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© Sh u tt er st oc k/ Te xe la rt © Sh u Volume 6 Livro de atividades Química Livro do Professor Carolina de Cristo Bracht Nowacki N935 Nowacki, Carolina de Cristo Bracht. Química : livro de atividades : livro do professor / Carolina de Cristo Bracht Nowacki. – Curitiba : Positivo, 2017. v. 6 : il. ISBN 978-85-467-1571-8 1. Ensino médio. 2. Química – Estudo e ensino. I. Título. CDD 373.33 ©Editora Positivo Ltda., 2017 Proibida a reprodução total ou parcial desta obra, por qualquer meio, sem autorização da Editora. Dados Internacionais para Catalogação na Publicação (CIP) (Maria Teresa A. Gonzati / CRB 9-1584 / Curitiba, PR, Brasil) Termoquímica 11 A Termoquímica é a área da Química que estuda as relações entre as reações químicas e as variações de energia que envolvem calor. Trocas de energia em uma transformação Liberação ou absorção de energia Transformações químicas Entalpia na forma de Luz Eletricidade Calor Variação de entalpia ΔH = HFinal – HInicial Reação química exotérmica ou endotérmica Exotérmica Endotérmica Libera energia na forma de calor. Absorve energia na forma de calor. sHReagente(s) > HProduto(s) sHReagente(s) < HProduto(s) Reagente(s) Produto(s) + Calor Reagente(s) – Calor Produto(s) Reagente(s) Produto(s) ΔH = –x Calor Reagente(s) + Calor Produto(s) Reagente(s) Produto(s) – Calor Reagente(s) Produto(s) ΔH = +x Calor Reagente(s) Produto(s) ΔH = H P – H R H P < H R ΔH < 0 Entalpia (H) H R H P Caminho da reação (tempo) Entalpia (H) Reagente(s) Produto(s) ΔH = H P – H R H P > H R ΔH > 0 H P H R Caminho da reação (tempo) 2 Volume 6 Equação termoquímica A equação termoquímica é a representação da reação química na qual devem constar: • as quantidades de matéria do(s) reagente(s) e do(s) produto(s); • os estados físico e alotrópico (caso existam) das substâncias; • a temperatura; • a pressão; • a quantidade de calor liberada ou absorvida da reação ( H). Observação: Quando não for indicada a temperatura e a pressão em que a reação foi realizada, admite-se que ocorreu nas condições-padrão (1 atm e 25 °C). Fatores que alteram a variação de entalpia da reação Quantidade de matéria O valor do ΔH está relacionado às quantidades de matéria (mol) do(s) reagente(s) e do(s) produto(s). Estado físico H(g) > H(ℓ) > H(s) Estado alotrópico O estado alotrópico mais comum é considerado o mais estável, fato que justifica seu menor valor de entalpia. Variedades alotrópicas mais comuns: • alótropos do carbono – grafite, diamante e fulereno; • alótropos do oxigênio – gás oxigênio (O2) e ozônio (O3). Casos especiais de entalpia • Estado-padrão de uma substância – forma pura sob pressão atmosférica de 1 atm e temperatura de interesse, a qual normalmente é 298 K (25 °C). • Entalpia-padrão de uma reação (ΔH°) – variação de entalpia quando todos os reagentes e produtos estão em seus estados-padrão. • Entalpia dos elementos no estado-padrão – é atribuído o valor zero (H° = 0) para as substâncias simples em seu estado físico mais comum ou sua variedade alotrópica mais estável (menos energética). • Entalpia-padrão de formação ou calor de formação (ΔH°f): variação de entalpia para a reação que forma 1 mol de determinada substância com base em seus elementos e/ou substâncias no estado-padrão. Entalpia-padrão de formação (ΔH°f) = Entalpia de 1 mol da substância produzida. • Entalpia-padrão de combustão (ΔH°c): energia liberada na queima completa de 1 mol de determinada substância (combustível) pelo gás oxigênio (comburente), todos no estado-padrão. Por serem sempre reações exotérmicas, as variações de entalpia associadas às reações de combustão correspondem a valores negativos (ΔH < 0). 3Química • Entalpia-padrão de neutralização (ΔH°n): energia liberada na formação de 1 mol de água, a partir da neutralização de 1 mol de íons H + por 1 mol de íons OH–, em soluções aquosas diluídas. Para ácidos e bases fortes (100% ionizados ou dissociados em seus respectivos íons), a variação de entalpia de neutralização é constante e corres- ponde a –58,0 kJ por mol de água formada. Métodos teóricos para determinar a variação de entalpia da reação Entalpia de formação ⎡ ⎤⎡ ⎤Δ ° = Σ Δ ° − Σ ⎦Δ °⎣ ⎦ ⎣Reação f Produto s f Reagen( ) ( )te sH H H Lei de Hess O ΔH de uma reação química depende somente do estado inicial do(s) reagente(s) e final do(s) produto(s). Δ = Δ + Δ + Δ + + ΔReação I II III nH H H H ... H Energia de ligação Energia necessária para romper 1 mol de ligações entre átomos no estado gasoso, em condições-padrão. Quebra de ligações fornecimento de energia processo endotérmico Formação de ligações liberação de energia processo exotérmico • O saldo energético entre a energia absorvida na ruptura e a energia liberada na formação de ligações corresponde ao ΔH da reação. 4 Volume 6 Atividades Trocas de energia em uma transformação 1. As imagens a seguir apresentam fenômenos que ocorrem em nosso dia a dia. Classifique cada transformação em exotérmica ou endotérmica. 2. (UPF – RS) A termoquímica estuda a energia que é liberada ou absorvida, sob a forma de calor, em pressão constante, em processos como mudanças de fases e reações químicas. Sobre a termoquímica, analise as afirmações a seguir e marque V para verdadeiro e F para falso. ( V ) Uma reação de combustão é uma reação exotérmica, na qual a variação de entalpia tem sinal negativo. ( V ) Quando uma reação endotérmica ocorre, o sistema formado pelos participantes dessa reação absorve calor das vizinhanças. ( F ) Derramando-se gotas de propanona (H3CCOCH3(ℓ)) na pele, é provocada uma sensação de frio, justificada em razão de a evaporação ser um processo exotérmico. O processo de evaporação é endotérmico, por isso ocorre a sensação de frio. ( F ) A dissolução do H2SO4 concentrado em água é um processo exotérmico, que pode ser confirmado pela diminui- ção da temperatura. Em uma reação exotérmica, há liberação de energia e, portanto, há um aumento na temperatura. ( F ) O processo de fusão do gelo absorve calor da vizinhança, assim, a variação de entalpia tem sinal negativo. A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é: a) V – F – V – F – V. b) V – V – V – F – F. c) F – V – V – F – V. X d) V – V – F – F – F. e) F – V – F – V – V. O processo de fusão do gelo é endotérmico. Logo, apresenta variação de entalpia com sinal positivo. Queima da vela © S h u tt er st oc k/ A le xa n d ra L an d e Exotérmica Condensação da água no vidro © Sh u tt er st oc k/ KP G _ Pa yl es s Exotérmica Roupas secando no varal © Sh u tt er st oc k/ Be rn a n am og lu Endotérmica Fotossíntese © Sh u tt er st oc k/ G re g B ra ve Endotérmica 5Química 3. Com base nos conceitos de Termoquímica, assinale V para as afirmativas verdadeiras e F para as falsas. ( F ) A combustão é uma reação química que ocorre com absorção de calor. ( F ) Na prática, não se consegue medir a variação de entalpia de uma reação química. ( F ) O calor da reação depende somente da(s) quantidade(s) de reagente(s) e de produto(s). ( F ) A transformação da água sólida para a líquida ocorre com liberação de calor. 