Lista de Exercicios 03 -Segunda Lei da Termodinamica

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Lista de Exercícios 03 – Segunda Lei da Termodinâmica
1) Colocou-se um frasco grande de água em um aquecedor e 100 J de energia foram transferidos reversivelmente para a água em 25°C. Qual é a variação de entropia da água?
2) Calcule a variação de entropia de um grande bloco de gelo quando 50 J de energia, na forma de calor, são removidos reversivelmente, em uma geladeira a 0°C.
3) A temperatura de 1,0 mol de He aumenta de 25°C até 300°C, em pressão constante. Qual é a variação de entropia do hélio? Imagine comportamento ideal e use Cp,m = .
4) A temperatura de 5,5 g de aço inoxidável aumenta de 20°C até 100°C. Qual é a variação de entropia do aço inoxidável? O calor específico do aço inoxidável é 0,51 J.°C-1.g-1.
5) Calcule a variação de entropia quando o volume de 1,0 mol de qualquer gás perfeito for comprimido isotermicamente até a metade de seu volume inicial.
6) Calcule a variação de entropia quando a pressão de 1,50 mol de Ne aumenta isotermicamente de 5,0 bar até 20,0 bar. Considere o comportamento do gás ideal. 
7) Calcule a variação de entropia quando a pressão de 70,9 g de gás cloro aumenta isotermicamente de 3,0 kPa até 24,0 kPa. Imagine que o comportamento do gás é ideal.
8) Determine a mudança total na entropia para o seguinte processo, usando 1,0 mol de He:
He (298K; 1,5 atm) He (100K; 15,0 atm)
A capacidade calorífica molar do He é 20,78 J/mol.K. Admita que o hélio se comporte de modo ideal.
9) Suponha que 4,0 L de Ar e 2,50 L de He, ambos a 298K e 1,50 atm, foram misturados isotermicamente e isobaricamente. A mistura foi expandida para um volume final de 20,0 L, a 298K. Calcule a variação de entropia de cada etapa e do processo completo.
10) Qual é a entropia padrão de fusão da água no ponto de fusão normal? A entalpia de fusão da água é 6,01 kJ/mol.
11) Qual é a entropia padrão de vaporização da acetona no ponto de ebulição normal, 56,2°C? A entalpia de vaporização da acetona é 29,1 kJ/mol.
12) Qual a variação de entropia quando 10,0g de benzeno, C6H6, ferve reversivelmente no seu ponto de ebulição a 80,1°C e a uma pressão constante de 1,00 atm? O calor de vaporização do benzeno é 395 J/g.
13) Preveja qual substância apresenta a maior entropia e explique seu raciocínio.
(a) O2 (g) ou O3 (g)		(b) SnCℓ4 (ℓ) ou SnCℓ4 (g)
(c) 1,0 mol de Ar(g) em 1,0 atm ou 1,0 mol de Ar(g) a 2,0 atm
14) Calcule a variação de entropia da vizinhança quando 1,0 mol de NH3 (g) condensa em – 30°C. Considere a entalpia de vaporização da amônia sendo 23,4 kJ/mol.
15) Será que a formação do benzeno a partir de seus elementos na forma mais estável é espontânea, em 25°C?
6 C (s) + 3 H2 (g) C6H6 (ℓ)		ΔH° = + 49,0 kJ	ΔS° = - 253,18 J/K
16) Verifique se a combustão do magnésio é espontânea, em 25°C, em condições padrão.
2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)	ΔH° = - 1202 kJ	ΔS° = - 217 J/K
17) Calcule as variações de entropia padrão para os processos a seguir. Os cálculos concordam com as previsões?
(a) Dissolução de 1,00 mol de cloreto de amônio em água: NH4Cℓ (s) NH4Cℓ (aq).
(b) A formação de 2,0 mol de amônia a partir de nitrogênio e hidrogênio: N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g).
18) Um mol de ouro metálico é levado de 25°C a 100°C, a pressão constante, Cp (J.K-1.mol-1) = 23,7 + 0,00519 T. Calcule ∆S para essa transformação.
19) Classifique as reações como espontâneas ou não espontâneas. Caso o resultado seja depende da temperatura determine em qual temperatura torna o processo espontâneo.
	Reação
	ΔH (kJ)
	ΔS (J/K)
	(a) Fe2O3 (s) + 2 Aℓ (s) 2 Fe (s) + Aℓ2O3 (s)
	- 851,5
	- 375,2
	(b) N2 (g) + 2 O2 (g) 2 NO2 (g)
	+ 66,2
	- 121,6
20) Calcule a variação de energia livre padrão, ΔG°, para a formação de 2 mol de amônia a 25°C e indique se a reação é espontânea.
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
	
