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LISTA DE EXERCÍCIOS DE FÍSICO-QUÍMICA 2 E FÍSCIO-QUÍMICA BÁSICA 2 ASSUNTO: EQUILÍBRIO DE FASES E PROPRIEDADES COLIGATIVAS 1. No equilíbrio sólido - gás da amônia, é encontrado experimentalmente que a pressão de vapor obedece a equação (1) no intervalo de temperatura de 146 K a 195 K. Use a equação de Clausius-Clayperon, (equação 2) e a equação 1 para encontrar a expressão da entalpia de sublimação neste intervalo de temperatura. 4124, 4ln( / ) 1,81630ln( / ) 34,4834p torr T K T = − − + dp S dT V ∆ = ∆ 2. Determine o valor de dT/dP para a água em seu ponto normal de ebulição a 373,15 K, sabendo que a entalpia de vaporização é 40,65 kJ mol-1, que a densidade do líquido e do vapor são 0,9584 g mL-1 e 0,0610 g L-1, respectivamente e estime o ponto de ebulição da água a 5 atm. 3 O calor de vaporização da água é de 40670 J mol-1 no ponto normal de ebulição. A pressão barométrica em uma cidade é de 620 torr. Calcule o ponto de ebulição da água nesta cidade. 4. A partir dos dados listados abaixo, construa o diagrama de fase para o CO2. Considere que todas as entalpias de mudança de fase e as densidades das fases sejam constantes. a) pressão crítica = 7,377 MPa; b) temperatura crítica = 30,978°C; c) entalpia de vaporização = 15,326 kJ mol-1; d) entalpia de sublimação = 26,1 kJ mol-1; e) entalpia de fusão = 8,647 kJ mol-1; g) temperatura de fusão = −78 °C, h) temperatura de ebulição = -57 °C, i) densidade da fase sólida = 1.56 g mL-1; j) densidade da fase líquida = 1.179 g mL-1 obtida no ponto de fusão. 5. O naftaleno, C10H8, funde a 80 °C. Se a pressão de vapor do líquido é 10 torr a 85,8 °C e 40 torr a 119,3 °C, enquanto que a do sólido é 1 torr a 52,6 °C, calcule: a) O ∆H°vap e o ∆S°vap do líquido no ponto de ebulição. b) A pressão de vapor no ponto de fusão c) ∆H°sub e ∆H°fus, supondo que as temperaturas de fusão e do ponto triplo são as mesmas, 6. Com os seguintes dados, esquematizar o diagrama de fases do ácido acético a) o ácido sólido pode existir em duas fases, α e β. A pressões baixas, a forma α funde a 16.1 °C e sua pressão de equilíbrio é 0,1 torr. b) a forma β é mais densa do que a forma α e ambos os sólidos são mais densos do que a fase líquida. c) o ponto e ebulição normal do líquido é 118 °C. d) as fases α e β e líquida estão em equilíbrio a 55 /C e 200 atm. 7. O gráfico abaixo mostra a dependência do logaritmo da pressão de vapor do amoníaco com o inverso da temperatura. Determine ∆Hvap e a temperatura de ebulição a 1 atm. 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ln (p / a tm ) (1/T) / 10-3 K 8. O ponto normal de ebulição do iodo é 183°C e sua pressão de vapor, a 116,5 °C, é 100torr. Seu calor de fusão é 3,74 kcal mol-1 e a pressão de vapor do sólido, a 38,7 °C, é 1 torr. Com estes dados calcular a temperatura e a pressão do ponto triplo. 9. O equilíbrio líquido-vapor do cicloexanol com o CO2, a pressões elevadas, está listado na tabela abaixo. Determinar a constante de Henry para o CO2 no cicloexanol e calcule o coeficiente de atividade do CO2. Sugestão – Consulte a referência J. T. Chen, M. J. Lee, J. Chem. Eng. Data 41 (1996) 339. P/ bar 10 20 30 40 60 80 ycicloexanol 0,0267 0,0149 0,0112 0,000947 0,000835 0,00921 xcicloexanol 0,9741 0,9464 0,9204 0,8920 0,836 0,773 10. A figura abaixo mostra os resultados experimentais obtidos para as pressões parciais de vapor da mistura clorofórmio e éter isopropílico em função da fração molar (N). A partir da análise deste figura, responda aos itens a seguir: a) dentre as seguintes interações, qual é, ou quais são, que predomina, ou predominam, nesta solução: soluto-soluto; solvente-solvente; solvente-soluto. b)explique porque a lei de Raoult é válida somente para solvente e a lei de Henry para o soluto. c) estime o valor