4. (UFRRJ) Desde a pré-história, quando aprendeu a manipular o fogo para cozinhar seus alimentos e se aquecer, o homem vem percebendo sua dependência cada vez maior das várias formas de energia. A energia é importante para uso industrial e doméstico, nos transportes, etc. Existem reações químicas que ocorrem com liberação ou absorção de energia, sob a forma de calor, denominadas, respectivamente, como exotérmicas e endotérmicas. Observe o gráfico a seguir e assinale a alternativa correta: a) O gráfico representa uma reação endotérmica. X b) O gráfico representa uma reação exotérmica. c) A entalpia dos reagentes é igual à dos produtos. d) A entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes.e) A variação de entalpia é maior que zero. 5. (UEG – GO) O gráfico a seguir representa a variação de entalpia para uma reação genérica que pode levar à formação dos produtos P1 e P2 a partir do reagente R. A análise do gráfico permite concluir que a a) reação libera energia para produção de P1. b) produção de P2 é um processo endotérmico. X c) variação de entalpia para formação de P1 é y. d) reação que leva a P2 ocorre com maior rendimento. 6. Assinale a alternativa que representa corretamente a equação termoquímica para a formação do ácido clorídrico. a) H2 + Cℓ2 2 HCℓ b) H2(g) + Cℓ2(g) HCℓ(g) ΔH = –92,31 kJ c) H2(g) + Cℓ2(g) HCℓ(g) d) H2(g) + Cℓ2(g) 2 HCℓ(g) ΔH = –184,8 kJ X e) ½ H2(g) + ½ Cℓ2(g) 1 HCℓ(g) ΔH = –92,31 kJ 3o. item. Além da(s) quantidade(s) de reagente(s) e de produto(s), há outros fatores que influenciam o calor de uma reação, como estados físico e alotrópico do(s) reagente(s) e do(s) produto(s), temperatura e pressão nas quais se encontra o sistema. Toda reação de combustão é exotérmica, ou seja, libera calor. A variação de entalpia (ΔH) pode ser medida, experimentalmente, com o auxílio de um calorímetro. A fusão é um processo endotérmico, ou seja, absorve calor. Pelo gráfico, é possível observar que a entalpia dos reagentes (HR) é maior que a entalpia dos produtos (HP). Ou seja, é uma reação exotérmica com liberação de energia (ΔH < 0). 5. a) A reação para a produção de P1 absorve energia. b) A produção de P2 é um processo exotérmico, pois libera energia. c) ΔH = HP – HR ΔH = y – 0 = y d) A reação de formação de P1 ocorre com maior rendimento energético. 6. A entalpia-padrão de formação cor- responde à variação de entalpia para a reação que forma 1 mol de determinada substância com base em seus elemen- tos no estado-padrão. Para representar uma equação termoquímica, devem constar: as quantidades de matéria do(s) reagente(s) e do(s) produto(s), os estados físico e alotrópico (caso existam) das substâncias e a quantidade de calor libe- rada ou absorvida da reação (ΔH). Quan- do não forem indicadas a temperaturas e a pressão em que a reação foi realizada, admite-se que ocorreu com pressão de 1 atm e com temperatura de 25 oC. 6 Volume 6 7. (PUC-Campinas – SP) A fotossíntese envolve a absorção de 2,3 ∙ 103 kJ · mol−1 de glicose e está representada adequadamente pelo diagrama de energia: a) b) X c) d) e) 8. O diagrama a seguir apresenta as entalpias de combustão das variedades alotrópicas mais conhecidas do elemento carbono – a grafite e o diamante. ΔH = –94,059 kcal ΔH = –94,512 kcal H C (diamante) + O 2(g) C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) Com base nas informações, responda às questões propostas. a) Qual dos alótropos é mais estável? Justifique sua resposta. Entre as duas formas alotrópicas, a grafite é mais estável, pois é a menos energética. Ou seja, seu valor de entalpia é menor. b) Indique com seta a transformação: C(diamante) C(grafite) e determine sua variação de entalpia, utilizando a interpre- tação gráfica. ΔH = –94,059 kcal ΔH = –94,512 kcal ΔH = –0,453 kcal H C (diamante) + O 2(g) C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) De acordo com o enunciado, a fotossíntese absorve energia. Portanto, é um processo endotérmico (ΔH positivo), em que a variação de entalpia é indicada, graficamente, com uma seta para cima. A equação que represen- ta essa reação é: 6 CO2(g) + 6 H2O(ℓ) → C6H12O6(s) + 6 O2(g) Química 7 9. (UPF – RS) A síntese da amônia, sem o ajuste dos coeficientes estequiométricos, pode ser expressa pela representa- ção da equação química: N2(g) + H2(g) NH3(g) com ΔH = –46,1 kJ mol –1 A variação de entalpia para a equação química representada fornece o seguinte gráfico: Considerando as informações apresentadas, assinale a alternativa correta: a) Quando a entalpia dos produtos for menor do que a dos reagentes, o valor de ΔH será maior do que zero. X b) Sendo considerada a decomposição da amônia, a entalpia dos produtos será maior do que a dos reagentes e ΔH será positivo. c) A reação de síntese da amônia é um processo em que o sistema cede calor à vizinhança, caracterizando uma reação endotérmica. d) Ao reagirem 6,0 mol de moléculas de gás hidrogênio (H2(g)), o processo absorverá 184,4 kJ de calor. e) A entalpia de formação da amônia envolve a absorção de 46,1 kJ mol–1. 10. (ACAFE – SC) O nitrato de amônio pode ser utilizado na fabricação de fertilizantes, herbicidas e explosivos. Sua reação de decomposição está representada abaixo: NH4NO3(s) N2O(g) + 2 H2O(g) ΔH = –37 kJ A energia liberada (em módulo) quando 90 g de água é formada por essa reação é: Dados: H: 1g/mol; O: 16 g/mol; N: 14 g/mol. a) 74 kJ X b) 92,5 kJ c) 185 kJ d) 41,6 kJ 2 (18) g de H2O 37 kJ 90 g de H2O x x = 92,5 kJ (energia liberada) 11. (UNESP – SP) Foram queimados 4,00 g de carvão até CO2 em um calorímetro. A temperatura inicial do sistema era de 20,0 ºC e a final, após a combustão, 31,3 ºC. Considere a capacidade calorífica do calorímetro = 21,4 kcal/ºC e despreze a quantidade de calor armazenada na atmosfera dentro do calorímetro. A quantidade de calor, em kcal/g, liberada na queima do carvão, foi de a) 670 b) 62,0 c) 167 d) 242 X e) 60,5) 6 0 b) 6 ,0 c) 6 d) e) 60,5 ΔT = Tfinal – Tinicial ΔT = 31,3 – 20 ΔT = 11,3 ºC 1 ºC — 21,4 kcal 11,3 ºC — x x = 241,82 kcal 241,82 kcal — 4 g de carvão y — 1 g de carvão y = 60,455 kcal a) Quando a entalpia dos reagentes (HR) for maior que a entalpia dos produtos (HP), o valor do ΔH é menor que zero (negativo). b) Na decomposição da amônia, a en- talpia do reagente, neste caso NH3(g), é menor que a entalpia dos produtos, N2(g) e H2(g). Portanto, a reação absorve energia, ou seja, é endotérmica com ΔH positivo. c) Na síntese da amônia, a entalpia dos reagentes, N2(g) e H2(g), é maior que a entalpia do produto, NH3(g). Portanto, a reação libera energia, ou seja, é exotérmica com ΔH negativo. d) De acordo com a equação termoquímica: 1 mol de H2 46,1 kJ 6 mol de H2 x x = 276,6 kJ (energia liberada) e) A entalpia de formação da amônia libera 46,1 kJ de energia. 