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1 Aula 07 4B Química Cálculo estequiométrico III – reagentes em excesso/ impurezas e rendimento Numa reação química, as quantidades de substâncias participantes (reagentes e produtos) guardam sempre uma proporção constante em mols, relacionada com os coeficientes da equação balanceada. Caso a quantidade de um determinado reagente esteja numa quantidade maior que a da proporção indicada pelos coeficientes da equação, reagirá efetiva- mente a parte que está de acordo com a proporção. A quantidade que está a mais não reage, e dizemos que se encontra em excesso. Estar em excesso significa estar em quantidade superior àquela exigida pelas proporções estequio- métricas da equação. O excesso não participa da reação, embora permaneça no frasco após completada a reação. Uma dica para saber se há excesso é quando o enun- ciado do problema fornece as quantidades de dois ou mais reagentes. Deve-se “desconfiar”, pois pode haver algum dos reagentes em excesso. Exemplo: Foram misturados, para reagir, num frasco apropria- do, 2 g de hidrogênio com 18 g de oxigênio. Qual é a massa de água produzida nessa reação? produzindo hidrogênio + oxigênio água Proporção em massa (constante) 1 : 8 : 9 Misturam-se para reagir: 2 g 18 g Participam da reação: 2 g + 16 g 18 g Sobram, no final da reação: nada 2 g 18 g Raciocínio: Para que a proporção da reação seja mantida (Lei de Proust), a massa de oxigênio que rea- girá será 8 vezes maior que a massa de hidrogênio, ou seja, (2 8) g = 16 g. Apesar de terem sido misturados 18 g de oxigênio, para que a proporção seja mantida, somente 16 g participarão da reação. Assim, ficam sem reagir (18 – 16) g = 2 g de oxigênio, pois excederam a proporção estequiométrica. O excesso não participa da reação. Ele não é reagente nem produto. Como isso poderia ser visualizado macroscopica- mente? 2 g de hidrogênio 18 g de oxigênio A quantidade de hidrogênio que reage é igual a 2 g, a de oxigênio é 16 g (sobram 2 g) e a massa de água que irá ser produzida é igual a 18 g. Assim, no frasco onde os reagentes foram misturados, sobrarão 2 g de oxigênio (excesso), juntamente com 18 g de água. Oxigênio = 2 g (excesso) Água = 18 g 2 Semiextensivo Reagente limitante É o reagente consumido em primeiro lugar na reação. O nome reagente limitante deve-se ao fato de a quantidade máxima de produto formada depender da quan- tidade inicial desse reagente. A partir do momento em que esse reagente é consumido, não se pode formar mais produto. No exemplo acima, dizemos que o hidrogênio é o reagente limitante, e o oxigênio é o reagente em excesso. O excesso na indústria e no dia a dia Numa indústria química ou farmacêutica, é fundamental que os químicos e bioquímicos conheçam antecipada- mente a proporção entre os participantes de uma reação, para obter um determinado produto. Fazer a reação, na proporção correta, evita prejuízos. Um exemplo de prejuízo é a obtenção da aspirina na indústria farmacêutica. A reação envolvida nesse processo e a proporção em massa de seus participantes são: anidrido acético + acético salicílico aspirina + água 102 g 276 g 360 g 18 g (proporção constante) Se, por descuido, forem misturados 102 g do anidrido acético com 300 g do ácido salicílico, reagirão os 102 g do anidrido acético com 276 g do ácido salicílico, para que a proporção seja mantida. Assim, restarão no frasco 24 g do ácido salicílico (excesso) com 360 g da aspirina e 18 g de água. Dessa forma, o produto obtido (aspirina) não é puro, pois está misturado com o ácido salicílico que não reagiu, ou seja, o excesso. Reagentes com impurezas e rendimento de uma reação Impurezas Normalmente, as substâncias que irão participar de reações químicas contêm impurezas. Existem algumas exceções, como, por exemplo, substâncias utilizadas na indústria farmacêutica e na saúde pública. Para resolver problemas envolvendo reagentes impuros, deve-se adotar o seguinte procedimento: Fazer uma análise do material impuro e deter- minar o seu grau de pureza. Por exemplo, trabalhar com 125 g de calcário (CaCO3) com 20% de impu- reza significa afirmar que a massa do calcário puro é de 100 g. Essa é a massa a ser considerada nos cálculos para a resolução do problema. Cálculos efetuados: Massa de impureza: 20% de 125 g = 20 100 · 125 = 25 g Massa de CaCO3 puro: 80% de 125 g = 80 100 · 125 = 100 g A porcentagem de substância pura existente na massa total da amostra impura é denominada grau de pureza. Exemplo: 20 g de uma amostra de óxido férrico, após reação com hidrogênio, forneceram 11,2 g de ferro puro. A equação da reação é: Fe2O3(s) + 3H2(g) 2Fe(s) + 3H2O(g) Calcule o teor (grau ou porcentagem) de pureza da amostra. Dadas as massas molares em g/mol: O = 16; Fe = 56 Resolução: