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10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 1/7 1a Questão A massa de 1,80 g de água pura, em um recipiente hermeticamente fechado, foi aquecida até a fervura, ao nível do mar. A equação abaixo representa a vaporização da água. H2O(l) H2O(g) ∆H° = 44,0 kJ mol -1 a 100 °C a) Calcule a variação de energia interna, ∆U, em kJ, e a variação de entropia padrão, ∆S°, em J K-1, para a vaporização de 1,80 g de água pura. Considere que o volume do líquido no equilíbrio é desprezível. Dados termodinâmicos a 25 °C: Substância ΔH° (kJ mol-1) S° (J K-1 mol-1) H2O(l) -285,83 69,91 Considere que Hf e S não variam significativamente nesta faixa de temperatura e que os gases se comportam idealmente. Dados: M(H2O) = 18,00 g mol -1 R = 0,0821 L atm K-1 mol-1 1 atm L = 101,325 J Gabarito: a) ∆So = 11,8 J K-1; ∆U = 4,09 kJ 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 2/7 2ª. Questão Um reator foi projetado para realizar a hidrogenação do benzeno, C6H6, a cicloexano, C6H12, utilizando o catalisador paládio suportado em carbono (Pd/C) (eq. 1). C6H6(l) + 3H2(g) ¾¾®¾Pd/C C6H12(l) eq. 1 Para a execução do projeto fez-se necessário o levantamento dos dados termodinâmicos da reação, apresentados na tabela abaixo, que leva em consideração a combustão completa das espécies (eq. 2 a 4). C6H6(l) + 15/2O2(g) 6CO2(g) + 3H2O(l) H° = 3267,0 kJ mol -1 eq. 2 H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l) H° = 285,8 kJ mol -1 eq. 3 C6H12(l) + 9O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(l) H° = 3930,0 kJ mol -1 eq. 4 a) Calcule a variação de entalpia padrão, H, para a reação 1, a 25 °C. b) Calcule a variação de entropia padrão, S, para a reação 1, a 25 °C. c) Pode-se dizer, a partir dos dados termodinâmicos, que a reação 1 é rápida? Justifique. Dados termodinâmicos a 25 oC: Substância S° (J K-1 mol-1) C6H6(l) 174,0 H2(g) 130,7 C6H12(l) 204,0 Considere que Hf e S não variam significativamente com a temperatura. Gabarito: a) - 194,4 kJ b) - 362,1 J K-1 c) Não. Os dados termodinâmicos não predizem nada sobre a cinética da reação. 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 3/7 3ª. Questão A melamina, C3H6N6, uma substância fogoretardante, libera nitrogênio quando queimada. Para produzir melanina, utiliza-se uréia, (NH2)2CO, segundo a equação abaixo. 6(NH2)2CO(s) C3H6N6(s) + 3CO2(g) + 6NH3(g) H = 469,4 kJ a) Calcule o trabalho, w, e a variação de energia interna, U, em kJ, envolvido na produção de 1,0 mol de melamina, a 550 K e pressão alta e constante. Considere que CO2 e NH3 comportam-se como gases ideais. b) O trabalho e a variação de energia interna, U, calculados no item ‘a’, dependem da variação de entalpia da reação, H ? Justifique. c) Faça uma previsão a respeito da variação de entropia, S, na produção de melanina, segundo a reação acima e justifique sua resposta. Dados: R = 8,3145 J mol-1 K-1 Gabarito: a) U = 428,2 kJ mol1; w = - 41,2 kJ mol1 b) O trabalho não depende da variação de entalpia da reação, enquanto que a energia interna depende. c) A variação de entropia é maior que zero, pois existe formação de gases e, portanto, um aumento da desordem do sistema. 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 4/7 4ª. Questão Um estudante deve propor como tarefa escolar, um processo de reciclagem de gás carbônico, CO2, um dos responsáveis pelo efeito estufa. Ele resolveu estudar a transformação desta substância em metano, CH4, à temperatura e pressão padrão, conforme representado na equação abaixo. CO2(g) + 4H2(g) CH4(g) + 2H2O(l) a) Com base na equação acima, o que poderia o estudante concluir a respeito da variação de entropia da reação? Justifique sua resposta. b) Calcule a variação de entalpia da reação. Com base no seu resultado, qual seria a conclusão do estudante? Justifique sua resposta. c) Esboce um gráfico (energia X curso da reação) representando a variação de entalpia para esta reação. Dados termodinâmicos a 25 oC: