b) 6,4 x 10-5 mol/L pOH = 4,2 pH = 9,8 [H+] = 10-9,8 = 1,58x10-10 mol/L (c) pOH = 10,8 pH = 3,2 [H+] = 10-3,2 = 6,31x10-4 mol/L (d) pOH = 1,17 pH = 12,83 [H+] = 10-12,83 = 1,48x10-13 mol/L 5.23 (a) pH = 6,45 pOH = 7,55 [OH-] = 10-7,55 = 2,8x10-8 mol/L (b) pH = 2,77 pOH = 11,23 [OH-] = 10-11,23 = 5,88x10-12 mol/L (c) pH = 10,6 pOH = 3,4 [OH-] = 10-3,4 = 3,98x10-4 mol/L (d) pH = 1,18 pOH = 12,82 [OH-] = 10-12,82 = 1,51x10-13 mol/L 5.24 A dissociação da base segue: Ca(OH)2 → 2OH- + Ca2+ Logo 1 mol de base origina 2 mols de OH-. A [OH-] pode ser obtida através do pH ou seja: pH + pOH = 14 => pOH = 14 – 11,6 = 2,4 [OH-] = 10-2,4 = 3,98x10-3 mol/L logo [Ca(OH)2] =[OH-]/2 = 1,99x10-3 mol/L Se a solução for diluída teremos: [OH-] = 10-3,4 = 3,98x10-4 mol/L [Ca(OH)2 = 1,99x10-4 mol/L 5.25 HCl → H+ + Cl- Cada mol de HCl produz 1 mol de H+, logo [H+] = [HCl] = 10-2,5 mol/L = 3,16x10-3 mol/L Usando a expressão de molaridade temos: g HCl = 3,16x10−3 mol L x36,5 g HCl mol x250mLx 1L 1000mL = 0,029gHCl Se estativer o dobro do pH então [H+] = 10-5 mol/L, logo g HCl = 10−5 mol L x36,5 g HCl mol x250mLx 1L 1000mL = 9,13x10−5gHCl 5.26 KA = 10-pKa KA ácido acético = 10-4,74 = 1,82x10-5 KA ácido = 10-4,88 = 1,31x10-5 Como KA ácido > KA ácido acético o ácido é mais forte do que o ácido acético. 5.27 A dissociação do NH4F segue: NH4F(aq) NH4+(aq) + F-(aq) Para saber se a solução é ácida ou básica devemos comparar o KA(NH4+) e KB(F-). KA.KB = KW KA (NH4 ) = 10 −14 1,83x10−5 = 5,5x10−10 KB (F− ) = 10 −14 6,76x10−4 = 1,5x10−11 Como KA > KB, a solução é ligeiramente ácida. 5.28 Aplicando a equação de Henderson-Hasselbalch Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 5 pH = pKa + log [A − ] [HA] pH = 4,74 + log 0,11 0,09 = pH = 4,74 − 0,087⇒ pH = 4,653 5.29 A faixa de ação de um tampão é dada por pH = pKa±1 Logo: a faixa é de 3,74 a 5,74. Como se quer usar em pH 5,0, conclui-se que pode ser feito com ácido acético. quantos mols de NaC2H3O2 devem ser adicionados a 1,0 L de solução que contenha 1,0 mol de HC2H3O2 para preparar o tampão? Usando a expressão [H + ] = KA [HA] [A− ] [HA] [A− ] = [H + ] Ka ⇒ como a [HA] = 1,0 m/L então: 1,0 [A− ] = 10 −5mol / L 1,8x10−5 = [A− ] = 1,8x10 −5 10−5 = 1,8 mols de acetato 5.30 Seja o equilíbrio básico: NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq) KB para esta base será: KB = [NH4 + ][OH − ] [NH3 ] . Resolvendo para [NH4+] e substituindo os valores tem-se: [NH4 + ] = 1,8x10 −5x0,1 10−5 = 0,18mol / L . A massa de NH4Cl será dada por: g NH4Cl = 0,18 mol L x2,0Lx 53,5 g NH4Cl mol = 19,26 g NH4Cl 5.31 O ácido fórmico (KA = 1,6 × 10−4) é um ácido fraco, logo sua titulação com uma base forte resultará em um sal básico. 