Cálculo da quantidade de substância pura na amostra: Quantidade de substância pura = Quantidade de amostra × Pureza onde: Pureza = % pureza 100 Aula 07 3Química 4B Solução: Existem duas formas para resolver esse tipo de teste. Vejamos: 1a. forma: mFe = 20 112 160 = 14 g Fe MFe2O3 = 160 g/mol; MFe = 56 g/mol 1 Fe2O3(s) ————— 2 Fe(s) 1 mol 2 mol 160 g 20 g 112 g2 (56 g) = mFe = ? Observação: Esta seria a massa se a reação ocorresse com 100% de pureza da amostra. Cálculo da pureza: Ferro Pureza 14 g 100% puro 11,2 g % P produzido (real) % P = 11 2 100 14 , % P = 80% 2a. forma: ÷10 11,2 g 11,2 g 1 Fe2O3(g) 2 Fe(s) 1 mol 2 mol [160 g] ÷10 2 (56 g) = mpura = ? mpura = 16 g mpura = mamostra × purezaFe2O3 pureza = m m pura amostra 16 20 = 0,8 % p = 80% Rendimento (eficiência de conversão) Observe a obtenção do calcário a partir da reação entre cal viva e gás carbônico: 1CaO + 1CO2 1CaCO3 1 mol 1 mol 1 mol 56 g 100 g44 g Situação teórica Se forem misturados para reagir 56 g de CaO com 44 g de CO2, espera-se obter 100 g de CaCO3, ou seja, um rendimento de 100%. Na prática, porém, as reações nunca ocorrem com o rendimento de 100% previsto na teoria. As razões para justificar esse fato são várias, como, por exemplo, a imprecisão nas medidas efetuadas. Situação prática Num laboratório, misturaram-se para reagir 56 g de CaO com 44 g de CO2. Obtiveram-se 80 g de CaCO3. Interpretação: Na realidade, esperava-se teoricamente obter 100 g do CaCO3. Obtivemos na prática apenas 80 g. A reação apresentou um rendimento de 80%. Dizer que a reação apresentou um rendimento de 80% significa que, para cada 100 g de CaCO3 que se esperava obter em nível teórico, obtiveram-se na prática apenas 80 g. Cálculos envolvendo rendimento 1o. Tipo Misturaram-se para reagir 112 g de CaO com 88 g de CO2. A massa de CaCO3 obtida foi de 160 g. Calcule o rendimento da reação. Dados: Ca = 40 g/mol; C = 12 g/mol; O = 16 g/mol. Resolução: mCaCO3 = 200 g 1CaO + 1CO2 1CaCO3 1 mol 1 mol 1 mol 56 g 44 g 100 g 112 g 88 g mCaCO3 Esta seria a massa de CaCO3 produzida, caso o rendi- mento da reação tivesse sido de 100%. 4 Semiextensivo Cálculo do rendimento da reação a) 200 g de CaCO3 100% de rendimento 160 g de CaCO3 r r = 80% b) = quantidade de produto obtida na práticar quantidade de produto teórica r = 160 200 g g = 0,8 ou r = 80% 2o. Tipo Misturaram-se para reagir 112 g de CaO com 88 g de CO2. Calcule a massa de CaCO3 obtida, sabendo-se que o rendimento da reação foi de 90%. Dados: Ca = 40 g/mol; C = 12 g/mol; O = 16 g/mol. Resolução: • Estabelecer a proporção em mols em função dos coeficientes da equação. • Multiplicar o(s) coeficiente(s) do(s) produto(s) pelo rendimento. 1CaO + 1CO2 1CaCO3 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol r = 100% 0,9 · 1 mol r = 90% 56 g 44 g 0,9 · 100 g 112 g 88 g mCaCO3 = 180 g mCaCO3 Observação: Somente os coeficientes dos produtos devem ser multiplicados pelo rendimento. Testes Assimilação 07.01. Ao colocarmos para reagir 4 mol de H2(g) com 3 mol de O2(g), é correto afirmar que: Dados: 2H2(g) + 102(g) 2H2O(ℓ) a) O2 éo reagente limitante b) H2 é o regente em excesso c) serão formados 4 mol de H2O d) serão formados 6 mol de H2O e) serão formados 8 mol de H2O 07.02. Na reação de combustão completa do gás propa- no (C3H8) equacionada abaixo: 1C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) Se colocarmos para reagir 4 mol de C3H8 com 15 mol de O2, haverá excesso de: a) 1 mol de O2 b) 14 mol de C3H8 c) 5 mol de O2 d) 1 mol de C3H8 e) 11 mol de O2 Aula 07 5Química 4B 07.03. (FUVEST – SP) – Nas indústrias petroquímicas, enxo- fre pode ser obtido pela reação: 2H2S + SO2 3S + 2H2O Qual a quantidade máxima de enxofre, em gramas, que pode ser obtida, partindo-se de 5 mols de H2S e 2 mols de SO2? Dado: Mcg/mol = 32 g/mol a) 96 g b) 192 g c) 48 g d) 32 g e) 64 g 07.04. (VUNESP – SP) – Considere a reação em fase gasosa: N2 + 3H2 2NH3 Fazendo-se reagir 4 L de N2 com 9 L de H2 em condições de pressão e temperatura constantes, pode-se afirmar que: a) os reagentes estão em quantidades estequiométricas. b) o N2 está em excesso. c) após o término da reação, os reagentes serão totalmente convertidos em amônia. d) a reação se processa com aumento de volume total. e) após o término da reação, serão formados 8 L de NH3. 