8 Volume 6 Métodos teóricos para determinar a variação de entalpia da reação 12. (UDESC) A indústria siderúrgica utiliza-se da redução de minério de ferro para obter o ferro fundido, que é empregado na obtenção de aço. A reação de obtenção do ferro fundido é representada pela reação: Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2 A entalpia de reação (ΔHor) a 25 ºC é: a) 24,8 kJ/mol X b) –24,8 kJ/mol c) 541,2 kJ/mol d) –541,2 kJ/mol e) 1 328,2 kJ/mol Dados: Entalpia de formação (ΔHof) a 25 ºC, kJ/mol. ΔHof, kJ/mol Fe2O3 Fe CO CO2 –824,2 0 –110,5 –393,5 Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 –824,2 + 3 (–110,5) → 2 (zero) + 3 (–393,5) –1 155,7 kJ → –1 180,5 kJ ( ) ] [ ( )o o oReação f Produto s f Reagente sH [ H H ]Δ = Σ Δ − Σ Δ ΔHº = [–1180,5] – [–1155,7] ΔHº = –1180,5 + 1155,7 ΔHº = –24,8 kJ 13. (UEA – AM) O etanol é considerado um combustível menos poluente quando comparado à gasolina. O seu uso está sendo incentivado pela mídia na campanha publicitária Etanol, o combustível completão. A reação de combustão completa do etanol está representada na equação: C2H5OH(ℓ) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(ℓ) ΔHºcombustão = –1 368 kJ/mol Considere as entalpias-padrão de formação (ΔHºf): Substâncias ΔHºf (kJ/mol) C2H5OH(ℓ) –278 O2(g) 0 CO2(g) –394 H2O(ℓ) x O valor de x, apresentado na tabela, é igual a a) +572 X b) –286 c) –572 d) +286 e) –180 C2H5OH(ℓ) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(ℓ) –278 + 3 (zero) 2 (–394) + 3 (x) –278 kJ → (–788 + 3x) kJ ( ) ] [ ( )o o oReação f Produto s f Reagente sH [ H H ]Δ = Σ Δ − Σ Δ –1 368 = [–788 + 3x] – [–278] –1 368 = –510 + 3x –858 = 3x x = –286 kJ Química 9 14. (MACKENZIE – SP) O cicloexano (C6H12) é um hidrocarboneto líquido à temperatura ambiente, insolúvel em água, que pode ser obtido pela redução com hidrogênio,na presença de um catalisador e pressão adequados, a partir do benzeno, apresentando valor de entalpia-padrão de formação igual a –156 kJ ∙ mol–1. Sabendo-se que as entalpias-padrão de formação, da água líquida e do dióxido de carbono gasoso são, respectivamente, –286 kJ ∙ mol–1 e –394 kJ ∙ mol–1, pode-se afirmar que a entalpia-padrão de combustão do cicloexano é de a) –524 kJ ∙ mol–1 b) –836 kJ ∙ mol–1 X c) –3 924 kJ ∙ mol–1 d) –4 236 kJ ∙ mol–1 e) –6 000 kJ ∙ mol–1 C6H12 + 9 O2 6 CO2 + 6 H2O –156 + 9 (zero) 6 (–394) + 6 (–286) –156 kJ –4 080 kJ ( ) ] [ ( )o o oReação f Produto s f Reagente sH [ H – H ]Δ = Σ Δ Σ Δ ΔH = [–4 080] – [–156] ΔH = –3 924 kJ 15. (UFRGS – RS) A Lei de Hess, elaborada pelo químico suíço Germain Henry Hess em 1840, afirma, em terminologia moderna, que a variação de entalpia de uma reação química depende apenas dos reagentes de partida e dos produtos finais, e não depende do número de etapas ou intermediários necessários para a conversão dos primeiros nos últimos. A respeito da Lei de Hess, considere as seguintes afirmações. I. O metabolismo de um mol de glicose no organismo, formando gás carbônico e água, e a combustão de um mol de glicose num calorímetro liberam a mesma quantidade de calor. II. Se numa reação de isomerização o conteúdo de entalpia do produto for inferior ao do reagente, a reação será exotérmica. Quando HP < HR, a reação é exotérmica. III. Há sempre a mesma variação de entalpia para uma dada reação de combustão de hidrocarbonetos, não importan- do se a água formada for líquida ou gasosa. Quais estão corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. X c) Apenas I e II. d) Apenas II e III. e) I, II e III. 16. O açúcar, em quantidade ideal, é importante para manter o funcionamento do organismo, pois libera energia essencial para o corpo. A queima metabólica da glicose é representada pela equação: C6H12O6(aq) + 6 O2(g) 6 CO2(aq) + 6 H2O(ℓ) Com base nas equações termoquímicas a seguir, determine a quantidade de energia (em kJ) dessa queima. 6 C(s) + 6 H2(g) + 3 O2(g) C6H12O6(aq) ΔH = –1 263 kJ (inverte) C(s) + O2(g) CO2(aq) ΔH = –413 kJ (x6) H2(g) + ½ O2(g) H2O(ℓ) ΔH = –286 kJ (x6) C6H12O6(aq) 6 C(s) + 6 H2(g) + 3 O2(g) ΔH = 1263 kJ 6 C(s) + 6 O2(g) 6 CO2(aq) ΔH = –2478 kJ 6 H2(g) + 3 O2(g) 6 H2O(ℓ) ΔH = –1 716 kJ C6H12O6(aq) + 6 O2(g) 6 CO2(aq) + 6 H2O(ℓ) ΔH = –2 931 kJ Um dos fatores que influenciam a variação de entalpia de uma reação é o estado físico das substâncias. 10 Volume 6 17. Para diminuir a quantidade de poluição que os veículos automotivos emitem durante a queima dos combustíveis, foram criados os conversores catalíticos, também chamados de catalisadores. A principal função desses dispositivos é transformar alguns gases tóxicos (entre eles, CO, NO e NO2) em gases menos prejudiciais ao meio ambiente. Uma das reações que ocorrem nesse processo é representada pela equação: CO(g) + ½ O2(g) Pt Pd/⎯ →⎯⎯ CO2(g) Com base nas equações a seguir, determine a quantidade de energia necessária para transformar 2 mol de CO em CO2. C(grafite) + ½ O2(g) CO(g) + 26,4 kcal C(grafite) + O2(g) CO2(g) + 94,1 kcal C(grafite) + ½ O2(g) CO(g) ΔH = –26,4 kcal (inverte) C(grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = –94,1 kcal (repete) CO(g) C(grafite) + ½ O2(g) ΔH = +26,4 kcal C(grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = –94,1 kcal CO(g) + ½ O2(g) CO2(g) ΔH = –67,7 kcal 1 mol de CO 67,7 kcal liberadas 2 mols de CO x x = 135,4 kcal liberadas 18. (UEL – PR) Um dos maiores problemas do homem, desde os tempos pré-históricos, é encontrar uma maneira de obter energia para aquecê-lo nos rigores do inverno, acionar e desenvolver seus artefatos, transportá-lo de um canto a outro e para a manutenção de sua vida e lazer. A reação de combustão é uma maneira simples de se obter energia na forma de calor. Sobre a obtenção de calor, considere as equações a seguir. C(grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = –94,1 kcal (repete) H2O(ℓ) H2(g) + ½ O2(g) ΔH = +68,3 kcal (inverte e x2) C(grafite) + 2 H2(g) CH4(g) ΔH = –17,9 kcal (inverte) Assinale a alternativa que apresenta, corretamente, o valor do calor de combustão (ΔH) do metano (CH4) na equação a seguir. CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(ℓ) X a) –212,8 kcal b) –144,5 kcal c) –43,7 kcal d) +144,5 kcal e) +212,8 kcal C(grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = –94,1 kcal 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(ℓ) ΔH = –136,6 kcal CH4(g) C(grafite) + 2 H2(g) ΔH = +17,9 kcal CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(ℓ) ΔH = –212,8 kcal Química 11 19. (UEPA) O hidróxido de magnésio, base do medicamento vendido comercialmente como leite de magnésia, pode ser usado como antiácido e laxante. Dadas as reações abaixo: I. 2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s) ΔH = –1 203,6 kJ (:2) II. Mg(OH)2(s) MgO(s) + H2O(ℓ) ΔH = +37,1 kJ (inverte) III. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(ℓ) ΔH = –571,7 kJ (:2) Então, o valor da entalpia de formação do hidróxido de magnésio, de acordo com a reação: Mg(s) + H2(g) + O2(g) Mg(OH)2(s), é: a) –1 849,5 kJ b) +1 849,5 kJ c) –1 738,2 kJ X d) –924,75 kJ e) +924,75 kJ Mg(s) + ½ O2(g) MgO(s) ΔH = –601,8 kJ MgO(s) + H2O(ℓ) Mg(OH)2(s) ΔH = –37,1 kJ H2(g) + ½ O2(g) H2O(ℓ) ΔH = –285,85 kJ Mg(s) + H2(g) + O2(g) Mg(OH)2(s) ΔH = –924,75 kJ 20. (MACKENZIE – SP) O craqueamento (craking) é a denominação técnica de processos químicos na indústria por meio dos quais moléculas mais complexas são quebradas em moléculas mais simples. O princípio básico desse tipo de processo é o rompimento das ligações carbono-carbono pela adição de calor e/ou catalisador. Um exemplo da aplica- ção do craqueamento é a transformação do dodecano em dois compostos de menor massa molar, hexano e propeno (propileno), conforme exemplificado, simplificadamente, pela equação química a seguir: C12H26(ℓ) C6H14(ℓ) + 2 C3H6(g) São dadas as equações termoquímicas de combustão completa, no estado-padrão para três hidrocarbonetos: C12H26(ℓ) + 37 2 O2(g) 12 CO2(g) + 13 H2O(ℓ) ΔH º c = –7 513,0 kJ/mol (repete) C6H14(ℓ) + 19 2 O2(g) 6 CO2(g) + 7 H2O(ℓ) ΔH º c = –4 163,0 kJ/mol (inverte) C3H6(g) + 9 2 O2(g) 3 CO2(g) + 3 H2O(ℓ) ΔH º c = –2 220,0 kJ/mol (inverte e x2) Utilizando a Lei de Hess, pode-se afirmar que o valor da variação de entalpia-padrão para o craqueamento do dode- cano em hexano e propeno, será a) –13 896,0 kJ/mol b) –1 130,0 kJ/mol X c) +1 090,0 kJ/mol d) +1 130,0 kJ/mol e) +13 896,0 kJ/mol C12H26(ℓ) + 37 2 O2(g) 12 CO2(g) + 13 H2O(ℓ) ΔH = –7 513,0 kJ 6 CO2(g) + 7 H2O(ℓ) C6H14(ℓ) + 19 2 O2(g) ΔH = +4163,0 kJ 6 CO2(g) + 6 H2O(ℓ) 2 C3H6(g) + 9 2 O2(g) ΔH = +4440 kJ C12H26(ℓ) C6H14(ℓ) + 2 C3H6(g) ΔH = +1090 kJ 12 Volume 6 21. Determine o valor da energia de ligação N – N a partir da decomposição da hidrazina: N2H4(g) 2 N(g) + 4 H(g) ΔH = 1 720 kJ/mol N2H4 (Dado: N – H = 390 kJ/mol) N — N H H H H Ligações rompidas 4 ⋅ N – H = 4 ⋅ 390 = +1560 kJ 1 ⋅ N – N = 1 ⋅ x = +x +1560 + x = +1720 x = +160 kJ/mol de ligação N – N 22. (ESPCEX – SP) O fosgênio é um gás extremamente venenoso, tendo sido usado em combates durante a Primeira Guerra Mundial como agente químico de guerra. É assim chamado porque foi primeiro preparado pela ação da luz do Sol em uma mistura dos gases monóxido de carbono (CO) e cloro (Cℓ2), conforme a equação balanceada da reação descrita a seguir: CO(g) + Cℓ2(g) COCℓ2(g). Considerando os dados termoquímicos empíricos de energia de ligação das espécies, a entalpia da reação de síntese do fosgênio é Dados: Energia de ligação C O 745 kJ/mol C O 1 080 kJ/mol C — Cℓ 328 kJ/mol Cℓ — Cℓ 243 kJ/mol Fórmula estrutural do fosgênio: C O Cℓ Cℓ a) +552 kJ X b) –78 kJ c) –300 kJ d) +100 kJ e) –141 kJ CO(g) + Cℓ2(g) COCℓ2(g) Ligações rompidas Ligações formadas 1080 + 243 (2 328 + 745) 1323 kJ 1 401 kJ Energia absorvida < Energia liberada Saldo energético = 78 kJ ΔH = –78 kJ Química 13 23. Vazamento de amônia atinge 300 pessoas em Cascavel Depois de 300funcionários do frigorífico [...] precisarem ser socorridos por conta de uma intoxicação por amônia na tarde desta segunda-feira (23), em Cascavel, socorristas do Samu foram acionados novamente para ajudar outros trabalhadores que teriam passado mal por conta de resquícios do vazamento de ontem. [...] O gás amônia é usado nas câmaras frigoríficas e no sistema de refrigeração de outros equipamentos da indústria e, durante o vazamento, os funcionários tiveram que passar pelo local para deixar a fábrica. Cinco pessoas seguem internadas, ainda que sem risco de morte: duas delas em estado grave e três com queimaduras nos olhos. A intoxicação por amônia pode levar a quadros de irritação nos olhos, no nariz, queimaduras na pele e, dependendo do caso, pode levar à morte. [...] VAZAMENTO de amônia atinge 300 pessoas em Cascavel. Disponível em: <http://www.parana-online.com.br/editoria/cidades/news/867547/?noticia =VAZAMENTO+DE+AMONIA+ATINGE+300+PESSOAS+EM+CASCAVEL>. Acesso em: 25 nov. 2015. A amônia é um gás que pode ser obtido pela reação entre os gases hidrogênio e nitrogênio. Com base nas informações, a) represente a reação de síntese da amônia. N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) b) determine a entalpia-padrão de formação da amônia, considerando as energias de ligação. N ≡ N = 946 kJ/mol H – H = 436 kJ/mol N – H = 391 kJ/mol N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Ligações rompidas Ligações formadas 946 + 3 ⋅ 436 2 (3 391) 2 254 kJ 2346 kJ Energia absorvida < Energia liberada Saldo energético = 92 kJ ΔH = –92 kJ/2 mols de NH3 2 mols de NH3 92 kJ (energia liberada) 1 mol de NH3 x x = 46 kJ (energia liberada) ΔH = –46 kJ/mol 14 Volume 6 Cinética Química 12 A Cinética Química é a área da Química que investiga a rapidez das reações e os fatores que a influenciam. Velocidade de uma reação química e a teoria das colisões • Velocidade – grandeza que mede a quantidade de reagente(s) consumido(s) e/ou a de produto(s) formado(s) durante a reação, por unidade de tempo. • Velocidade média (em relação a um componente) – módulo da razão entre a variação da quantidade do reagente ou do produto e o inter- valo de tempo necessário para que ocorra a reação. V Q t Q t m Reagente Produto= − = Δ Δ Δ Δ • Velocidade média (da reação) – razão entre a velocidade média em relação a um componente e seu coeficiente estequiométrico. Δ Δ Δ Δ= − = Reagente Produto m Q Q t tV coeficiente estequiométrico coeficiente estequiométrico • Colisões efetivas – as moléculas apresentam orientação favorável e energia suficiente para romper as ligações entre os átomos no(s) reagente(s). • Energia de ativação (Ea) – quantidade mínima de energia necessária para romper as ligações entre os átomos no(s) reagente(s) e formar novas ligações entre os átomos no(s) produto(s). Caminho energético para reação exotérmica Caminho energético para reação endotérmica En er gi a Reagente(s) Calor liberado Complexo ativado Produto(s) Caminho da reação E a = e ne rg ia d e at iv aç ão En er gi a Reagente(s) Calor absorvido Complexo ativado Produto(s) Caminho da reação E a = e ne rg ia d e at iv aç ão ↓ Ea ∴ mais rápida é a reação ↑ Ea ∴ mais lenta é a reação 15Química Fatores que influenciam a velocidade de uma reação • Superfície de contato Sólido mais fragmentado Maior superfície de contato Maior número de colisões efetivas Maior rapidez da reação • Temperatura Aumenta a energia cinética das moléculas Aumento da temperatura Maior número de colisões efetivas Maior a rapidez da reação • Pressão Aumento da pressão Diminui o volume Maior número de colisões efetivas Maior a rapidez da reação • Catalisador Diminui a energia de ativação Catalisador Maior a rapidez da reação Fornece um caminho alternativo mais simples • Concentração Aumenta o número de partículas Aumento da concentração Maior número de colisões efetivas Maior a rapidez da reação Lei da Velocidade A relação entre a concentração do(s) reagente(s) e a rapidez de uma reação é dada pela expressão matemática chamada Lei da Velocidade. Segundo essa lei, a velocidade instantânea de uma reação química, em determinada temperatura, é proporcional ao produto das concentrações em quantidade de matéria do(s) reagente(s) que influencia(m) diretamente sua rapidez. v = k [Reagente(s)]x v = velocidade instantânea da reação k = constante de velocidade [Reagente(s)] = concentração em quantidade de matéria do(s) reagente(s)* *em solução aquosa ou no estado gasoso x = ordem da reação • Ordem da reação é a soma dos expoentes das concentrações do(s) reagente(s) na expressão da Lei da Velocidade. Reação elementar Ocorre em uma única etapa Expoentes = coeficientes Reação não elementar Ocorre em mais de uma etapa Lei da Velocidade = etapa lenta • Velocidade instantânea é a velocidade em cada instante de tempo. 