5.32 (a) com 0,0L de NaOH temos só o ácido logo [H+] será igual à [HCl] pois é um ácido forte. Então [H+] = 0,1 pH = -log(0,1) = 1,0 (b) quando se adiciona 49 mL reagiram 0,1 x 49 = 4,9 mols de HCl logo nfinal = nácido − nbase ⇒Mf .Vf =Ma.Va −Mb.Vb = Mf = Ma.Va −Mb.Vb Vt = [H + ] = (50x0,1) − (49x0,1) 99 [H + ] = 0,001⇒ pH = − log(0,001) = 3 (c) com a adição de 51 mL todo o ácido foi consumido e temos excesso de base logo: nfinal = nbase − nácido ⇒Mf .Vf =Mb.Vb −Ma.Va Mf = Mb.Vb −Ma.Va Vt = [OH − ] = (51x0,1) − (50x0,1) 101 [OH − ] = 9,9x10−4 ⇒ pOH = − log(9,9x10−4) ≈ 3,0 pH = 14 − pOH ≈11,0 Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 6 EQUILÍBRIO IÔNICO E SOLUBILIDADE 5.33. É o efeito sobre a solubilidade de um sal pela adição de um sal solúvel contendo um dos íons do sal insolúvel, resultando na diminuição de sua solubilidade. o princípio de Le Chântelier explica esse efeito como adição de um produto ao equilíbrio, deslocando-o no sentido da reação inversa, isto é, formação do sal insolúvel. 5.34. Seja o equilíbrio: HC2H3O2 + H2O H3O+ + C2H3O2- Ao se adicionar íons acetato, desloca-se o equilíbrio no sentido de formar ácido acético consumindo os íons H3O+ da solução diminuindo sua concentração e consequentemente elevando o pH. 5.35. Sempre que Q para a reação for maior do que o KPS, isto é, sempre que a concentração dos íons do sal insolúvel exceder a solubilidade do composto. 5.36. Escreva a expressão de KPS para cada um dos seguintes compostos: (a) KPS = [Ca 2+ ][F− ]2 (b) KPS = [Ag + ]2[CO3 − ] (c) KPS = [Pb 2+ ][SO4 −− ] (d) KPS = [Fe 3+ ][OH − ]3 (e) KPS = [Pb 2+ ][I− ]2 (f) KPS = [Cu 2+ ][OH − ]2 (g) KPS = [Ag + ][I− ] (h) KPS = [Ag + ]3[PO4 3− ] (i) KPS = [Pb 2+ ][CrO4 2− ] (j) KPS = [Al 3+ ][OH − ]3 (k)KPS = [Zn 2+ ][CO3 2− ] (l)KPS = [Zn 2+ ][OH − ]2 5.37. Para o equilíbrio PbCl2(s) Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) Observamos que cada mol de PbCl2 produz 2 mols de Cl- logo, sendo 0,016 mol/L a solubilidade molar do PbCl2. KPS = [Pb 2+ ][Cl − ]2 substituindo as concentrações: KPS=(0,016)(2x0,016) 2 KPS = 4(0,016) 3 = 1,64x10−5 5.38. No equilíbrio BaSO4(s) Ba(aq) 2+ +SO4(aq) 2− A expressão KPS do BaSO4 é dada por: KPS = [Ba2+][SO42-], e a concentração