07.05. (FUVEST – SP) – Sabendo que 12,25 g de H3PO4 de 80% de pureza são totalmente neutralizados por NaOH, segundo a equação H3PO4 + 3NaOH Na3PO4 + 3H2O a massa do sal obtida nesta reação foi de: Dados: MH3PO4= 98 g/mol MNa3PO4= 164 g/mol a) 14,76 g d) 164,00 g b) 16,40 g e) 9,80 g c) 10,80 g Aperfeiçoamento 07.06. Ao colocarmos para reagir 100 g de ferro com 50 g de enxofre, formando sulfeto ferroso, a massa do sal formada será: Dados: MFe = 56 g/mol; MS = 32 g/mol; MFeS = 88 g/mol Fe + S FeS a) 50 g b) 88 g c) 99 g d) 137,5 g e) 158 g 07.07. (CESGRANRIO – RJ) – Os gases dióxido de enxofre (SO2) e oxigênio (O2), em condições apropriadas, reagem formando o trióxido de enxofre. Usando volumes iguais dos dois reagentes, haverá excesso de um deles. A por- centagem desse excesso de volume, em relação ao volume inicial dos reagentes, é de: a) 25% de O2 c) 50% de O2 e) 80% de O2 b) 25% de SO2 d) 75% de O2 6 Semiextensivo 07.08. (UFRGS) – Num processo de produção de ácido acético, borbulha-se oxigênio no acetaldeído (CH3CHO), a 60ºC, na presença de acetato de manganês (II) como catalisador: 2 CH3CHO(ℓ) + O2(g) 2 CH3COOH(ℓ) Num ensaio de laboratório para esta reação, opera-se no vaso de reação com 22,0 gramas de CH3CHO e 16,0 gramas de O2. Quantos gramas de ácido acético são obtidos nesta reação a partir destas massas de reagentes e qual o reagente limitante, ou seja, o reagente que é completa- mente consumido? Massa de CH3COOH obtida Reagente limitante a) 15,0 g CH3CHO b) 30,0 g O2 c) 30,0 g CH3CHO d) 60,0 g O2 e) 120,0 g CH3CHO 07.09. (PUCPR) – Em uma reação de combustão completa de enxofre, obtém-se gás sulfuroso, cuja reação é S(s) + O2(g) SO2(g) O volume em litros de SO2, medido nas CNTP, quando reagem 5,0 kg de enxofre com 80% de pureza, é: Dados: S = 32 g/mol; O = 16 g/mol a) 2 240 L d) 3 200 L b) 2 800 L e) 2 300 L c) 1 120 L 07.10. Colocando para reagir 156 g de Cr(s) com 365 g de HCℓ, de acordo com a equação a seguir, é correto afirmar Dados: MCr = 52 g/mol MHCℓ = 36,5 g/mol 2Cr + 6HCℓ 2CrCℓ3 + 3H2 a) O crômio está em excesso. b) O HCℓ é o reagente limitante. c) Serão consumidos 328,5 g de HCℓ. d) Após ocorrida a reação, sobrarão 36,5 g de crômio. e) A reação é de dupla-troca. 07.11. A massa total de ferro que pode ser obtida a partir de 400 t de minério hematita contendo 70% de Fe2O3 é de: Dados: M g mol M g molFe O s Fe2 3 160 56( ) / ; / 1 3 2 32 3 2Fe O CO Fe COs g s g( ) ( ) ( ) ( )+ ⎯→⎯ + a) 196 t d) 470 t b) 240 t e) 700 t c) 350 t Aula 07 7Química 4B 07.12. Sabendo que 144 g de alumínio impuro foram atacados com ácido sulfúrico de acordo com a equação não balanceada: Aℓ + H2SO4 Aℓ2(SO4)3 + H2 sendo obtidos 12 g de gás hidrogênio, a porcentagem de pureza do alumínio analisado é de: Dados: MAℓ = 27 g/mol; MH2 = 2 g/mol a) 40% b) 12% c) 14,4% d) 60% e) 75% 07.13. (VUNESP – SP) – O inseticida DDT (massa molar = 354,5 g/mol) é fabricado a partir de clorobenzeno (massa molar = 112,5 g/mol) e cloral, de acordo com a equação 2 C6H5Cℓ + C2HCℓ3O C14H9Cℓ5 + H2O clorobenzeno cloral DDT Partindo-se de uma tonelada (1 t) de clorobenzeno e admitindo-se rendimento de 80%, a massa de DDT produzida é igual a: a) 1,575 t d) 354,5 kg b) 1,260 t e) 160,0 kg c) 800,0 kg 07.14. (FUVEST – SP) – H2 (g) e Cℓ2 (g) estão contidos em balões interligados por meio de um tubo com torneira, nas condições indicadas no desenho. Ao se abrir a torneira, os gases se misturam e a reação entre eles é iniciada por exposição à luz difusa. Forma-se então HCℓ (g), em uma reação completa, até desaparecer totalmente pelo me- nos um dos reagentes. H2(g) V = 1 L t = 25°C P = 1 atm Cℓ2(g) V = 1 L t = 25°C P = 5 atm Quanto vale a razão entre as quantidades, em mols, de Cℓ2 (g) e de HCℓ (g), após o término da reação? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 07.15. (PUCMG) – Em tubo, 16,8 g de bicarbonato de sódio são decompostos pela ação do calor, em carbonato de sódio sólido, gás carbônico e vapor de água. O volume de gás car- bônico, em litros, obtido nas CNTP, supondo o rendimento da reação igual a 90%, é igual a: Dado: MNaHCO3 = 84 g/mol a) 2,02 b) 2,48 c) 4,48 d) 4,03 e) 8,96 8 Semiextensivo 07.16. (ITA – SP) – Uma amostra de óxido de cromo III contaminada com impureza inerte é reduzida com hidrogênio de acordo com a seguinte equação: Cr2O3(s) + 3H2(g) 2Cr(s) + 3H2O(g) O volume de H2, medido nas CNTP, necessário para reduzir 5,0 g de óxido de cromo III contendo 15% de impurezas inertes será: Dado: MCr2O3= 152 g/mol a) (0,15 5,0 3 22,4)/152 litros; b) (0,15 5,0 3 22,4)/104 litros; c) (0,85 5,0 3 22,4)/104 litros; d) (0,85 5,0 3 22,4)/152 litros; e) (0,15 5,0 3 22,4)/100 litros. 07.17. (UFGRS) – O acetileno, gás utilizado em maçaricos, pode ser obtido a partir do carbeto de cálcio (carbureto), de acordo com a equação abaixo: CaC2 + 2 H2O Ca(OH)2 + C2H2 Utilizando-se 1 kg de carbureto com 36% de impurezas, o volume de acetileno obtido em litros, nas CNTP, é de aproximadamente: Dados: M (g/mol): Ca = 40; C = 12 a) 0,224. b) 2,24. c) 26. d) 224. e) 260. 