da constante de Henry para o éter isopropílico e para o clorofórmio 11. A -32 °C a pressão de vapor do propano puro é 1200 torr e do butano puro é 200 torr. a) Calcule a fração molar do propano na mistura líquida que entra em ebulição a -32 °C, sob uma pressão de 760 torr. b) Calcule a fração molar do propano no vapor em equilíbrio com o líquido do item a. 12. A pressão de vapor de um líquido puro, denominado de A, a 293 K é 68,8 kPa e de outro líquido, denominado de B, é 82,1 kPa. Estes dois líquidos formam uma mistura ideal, tanto na fase líquida quanto na fase vapor. Considerando a composição de equilíbrio de uma mistura A e B, na qual a fração molar de A é na fase vapor é 0,612, calcule a pressão total do vapor e a composição da mistura na fase líquida. 13. O benzeno e o tolueno formam soluções ideais. A 300 K, a pressão de vapor do tolueno puro é 32 torr e do benzeno puro é 103 torr. Responda aos itens abaixo: a) uma mistura líquida é composta de 3 mol de tolueno e 2 mol de benzeno. Se a pressão sobre a mistura a 300 K for reduzida, a que pressão se formará o primeiro vapor? b) qual a composição dos primeiros traços de vapor formados? c) Se a pressão for reduzida ainda mais, a que pressão desaparecerá o último traço de líquido. d) qual a composição do último traço de líquido? e) quais serão a pressão, a composição do líquido e a composição da fase vapor quando 1 mol da mistura for vaporizado? 14. A solução de benzeno e tolueno tem um comportamento exprimental bem próximo ao predito pela lei de Raoult. A 300 °K, a pressão de vapor do benzeno puro é igual a 32,06 torr e do tolueno puro é igual a 103,1 torr. Considerando uma mistura composta por 4 mol de benzeno e 2 mol de tolueno, responda os itens abaixo: a) se a pressão for reduzida sobre a mistura a 300 K, a que pressão se formará o primeiro vapor? b) qual a composição dos primeiros traços de vapor formado? c) Se a pressão for reduzida ainda mais, a que pressão desaparecerá o último traço de líquido? d) qual a composição do último traço de líquido? e) qual serão a pressão, a composição do líquido e a composição do vapor quando 2 mol da mistura for vaporizado? 15. Quantas gramas de oxigénio (O2) podem ser dissolvidas em 1 L de água a 20 graus celsius se a pressão de oxigénio é de 2 atm. A constante de Henry (kH) para o oxigênio a 20 graus Celsius é 1,38 x 10-3 M / atm. 16. Consegue-se dissolver 0,7 L de CO2 em um litro de água a 25 °C e 1 atm de pressão desse gás. Calcule a concentração em mol L-1 de CO2 em água exposta á atmosfera que contem em média 0,036% de CO2 em volume de CO2. 17. Suponha que em um recipiente fechado, 250 cm3 de água carbonatada contenha CO2 sob pressão de 2 atm, a 25 °C. Se o coeficiente de absorção de Bunsen para o CO2 é 0,76, qual o volume total de CO2, medido nas CNTP que se encontra dissolvido em água? 18. 0,2 moles de um solução de composição Nb (Nb é a fração molar do componente B) são introduzidas em um recipiente de 2 L, a 25 °C. Inicialmente é feito vácuo no recipiente, de modo que ao ser introduzida a solução ocorre evaporação parcial, permanecendo uma solução residual de composição NB1, e o vapor em equilíbrio de composição Yb (sempre a 25 °C). O vapor em equilíbrio é retirado e condensado. O ponto normal de ebulição deste condensado é 45 °C. A partir dos diagramas abaixo, determine: a) A composição do condensado final b) O valor de NB1. c) A pressão de vapor total desta solução residual a 25 °C. d) O valor de Nb. 19. Os seguintes dados foram obtidos medindo-se os pontos de ebulição, a 1 atm, de soluções de CCl4 e CHCl3. Ponto de ebulição / °C 120,8 108,5 100,8 89,3 83,5 79,9 76,9 Fração molar do CCl4 no líquido 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Fração molar do CCl4 no vapor 0 0,469 0,670 0,861 0,918 0,958 1 a) a partir destes dados, construa o diagrama de fase, identificando as diversas regiões de equilíbrio no gráfico. b) determinea temperatura de ebulição e a composição das fases líquida e vapor que estão em equilíbrio quando se tem quantidades iguais destas fases para um sistema de fração molar do CCl4 igual a 0,3. c) as quantidades relativas das fases em equilíbrio no sistema de composição X CCl4 = 0,5, quando a composição das fase líquida é x CCl4 = 0,2. 