do BaSO4 é dada por: M = 0,00245g 1,0L x 1mol 233,3g = 1,05x10−5mol / L substituindo o valor na expressão tem- se: KPS = (1,05x10-5)2 = 1,1x10-10 5.39. O sal com maior solubilidade será aquele com maior valor de KPS logo o LiF é mais solúvel do que o BaF2. Analisando o primeiro equilíbrio: LiF(s) Li(aq) + + F(aq) − s s s Cada mol de LiF produz um mol de cada íon. A expressão de KPS é: KPS = [Li + ][F - ] = 1,7x10-3 Substituíndo os valores na expressão temos: s2 = 1,7x10-3 ⇒ s = 1,7x10-3 = 0,041 mol/L e para o segundo equilíbrio: Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 7 BaF2(s) Ba(aq) 2+ + 2F(aq) − s s 2s Cada mol de BaF2 produz um mol de íons Ba 2+ e dois mols de íons F-. A expressão de KPS é: KPS = [Ba 2+ ][F - ]2 = 1,7x10-6 Substituíndo os valores: KPS = (s)(2s) 2 = 1,7x10-6 ⇒ 4s3 = 1,7x10-6 s3 = 1,7x10 -6 4 extraindo 3 temos: s = 1,7x10 -6 4 3 = 7,52x10−3 mol/L 5.40. Seja o equilíbrio: Mg(OH)2(s)Mg(aq) 2+ + 2OH(aq) − s s 2s pOH = 14 − pH⇒14 −12,5 = 1,5 [OH − ] = 10−1,5 ≈ 0,032 Como a única fonte de OH- é a base: 2s = 0,032⇒ s = 0,016 mol/L 5.41. Para sabermos se um reação formará um precipitado devemos comparar o valor de KPS com Q. Cada mol de AgNO3 fornece 1 mol de íon Ag+ enquanto que cada mol de Ca(C2H3O2)2 fornece 2 mols de C2H3O2-. Para o equilíbrio: Ag(C2H3O2) Ag(Aq) + +C2H3O2(aq) − [Ag+ ] = 0,015 mol/L [C2H3O2 − ] = 0,030 mol/L Q = [Ag+ ][C2H3O2 - ] = (0,015)(0,030) = 4,5x10-4 portanto 4,5x10-4 < 2,3x10-3, ou seja, Q < KPS, logo não haverá precipitação. 5.42. Seja o equilíbrio: Ag2CrO4(s) 2Ag+(aq) + CrO42-(aq) A expressão do KPS é dada por: KPS = [Ag+]2[CrO42-] Sabendo que cada mol de Ag2CrO4 produz 2 mols de Ag+ e 1 mol de CrO42- então: KPS = 4s 3 = 4(6,63x10−5)3 = 1,17x10 −12 ELETROQUÍMICA 5.43. Para a célula: Ag(s)|Ag+(aq)||Fe3+(aq)|Fe(s) a representação é: 5.44. para a reação: Pb(s) + PbO2(s) + 2H+(aq) + 2HSO4-(aq) → PbSO4(s) + 2H2O(l) A equação de Nernst é dada por: Salt Bridge External circuit Fe Fe3+ (aq)Ag+ (aq) Ag (+) (–)electron flow AnodeCathode Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 8 Ecel = Ecel − 0,0592 n log Q Ecel = 2,05 V − 0,0592 2 log 1 H+⎡⎣ ⎤ ⎦ 2 HSO4 1−⎡ ⎣ ⎤ ⎦ 2 5.45. A diferença entre os potenciais de redução do hidrogênio e do cobre é uma constante que é independente da escolha do potencial de referência. Em outras palavras, o potencial de redução de meia-célula para o cobre é de 0,34 unidades maior para o cobre do que para o hidrogênio, independentemente do ponto de referência escolhido. Se ° E para o cobre é considerado como sendo de 0 V, então ° E para hidrogênio deve ser -0,34 V. 5.46. 