07.18. (CESGRANRIO – RJ) – A com- bustão de 36 g de grafite (C) ao ar provocou a formação de 118,8 g de gás carbônico. O rendimento dessa transformação foi de: Dados: M (g/mol) { C = 12; 0 = 16. a) 80%. b) 85%. c) 36%. d) 90%. e) 60%. Aula 07 9Química 4B Discursivos 07.19. (UNICAMP – SP) – Um dos usos do hidrogênio (H2) é como combustível. Sua reação com o oxigênio (O2) forma água (H2O), como produto único. Num recipiente foram inicialmente colocados 1,0 mol de hidrogênio e 1,0 mol de oxigênio. A reação entre os dois foi provocada por meio de uma faísca elétrica. a) Escreva a equação química que representa a reação entre o hidrogênio e o oxigênio. b) Determine a quantidade (em mol) de cada uma das substâncias restantes no recipiente, após a reação. 07.20. (UNICAMP – SP) – Com a intenção de proteger o motorista e o passageiro de lesões corporais mais graves, em muitos países já é obrigatório o uso em automóveis de um dispositivo de segurança chamado airbag. Em caso de acidente, um microprocessador desencadeia uma série de reações químicas que liberam uma certa quantidade de nitrogênio, N2(g), para inflar rapidamente um balão plástico situado à frente dos ocupantes do automóvel. As reações químicas que ocorrem nesse processo estão representadas pelas seguintes equações: (Equação 1) 2 NaN3(s) 2 Na(s) + 3 N2(g) (Equação 2) 10 Na(s) + 2 KNO3(s) 5 Na2O(s) + K2O(s) + N2(g) (Equação 3) K2O(s) + Na2O(s) + SiO2(s) silicato alcalino (vidro) No caso de acionamento do sistema de segurança descrito, supondo que o volume do saco plástico, quando totalmenteinflado, seja de 70 L e que, inicialmente, houvesse 2,0 mol de NaN3 e 2,0 mol de KNO3: a) Determine a pressão do gás (em kPa), dentro do balão, quando este estiver totalmente inflado. Considere 27°C de temperatura. Dado: R = 8,3 kPa L mol–1 K–1; kPa = quilopascal b) Determine a massa total de substâncias sólidas restantes no sistema supondo ainda que o processo envolvesse apenas as reações representadas pelas equações 1 e 2. 10 Semiextensivo Gabarito 07.01. c 07.02. d 07.03. b 07.04. b 07.05. b 07.06. d 07.07. a 07.08. c 07.09. b 07.10. c 07.11. a 07.12. e 07.13. b 07.14. b 07.15. a 07.16. d 07.17. d 07.18. d 07.19. a) 2 H2 + O2 2 H2O b) 2H2 + 1 O2 2 H2O 2 mol ÷2 1 mol 2 mol 1 mol 1 mol 1 mol 0,5 mol reage 0,5 mol fica em excesso Resposta: Ocorreu a formação de 1 mol de H2O e sobrou 0,5 mol de O2 (que ficou em excesso) 07.20. Multiplicando a 1a. equação por 5 e somando com a 2a. equação, teremos: ÷ 2÷ 2 Há excesso! KNO3 = 101 Na2O = 62 K2O = 94 10 NaN3 10 Na + 2 KNO3 + 15 N2 + + 1 K2O + 1 N2 + 10 Na + 5 Na2O 10 NaN3(s) 10 mol 2 mol há exc! 5 mol 1 mol 16 mol ÷ 5 ÷ 5 ÷ 5 ÷ 5 ÷ 5 2 mol 1 mol 0,2 mol n = 3,2 mol2 mol + 2 KNO3(s) + 1 K2O(s) 16 N2(g)5 Na2O(s) 0,4 mol reage 1,6 mol em excesso t = 27°C 273 + T = 300 K a) PV = n R T P(N2) = n R T V P(N2) = 113,8 k Pa = 3,2 8,3 300 70 b) M (g/mol) mtotal das substâncias sólidas no final = + + + + = = ? mKNO3 (exc) 1,6 (101 g) m Na2O 1 (62 g) m K 2 O 0,2 · (94 g) 242,4 g 11Química 4B Conceitos de Entalpia – equações termoquímicas / calores de formação e combustão 4B Química Aula 08 Introdução As reações químicas se processam com liberação ou com absorção de energia. Veja a seguir alguns exemplos: C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) + É a energia liberada (calor) na queima do gás butano (C4H10(g)) que cozinha os nossos alimentos. CaCO3(s) + CaO(s) + CO2(g) Para que ocorra a decomposição do calcário (CaCO3(s)), produzindo cal viva e gás carbônico, é neces- sário fornecer energia (calor) durante toda a reação. Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(ℓ) + A energia liberada (elétrica) nesta reação verifica-se numa bateria de automóvel. 6CO2 + 6H2O + C6H12O6 + 6O2 A energia absorvida (luminosa) proveniente do sol faz com que as plantas clorofiladas realizem a fotossín- tese. Como vimos, as reações químicas ocorrem produzin- do variações de energia, que se manifestam sob a forma de calor, eletricidade, luz, etc. A Termoquímica é o ramo da Química que se preo- cupa em estudar as variações de calor que acom- panham as reações químicas e os fenômenos físicos. Com base nesse critério (variações de calor), as rea- ções se classificam em: a) Exotérmicas São aquelas que liberam calor para o meio ambiente. Exemplo: • 1C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) + calor Interpretação: A queima de 1 mol de gás butano na presença de oxigênio (combustão) libera calor para o meio ambiente. Na equação química, o calor aparece nos produtos da reação. Isso significa que ele é liberado para o meio ambiente durante a reação. b) Endotérmicas São aquelas que absorvem calor do meio ambiente. Exemplo: • 1CaCO3(s) + calor CaO(s) + CO2(g) Interpretação: 1 mol de calcário absorve calor do meio ambiente para se transformar em cal viva e gás carbônico. Na equação química, o calor aparece no reagente da reação. Isso significa que ele é absorvido do meio ambiente durante a reação. Entalpia (H) e variação de