1616 Volume 6 Atividades Velocidade de uma reação química e a teoria das colisões 1. Toda reação química necessita de certo tempo para ocorrer. Algumas reações são rápidas, como o acionamento de um airbag. Por outro lado, existem reações lentas, como a decomposição de um alimento. Para as situações do cotidiano, apresentadas a seguir, indique quais das reações se processam mais rapidamente e quais mais lentamente. Queima de fogos de artifício © Sh u tt er st oc k/ Pa lp ita tio n Reação rápida Dissolução de comprimido efervescente © Sh u tt er st oc k/ M ar aZ e Reação rápida Oxidação de um objeto © Sh u tt er st oc k/ Yu an g en g Z h an g Reação lenta Digestão de alimentos © Sh u tt er st oc k/ N er th u z Reação lenta 2. As informações apresentadas no quadro a seguir estão relacionadas com a reação de decomposição da água oxigenada. Tempo (minutos) Massa de H2O2 (gramas) 0 408 2 306 4 238 6 170 Química 17 Com base nesses valores, calcule: a) a velocidade média de decomposição de H2O2, expressa em g/min, no intervalo de 0 a 4 minutos. v t v t v v m H O massa m H O massa m H O m H O 2 2 2 2 2 2 2 238 408 4 0 = = = − − | | | | | | Δ Δ Δ Δ 22 170 4 42 5= − =| | , /ming b) a velocidade média de decomposição de H2O2, expressa em mol/min, no intervalo de 0 a 4 minutos. Dados: H = 1 u; O = 16 u. 1 minuto — 42,5 g de H2O2 1 mol de H2O2 — 34 g x — 42,5 g x = 1,25 mol de H2O2 v molm H O2 2 125= , /min c) a velocidade média de formação de O2, expressa em mol/min, no intervalo de 0 a 4 minutos, de acordo com a equação da decomposição da água oxigenada. H2O2(aq) H2O(ℓ) + 1/2 O2(g) H2O2(aq) H2O(ℓ) + 1/2 O2(g) 1 mol de H2O2 — 0,5 mol de O2 1,25 mol de H2O2 — x x = 0,625 mol de O2 0,625 mol/min 3. (UECE) Manchete do jornal o Estado de São Paulo em 23.04.2014: “Gás metano produzido por vacas é usado para abastecer veículos”. Cientistas argentinos desenvolveram tecnologia para aproveitar o gás metano gerado pelos bovi- nos, que tem efeito estufa na atmosfera do planeta. Pesquisando o gás metano, um grupo de estudantes da UECE realizou, em laboratório, uma combustão e coletou os dados da tabela abaixo: Tempo (min) [CH4] (mol/L) [CO2] (mol/L) 0 0,050 0 10 0,030 0,020 20 0,020 ? 18 Volume 6 Com os dados da tabela, a velocidade média da reação entre 0 e 20 minutos foi determinada com o valor a) 1,2 ∙ 10–3 mol/ L–1 ∙ min–1 X b) 1,5 ∙ 10–3 mol/ L–1 ∙ min–1 c) 0,8 ∙ 10–3 mol/ L–1 ∙ min–1 d) 1,3 ∙ 10–3 mol/ L–1 ∙ min–1 − − − Δ=− Δ −=− = ⋅ ⋅ − + → + − ⋅=− = − =− ⋅ ⋅ 4 4 4 4 m CH 3 m CH 4 2 2 2 3 m CH 3 m Reação | [CH ] | V t | 0,020 0,050 | V 1,5 10 mol/L min (20 0) 1CH 2O 1CO 2 H O | V | | 1,5 10 | V 1,5 10 mol / L min coeficiente estequiométrico 1 Obs.: o sinal de menos indica que o reagente =− 2m COm Reação 2 é consumido. Ou: | V | V coeficiente estequiométrico Porém, não há dados suficientes para determinar a velocidade média do CO .4. (UEPA) Preparar o sagrado cafezinho de todos os dias, assar o pão de queijo e reunir a família para almoçar no domingo. Tarefas simples e do cotidiano ficarão mais caras a partir desta semana. O preço do gás de cozinha será reajustado pelas distribuidoras pela segunda vez este ano, com isso, cozinhar ficará mais caro. A equação química que mostra a queima do butano (gás de cozinha), em nossas residências é: C4H10(g) + 13/2 O2(g) 4 CO2(g) + 5 H2O(ℓ) O quadro abaixo ilustra a variação da concentração do gás butano em mols/L em função do tempo: [C4H10] (mol/L) 22,4 20,8 18,2 16,6 15,4 14,9 Tempo (horas) 0 1 2 3 4 5 As velocidades médias da queima do gás de cozinha nos intervalos entre 0 a 5 e 1 a 3 horas são respectivamente: a) –1,5 mols/L ∙ h e –2,1 mols/L ∙ h X b) 1,5 mols/L ∙ h e 2,1 mols/L ∙ h c) 1,5 mols/L ∙ h e –2,1 mols/L ∙ h d) 2,1 mols/L ∙ h e 1,5 mol/L ∙ h e) –1,5 mols/L ∙ h e 2,1 mols/L ∙ h • Intervalo entre 0 e 5: V C H t V V mol L m C H m C H m C H 4 10 4 10 4 10 4 10 14 9 22 4 5 0 15 = = − − = | [ ] | | , , | , / Δ Δ ·· h • Intervalo entre 1 e 3: V C H t V V mol L m C H m C H m C H 4 10 4 10 4 10 4 10 16 6 20 8 3 1 2 1 = = − − = | [ ] | | , , | , / Δ Δ ·· h Química 19 5. (UFRGS – RS) Considere a reação abaixo. N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Para determinar a velocidade da reação, monitorou-se a concentração de hidrogênio ao longo do tempo, obtendo-se os dados contidos no quadro que segue. Tempo (s) Concentração (mol L–1) 0 1,00 120 0,40 Com base nos dados apresentados, é correto afirmar que a velocidade média de formação da amônia será a) 0,10 mol L–1 min–1 X b) 0,20 mol L–1 min–1 c) 0,30 mol L–1 min–1 d) 0,40 mol L–1 min–1 e) 0,60 mol L–1 min–1 V H t V V mol L min m H m H m H 2 2 2 2 1 1 0 4 10 2 0 0 3 = = − − = | [ ] | | , , | , Δ Δ − − N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 3 mols de H2 — 2 mols de NH3 0,3 mol de H2 — x x = 0,2 mol de NH3 0,2 mol L –1 min–1 6. (FEPECS – DF) A sacarose é um dissacarídeo encontrado nos vegetais fotossintéticos, que pode ser obtido a partir da cana-de-açúcar ou da beterraba. A hidrólise da sacarose produz glicose e frutose, de acordo com a equação: C12H22O11(aq) + H2O(ℓ) 2 C6H12O6(aq) A tabela a seguir apresenta a variação da concentração de sacarose (mol · L−1) em função do tempo (min) nas con- dições ambientes: [C12H22O11] (mol ∙ L –1) Tempo (min) 0,50 0 0,45 60 0,35 150 0,20 300 0,15 400 A velocidade média da reação de hidrólise da sacarose, nas primeiras cinco horas de experimento, determinada com os dados da tabela, é igual a: a) 5 · 10−1 mol ∙ L−1 ∙ min−1 b) 6 · 10−2 mol ∙ L−1 ∙ min−1 X c) 1 · 10−3 mol ∙ L−1 ∙ min−1 d) 9 · 10−4 mol ∙ L−1 ∙ min−1 e) 4 · 10−5 mol ∙ L−1 ∙ min−1 V C H O t V V m C H O m C H O m 12 22 11 12 22 11 12 22 11 300 0 = − − = | [ ] |Δ Δ |0,20 0,50| CC H O mol L min12 22 11 0 001 1 10 3 1 1= = ⋅ ⋅ ⋅− − −, 20 Volume 6 7. (ESPCEX – SP) Considere a equação balanceada: 4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O Admita a variação de concentração em mol por litro (mol · L–1) do monóxido de nitrogênio (NO) em função do tempo em segundos (s), conforme os dados, da tabela abaixo: [NO] (mol · L–1) 0 0,15 0,25 0,31 0,34 Tempo (s) 0 180 360 