prova de quimica geral com comentários

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CQ108 - QUÍMICA GERAL
1ª PROVA 					12/05/2016
1) Qual o significado de estado de equilíbrio termodinâmico e estado estacionário de energia? Qual o significado de estado fundamental de energia e porquê a evolução de alguns sistemas para o estado fundamental não é observada ou é muito lenta? O que você entende por estado metaestável de energia?
	Dentre os diversos estados possíveis de energia interna de um corpo ou sistema, o de menor energia é chamado estado fundamental. Após estar neste estado o sistema somente pode evoluir para outros se receber energia adicional do ambiente, por algum processo. O sistema tenderá a evoluir para o sistema fundamental desde que, a energia interna seja suficiente para a evolução de todos os outros estados.
	O estado de equilíbrio, no contexto químico, é definido para uma reação química reversível. No estado fundamental de energia haverá uma distribuição do sistema entre as espécies químicas reagentes e os produtos da reação. É chamado estado de equilíbrio termodinâmico, no caso caracterizado pela razão entra concentração de espécies na forma de reagentes e a concentração de espécies na forma de produtos, que permanece constante. A velocidade de formação de produtos a partir dos reagentes é igual a velocidade de formação de reagentes a partir dos produtos.
	Em um estado estacionário tem-se um sistema aberto onde a velocidade de troca energética com o ambiente tem velocidade constante. O equilíbrio do sistema se desloca também de forma constante. Enquanto não se esgota a energia do sistema ou da fonte externa, o sistema, isoladamente, se comporta como um sistema em equilíbrio termodinâmico.
	Ex. a chama de um fogão. Enquanto o fornecimento de gás for constante, a chama mantém uma temperatura e condição constante.No estado estacionário a razão entre a concentração de reagentes e produtos também é constante, mas a velocidade de formação de produtos a partir dos reagentes é diferente da velocidade de formação de reagentes a partir dos produtos. Para tal deve haver um aporte e retirada constante de algumas espécies do meio.
	A termodinâmica não considera a variação de energia interna de um sistema durante a evolução para outro estado energético. Normalmente, um sistema necessita inicialmente receber energia do ambiente até chegar a um máximo, e então retorna ao ambiente este mesmo valor, mais parte de sua energia interna inicial. Isto é chamado cinética do processo e o valor máximo da energia durante o processo, energia de ativação.
	Muitas vezes o sistema não consegue receber do ambiente a energia necessária para ultrapassar o valor de ativação e o processo de evolução não acontece ou, acontece muito lentamente quando a energia é recebida de forma lenta também.
	Quando o sistema não se encontra no estado fundamental de energia e a energia de ativação para o processo de evolução para o estado fundamental é elevada, caso não haja a transferência de energia do ambiente para o sistema este permanece no estado de energia que se encontra, sendo este chamado de estado meta-estável.
2) O que você entende por graus de liberdade de um sistema? Como este conceito auxilia na definição da variação de entropia de uma reação química? Com base nos conceitos termodinâmicos de energia livre, entalpia e entropia o que acontece na seguinte situação: gelo sólido é colocado à temperatura ambiente de 0ºC. O gelo permanece sólido, se liquefaz totalmente ou parte se liquefaz e parte permanece sólido?
	Por hipótese tem-se um sistema múltiplo formado por pequenas esferas idênticas. Se elas não estão ligadas entre si para que cada esfera se movimente nenhuma outra precisará se movimentar. Liga-se duas esferas entre si com uma barra. Agora para que uma destas duas esferas se movimente a outra terá que realizar algum movimento. Prossegue-se ligando outras esferas. Quanto maior o número de ligações menor a capacidade de movimento livre.
	Quando nenhuma das esferas está ligada a outra diz-se que o sistema possui o número máximo de graus de liberdade. A medida que as eferas vão sendo ligadas o sistema vai perdendo graus de liberdade até que o movimento de qualquer esfera individualmente implicará o movimento de todas as outras esferas.
	Em um sistema químico cada esfera representará um átmo, íon ou molécula. Assim quanto o número de espécies químicas com movimento independente, maior o número de graus de liberdade.
	Em uma reação química reverssível podemos estabelecer dois sistemas, o dos reagentes e o dos produtos. O sistema que tiver o maior número de graus de liberdade será o de maior entropia e vice-versa.
	Não haverá variação de entalpia na mudança do gelo para água e vice-versa. Entretanto, haverá mudança de entropia, haja vista, a água possuir maior entropia que o gelo (baseado no número de graus de liberdade em cada estado). Pela 2ª Lei da Termodinâmica os sistemas tendem sempre para o estado de maior entropia. Portanto, parte do gelo passará à água até que seja atingido um novo estado de equilíbrio termodinâmico.