entalpia ( H) de um sistema O calor é uma forma de energia. Cada substância quí- mica armazena um determinado conteúdo de calor que se altera quando a substância sofre uma transformação (física ou química). Assim: • Numa reação exotérmica, o calor liberado pelos reagentes vai para o meio ambiente, logo o conteú- do total de calor dos produtos é menor que o dos reagentes. • Numa reação endotérmica, o calor absorvido pelos reagentes vem do meio ambiente, logo o conteúdo total de calor dos produtos é maior que o dos reagentes. O calor (energia) total armazenado nos sistemas recebe o nome de entalpia e é representado pelo símbolo H. Na prática, é impossível determinar valores de entalpias (H) de um sistema, seja no seu estado inicial (reagentes), seja no seu estado final (produtos). O que interessa, na realidade, é conhecer a variação de entalpia ( H) durante uma transformação, ou seja, a quantidade de calor liberada ou absorvida num processo realizado à pressão constante. H = Hfinal – Hinicial H = Hp – Hr r = reagentesp = produtos 12 Semiextensivo A seguir, vamos analisar as reações exotérmicas e endotérmicas em função da variação de entalpia ( H). Reações exotérmicas: liberam calor para o meio ambiente. • 1C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) + 2 900 kJ Como ocorre liberação de calor, a Hprodutos será menor que a Hreagentes. Sendo H = Hp – Hr , podemos concluir que: Numa reação exotérmica ( H < 0), o calor é libe- rado para o meio ambiente. Se representarmos a entalpia (H) em ordenada e o caminho da reação em abscissa, poderemos montar o seguinte gráfico: H Hr Hp Reagentes Produtos H < 0 Caminho da reação Reações endotérmicas: absorvem calor do meio ambiente. • 1CaCO3(s) + 177,8 kJ CaO(s) + CO2(g) Como ocorre absorção de calor, a Hprodutos será maior que a Hreagentes. Sendo H = Hp – Hr, podemos concluir que: Numa reação endotérmica ( H > 0), o calor é ab- sorvido do meio ambiente. Se representarmos a entalpia (H) em ordenada e o caminho da reação em abscissa, poderemos montar o seguinte gráfico: H Hp Hr Reagentes Produtos H > 0 Caminho da reação Resumindo o que vimos até aqui, podemos tirar algumas conclusões: 1a. Representação das reações exotérmicas: a) 1C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) + 2 900 kJ b) 1C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) H = – 2 900 kJ Interpretação: Quando 1 mol de C4H10(g) sofre combustão completa, libera para o meio ambiente 2 900 kJ. 2a. Representação das reações endotérmicas: a) 1CaCO3(s) + 177,8 kJ CaO(s) + CO2(g) b) 1CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) H = + 177,8 kJ Interpretação: Para que 1 mol de CaCO3(s) sofra decomposição, há necessidade de absorver do meio ambiente 177,8 kJ. Observação: Quem libera ou absorve calor é sempre o sistema reagente. O calor é absorvido do meio ambiente ou liberado para o meio ambiente. Equação termoquímica É a equação química na qual consta o valor do H da reação correspondente. Observe os exemplos abaixo: Exemplo 1: 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(ℓ) H = – 286 kJ Exemplo 2: 2H2(g) + 1O2(g) 2H2O(ℓ) H = – 572 kJ Exemplo 3: 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(s) H = – 293 kJ Exemplo 4: 1C(grafite) + 1O2(g) 1CO2(g) H = – 393,5 kJ Exemplo 5: 1C(diamante) + 1O2(g) 1CO2(g) H = – 395,4 kJ Analisando os cinco exemplos, verificamos que os valores de H se modificam quando: • são alterados os estados físicos dos participantes da equação (exemplos 1 e 3); • é alterada a quantidade em mols dos participan- tes da equação (exemplos 1 e 2); Aula 08 13Química 4B • é alterado o estado alotrópico dos participantes da equação (exemplos 4 e 5). Assim, ao escrevermos uma equação termoquímica, é necessário especificar o respectivo H, a temperatura e a pressão em que a reação foi realizada e, para cada participante, a quantidade em mols, o estado físico e o estado alotrópico. Interpretação do exemplo 1: Quando 1 mol de H2(g) reage com 1 2 mol de O2(g) para formar 1 mol de H2O(ℓ), ocorre a liberação para o meio ambiente de 286 kJ. Observação: Se não forem especificadas na equação as con- dições de pressão e temperatura, significa que a reação foi realizada em condições ambientes (25°C e 1 atm). Mudança de estado físico ( H) Pode ocorrer com absorção ou liberação de calor. Logo, podemos associar com o H. H (processo endotérmico) Sublimação Fusão VaporizaçãoSólido Líquido Gasoso Solidificação Liquefação Sublimação (Condensação) H (processo exotérmico) Atenção Mudança de estado é um fenômeno físico. Observe o diagrama com os estados físicos da água: H (kJ) H2O(v) H2O(ℓ) H2O(s) H = – 44 kJ H = + 44 kJ H = – 7,3 kJ H = + 51,3 kJ Analisando o diagrama, podemos tirar várias conclu- sões: H2O(ℓ) H2O(v) H = + 44 kJ/mol (calor de