20. As pressões de vapor de cada componente nas soluções de propanona (acetona) e triclorometano (clorofórmio) foram medidas a 25 °C e os resultados obtidos são os seguintes: x clorofórmio 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1 P clorofórfmio / torr 0 35 82 142 219 293 P acetona / torr 347 270 185 102 37 0 a) Verificar que as soluções estão em concordância com a lei de Raoult para o componente que estiver em grande excesso e com a lei de Henry para o componente minoritário. Achar as constantes de Henry para cada solvente. b) Calcular a atividade e o coeficiente de atividade do colofórmio na acetona, admitindo que seja inicialmente o solvente e depois que seja o soluto. 21. Os seguintes dados foram obtidos a 35 °C para uma solução de etanol-clorofórmio x EtoH 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 y EtOH 0 0,1382 0,1864 0,2554 0,4246 1 Pressão total / kPa 39,345 40,559 38,690 34,387 25,357 13,703 a) Esta solução apresenta desvios positivos ou negativos em relação à lei de Raoult? b) Explique porque a lei de Raoult é válida somente para o solvente e a lei de Henry é válida para o soluto. c) Explique o que é atividade e determine o coeficiente de atividade do etanol e do clorofórmio baseado na lei de Raoult. 22. Quando são dissolvidos 0,5550 g de um soluto de massa molecular 110 g em 100 g de solvente cuja massa molecular é 94 e seu ponto de congelamento é 45 °C, há uma diminuição do ponto de solidificação de 0,382 °C. Novamente, quando 0,4372 g de um soluto de massa molecular desconhecido são dissolvido em 96,5 g do mesmo solvente a diminuição do ponto de congelamento é de 0,467 °C. A partir destes dados determine: a) a massa molecular do soluto problema b) a constante crioscópica do solvente c) o calor de fusão do solvente. 23 A pressão osmótica do sangue é de 7,7 atm a 40 °C: a) qual é a concentração total de solutos no sangue; b) supondo que a concentração é igual a molalidade, determine a temperatura de congelamento do sangue. A constante criscópica da água é 1,86 grau molal-1. 24. As equações termodinâmicas relacionadas às propriedades coligativas das soluções, deduzidas em sala de aula, levam em consideração o conceito de solução idealizada. Lembrando que este conceito só se aplica às soluções quando estas estão diluídas, ou seja, concentração do soluto tendendo a zero, utilize os dados tabelados de pressão osmótica com a concentração e que foram medidos para soluções de poli-isobutileno em benzeno a 25 °C para determinar a massa molar do polímero. c / kq m-3 5 10 15 20 pi / Pa 49,5 101 155 211 25. Em um experimento para determinar a massa molecular e a fórmula de um composto orgânico, foi utilizado o método crioscópico. Foi encontrado experimentalmente que o composto contem 85,7% de carbono e 14,3% de hidrogênio. Sabendo que 1,12 g do composto foram dissolvidas em 20 g de benzeno e que o ponto de fusão desta solução foi 1,6 °C. Calcule: a) a massa molecular e a fórmula molecular do composto. Dados: Temperatura de fusão do benzeno puro = 5,5 °C Kf = 5,12 K kg mol -1 26. A -0,2 °C, uma solução de sacarose em água congela. Dado que a pressão de vapor total da água pura a 25 °C é 23,506 mmHg a constate crioscópica da água é 1,86 °C ml - 1, calcule a pressão de vapor desta solução a 25 °C. Considere que existe 1 kq de solvente presente. 