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FÍSICO - QUÍMICA – IME & ITA – CINÉTICA QUÍMICA – PROF. GRILLO 1 Questão 01 – (OBQ) Obtém-se uma reta quando, para uma reação A → B, de primeira ordem constrói-se um gráfico de: a) ln [A] versus t b) ln [A] versus 1/t c) [A] versus t d) [A] versus 1/t e) 1/[A] versus t Questão 02 – (OQRJ) Uma reação qualquer tem a velocidade equacionada por v = k.[A].[B]. Pode-se afirmar que a constante de velocidade k de reações químicas não depende de: a) Temperatura; b) Energia de Ativação; c) Energia cinética das moléculas; d) Pressão; e) Presença do catalisador. Questão 03 – (ITA) A equação 2A + B → PRODUTOS representa uma determinada reação química que ocorre no estado gasoso. A lei de velocidade para esta reação depende da concentração de cada um dos reagentes, e a ordem parcial desta reação em relação a cada um dos reagentes é igual aos respectivos coeficientes estequiométricos. Seja v1 a velocidade da reação quando a pressão parcial de A e B é igual a pA e pB, respectivamente, e v2 a velocidade da reação quando essas pressões parciais são triplicadas. A opção que fornece o valor CORRETO da razão v2 /v1 é: a) 1 b) 3 c) 9 d) 27 e) 81 Gabarito: Calculando a concentração em função da pressão parcial, temos: p.V = n.R.T p = n/V .RT p = [ ]RT p/RT = [ ] (mol/L). A lei de velocidades para esta reação será: v = k . [A]2.[B] = k 3 BAB 2 A )RT( p.p.k RT p . RT p Portanto: 3 B 2 A 1 )RT( p.p.k v para pressões parciais pA e pB. 3 B 2 A 2 )RT( p3.)p3.(k v para pressões parciais triplicadas. Logo: 27 )RT( p.p.k )RT( p.p.k.27 v v 3 B 2 A 3 B 2 A 1 2 . Questão 04 – (IME) Considere a seguinte reação: 2A + B C. A partir dos dados fornecidos na tabela abaixo, calcule a constante de velocidade da reação e o valor da concentração X. Considere que as ordens de reação em relação aos reagentes são iguais aos respectivos coeficientes estequiométricos. Teste [A] (mol/L) [B] (mol/L) Velocidade da reação (mol/L.s) 1 10 X v 2 X 20 2v 3 15 30 13.500 Gabarito: Como as ordens de reação são iguais aos coeficientes estequiométricos da reação química (Reação elementar), temos: 12 BAKV . Determinação da constante cinética através do teste 3: Substituindo dados do teste três, temos: 13500 = 3015k 2 2k . 122 smolL . Determinação da concentração X: Substituindo os dados dos testes 2 e 3, temos: (1) 12 X102V (2) 2 20X2 V20X2V2 2 12 Igualando as equações 1 e 2: 2 20X2 X102 2 2 LmolX X X /10 202 2102 22 . Questão 05 - (IME) A reação em fase gasosa: aA + bB cC + dD foi estudada em diferentes condições, tendo sido obtidos os seguintes resultados experimentais: Concentração inicial (mol.L-1) Velocidade inicial (mol.L- 1.h-1) [A] [B] 1 x 10-3 2 x 10-3 2 x 10-3 1 x 10-3 1 x 10-3 2 x 10-3 3 x 10-5 12 x 10-5 48 x 10-5 A partir dos dados acima, determine a constante de velocidade da reação. Gabarito: Determinação da ordem de reação em relação ao reagente A: 2ª = 4 → a = 2. Determinação da ordem de reação em relação ao reagente B: 2b = 4 → b = 2. Determinação da ordem de reação global da reação: a + b = 2 + 2 = 4. Equação da velocidade: v = k.[A]2.[B]2 ³./³.103 .)/102.()/102.(./1048 ].[].[ 7 23235 22 molhLxk LmolxLmolxkhLmolx BAkv Questão 06 - (OLIMPÍADA BRASILEIRA DE QUÍMICA) Na reação abaixo, ocorre a transferência de um átomo de oxigênio do NO2 para o CO: CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g). Esta reação foi estudada a 267°C obtendo-se os seguintes dados: A partir destes dados determine: a) A expressão da velocidade; Resposta: v = k.