vaporização da água líquida) H2O(ℓ) H2O(s) H = – 7,3 kJ/mol (calor de solidificação da água líquida) H2O(s) H2O(v) H = + 51,3 kJ/mol (calor de sublimação da água sólida) Estado-padrão/entalpias- -padrão de formação e de combustão Estado-padrão de uma substância Uma substância se encontra no estado-padrão quan- do estiver na sua forma mais estável em condições am- bientes. Assim, podemos estabelecer a seguinte definição: Uma determinada substância se encontra no es- tado-padrão quando se apresentar no seu estado físico mais comum e na variedade alotrópica mais estável, à pressão de 1 atm e temperatura de 25°C. A entalpia-padrão é representada por H°. Se uma determinada substância simples se encon- trar no estado-padrão, ela terá entalpia igual a zero. Exemplos: H = zero H2(g), O2(g), N2(g), Br2(ℓ), Hg(ℓ), C(grafite), Fe(s), S(rômbico) H = zero H2(ℓ), O2(ℓ), O3(g), N2(ℓ), Br2(g), Hg(s), C(diamante), Fe(ℓ), S(monoclínico) Calor de formação ou entalpia de formação de uma substância ( H o f) O calor-padrão de formação de uma substância ( H0f) é a variação de entalpia verificada na reação de formação de 1 mol da referida substância, a partir de substâncias simples no estado-padrão. Exemplos: 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(ℓ) H 0 f = – 286 kJ 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(s) H 0 = – 293 kJ (não é H0f ) 14 Semiextensivo 1 2 N2(g) + 3 2 H2(g) 1NH3(g) H 0 f = – 11,0 kcal 1C(grafite) + 1O2(g) 1CO2(g) H 0 f = – 393,5 kJ 1C(diamante) + 1O2(g) 1CO2(g) H = – 395,4 kJ (não é H 0 f ) 1H2(g) + 1S(r) + 2O2(g) 1H2SO4(ℓ) H 0 f = –194,5 kcal O calor de formação ( H) de uma substância é numericamente igual à entalpia de 1 mol dessa substância. 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(ℓ) H o f = –286 kJ substância simples no estado-padrão H = 0 1 mol do produto calor molar de formação da H2O(ℓ) Matematicamente, podemos escrever: Hof = (Hp) – (Hr) – 286 kJ = HH2O(ℓ) – (zero) HH2O(ℓ) = H o f (H2O(ℓ)) = –286 kJ A entalpia de formação de uma substância pode também ser chamada de calor de formação da referida substância (à pressão constante). A tabela abaixo mostra os calores de formação de algumas substâncias (kJ/mol) em condições ambientes. Composto H0f (kJ/mol) Composto H 0 f (kJ/mol) MgO(s) – 602,52 CH3Cℓ(g) – 82,96 CO2(g) – 393,86 NH3(g) – 46,09 H2O(ℓ) – 286,18 C2H4(g) + 50,28 NH4Cℓ(s) – 315,93 C6H6(ℓ) + 78,77 C2H6(g) – 84,64 H2SO4(ℓ) – 814,96 Observações: • 1 cal = 4,18 J • H0f pode ser positivo ( H 0 f > 0) ou negativo ( H0f < 0) • H(reação) = ( Hform.prod.) – ( Hform.reag.) Calor de combustão ou ental- pia-padrão de combustão de uma substância ( H o c) É a variação de entalpia verificada na combustão total de 1 mol da substância, supondo que todos os participantes da reação (reagentes e produtos) se en- contrem no estado-padrão. Exemplos: 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(ℓ) H o c = H o f = –286 kJ 1H2(g) + 1 2 O2(g) 1H2O(s) H = –293 kJ (não é H o f ), (não é Hoc) 1 2 N2(g) + 3 2 H2(g) 1NH3(g) ΔH o f = –11,0 kcal 1C(grafite) + 1O2(g) 1CO2(g) H o c = H o f = –393,5 kJ 1C(diamante) + 1O2(g) 1CO2(g) H = –395,4 kJ (não é Hof ), (não é H o c) 1H2(g) + 1S(r) + 2O2(g) 1H2SO4(ℓ) H o f = –194,5 kcal (não é Hoc) 1C4H10(g) + 13 2 O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(ℓ) H o c = –2 220 kJ 1C2H5OH(ℓ) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(ℓ) H o c = – 327,6 kcal/mol Observações: • Hoc é sempre negativo ( H o c < 0) • Em certas reações, o Hf é igual ao Hc, pois a reação, além de formação, é uma combustão • Existem ainda reações cujo H corresponde somente a Hoc ou H o f Calor de neutralização ou en- talpia-padrão de neutralização É a variação de entalpia ( H) correspondente à rea- ção entre 1 mol de íons H+(aq) com 1 mol de íons OH – (aq) (reação de neutralização). 1H+(aq) + 1OH – (aq) 1H2O(ℓ) H o N = –13,8 kcal ou –58 kJ Aula 08 15Química 4B Em soluções aquosas e diluídas, ácidos fortes e bases fortes estão praticamente 100% ionizados (ácidos) ou disso- ciados (bases) em seus respectivos íons. Assim, a única reação que ocorre é: H+(aq) + OH – (aq) H2O(ℓ) Reação de neutralização Observações: • Nas reações de neutralização envolvendo ácidos fortes com bases fortes, o HoN será sempre constante e seu valor será: HoN = – 13,8 kcal/mol de H2O formada. Exemplos a) HCℓ(aq) + NaOH(aq) NaCℓ(aq) + H2O(ℓ) H o N = – 13,8 kcal H+(aq) + Cℓ – (aq) + Na + (aq) + OH – (aq) Na + (aq) + Cℓ – (aq) + H2O(ℓ) H+(aq) + OH – (aq) H2O(ℓ) H o N = – 13,8 kcal b) 1H2SO4(aq) + 1Ca(OH)2(aq) 1CaSO4(aq) + 2H2O(ℓ) HoN = – 27,6/2 kcal • Se o ácido, ou a base ou ambos forem eletrólitos fracos, o HoN não será constante e nem terá o valor – 13,8 kcal/mol de H2O formada. HCN(aq) + NaOH(aq) NaCN(aq) + H2O(ℓ) H = – 2,86 kcal ácido fraco base forte Testes Assimilação 08.01. (MACK – SP) – Dizemos que reações de combustão são exotérmicas porque: a) absorvem calor; b) liberam calor; c) perdem água; d) são higroscópicas; e) liberam oxigênio. 