27. Uma solução composta de 0,1 mol de naftaleno e 0,9 de benzeno é resfriada até o surgimento benzeno sólido que fica em equilíbrio com a solução remanescente. Esta solução é então separada do benzeno sólido e aquecida até 80 °C produzindo uma pressão de vapor de 670 torr. Os pontos normais de congelamento e de ebulição do benzeno puro são 5,5 °C e 80 °C, respectivamente, e sue calor de fusão é 2550 cal mol-2. Calcular a temperatura na qual a dissolução foi resfriada originalmente e o número de moles de benzeno que foram congelados. 28. O ponto de congelamento de uma solução de ácido acético em benzeno de fração molar igual a 0,02 é 4,4 °C. Em benzeno, o ácido acético existe parcialmente como dímero (veja a reação abaixo). Calcular a constante de equilíbrio para a dimerização. O ponto de fusão do ácido benzeno puro é 5,4 °C, seu calor de fusão é de 2400 cal mol-1 e sua massa molar é de 78 g mol-1. 2CH3COOH ⇄ (CH3COOH)2 29. As constantes ebulioscópica e crioscópica do CCl4 são 5,03 K kg mol -1 e 31,8 k kg mol-1, respectivamente. Ao se colocar 3 g de uma substância em 100 g de CCl4, o ponto de ebulição eleva-se de 0,6 K. Calcule o abaixamento crioscópico, o abaixamento relativo da pressão de vapor e a pressão osmótica da solução a 25 °C e a massa molar da substância. A massa específica do CCl4 é 1,59 g cm -3 e suta massa molar é 154 g mol-1. 30. O gráfico mostrado abaixo tem no eixo da abscissa valores de concentração de soluções do polímero cloreto de polivinila (PVC) e no eixo da ordenada a razão da altura da coluna das soluções (h) pelas respectivas concentrações das soluções. Determine a masa molecular deste polímero. Informações dadas: a) a pressão osmótica pi é dada pela seguinte relação: pi = ρ x g x h, sendo ρ a massa específica da solução, g a aceleração da gravidade e h altura da coluna da solução. Assim, a equação fica, sendo M a massa molecular do soluto e b uma constante. h RT bc c gMρ = + b) considere a massa específica das soluções constantes e igual a 0,980 g cm-3. 0 2 4 6 8 10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 (h/ c) / (c m g-1 L) Concentração / (g L-1) 31. Utilizando benzeno como solvente, foi preparada uma solução com um soluto não volátil. A determinação da temperatura de congelamento e de ebulição da solução forneceu os respectivos valores, - 4,5 °C e 85,2 °C. Considerando o comportamento ideal e conhecendo os valores de ponto de ebulição e congelamento do benzeno puro, 80,2 °C e 5,5 °C, respectivamente, tem-se que a: (A) constante crioscópica do benzeno equivale a aproximadamente 10 K.kg mol-1, e a constante ebulioscópica do benzeno equivale a aproximadamente 2,5 K.kg .mol-1. (B) constante ebulioscópica do benzeno é aproximadamente quatro vezes menor que sua constante crioscópica. (C) constante ebulioscópica do benzeno é aproximadamente duas vezes menor que sua constante crioscópica. (D) molalidade da solução preparada é de 0,5 mol.kg-1. (E) molalidade da solução preparada é de 10,0 mol.kg-1. Justifique sua resposta. 32. . O abaixamento crioscópico do benzeno é utilizado na indústria do petróleo para medir massas molares de solutos. A equação que rege esse fenômeno pode ser expressa por: Sabe-se que: • x1 é a fração molar de solvente em solução que cristaliza na temperatura T; • ∆f H e T0 são, respectivamente, a variação de entalpia e a temperatura de fusão do solvente puro; • R é a constante universal dos gases que pode ser aproximada por 2 cal/(mol•K); • a variação de entropia de fusão do benzeno puro é 8 cal/(mol•K); • a massa molar do benzeno é 78 g/mol; • a temperatura de fusão do benzeno (T0) é 278,5 K. Calcule a massa molar do soluto, a 278 K, necessária para a cristalização do benzeno a partir de uma solução de 10 g de soluto em 780 g de benzeno, em g/mol, é
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