540 720 A velocidade média, em função do monóxido de nitrogênio (NO), e a velocidade média da reação acima representada, no intervalo de tempo de 6 a 9 minutos (min), são, respectivamente, em mol · L–1 · min–1: X a) 2 · 10–2 e 5 · 10–3 b) 5 · 10–2 e 2 · 10–2 c) 3 · 10–2 e 2 · 10–2 d) 2 · 10–2 e 2 · 10–3 e) 2 · 10–3 e 8 · 10–2 V NO t V V mol L min m NO m NO m NO = = − − = = ⋅ ⋅ ⋅− − Δ Δ [ ] | , , | , 0 31 0 25 9 6 0 02 2 10 2 1 −−1 4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O m NO m Reação 2 m Reação 2 3 1 1 m Reação V V 4 2 · 10 V 4 V 0,5 · 10 5 · 10 mol · L · min − − − − − = = = = 8. (UFCG – PB) Durante muitos anos, a gordura saturada foi considerada a grande vilã das doenças cardiovasculares. Agora, o olhar vigilante de médicos e nutricionistas volta-se contra a prima dela, cujos efeitos são ainda piores: a gordura trans (que é um composto com ligação dupla). Durante a hidrogenação catalítica que transforma o óleo de soja em margarina, ligações duplas tornam-se ligações simples. O gráfico a seguir representa a variação da massa da gordura trans em função do tempo. Tempo (minuto) Massa (g) Química 21 Interprete o gráfico e assinale a alternativa INCORRETA. a) A velocidade média entre os pontos B e C é de 2 g/min. X b) A velocidade média da reação, para um mesmo intervalo de tempo, aumenta com a passagem do tempo. c) A velocidade média entre os pontos A e B é maior do que a entre os pontos D e E. d) A velocidade média entre os pontos B e C é diferente da velocidade média entre os pontos B e D. e) A velocidade no início da reação é diferente de zero. Massa (g) Tempo (min) A 16 0 B 8 2 C 4 4 D 2 6 E 1 8 • Velocidade média entre os pontos A e B: V gm = − − =| | /min8 16 2 0 4 • Velocidade média entre os pontos B e C: V gm = − − =| | /min4 8 4 2 2 • Velocidade média entre os pontos B e D: V gm = − − =| | , /min2 8 6 2 15 • Velocidade média entre os pontos C e D: V gm = − − =| | /min2 4 6 4 1 • Velocidade média entre os pontos D e E: V gm = − − =| | , /min2 1 8 6 0 5 Para um mesmo intervalo de tempo, a velocidade média da rea- ção diminui com o decorrer da reação. 9. Para os gráficos apresentados a seguir, indique com R aquele que corresponde à reação mais rápida, e com L, a mais lenta. ( ) Energia Caminho de reação ( L ) Energia Caminho de reação ( ) Energia Caminho de reação ( R ) Energia Caminho de reação A reação mais lenta é aquela que apresenta a maior energia de ativação. A reação mais rápida é aquela que apresenta a menor energia de ativação. 22 Volume 6 10. (FATEC – SP) Uma indústria necessita conhecer a mecânica das reações para poder otimizar sua produção. O gráfico representa o mecanismo de uma reação hipotética: A2 + B2 2 AB 30 kJ –40 kJ caminho da reação produtos complexo ativado A — B A — B reagentes A2 e B2 H (kJ) 60 3030 –10 A A B B A análise do gráfico permite concluir corretamente que a) temos uma reação endotérmica, pois apresenta ΔH = –10 kJ. A reação é exotérmica, com ΔH = –40 kJ. b) temos uma reação exotérmica, pois apresenta ΔH = +10 kJ. A reação é exotérmica, com ΔH = –40 kJ. c) a energia do complexo ativado é 30 kJ. A energia do complexo ativado é de 60 kJ. X d) a energia de ativação para a reação direta é 30 kJ. e) a energia de ativação para a reação é 40 kJ. A energia de ativação para a reação direta é 30 kJ, e para a reação inversa, 70 kJ. 11. (IFSul – RS) Acredita-se que vastas quantidades de gás metano estejam presentes no interior da terra (manto). A migração até níveis menos profundos ou na superfície é dada através de grandes estruturas geológicas (falhas), sobretudo nos limites de placas tectônicas. Nas áreas vulcânicas, o metano reage com o oxigênio formando o dióxido de carbono, que é expelido pelos vulcões. Essa reação é descrita pela seguinte equação: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) E pode ser esquematizada pelo diagrama abaixo: Sobre esse processo químico, é correto afirmar que a a) variação de entalpia é 1 140 kJ/mol e, portanto, ele é endotérmico. b) energia de ativação é 1 140 kJ/mol. A energia de ativação da reação direta é inferior a 250 kJ. X c) variação de entalpia é –890 kJ/mol e, portanto, ele é exotérmico. d) entalpia de ativação é 890 kJ/mol. A energia de ativação da reação direta é inferior a 250 kJ. ΔH = HProdutos – HReagentes ΔH = 75 – 965 = –890 kJ A variação de entalpia corresponde a –890 kJ. Por- tanto, o processo é exotérmico. progresso da reação en ta lp ia ( kJ /m ol ) 1215 965 75 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Química 23 Fatores que influenciam a velocidade de uma reação 12. Diversos são os fatores que podem influenciar a velocidadede uma reação química. Entre eles, destacam-se: superfície de contato, temperatura, pressão, catalisador e concentração do(s) reagente(s). Indique e explique o fator que está relacionado com a taxa de desenvolvimento da reação para as situações a seguir. a) Alimentos no freezer (–18 ºC) duram mais tempo do que quando armazenados na geladeira (5 ºC). Temperatura. O aumento da temperatura, nesse caso, favorece a deterioração dos alimentos, pois, quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação. b) O cozimento dos alimentos em uma panela de pressão (em média, 7 min) é mais rápido do que em uma panela comum (em média, 20 min). Temperatura. Na panela de pressão, a água ferve em temperatura maior que na panela comum. Por isso, o cozimento é mais rápido na panela de pressão. 13. Em relação aos fatores que podem influenciar a velocidade das reações químicas, tornando-as mais rápidas ou mais lentas, marque V para as afirmativas verdadeiras e F para as falsas. ( F ) Um sólido, quando triturado, diminui a velocidade da reação, se comparado com um inteiro. ( F ) O catalisador tem a função de diminuir a energia de ativação e, consequentemente, sua velocidade. ( V ) A reação química que apresenta energia de ativação alta será mais lenta que a reação com menor energia de ativação. ( V ) A pressão interfere na velocidade da reação de substâncias gasosas na mesma proporção que a concentração. ( F ) Um aumento na temperatura do sistema reacional provoca maior agitação das moléculas e, por isso, diminui a velocidade da reação. 