08.02. (ESAL – MG) – Dadas as reações equacionadas abaixo: I. C(s) + O2(g) CO2(g) + 94 kcal II. F2(g) 2F(g) – 37 000 cal Podemos afirmar que: a) I e II são endotérmicas. b) I e II são exotérmicas. c) I é exotérmica e II é endotérmica. d) I é endotérmica e II é exotérmica. e) ambas podem ser tanto endotérmicas quanto exotér- micas. 08.03. (VUNESP – SP) – Em uma cozinha, estão ocorrendo os seguintes processos: I. Gás queimando em uma das “bocas” do fogão. II. Água fervendo em uma panela que se encontra sobre essa “boca” do fogão. Com relação a esses processos, pode-se afirmar que: a) I e II são exotérmicos. b) I é exotérmico e II é endotérmico. c) I é endotérmico e II é exotérmico. d) I é isotérmico e II é exotérmico. e) I é endotérmico e II é isotérmico. 08.04. (UFRO) – Reações em que a energia dos reagentes é inferior à dos produtos, à mesma temperatura, são: a) endotérmicas; c) espontâneas; e) explosivas. b) lentas; d) catalisadas; 16 Semiextensivo 08.05. (UFRGS) – A reação de formação da água é exo- térmica. Qual das reações a seguir desprende maior quantidade de calor? a) H2(g) + 1 2 O2(g) H2O(g) c) H2(g) + 1 2 O2(g) H2O(s) e) H2(ℓ) + 1 2 O2(ℓ) H2O(ℓ) b) H2(g) + 1 2 O2(g) H2O(ℓ) d) H2(g) + 1 2 O2(ℓ) H2O(ℓ) Aperfeiçoamento 08.06. Complete corretamente com endotérmica ou exotérmica os exemplos abaixo: a) C(graf ) + O2(g) CO2(g) H = –393,5 kJ Reação b) 6C(graf ) + 3H2(g) C6H6(ℓ) H = +83 kJ Reação c) H2(g) + 1 2 O2(g) H2O(ℓ) + 68,3 kcal Reação d) N2(g) + 202(g) + 16,2 kcal 2NO2(g) Reação 08.07. Utilizando corretamente as palavras, formação, combustão e neutralização, complete os exemplos abaixo: a) Dada a equação 6C(graf) + 3H2(g) C6H6(ℓ) H = + 83 kJ, podemos afirmar que a entalpia-padrão de do C6H6(ℓ) vale 83 kJ/mol. b) Dada a equação C2H5OH(ℓ) + 302(g) 2CO2(g) + 3H2O(ℓ) H o= – 327,6 kcal, podemos afirmar que a entalpia-padrão de do etanol (C2H5OH) vale – 327,6 kcal/mol. c) A equação H2(g) + 1 2 O2(g) H2O(ℓ) Hº = – 68,3 kcal pode tanto representar a formação da quanto a combustão do . d) A equação C(graf ) + O2(g) CO2(g) Hº = –94,0 kcal pode tanto representar a formação da quanto a combustão do . e) Dada a equação: H+(ag) + (OH) – (ag) H2O(ℓ) Hº = –13,8 kcal podemos afirmar que retrata uma 08.08. Assinale a única alternativa na qual todas as substâncias simples apresentam entalpia nula no estado- -padrão (Hº = zero). a) C Br Ig sN N2 2 2( ) ( ) ( ), , c) C Br Ig g gN 2 2 2( ) ( ) ( ), , e) Fe I Hs2 2 2( ) ( ) ( ), ,N N b) O C Hg diam g3 2( ) ( ) ( ), , d) C O Brgraf g g( ) ( ) (), ,2 2 08.09. (UFRGS) – A reação do alumínio com o oxigênio é altamente exotérmica e pode ser representada como segue: 2 3 2 2 2 3A O A Os sn n( ) ( )(g)+ ⎯→⎯ Δ = −H kJ1670 A quantidade de calor, expressa em kJ, liberada na com- bustão de 1 grama de alumínio é aproximadamente igual a: Massa molar do Aℓ = 27 g/mol. a) 15. b) 31. c) 62. d) 835. e) 1.670. 08.10. (UFSM – RS) – Considere o seguinte gráfico: H A2(g) + B2(g) 2AB(g) H Caminho da reação De acordo com o gráfico, indique a opção que completa, respectivamente, as lacunas da frase abaixo. “A variação da entalpia, H , é __________; a reação é __________ porque se processa __________ calor.” a) positiva, exotérmica, liberando. b) positiva, endotérmica, absorvendo. c) negativa, exotérmica, liberando. d) negativa, endotérmica, liberando. e) nulo, exotérmica, absorvendo. Aula 08 17Química 4B 08.11. (FUVEST – SP) – Considere a reação de fotossíntese e a reação de combustão da glicose representada abaixo: 6CO2(g) + 6H2O(ℓ) luz clorofila C6H12O6(s) + 6O2(g) C6H12O6(s) + 6O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(ℓ) Sabendo-se que a energia envolvida na combustão de um mol de glicose é 2,8 ∙ 106 J, ao sintetizar meio mol de glicose, a planta: a) libera 1,4 ∙ 106 J c) absorve 1,4 ∙ 106 J e) absorve 5,6 ∙ 106 J b) libera 2,8 ∙ 106 J d) absorve 2,8 ∙ 106 J 08.12. (UFRGS) – A reação cujo efeito térmico representa o calor de formação do ácido sulfúrico é: a) H O SO H SOg2 3 2 4( ) ( ) ( )N N+ ⎯→⎯ b) H SO O H SOg g g2 2 2 2 4( ) ( ) ( ) ( )+ + ⎯→⎯ N c) H O S O H SOg r g2 2 2 4 3 2 ( ) ( ) ( ) ( )+ + ⎯→⎯ N d) H S O H SOg g2 2 2 42( ) ( ) ( )+ ⎯→⎯ N e) H S O H SOg r g2 2 2 42( ) ( ) ( ) ( )+ + ⎯→⎯ N 08.13. (VUNESP – SP) – O dióxido de carbono pode ser obtido por diferentes reações, três das quais estão expressas nas equações: I. CaCO CaO COs s g3 2( ) ( ) ( )⎯→⎯ + II. 2 22 3 2 2HC Na CO NaC H O COaq aq aq gN N N( ) ( ) ( ) ( ) ( )+ ⎯→⎯ + + III. C O COs g g( ) ( ) ( )+ ⎯→⎯2 2 O calor de formação Δ( )H1 do dióxido de carbono é determinado pela variação de