[CO].[NO2] b) A ordem de reação em relação a cada reagente; Resposta: A ordem de reação de cada reagente é igual a 1. c) Calcule a constante de velocidade, expressando-a com suas unidades. Resposta: k = 3,22 x 10-2 L. mol-1.min.-1. 2 Questão 07 - (IME) Uma mistura gasosa ideal de propano e ar é queimada a pressão constante, gerando 720 litros de CO2 por hora, medidos a 20°C. Sabe-se que o propano e ar encontram-se em proporção estequiométrica. Determine a velocidade média de reação da mistura em relação ao ar considerando a composição do ar 21% de O2 e 79% de N2, em volume. Gabarito: - Reação de combustão completa do propano: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O - Determinação do número de mol de gás nitrogênio: Observe que na reação há 5 mol de oxigênio, com isso podemos relacionar a seguinte proporção estequiométrica: 5 mol de O2 --------------- 21% X mol de N2 -------------- 79% X = 18,81 mol de N2. - Reação de combustão completa do propano na presença de ar: C3H8 + 5 O2 + 18,81 N2→ 18,81 N2 + 3 CO2 + 4 H2O - Determinação da velocidade média do ar a partir do gás carbônico: Através da estequiometria, temos: (5 mol de O2 + 18,81 N2) ----------------------- 3 mol de CO2 Velocidade média de ar ------------------------ 720 L/h Var = 5714,28 L/h de ar. Resposta: 5714,4 L/h de ar. Questão 08 – (SIMULADO) Considere a combustão completa do gás butano. Caso haja um consumo de 4,0 mols de butano a cada 20 minutos de reação, o número de mols de dióxido de carbono produzido em 1 hora será: a) 16 mols/h b) 5 mols/h c) 48 mols/h d) 8 mols/h e) 4 mols/h Gabarito: - Reação de combustão do gás butano: C4H10 + O2(g) → CO2(g) + H2O(g). - Cálculo da velocidade média de consumo do gás butano: Vm = - d[C4H10]/dt = - 4,0 mol/20/60 h = - 12,0 mol/h. - Cálculo da velocidade média de formação do gás carbônico: C4H10 + 9/2 O2(g) → 4 CO2(g) + H2O(g) 1 mol de C4H10 --------------------- 4 mol de CO2(g) 12,0 mol/h --------------------------- VCO2 Velocidade de formação de CO2 = 48,0 mol/h. Questão 09 – (SIMULADO) Para a reação 4 NH3(g) + 3 O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(g), foi observado que num determinado instante, produzia-se nitrogênio a uma velocidade de 0,68 mol/litro.segundo. a) a que velocidade formava-se a água? b) a que velocidade consumia-se a amônia? c) a que velocidade o oxigênio reagiu? Gabarito: Vr = velocidade da reação Vr = - 1/4 x d[NH3]/dt = - 1/3 x d[O2]/dt = + ½ d[N2]/dt = + 1/6 d[H2O]/dt a) Velocidade da água = ½ x 0,68 x 6 = 2,04 mol/L.s; b) Velocidade da amônia = ½ x 0,68 x 4 = 1,36 mol/L.s; c) Velocidade do oxigênio = ½ x 0,68 x 3 = 1,02 mol/L.s. Questão 10 – (SIMULADO) O óxido nítrico reage com hidrogênio, produzindo nitrogênio e vapor de água de acordo com a seguinte reação química: 2 NO(g) + 2 H2(g) → N2(g) + 2 H2O(g) Acredita-se que esta reação ocorre em duas etapas: 2 NO(g) + 2 H2(g) → N2O(g) + 2 H2O(g) (LENTA) N2O(g) + 2 H2O(g) → N2(g) + H2O(g) (RÁPIDA) De acordo com esse mecanismo, o que acontece com a velocidade da reação se as concentrações de NO e H2 forem dobradas? a) dobra b) triplica c) Aumenta em quatro vezes d) Aumenta em oito vezes e) Aumenta em 16 vezes Questão 11 – Considere a equação química genérica representada por: 2 A + B → ½ C + D + 2E. É correto afirmar que a velocidade de formação