2Al(s) → 2Al3+(aq) 3Sn2+(aq) → 3Sn(s) 5.47. Usando a mesma corrente, Portanto, depositar um mol de Cr a partir de Cr3+, demora 1,5 vezes mais do que depositar um mol de Cu a partir de Cu2+; 5.48. Os potenciais extraídos da tabela nos fornece: a) = 0.96 V – (0.77) V = 0.19 V (espontânea) b) = 1.07V – (1.36 V) = –0.29 V (não espontânea) c) = 1.42 V – (0.80 V) = 0.62 V (espontânea) d) = –0.40 V – (–0.44 V) = 0.04 V (espontânea) e) = –0.44 V – (0.96 V) = 1.40 V (espontânea) 5.49. a) Ecel = Ecatodo −Eanodo = 2,01 V – (1,47 V) = 0,54 V b) Como n = 10, ΔG° = –nFEcel = –(10)(96,500 C)(0.54 J/C) = –5.2 × 105 J ΔG° = –5.2 × 102 kJ c) Ecel = 0,0592 n log Kc 0,54 V = 0,0592V 10 log KC log KC = 91,21 aplicando o exponencial na base 10 para os dois lados tem-se : KC = 1,65 × 1091 5.50. As seguintes semi-reações indicam que o total de elétrons envolvidos na reação é 30: 5Cr2O72– + 70H+ + 30e– g 10Cr3+ + 35H2O 3I2 + 18H2O g 6IO3– + 36H+ + 30e– Ecell = 0,135 V − 0,0592 V 30 log IO3 −⎡ ⎣ ⎤ ⎦ 6 Cr3+⎡⎣ ⎤ ⎦ 10 H+⎡⎣ ⎤ ⎦ 34 Cr2O7 2−⎡ ⎣ ⎤ ⎦ 5 Ecell = 0,135 V − 0,0592 V 30 log 0,00010⎡⎣ ⎤⎦ 6 0,0010⎡⎣ ⎤⎦ 10 0,10⎡⎣ ⎤⎦ 34 0,010⎡⎣ ⎤⎦ 5 Ecell = 0,135 V − 0,0592 V 30 log 1,0 × 10−10 Ecell = 0,155 V 5.51. Q1 = ixt1;Q2 = ixt2 Q1 t1 = Q2 t2 ⇒ t2 t1 = Q2 Q1 = 3 2 ⇒ t2 = 1,5t1 cellE cellE cellE cellE cellE Gabarito da 5a. Lista de Exercícios de Química Geral IC-348 Prof. Antonio Gerson Bernardo da Cruz Email: dacruz.agb@gmail.com 9 a) Fe2+(aq) + 2e– g Fe(s) x = 0,2 mol Fe2+x 2 mol e - mol Fe2+ = 0,4 mol e- b) Cl–(aq) g 1/2Cl2(g) + e– x = 0,7 mol Cl−x 1 mol e - mol Cl− = 0,7 mol e- c) Cr3+(aq) + 3e– g Cr(s) x = 1,5 mol Cr3+x 3 mol e - mol Cr3+ = 4,5 mol e- d) Mn2+(aq) + 4H2O(l) g MnO4–(aq) + 8H+(aq) + 5e– x = 1,0x10−2 mol Mn2+x 5 mol e - mol Mn2+ = 5,0x10−2 mol e- 5.52. (a) As semi-reações para a célula Fe/Al são: Fe2+(aq) + 2e- g Fe(s) Eo = -0,44 V Al3+(aq) + 3e- g Al(s) Eo = -1,66 V Como se pode observar, o potencial de redução do alumínio é muito mais negativo do que o do ferro logo este atuará como anodo e o ferro como catodo. (b) Para o caso do aço galvanizado temos: Fe2+(aq) + 2e- g Fe(s) Eo = -0,44 V Zn2+(aq) + 2e- g Zn(s) Eo = -0,76 V O mesmo ocorre para o revestimento de zinco, como este tem potencial mais negativo, o Zn se oxidará ao invés do ferro.
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