	N2 (g)
	H2 (g)
	NH3 (g)
	ΔH°f (kJ/mol)
	0
	0
	- 46,11
	S° (J/K.mol)
	191,61
	130,68
	192,45
21) Calcule a variação de energia livre do processo H2O (ℓ) H2O (g), em (a) 95°C, e (b) 105°C. A entalpia de vaporização é 40,7 kJ/mol e a entropia de vaporização é 109,1 J.K-1.mol-1. Indique, em cada caso, se a vaporização é espontânea ou não.
22) Calcule a energia livre padrão de formação de HI (g) em 25°C usando sua entropia padrão e sua entalpia padrão de formação.
½ H2 (g) + ½ I2 (s) HI (g)
23) Calcule a energia livre padrão de formação do NH3 (g) em 25°C, usando a entalpia de formação e as entropias molares das espécies envolvidas em sua formação.
1/2 N2 (g) + 3/2 H2 (g) NH3 (g)
24) Calcule a energia da reação abaixo utilizando a energia livre padrão de formação para as substâncias envolvidas.
4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g)
25) A reação entre o metal zinco e ácido clorídrico, em um sistema fechado, esta representada abaixo
Zn (s) + 2 HCℓ (aq) H2 (g) + ZnCℓ2 (aq)
Se as quantidades iniciais forem 100,0 g de zinco e 150 mL de HCℓ 2,25 mol/L, determine os valores máximo e mínimo possíveis de ξ para esta reação.
26) A seguinte reação é preparada com as quantidades iniciais de cada substância relacionadas abaixo:
 6 H2 + P4 4 PH3
10 mol 3 mol 3,5 mol
(a) Determine ξ se 1,5 mol de P4 reagem para formar o produto.
(b) Neste caso, é possível que ξ seja igual a 3? Por que sim ou por que não?
27) Determine ∆G°reação e ∆Greação para a reação abaixo a 25°C, use os valores de energia livre padrão de formação tabelados. As pressões parciais dos produtos e reagentes são dadas na equação química.
2 CO (0,650 bar) + O2 (34,0 bar) 2 CO2 (0,0250 bar)
28) A reação química balanceada da formação da amônia, a partir dos seus elementos constituintes, é
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
(a) Qual é o ∆G°reação para esta reação? (b) Qual é o ∆Greação para esta reação, se todas as espécies têm uma pressão parcial de 0,500 bar a 25°C? 
29) Dióxido de nitrogênio, NO2, dimeriza facilmente para formar tetróxido de nitrogênio, N2O4:
2 NO2 (g) N2O4 (g)
(a) Usando os dados tabelados, calcule ∆G°reação e K para este equilíbrio.
(b) Calcule ξ para este equilíbrio, se 1,0 mol de NO2 estivesse presente inicialmente e chegado ao equilíbrio com o dímero em um sistema com 20,0 L.
30) O iodo molecular se dissocia em iodo atômico a temperaturas relativamente moderadas. A 1000 K, para um sistema de 1,0 L que 6,0 x 10-3 mol de I2 presentes inicialmente, a pressão de equilíbrio final é 0,750 atm. Determine as quantidades de I2 e de I atômico no equilíbrio, calcule a constante de equilíbrio e determine ξ se o equilíbrio relevante for
I2 (g) 2 I (g)
Considere o comportamento de gás ideal nestas condições. Use atm como a unidade padrão de pressão.