Substância Hof (kJ mol -1) CH4(g) - 74,8 H2O(l) - 285,8 CO2(g) - 393,5 Gabarito: a) A entropia deve diminuir, porque a quantidade de matéria, n, de gás na reação diminuiu de 5 para 1. b) A reação e exotérmica liberando 252,9 kJ de calor. c) 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 5/7 5ª. Questão As equações 1 e 2 representam, respectivamente, a vaporização e a decomposição da água, H2O. Considerando que os processos ocorram à pressão e temperatura constantes, responda o que se pede. H2O(l) H2O(g) ΔHvap = 44,0 kJ ΔSvap = 118,9 J K -1 eq. 1 2H2O(g) 2H2(g) + O2(g) ΔHdec = 571,6 kJ eq. 2 a) Calcule o valor de entropia padrão da água líquida, SH2O. b) Calcule as temperaturas, em K, nas quais a vaporização e a decomposição da água passam a ser processos que ocorrem espontaneamente. Dados termodinâmicos a 25 oC: S H2O(g) = 188,8 J K -1mol-1 SH2(g) = 130,7 J K -1mol-1 SO2(g) = 205,1 J K -1mol-1 Considere que H° e S° não variam significativamente com a temperatura. Gabarito: a) 69,9 J K-1 mol-1 b) T > 370 K; T> 6,43 x 103 K 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 6/7 6a Questão Considere as equações de mudança de fase da água e responda o que se pede. Condensação: H2O(g) H2O(l) Vaporização: H2O(l) H2O(g) Sublimação: H2O(s) H2O(g) a) Uma amostra de 1,00 mol de água é condensada formando água líquida, a pressão constante. Calcule ΔH, q, w e ΔU, em kJ mol-1, e ΔS, em J K-1 mol-1. b) Em um recipiente isolado misturam-se, a pressão constante, 500 g de água a 80 oC com 1000 g de água a 10 oC. Calcule a temperatura final da mistura. c) Calcule a variação de entalpia de sublimação, ΔHosublimação, de 5,00 g de água. d) Considere que ΔH = ΔU nos processos de fusão e congelamento e que ΔH ≠ ΔU nos processos de vaporização e condensação. Explique por que o comportamento é diferente nos dois casos. Dados: ΔHofusão(273,15 K) = 333,5 J g -1 ΔHovaporização(373,15 K) = 2255,2 J g -1 c(H2O,l) = 4,184 J g -1 K-1 M(H2O) = 18,0 g mol -1 Gabarito: a) ΔH = q = - 40,6 kJ mol-1; w = + 3,10 kJ mol-1, ΔU = - 37,5 kJ mol-1, ΔS = -109 J K-1 mol-1 b) Tf = 33 oC = 306 K c) ΔHosublimação = 12,9 kJ d) ΔH = ΔU + PΔV = ΔnRT No caso dos processos de fusão e congelamento, a variação de volume é muito pequena, podendo ser considerada desprezível. Então, ΔV = 0. Neste caso, PΔV = Δn R T = 0 e ΔH = ΔU. No caso de vaporização e condensação, a variação de volume é significativa, portanto, ΔU ≠ 0 e ΔH ≠ ΔU. 10ª LISTA - EXERCÍCIOS DE PROVAS ANTIGAS – 1ª, 2ª e 3a Leis da Termodinâmica Pg. 7/7 7a Questão A pólvora corresponde a uma mistura de três componentes, nitrato de potássio, KNO3, carbono, C, e enxofre, S. A quantidade relativa de cada um deles influencia fortemente sua propriedade, fazendo com que possa atuar como explosivo, propelente ou uma substância pirotécnica. A obtenção da pólvora está representada na equação abaixo. 10KNO3(s) + 8C(s) + 3S(s) 2K2CO3(s) + 3K2SO4(s) + 6CO2(g) + 5N2(g) H o = - 4027,36 kJ a) Explique a 1ª lei da termodinâmica. b) Calcule a variação de energia interna, ΔU em kJ, à pressão constante de 1,00 atm e 25,0 °C, para a reação acima. c) Calcule a massa de KNO3, em gramas, necessária para aquecer 0,100 litros de água, inicialmente a 20,0 °C, até 100,0 °C, usando o calor liberado da reaçãoacima. Suponha que neste processo não há perdas. d) O KNO3 pode ser obtido como representado na equação abaixo. Calcule o valor da variação de entropia, So, em J K-1, para esta reação. HNO3(aq) + KOH(aq) → H2O(l) + KNO3(aq) Dados termodinâmicos a 25 oC: Substância H°f kJ mol -1 S° J K -1 mol-1 HNO3(aq) - 207,36 164,4 KOH(aq) - 482,37 91,6 H2O(l) - 285,83 69,9 KNO3(aq) - 459,76 248,9 M(KNO3) = 101,10 g mol -1 OH 2 d =1,00 g mL-1 c(H2O,l) = 4,184 J g -1 °C-1 Considere que o H° e S° não variam, significativamente, a esta faixa de temperatura. Gabarito: a) A energia interna de um sistema isolado é constante. ΔU = q + w. b) - 4054,63 kJ c) 8,40 g d) + 62,8 J K-1
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