3) Considere a equação ΔG=ΔH−TΔS, que é válida à temperatura constante. Para os quatro processos fictícios abaixo, à pressão constante, indique quais serão, com certeza, espontâneos ou não-espontâneos (justifique).
	a) ΔH>0 e ΔS<0;	b) ΔH>0 e ΔS>0;	c) ΔH<0 e ΔS<0;	d) ΔH<0 e ΔS>0.
	Quando ΔG<0 a transformação é dita espontânea.
	a)  ΔH>0 e ΔS<0 ⇒ −TΔS>0, logo ΔG>0 e com certeza não-espontânea;
	b) ΔH>0 e ΔS>0 ⇒ −TΔS<0, logo ΔG vai depender do valor de T. Se TΔS>ΔH ⇒ ΔG<0; Se TΔS<ΔH ⇒ ΔG>0;
	c) ΔH<0 e ΔS<0 ⇒ −TΔS>0, logo ΔG vai depender do valor de T. Se TΔS>ΔH ⇒ ΔG>0; Se TΔS<ΔH ⇒ ΔG<0;
	d) ΔH<0 e ΔS>0 ⇒ −TΔS<0, logo ΔG<0 e com certeza espontânea.
4) Se para uma dada reação a variação de entalpia é de +250kcal/mol e a variação de entropia de +95kcal/mol, qual a faixa de temperatura para a qual a reação é termodinamicamente favorável?
	∆G=∆H-T.∆S
	reação espontânea ⇒ ∆G <0, logo, 0=250-T.95 ⇒ T=2,63K
	reação espontânea ⇒ T >2,63
5) A constante de equilíbrio para a reação 
			H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g)
	é igual a 48,5 a uma dada temperatura. Se 0,230mol de H2 e 0,210mol de I2 são colocados em reator de 12,0dm3 a esta temperatura, qual será a concentração de cada substância no equilíbrio?
	(a) [H2]i =0,230/12=0,0192mol/L; [I2]i=0,210/12=0,0175mol/L
	(b) Kc=[HI]2/[H2].[I2]	Se [HI]=x ⇒ [H2]eq=0,0192−x/2; [I2]i=0,0175−x/2
		Kc=x2/(0,0192−x/2).(0,0175−x/2) =48,5 ⇒ x=0,0258
		[HI]=0,0258; [H2]eq=0,0063; [I2]i=0,0046
6) Como o equilíbrio, 	PCl5(g) + 22,2kcal/mol ⇌ PCl3(g) + Cl2(g), se desloca com:
	(a) aumento da temperatura,
	(b) aumento da pressão,
	(c) adição de Cl2 no meio,
	(d) adição de PCl5 no meio,
	(e) adição de um catalisador antes e após a reação atingir o equilíbrio? Justifique a sua resposta.
	O equilíbrio se desloca no sentido inverso da adição ou retirada da substância segundo o princípio do equilíbrio. A reação é em fase gasosa podendo-se analisar as variações em função das pressões ou concentrações.
	(a) o equilíbrio se desloca para a direita (sentido endotérmico) consumindo PCl5;
	(b) o equilíbrio se desloca para a esquerda onde há menor número de mols gasosos, considerando que um mol de qualquer gás ideal ocupa o mesmo volume;
	(c) o equilíbrio se desloca para a esquerda mantendo-se a relação expressa pela Lei da Ação das Massas
	(d)  o equilíbrio se desloca para a esquerda mantendo-se a relação expressa pela Lei da Ação das Massas;
	(e) o catalisador influencia na cinética do processo e não na termodinâmica. Se adicionado antes do equilíbrio o sistema atingirá mais rapidamente o mesmo. Adicionado depois, não causará alterações.
	Obs.: de forma rigorosa se teria que analisar o mecanismo de catálise. Em alguns casos poderia haver alteração das condições termodinâmicas do processo. Esta análise, entretanto não será trabalhada no âmbito da disciplina de Química Geral.
7) O nitrato de cobre (II) hexahidratado e o nitrato de prata sofrem pirólise segundo as transições que se seguem:
		a) 3 Cu(NO3)2.6H2O → Cu(NO3)2.2Cu(OH)2
(60-150ºC)
		b) Cu(NO3)2.2Cu(OH)2 → 3 CuO			(200-278ºC)
		c) AgNO3 → Ag					(350-608ºC)
	Se 1,3g de uma liga de Cu e Ag é dissolvida em HNO3conc, se evapora e se submete o resíduo a 135ºC, se obtém uma massa de 1,6336g. Este resíduo após aquecido a 250ºC, pesa 1,2558g. Se este último resíduo é aquecido a 500ºC se obtém uma massa de 1,0259ºC. Calcule as percentagens de Cu e Ag na liga.