31) Para uma reação cuja variação de entalpia padrão é – 100,0 kJ, que temperatura é necessária para duplicar a constante de equilíbrio a partir de seu valor de 298 K? Que temperatura é necessária para aumentar a constante de equilíbrio por um fator de 10? E se a mudança de entalpia padrão fosse – 20 kJ?
32) Suponha que você coletou 1,0 L de ar passando-o lentamente por água, em 20°C para um recipiente. Estime a massa de vapor de água no ar coletado, imaginando que o ar está saturado com água e que a pressão de vapor da água para nessa temperatura seja 17,5 Torr.
33) A pressão de vapor da acetona em 7,7°C é 13,3 kPa e a entalpia de vaporização é 29,1 kJ/mol. Estime o ponto de ebulição normal da acetona.
34) A pressão de vapor do metanol em 49°C é 400 Torr e a entalpia de vaporização é 35,3 kJ/mol. Estime o ponto de ebulição normal do metanol.
35) A pressão de vapor da amônia é 58 Torr em – 22,75°C, e 512 Torr em, 25°C. Calcule (a) a entalpia de vaporização e (b) o ponto de ebulição normal da amônia.
36) De acordo com o gráfico ao lado responda: 
(a) Qual a pressão de cada uma das substâncias em 60°C. 
(b) Qual o ponto de ebulição normal de cada substância.
(c) Qual das substâncias apresenta as forças intermoleculares mais intensas. Justifique sua resposta.
37) Use o diagrama de fase para predizer o estado de uma amostra de água nas seguintes condições:
(a) 3 atm, - 10°C
(b) 1 atm, 50°C
(c) 900 Pa, 90°C
38) O diagrama de fase do hélio é mostrado aolado.
(a) Qual é a temperatura máxima na qual o hélio-II pode existir?
(b) Qual é a pressão mínima na qual o hélio sólido pode existir?
(c) Qual é o ponto de ebulição normal do hélio-I?
(d) Será que o hélio sólido pode sublimar?
39) Use o diagrama de fase do dióxido de carbono para predizer o que aconteceria a uma amostra gasosa de CO2, em – 60°C e 1 atm, se sua pressão subisse até 73 atm mantendo a temperatura constante. Qual seria o estado físico final do dióxido de carbono?
40) Na altitude em que se encontra o Bear Lake, no Rocky Mountain National Park, nos Estados Unidos, 2900 m, a pressão parcial do oxigênio é 0,14 atm. Qual é a solubilidade molar do oxigênio no Bear Lake em 20°C? (kH = 1,3 x 10-3 mol.L-1.atm-1)
41) Calcule o número de mols de CO2 que se dissolverá em água para formar 900 mL de solução, em 20°C, se a pressão parcial de CO2 é 1,0 atm. (kH = 2,3 x 10-2 mol.L-1.atm-1)
42) O gás dióxido de carbono dissolvido em uma amostra de água em um recipiente parcialmente cheio e lacrado alcançou o equilíbrio com sua pressão parcial no ar que está acima da solução. Explique o que acontece à solubilidade do CO2 se (a) a pressão parcial de CO2 dobra por adição de mais CO2; (b) se a pressão total do gás sobre o líquido dobra por adição de nitrogênio.
43) A tabela abaixo traz a solubilidade do sulfato de potássio (K2SO4) por 100 g de água.
	Solubilidade
(g K2SO4/ 100g H2O)
	