de: a) E é igual a velocidade de desaparecimento de B; b) D é igual a velocidade de desaparecimento de A; c) C é igual a velocidade de desaparecimento de B; d) C é igual a velocidade de desaparecimento de A; e) D é igual a velocidade de desaparecimento de B. Questão 12 – (ITA) Considere a reação representada pela equação química 3A(g) + 2B(g) → 4E(g). Esta reação ocorre em várias etapas, sendo que a etapa mais lenta corresponde à reação representada pela seguinte equação química: A(g) + C(g) → D(g). A velocidade inicial desta última reação pode ser expressa por 5,0 mols/L.s. Qual é a velocidade inicial da reação (mols/L.s) em relação à espécie E? a) 3,8 b) 5,0 c) 6,7 d) 20 e) 60 Questão 13 – (IME) No estudo da cinética da reação: 2 NO(g) + H2(g) → N2O(g) + H2O(g), à temperatura de 700°C,foram obtidos os dados constantes da tabela abaixo: Pede-se: a) a ordem global da reação; b) a constante de velocidade nessa temperatura. Gabarito: Determinação da ordem de reação em relação ao reagente NO: (1/2)ª = 1/4 → a = 2. Determinação da ordem de reação em relação ao reagente H2: (1/2)b = 1/2 → b = 1. Determinação da ordem de reação global da reação: a + b = 2 + 1 = 3. Equação da velocidade: v = k.[NO]2.[ H2]1 ./.384,0 .)/01,0.()/025,0.(./1040,2 ].[].[ 212 126 1 2 2 molhsLk LmolLmolksLmolx HNOkv Questão 14 - (SIMULADO ELITE IME) A decomposição do N2O4 é uma reação de primeira ordem que tem um k igual a 4,50 x 103 /s e uma energia de ativação 58 kJ/mol. Determine a temperatura em que o valor da velocidade específica seria 1,0 x 104 s-1. Dados: ln (4,5) = 1,5; ln (10) = 2,30. Questão 15 – (OQ-RJ) A reação (CH3)3COH + Br- (CH3)3CBr + OH- ocorre segundo as etapas: (CH3)3COH (CH3)3C+ + OH- (Etapa lenta) (CH3)3C+ + Br- (CH3)3CBr (Etapa rápida) A lei de velocidade da reação pode ser dada por: a) 3 3v K (CH ) COH Br b) 3 3v K (CH ) COH c) 3 3v K (CH ) CBr OH d) 3 3v K (CH ) C OH e) 3 3v K (CH ) C Br 3 Questão 16 – (OQ-RJ) No estudo da cinética da reação a uma temperatura de 700°C entre o óxido nítrico e o gás hidrogênio formando óxido nitroso e água foram obtidos os dados constantes na tabela abaixo: A ordem global para esta reação é: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 Questão 17 – (IME) A decomposição do aldeído acético ocorre segundo a reação representada por: CH3CHO(g) CH4(g) + CO(g). A velocidade inicial da reação foi medida na mesma temperatura para duas concentrações do aldeído, fornecendo os resultados abaixo: [CH3CHO] (mol.L-1) Velocidade da reação (mol/L.s) 0,10 0,020 0,20 0,081 Determine a constante de velocidade e a ordem dessa reação. Resposta: Ordem de reação: 2 e k = 2,0 L/mol.s. Questão 18 – (IME) Qual foi a contribuição de ARRHENIUS para o entendimento da cinética das reações químicas? Resposta: A velocidade de uma reação química é dependente da temperatura, uma vez que a constante cinética é dependente diretamente da temperatura – k = f(T). É regido através da seguinte da equação: ln (k1/k2) = Ea/R (1/T1 – 1/T2). Questão 19 – (ITA) O cloreto de sulfurila, SO2Cl2, no estado gasoso, decompõe-se nos gases cloro e dióxido de enxofre em uma reação química de primeira ordem (análogo ao decaimento radioativo). Quantas horas demorará para que ocorra a decomposição de 87,5% de SO2Cl2 a 320oC? Dados: constante de velocidade da reação de decomposição (a 320oC) = 2,20 x 10-5 s-1; ln (0,50) = - 0,693. a) 1,58 b) 8,75 c) 11,1 d) 26,3 e) 52,5 Questão 