entalpia: a) da reação I. b) da reação II. c) da reação III. d) de qualquer uma das três reações. e) de uma outra reação diferente de I, II e III. 08.14. (UEL – PR) – Considere as seguintes entalpias de formação em kJ/mol: Aℓ2O3(s) –1 670 MgO(s) –604 Com essas informações, pode-se calcular a variação da entalpia da reação representada por: 3 MgO(s) + 2 Aℓ(s) 3 Mg(s) + Aℓ2O3(s) H = ? Seu valor é igual a: a) –1 066 kJ c) +142 kJ e) +2 274 kJ b) –142 kJ d) +1 066 kJ 08.15. (UFPI) – São dados os calores de formação ( Hf) das seguintes substâncias: CH kJ mol CO kJ mol H O kJ mol4 1 2 1 2 174 396 287: ; : ; :− ⋅ − ⋅ − ⋅− − − O calor liberado quando 1 L de metano, medindo nas CNTP , é queimado de acordo com a equação CH O CO H O4 2 2 22 2+ ⎯→⎯ + é: Dado: volume molar do gás ideal, nas CNTP = 22,4 L a) 20 kJ. d) 45 kJ. b) 25 kJ. e) 60 kJ. c) 40 kJ. 18 Semiextensivo 08.16. (FEI – SP) – A obtenção do aço na siderurgia é feita pela redução de minérios de ferro. A equação global desse processo poderia ser representada por: Fe O C Fe COs s s g2 3 3 2 3( ) ( ) ( )+ ⎯→⎯ +( ) Dadas as entalpias de formação, a 25°C e 1 atm, a entalpia da reação global em kcal/mol, nas condições citadas, é: Dados: entalpias de formação: Fe O kcal mol CO kcal mol2 3 196 2 26 4= − = −, / ; , / . a) –117,0. d) +222,6. b) +117,0. e) +275,4. c) +169,8. 08.17. (UNIRIO – RJ) – Os romanos utilizavam CaO como argamassa nas construções rochosas. O CaO era misturado com água, produzindo Ca(OH)2, que reagia lentamente com o CO2 atmosférico, dando calcário: Ca(OH)2(s) + CO2(g) CaCO3(s) + H2O(g) Substância H0f (kJ/mol) Ca(OH)2(s) –986,1 CaCO3(s) –1 206,9 CO2(g) –393,5 H2O(g) –241,8 A partir dos dados da tabela, a variação de entalpia da reação, em kJ/mol, será igual a: Dado: H = ( Hform. prod.) – ( Hform. reag.) a) +138,2 b) +69,1 c) –69,1 d) –220,8 e) –2 828,3 08.18. (UEL – PR) – As bolsas térmicas consistem, geral- mente, de dois invólucros selados e separados, onde são armazenadas diferentes substâncias químicas. Quando a camada que separa os dois invólucros é rompida, as substân- cias neles contidas misturam-se e ocorre o aquecimento ou o resfriamento. A seguir, estão representadas algumas reações químicas que ocorrem após o rompimento da ca- mada que separa os invólucros com seus respectivos H°. I. CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(s) H° = – 89,5 kJ/mol II. NH4NO3(s) + H2O(ℓ) NH + 4(aq) + NO – 3(aq) H° = + 25,69 kJ/mol III. CaCℓ2(s) + H2O(ℓ) Ca 2+ (aq) + 2 Cℓ – (aq) H° = – 82,80 kJ/mol Analise as reações e os valores correspondentes de H° e indique a alternativa que correlaciona, adequadamen- te, as reações com as bolsas térmicas quentes ou frias. a) I. fria, II. quente, III. fria. b) I. quente, II. fria, III. quente. c) I. fria, II. fria, III. fria. d) I. quente, II. quente, III. fria. e) I. quente, II. quente, III. quente. Aula 08 19Química 4B Discursivos 08.19. (FUVEST – SP) – Em automóveis, o hidrogênio é um possível combustível alternativo à gasolina. Usando os dados abaixo, calcule a pressão da quantidade de hidrogênio que fornece a mesma energia e ocupa o mesmo volume, a 27°C, que 1 litro de gasolina. Dados: Calores de combustão Gasolina: 3,0 107 J/L Hidrogênio: 2,4 x 105 J/mol Cte = R = 8 10–2 L atm mol–1 K–1 08.20. (UFRRJ) – Adicionando bicarbonato de sódio para auxiliar o cozimento dos alimentos, tem-se a seguinte reação: 2NaHCO3 Na2CO3 + CO2(g) + H2O Considerando os dados abaixo, calcule a quantidade de calor envolvida, quando se utiliza 0,2 mol de bicarbonato de sódio: NaHCO3 = –226,5 kcal/mol Na2CO3 = –270,3 kcal/mol CO2 = –94 kcal/mol H2O = –57,8 kcal/mol Hform 20 Semiextensivo Gabarito 08.01. b 08.02. c 08.03. b 08.04. a 08.05. c 08.06. a) exotérmica b) endotérmica c) exotérmica d) endotérmica 08.07. a) formação b) combustão c) formação da H O2 ( )N quanto a combustão do H2(g) d) formação da CO g2 ( ) quanto a combustão do C grafite( ) e) neutralização H2(g) P = ? atm; V = 1 L (mesmo volume) t = 27°C 273 T = 300 K = 3 102 K; R = 8 10–2 K atm mol–1 K–1 n = ? mol; calor de combustão = 2,4 105 J/mol 24 104 J/mol 24 · 104 J 1 mol 3 · 107 J n = ? mol n mol de H g= ⋅ ⋅ = ⋅3 10 24 10 1 10 8 7 4 3 2( ) Gasolina V = 1 L Calor de combustão = 3,0 107 J/L 3,0 107 J1 L libera “Mesma energia” e “Mesmo volume” PV = n · R · T P = n R T V P = 1 103 8 10–2 3 102 8 1 P(H2) = 3 103 atm H2(g) 08.08. a 08.09. b 08.10. c 08.11. c 08.12. e 08.13. c 08.14. c 08.15. c 08.16. b 08.17. c 08.18. b 08.19. 08.20. 2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O H = ? 2 (–226,5) –270,3 –94,0 –57,8 Hi = (–453) Hf = (–422,1) H = (Hfinal) – (Hinicial) H = (–422,1) – (–453) = 2 mol absorvem + 30,9 kcal 0,2 mol absorve x = ? 10 x = + 3,09 kcal 10 +30,9 kcal
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