	mAm = mAg + mCu + minerte
	o ácido nítrico transforma o Cu em Cu(NO3)2.6H2O, e a Ag em AgNO3
	m = n.MM → 
		(1)	mAm = nAg.MM(Ag) + nCu.MM(Cu) + minerte
		(2)	m135°C = nAg.MM(AgNO3) + (nCu/3).MM(Cu(NO3)2.2Cu(OH)2 ) + minerte
		(3)	m250°C = nAg.MM(AgNO3) + nCu.MM(CuO) + minerte
		(4)	m550°C =  nAg.MM(Ag) + nCu.MM(CuO) + minerte
	Tem-se agora um sistema de 4 equações e 3 incógnitas que deve ser resolvido para nAg e nCu
		(1)	1,3g = nAg.107,868g + nCu.63,546g + minerte
		(2)	1,6336g = nAg.169,87 g + nCu.126,30g + minerte
		(3)	1,2558g = nAg.169,87 g + nCu.79,545g + minerte
		(4)	1,0259g = nAg.107,868 g + nCu.79,545g + minerte
		(3) ― (4) → nAg = 3,708x10−3 → mAg = nAg.MM(Ag) = 0,3997g
		(2) ― (3) → nCu = 8,08x10−3 → mCu = nCu.MM(Cu) = 0,5134g
			%Ag=  mAg/mAm.100 =30,75% %Cu=  mCu/mAm.100 =39,49%
8) O ácido clorídrico concentrado tem densidade 1,19g/cm3 e concentração 37%(m/m). Calcule a concentração (em mol/L) do ácido. Que quantidade de água deve ser adicionada a 95,0cm3 de solução de H3PO4 1,2mol/L para se obter uma solução 0,0650mol/L?
	(1) 	A massa molar do HCl é 36,46g/moL
	37% em peso significa que se tem 37g de HCl em 100g de ácido clorídrico concentrado.
	nHCl = 37g/36,46 g.moL−1 = 1,015 → VHCl(concentrado)=mHCl/dHCl = 100/1,19=84,03mL
			1,015 moL 84,03mL
			    x            1.000mL → x = 12,08moL/L
	(2) 	95,0cm3 H3PO4 1,2mol/L			1cm3≡1mL
		1,2mol  → 1.000mL
		    x        →     95,0mL		x=0,114mol
				0,0650mol  → 1.000mL
				0,114mol    →      x	x=1.754mL
			1.754mL−95mL=1.659mL de água
9) A atividade de uma espécie química X é definida como aX=fX.[X], onde fX é chamado coeficiente de atividade.
	Várias equações foram postuladas para f, entre elas:
	fórmula	 onde Z=carga do íon que se quer determinar a atividade; D=constante dielétrica do solvente, K=constante de Boltzmann, T=temperatura kelvin e k é uma constante diretamente proporcional a fôrça iônica, calculada pela equação I=½∑(cizi2), onde c=concentração de todos os outros íons presentes no meio.
	Como varia o pH de uma solução de HCl com o aumento da temperatura?
	Como varia o pH de uma solução de HCl com a adição de KNO3 à mesma?
	Com o aumento da temperatura o denominador da equação fórmula aumenta.
	Seja Y=fórmula	lnf=−Y/T,	f=e−Y/T, ou f=fórmula 
	Se T aumenta, Y/T diminui e 	fórmulaaumenta. Como f varia entre 0 e 1, f se aproxima da concentração.
		aH+=fH+[H+] → paH+=fH+.pH. Logo paH+ se aproxima de pH.
	Com a adição de K2SO4 haverá um aumento da força iônica da solução. 
	fórmula	somente k varia com o aumento da força iônica. 		Seja Y=fórmula
	 lnf=−Y.k,	f=e−Yk, ou f=fórmula 	se a força iônica aumenta, k aumenta, e 	fórmuladiminui. Como f varia entre 0 e 1, f se afasta da concentração. aH+=fH+[H+] → paH+=fH+.pH. Logo paH+<pH.
10) Analise a afirmação: "se o pH de dois rios é igual a 7,0, medidos com o mesmo aparelho, a concentração de íons H+ nos dois é igual".
	Um medidor de pH registra a atividade dos íons H+ de uma solução tomando como referência a medida registrada de uma solução de concentração de íons H+ conhecida. A correlação entre o registro do aparelho e a [H+] para outras soluções será constante somente se o coeficiente de atividade das soluções for o mesmo. Caso as condições de atividade nos dois rios for diferente uma das medidas deverá ser corrigida. Assim, o pH certamente será diferente apesar do registro no aparelho.
Massas molares: C-12.0108; H-1.00795; O-15,9994; Cu-63,546; N-14.0067; Ag-107.8682; Cl-35,453; P-30.973762