20 – (Simulado – Elite) Considerando a reação química (balanceada) onde 0,04 mol/L reagem com o excesso de Y: X + Y → W + Z, e sabendo que: os reagentes reagem na proporção estequiométrica de 1:1; a constante de velocidade nas condições do experimento é igual a 0,60 L.mol-1.min-1; a reação é de segunda ordem em relação a X e de segunda ordem total. O tempo aproximado, em minutos, necessários para a concentração de X reduzir-se a metade é: a) 1,7 b) 25 c) 41,7 d) 12,5 e) 0,85 Questão 21 – (IME) Em 1889. O químico sueco August Svante Arrhenius demonstrou que, para uma reação com energia de ativação constante Ea, a variação da velocidade específica, k, com a temperatura é expressa pela equação: Ea - RTk=Ae onde A é o fator de freqüência , R é a constante universal dos gases, e é a base dos logaritmos neperianos e T é a temperatura kelvin. Certa reação obedece a uma lei velocidade onde os valores de k são 0,00001 e 0,00010 L.mol–1 s–1, a 312,50 K e 357,14 K, respectivamente. Usando essas informações, calcule: a) a ordem da reação e b) a temperatura na qual a reação é 10 vezes mais lenta que a 312,50 K. Dado: R= 2,0000 cal. K.–1.mol–1 Questão 22 – (SIMULADO) Cloreto de sulfurila, SO2Cl2, se decompõe em fase gasosa, produzindo gás cloro e gás dióxido de enxofre. A concentração do SO2Cl2, foi acompanhada em uma experiência e verificou-se que o gráfico do ln de [SO2Cl2] contra o tempo é linear e que, em 240 segundos, a concentração caiu de 0,400 mol/L para 0,280 mol/L. a) qual a constante de velocidade da reação SO2Cl2 ((g) → SO2 (g) + Cl2 (g) ? b) qual a meia-vida da reação? c) Qual a diferença entre velocidade média e velocidade instantânea de uma reação? Questão 23 – (IFRJ) A reação de decomposição do pentóxido de dinitrogênio possui uma constante de velocidade a 25,0oC igual a 3,38 x 10-4.s-1. Considerando que a equação que representa a reação é 2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g), a) Calcule o tempo de meia vida do N2O5; b) Construa um gráfico qualitativo, do qual se pode extrair o valor da constante. Questão 24 – (EXERCÍCIO ELITE) Uma reação elementar do tipo A + B → P foi realizada a uma temperatura de 25oC com concentrações iniciais iguais a dos dois reagentes de 0,01 mol/L e obteve-se uma constante cinética, k = 0,08 (unidade). a) Qual a ordem da reação? b) Qual a unidade da velocidade específica? c) Calcule o tempo de meia-vida da reação. Questão 25 – (EXERCÍCIO ELITE) A pirólise do etano se efetua com uma energia de ativação mais ou menos igual a 314 KJ. Quantas vezes a reação será mais rápida a 650ºC do que a 500oC? Questão 26 – (IME) Para a reação A + B → C foram realizadas três experimentos, conforme a tabela abaixo: Experimento [A](mol/L) [B](mol/L) Velocidade de Reação (mol/L.min) I 0,10 0,10 2,0 x 10-3 II 0,20 0,20 8,0 x 10-3 III 0,10 0,20 4,0 x 10-3 Determine: a) a lei de velocidade da reação acima; Resposta: v = k.[A].