14. (UFSM – RS) Os sais estão presentes nos shows pirotécnicos. Os fogos de artifício utilizam sais pulverizados de di- ferentes íons metálicos como, por exemplo, o sódio (cor amarela) e o potássio (cor violeta), misturados com material explosivo, como a pólvora. Quando a pólvora queima, elétrons dos metais presentes sofrem excitação eletrônica, liberando a energia na forma de luz. Sobre a cinética da reação, é correto afirmar: X a) Quanto maior a superfície de contato entre os reagentes, mais rápida é a reação; assim, quanto mais dividido o reagente sólido, mais a reação será acelerada. b) A queima dos fogos de artifício é facilitada pelo uso de sais pulverizados, pois estes diminuem a energia de ativação da reação. c) A temperatura gerada na queima de fogos de artifício reduz a frequência dos choques entre as partículas de rea- gentes, tornando a reação mais rápida. d) A reação é mais rápida, pois, ao se utilizar o sal pulverizado, a frequência das colisões é menor, favorecendo, assim, a reação. O sal pulverizado aumenta a frequência entre as partículas e, consequentemente, a velocidade da reação. e) A pólvora age como um catalisador, diminuindo a energia de ativação total da reação química. O sólido triturado aumenta a superfície de contato. Isso favorece o número de colisões efetivas e aumenta a velocidade da reação. O catalisador aumenta a velocidade da reação ao diminuir a energia de ativação. O aumento de temperatura possibilita um aumento no número de colisões efetivas e, conse- quentemente, aumenta a velocidade da reação. A queima dos fogos de artifício é facilitada pelo uso de sais pulverizados que fornecem maior área de contato entre os reagentes e, consequentemente, maior número de colisões eficazes. A elevada temperatura favorece a frequência dos choques entre as partículas, aumentando a velocidade da reação. A pólvora é um dos reagentes da reação. 24 Volume 6 15. A água oxigenada é uma solução de peróxido de hidrogênio (H2O2) que sofre decomposição formando gás oxigênio (O2) e água (H2O). Essa solução é muito utilizada como descolorante de pelos e também na limpeza de ferimentos. Com base nessas informações, responda às questões a seguir. a) Qual é a equação química balanceada da reação de decomposição da água oxigenada? 2 H2O2(aq) O2(g) + 2 H2O(ℓ) b) Normalmente, esta(s) solução é vendida em frascos opacos. Justifique essa característica. O peróxido de hidrogênio sofre decomposição com mais rapidez na presença de catalisadores, como calor, luz e outros agentes químicos. Assim, para diminuir a velocidade desse processo, essa solução é vendida em frascos opacos. 16. (ESPCEX – SP) “Uma amostra de açúcar exposta ao oxigênio do ar pode demorar muito tempo para reagir. Entretanto, em nosso organismo, o açúcar é consumido em poucos segundos quando entra em contato com o oxigênio. Tal fato se deve à presença de enzimas que agem sobre as moléculas do açúcar, criando estruturas que reagem mais facilmente com o oxigênio...”. (Referência: adaptado de Usberco e Salvador,Química, vol 2, FTD, SP, pág 377, 2009.) Baseado no texto acima, a alternativa que justifica corretamente a ação química dessas enzimas é: a) As enzimas atuam como inibidoras da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do processo e, consequentemente, acelerarem a reação entre o açúcar e o oxigênio. b) As enzimas atuam como inibidoras da reação, por ocasionarem o aumento da energia de ativação do processo e, consequentemente, acelerarem a reação entre o açúcar e o oxigênio. c) As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem o aumento da energia de ativação do processo, fornecendo mais energia para a realização da reação entre o açúcar e o oxigênio. X d) As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do proces- so, provendo rotas alternativas de reação menos energéticas, acelerando a reação entre o açúcar e o oxigênio. e) As enzimas atuam como catalisadores da reação, por ocasionarem a diminuição da energia de ativação do proces- so ao inibirem a ação oxidante do oxigênio, desacelerando a reação entre o açúcar e o oxigênio. 17. (PUC-Rio – RJ) Para a reação entre duas substâncias moleculares em fase gasosa, considerando a teoria das colisões, o aumento da velocidade da reação causada pela presença de um catalisador é devido: a) ao aumento instantâneo da temperatura que acelera a agitação das moléculas. b) ao aumento da taxa de colisão entre os reagentes, porém preservando a energia necessária para que a colisão gere produtos. X c) à diminuição da energia de ativação para que a colisão entre as moléculas, no início da reação, gere produtos. d) ao aumento da energia de ativação que é a diferença entre a energia final dos reagentes e dos produtos. e) à diminuição da variação de entalpia da reação. 18. (UERJ) No preparo de pães e bolos, é comum o emprego de fermentos químicos, que agem liberando gás carbônico, responsável pelo crescimento da massa. Um dos principais compostos desses fermentos é o bicarbonato de sódio, que se decompõe sob a ação do calor, de acordo com a seguinte equação química: 2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) Considere o preparo de dois bolos com as mesmas quantidades de ingredientes e sob as mesmas condições, dife- rindo apenas na temperatura do forno: um foi cozido a 160 ºC e o outro a 220 ºC. Em ambos, todo o fermento foi consumido. As enzimas são exemplos de catalisadores que diminuem a energia de ativação da reação e aumentam sua velocidade. Nesse caso, a enzima acelera a reação entre o açúcar e o oxigênio. A presença de um catalisador causa a diminuição da energia de ativação – diferença entre a energia dos reagentes e a do complexo ativado – e não provoca variação de entalpia da reação. Química 25 O gráfico que relaciona a massa de CO2 formada em função do tempo de cozimento, em cada uma dessas tempera- turas de preparo, está apresentado em: a) b) c) X d) 19. Observe o gráfico. a b c d e f g A D B C I II III a) Quais etapas são exotérmicas? Justifique sua resposta. Etapas II e III, pois HP < HR. b) Qual segmento correspondente ao ΔH da etapa mais lenta? e – b c) Qual segmento correspondente à energia de ativação com maior velocidade? d – c d) Qual etapa determina a velocidade da reação? Justifique sua resposta. A etapa I determinaa velocidade da reação, pois corresponde à etapa lenta. 18. De acordo com o enunciado, os preparos dos dois bolos foram feitos com as mesmas quantidades de ingredientes, sob as mesmas condições e em ambos todo o fermento foi consumi- do. Portanto, a quantidade de CO2 formada foi igual nas duas temperaturas. Porém, quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação química. Logo, o bolo cozido a 220 oC apresenta um intervalo de tempo menor que o bolo cozido a 160 oC. 26 Volume 6 20. Considere este gráfico. 20 25 30 35 45 40 50 55 60 H (kcal) A + B C + D Desenvolvimento da reação ΔH I. Em relação à reação direta, determine: a) a variação de entalpia. ΔH = HP – HR ΔH = 20 – 45 ΔH = –25 kcal b) se o processo é exotérmico ou endotérmico. Justifique sua resposta. O processo é exotérmico, pois a energia dos reagentes é maior que a energia dos produtos. c) a energia de ativação na ausência de catalisador. Ea = 60 – 45 Ea = 15 kcal d) a energia de ativação na presença de catalisador. Ea = 50 – 45 Ea = 5 kcal e) a diferença entre a energia de ativação sem catalisador e com catalisador. ΔEa = 15 – 5 ΔEa = 10 kcal II. Em relação à reação inversa, determine: a) a variação de entalpia. ΔH = HP – HR ΔH = 45 – 20 ΔH = +25 kcal Química 27 b) se o processo é exotérmico ou endotérmico. Justifique sua resposta. O processo é endotérmico, pois a energia dos reagentes é menor que a energia dos produtos. c) a energia de ativação na ausência de catalisador. Ea = 60 – 20 Ea = 40 kcal d) a energia de ativação na presença de catalisador. Ea = 50 – 20 Ea = 30 kcal e) a diferença entre a energia de ativação sem catalisador e com catalisador. ΔEa = 40 – 30 ΔEa = 10 kcal 21. (PUCSP) Considere uma reação genérica em que os reagentes D e G transformam-se no produto J. A cinética dessa reação pode ser estudada a partir do gráfico a seguir que representa a entalpia de reagentes e produtos, bem como das espécies intermediárias formadas durante o processo. No gráfico, estão representados os caminhos da reação na presença e na ausência de catalisador. Um aluno ao analisar esse gráfico fez algumas afirmações a respeito da reação D + G J: I. z representa a variação de entalpia (ΔH) dessa reação. II. y representa a energia de ativação dessa reação na presença de catalisador. III. x + z representa a energia de ativação dessa reação na ausência de catalisador. IV. Essa reação corresponde a um processo endotérmico. Estão corretas apenas as afirmações X a) I e II. b) I e III. c) II e III. d) II e IV. e) I, III e IV. x + z representa a energia de ativa- ção da reação inversa na ausência de catalisador. Trata-se de uma reação exotérmica, já que a entalpia dos reagen- tes é maior que a dos produtos. (ΔH < 0). 28 Volume 6 22. (IME – RJ) O gráfico abaixo ilustra as variações de energia devido a uma reação química conduzida nas mesmas condições iniciais de temperatura, pressão, volume de reator e quantidades de reagentes em dois sistemas diferentes. Estes sistemas diferem apenas pela presença de catalisador. Com base no gráfico, é possível afirmar que: a) A curva 1 representa a reação catalisada, que ocorre com absorção de calor. b) A curva 2 representa a reação catalisada, que ocorre com absorção de calor. c) A curva 1 representa a reação catalisada com energia de ativação dada por E1 + E3. d) A curva 2 representa a reação não catalisada, que ocorre com liberação de calor e a sua energia de ativação é dada por E2 + E3. A curva 2 representa uma reação não catalisada, com energia de ativação indicada por E2. X e) A curva 1 representa a reação catalisada, que ocorre com liberação de calor e a sua energia de ativação é dada por E1. 23. (UEM – PR) Os conversores catalíticos automotores, baseados em ligas metálicas sólidas contendo ródio, paládio ou molibdênio, são dispositivos antipoluição existentes na maioria dos carros. Sua função é absorver moléculas de gases poluentes e, através de um processo chamado catálise, oxidar ou decompor esses gases, como mostra o exemplo abaixo. Para a reação global 2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g), na qual NO2 atmosférico é gerado a partir de NO expelido dos escapamentos de automóveis, é proposto o seguinte mecanismo, em duas etapas: 2 NO(g) N2O2(g) (etapa rápida) N2O2(g) + O2(g) 2 NO2(g) (etapa lenta) Considerando essas afirmações, assinale o que for correto. (01) A Lei de Velocidade da etapa lenta é igual a v = k [O2] [NO] 2. X (02) As reações das etapas rápida e lenta podem ser chamadas de reações bimoleculares. (04) A catálise descrita acima é um exemplo de catálise homogênea. (08) À temperatura e à concentração de NO(g) constantes, se a concentração de O2(g) duplicar, a reação global será 4 vezes mais rápida. Ao duplicar a concentração de O2, à temperatura e à concentração de N2O2(g) constantes, a velocidade de reação duplica. X (16) Sendo a Lei de Velocidade da etapa lenta, obtida experimentalmente, igual a v = k [N2O2] [O2], sua ordem de reação é igual a 2. A ordem de reação é igual à soma dos expoentes, portanto, igual a 2. A curva 1 representa a reação catalisada, que ocorre com liberação de calor. A curva 2 representa a reação não catalisada, que ocorre com liberação de calor. A curva 1 representa a reação catalisada, com energia de ativação indicada por E1. A Lei de Velocidade é determinada pela etapa lenta da reação e corresponde a: v = k ⋅ [N2O2] ⋅ [O2]. As reações são bimoleculares, pois apresentam dois mols de moléculas de reagentes. A catálise descrita é heterogênea, pois os reagentes e o catalisador apresentam estados físicos diferentes. Química 29 24. (VUNESP – SP) A oxidação do íon iodeto pelo peróxido de hidrogênio em meio ácido ocorre segundo a equação química balanceada: H2O2 + 3 I – + 2 H+ 2 H2O + (I3) –. Medidas de velocidade de reação indicaram que o processo é de primeira ordem em relação à concentração de cada um dos reagentes. a) Escreva a equação da velocidade da reação. v = k ⋅ [H2O2] ⋅ [I –] ⋅ [H+] b) Trata-se de uma reação elementar ou não elementar? Justifique. De acordo com as medidas de velocidade de reação e, consequentemente, da equação da velocidade da reação, trata-se de uma reação não elementar – ocorre em várias etapas. 25. (CEFET – PR) A reação: NO2 + CO CO2 + NO é de segunda ordem em relação ao NO2 e de ordem zero em relação ao CO. Em determinadas condições de pressão e temperatura, essa reação ocorre com velocidade v. Se triplicarmos a concentração de NO2 e duplicarmos a concentração de CO, qual será a nova velocidade da reação? v = k ⋅ [NO2] 2 ⋅ [CO]0 v = k ⋅ [3 NO2] 2 ⋅ [2 CO]0 v = k ⋅ [9 NO2] a velocidade será 9 vezes maior 26. (FGV – PR) Para otimizar as condições de um processo industrial que depende de uma reação de soluções aquosas de três diferentes reagentes para a formação de um produto, um engenheiro químico realizou um experimento que consistiu em uma série de reações nas mesmas condições de temperatura e agitação. Os resultados são apresenta- dos na tabela: Experimento Reagente A mol ∙ L–1 Reagente B mol ∙ L–1 Reagente C mol ∙ L–1 Velocidade da reação mol · L–1 · s–1 I x y z v II 2x y z 2v III x 2y z 4v IV x y 2z v Após a realização dos experimentos, o engenheiro pode concluir corretamente que a ordem global da reação estudada é igual a a) 1 b) 2 X c) 3 d) 4 e) 5 Com base nas informações da tabela, é possível afirmar que: • ao dobrar a concentração do reagente A, mantendo as demais concentrações constantes (experimentos I e II), a velocidade da reação também duplica. Portanto, a velocidade é proporcional à concentração de A, ou seja, é de primeira ordem ou de ordem 1. • ao dobrar a concentração do reagente B, mantendo as demais concentrações constantes (experimentos I e III), a velocidade da reação aumenta 4 vezes. Logo, a velocidade é proporcional ao quadrado da concentração de B, ou seja, é de segunda ordem ou de ordem2. • ao dobrar a concentração do reagente C, mantendo as demais concentrações constantes (experimentos I e IV), a velocidade da reação não se altera. Ou seja, o reagente C não participa da Lei da Velocidade da reação, sendo de ordem zero. Com as observações, conclui-se que a Lei da Velocidade será: v = k · [A] · [B]2, com ordem global igual a 3. 30 Volume 6
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