[B] b) a constante de velocidade; Resposta: v k = 0,20 mol/L.min; c) a velocidade de formação de C quando as concentrações de A e B forem ambas 0,50M. Resposta: [C] = 0,050 mol/L.min. 4 Questão 27 – Uma reação, ½ A + B C + ½ D, tem a seguinte expressão de taxa: BAA CCr 5,02 a) Qual o valor e a unidade da constante cinética? Resposta: Levando em conta que a taxa apresenta uma unidade equivalente a mol/L.s e que a concentração seja de mol/L, temos:mol/L.s = k. mol0,5/L0,5 x mol/L → k = L0,5 / mol0,5.s. b) Qual seria a expressão de taxa se a reação fosse escrita da seguinte forma, A + 2B 2C + D? Resposta: A equação da taxa seria a mesma, pois a ordem de reação é medida experimentalmente, e não através dos coeficientes estequiométricos. Questão 28 – A taxa de reação de ordem zero: a) aumenta com o consumo de reagente. b) Depende da concentração dos produtos. c) decresce com o consumo dos reagentes. d) é independente da temperatura. e) é independente da concentração dos reagentes e produtos. Gabarito: Considerando que a ordem de reação apresenta uma ordem de reação nula, a equação da velocidade cinética será a seguinte: v = k.[A]0 = k. Para este caso específico, em que a ordem de reação é nula, a velocidade é independente da concentração dos reagentes de uma reação química. Alternativa E. Questão 29 – Quando a reação, A → B + C, é estudada, o gráfico 1/CA vs. tempo gera uma linha reta com tangente positiva. Qual é a ordem de reação? Questão 30 – (OLIMPÍADA BRASILEIRA DE QUÍMICA) Moléculas de butadieno podem acoplar para formar C8H12. A expressão da velocidade para esta reação é v = k.[C4H6]², e a constante de velocidade estimada é 0,014 L/mol.s. Se a concentração inicial de C4H6 é 0,016 mol/L, o tempo em segundos, que deverá passar para que a concentração decaia para 0,0016 mol/L, será da ordem de: a) 10-2 b) 10-1 c) 102 d) 103 e) 104 Questão 31 – (OQ - ARGENTINA) I – A decomposição do N2O5 (em NO2 e O2) é uma reação de primeira ordem e a 35oC o valor de suaconstante de velocidade (k) é 0,0086 min-1. a) Calcule o tempo de meia-vida; b) Se partimos de 4,0 mol de N2O5 e foram transcorridos 321,6 minutos desde o início de a reação de decomposição, calcule a quantidade de N2O5 que fica sem se decompor ao fim desse período de tempo. II – Por sua vez, a decomposição do NO2 pode ser representada pela equação: 2 NO2(g) → 2 NO(g) + O2(g), e para esta, k = 4,87 x 10- 3mol/L.s a 65oC e a energia de ativação tem um valor de 1,039 x 105 J/mol. Tendo em conta esta informação: c) Indique qual é a ordem total da reação de decomposição do NO2; d) Calcule a constante de velocidade da reação a 100oC. Questão 32 – (OLIMPÍADA BRASILEIRA DE QUÍMICA) Para a reação: 2NO(g) + Cl2(g) → 2 NOCl(g). A equação de velocidade é dada por v = k[NO]².[Cl2]. Se as concentrações de NO e Cl2, no início desta reação são, ambas iguais a 0,020 mol.dm-³, então, a velocidade desta reação, quando a concentração de NO houver diminuído para 0,01 mol/dm³ será igual a: a) 1,0 x 10-4 k b) 1,5 x 10-4 k c) 5,0 x 10-4 k d) 1,5 x 10-6 k e) 5,0 x 10-6 k Questão 33 - Os dados experimentais abaixo foram coletados no estudo cinético da reação não balanceada: A + B + C produtos. [A] mol.L-1 [B] mol.L-1 [C] mol.L-1 Velocidade mol.L-1min-1 1 3100,1 3100,2 3100,2 2100,4 2 3100,2 3100,2 3100,2 2100,4 3 3100,1 3100,4 3100,2 2100,8 4 3100,1 3100,2 3100,1 2100,1 a) Determine a expressão geral da lei de velocidade da reação. b) Calcule a constante cinética da reação com sua respectiva unidade. c) Calcule por que fator fica multiplicado a velocidade da reação quando se reduz o volume do reator à metade, em temperatura constante. Gabarito: a) v = k.[B].[C]2. b) 2332 )102(102k104 33 11 9 2 Lmol minLmol 108 104 k 1226 minLmol100,5k c) Se o volume do reator é reduzido à metade, as concentrações dobram. Logo, a velocidade fica multiplicada por um fator 8. Questão 34 – (ITA) Uma certa reação química é representada pela equação: 2 A(g) + 2 B(g) → C(g), onde A, B e C significam as espécies químicas que são colocadas para reagir. Verificou-se experimentalmente numa certa temperatura que a velocidade desta reação quadruplica com a duplicação da concentração da espécie A, mas não depende das concentrações das espécies B e C. Assinale a opção que contém, respectivamente, a expressão correta da velocidade e o valor correto da ordem da reação. a) v = k.[A]².[B]² e 4; b) v = k.[A]².[B]² e 3; c) v = k.[A]².[B]² e 2; d) v = k.[A]² e 4; e) v = k.[A]² e 2. Questão 35 – Uma amostra de álcool queima (combustão completa) 230 g de etanol por minuto. Determine todas as velocidades de consumo e de formação em mol/h. Resposta: Vetanol = 300 mol/h; VO2 = - 900 mol/h; VCO2 = + 600 mol/h e VH2O = + 900 mol/h. Questão 36 – Uma fábrica de amônia opera através de processo de Haber-Bosch. N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g). Se é desejada a produção de 1,02 kg de amônia por minuto, qual a velocidade de consumo do hidrogênio em mol/h. Resposta: VH2 = - 5400 mol/h. Questão 37 – (GRILLO) Considere uma reação que esteja envolvido o cloreto alumínio (1:3) e o gás amoníaco. Sabendo que a constante cinética do referido processo apresenta um valor igual a 2,20 x 10-5.s- 1, a 320oC e sendo que ocorreu 87,50% de decomposição do reagente estudado, determine: a) o tempo que irá ocorrer a decomposição do referido reagente; b) o tempo de meia-vida; c) como provar que o produto resultante apresenta estrutura nanométrica. Dado: ln (0,50) = -0,693. Questão 38 – (GRILLO) Considere uma reação de combustão incompleta do hidrocarboneto CαHβ. Sabendo que a composição do ar é de 20,90% de O2 e 78,10% de N2 e que a velocidade do referido hidrocarbonetoseja de 17,0 g.s-1. Determine a velocidade de decomposição do ar. Dado: volume do reator do qual é processado a reação = 1,0 litro. 5 Questão 39 – (IME 1980/1981) Suponha que um apostador inveterado de loteria, jogando diariamente, jamais consegue ganhar, embora utilize processos complicados de análise combinatória. O que ele perde é proporcional ao que possui, e leva um mês para reduzir a 30% seu capital. Considere que ele possua, atualmente, R$ 5.000,00 e que se disponha a perder, no máximo, R$ 4.000,00. Utilizando seus conhecimentos de cinética, apresente uma equação química que possua descrever o problema e determine o tempo necessário para que o jogador perca a quantia reservada. Resposta: ln (Cinicial/Catual) = k.tempo; t = 40 dias. Questão 40 – (IME 1981/1982) Com base nos dados de Variação da concentração com o tempo, obtidos em laboratório, para a reação 2A → B + C foi levantado o gráfico abaixo. Valendo-se, exclusivamente, de métodos gráficos, pode-se determinar a velocidade específica como sendo k = 2,0 s-1. a) Diga a ordem da reação; Resposta: primeira ordem. b) Descreva o método utilizado. Questão 40 – (IME 1980/1981) Para determinar a ordem da reação homogênea, 2A + B → 2C + D, em relação aos reagentes, colocamos para reagir 1,00 x 10-2 moles de A e 10,0 moles de B, obtendo-se os dados de concentração em função do tempo. Proponha uma expressão para a velocidade de reação, considerando as condições indicadas acima. Justifique sua proposição e calcule a velocidade específica da reação. Resposta: v = 12,30.[A]². Concentração de A Tempo (mol.L-1) (segundo) 0,008 2 0,004 12,5 0,002 32,5
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