7,35
	
9,22
	
11,11
	
12,97
	
14,76
	
16,50
	
18,17
	
19,75
	
21,40
	
22,80
	
24,10
	T (oC)
	0
	10
	20
	30
	40
	50
	60
	70
	80
	90
	100
a) Calcule a quantidade máxima de sulfato de potássio que se dissolve totalmente em 200 g de água a 80°C.
b) Calcule a quantidade mínima de água, a 50°C, necessária para dissolver totalmente 66 g de sulfato de potássio. 
c) Calcule a massa de sulfato de potássio existente em 368,4 g de solução aquosa saturada a 90°C. 
d) Calcule a massa de sulfato de que precipita ao baixarmos para 0°C a temperatura de uma solução aquosa desse sal contendo 90,85 g do sulfato de potássio dissolvidos em 0,7 kg de água a 60°C.
e) Calcule a massa de sulfato de potássio que, ainda é possível dissolver totalmente se aumentarmos para 100°C a temperatura de uma solução aquosa saturada de massa 407,75 g a 50°C.
44) Responda os itens abaixo com base no gráfico ao lado onde constam as curvas de solubilidade de diversas substâncias em g/100g de H2O.
a) Quais substâncias que sofrem dissolução endotérmica ao entrarem em contato com a água?
b) Quais substâncias que sofrem dissolução exotérmica ao entrarem em contato com a água?
c) Dentre as substâncias que sofrem dissolução endotérmica, qual possui a maior e a menor solubilidade no intervalo de temperatura de 10°C a 20°C. 
45) Com base no gráfico acima, discuta as afirmações abaixo, dizendo se são corretas ou incorretas.
(a) Se dissolvermos 150 g de NH4Cℓ em 300 g de água, a 30°C, obteremos uma solução saturada, sobrando 30 g de sal não-dissolvido.
(b) 50 g de KNO3 saturam 200 g de água a 20°C.
(c) Se 20 g de Ce2(SO4)3 forem dissolvidos em 100 g de H2O gelada, quando a solução for aquecida acima de 20°C o sal começará a precipitar.
46) Calcule a pressão de vapor da água, em 90°C, em uma solução preparada pela dissolução de 5 g de glicose (C6H12O6) em 100 g de água. A pressão de vapor da água pura, em 90°C, é 524 Torr.
47) Calcule a pressão de vapor do etanol em kPa, em 19°C, para uma solução preparada pela dissolução de 2 g de cinamaldeído, C9H8O, em 50 g de etanol, C2H5OH. A pressão de vapor do etanol puro nessa temperatura é 5,3 kPa.
48) (a) Calcule a pressão de vapor de uma solução 2,5% em massa de etilenoglicol em água, HOC2H4OH, em 0°C (p° = 4,58 Torr). (b) Qual é a pressão de vapor de 0,155 mol/kg de hidróxido de sódio aquoso em 80°C (p° = 355,26 Torr). (c) Determine a mudança na pressão de vapor da água quando 5,95 g de uréia, CO(NH2)2, dissolve-se em 100 g de água, em 10°C (p° = 9,21 Torr).
49) Quando 8,05 g de um composto X, desconhecido, foi dissolvido em 100 g de benzeno, a pressão de vapor do benzeno diminui de 100 Torr para 94,8 Torr, em 26°C. Quais são (a) a fração molar e (b) a massa molar de X?
50) Determine em que temperatura congela uma solução 0,05 mol/kg do inseticida malation em cânfora sendo kc = 39,7 K.kg.mol-1 e seu ponto de congelamento 179,8°C.
51) O grau de ionização do ácido clorídrico, em determinada concentração e temperatura, é de 90%. Estime o fator de van’t Hoff para essa solução.
52) Estime os pontos de ebulição normais das soluções aquosas de (a) 0,10 mol/kg de C12H22O11; (b) 0,22 mol/kg de NaCℓ; (c) solução saturada de LiF, em 100°C, a solubilidade de LiF é 230 mg/100 g de água, a 100°C. Considere que os compostos iônicos sofrem dissociação completa e que ke = 0,51 K.kg.mol-1 para a água.
53) (a) Qual é o ponto de ebulição normal de uma solução em água cuja pressão de vapor é 751 Torr, em 100°C? (b) Determine o ponto de ebulição normal de uma solução de benzeno cuja pressão de vapor é 740 Torr, em 80,1°C, o ponto de ebulição normal do benzeno puro.
54) Uma amostra de 1,05 g de um composto molecular é dissolvido em 100 g de CCℓ4. O ponto de ebulição normal da solução é 61,51°C e o ponto de ebulição normal do CCℓ4 é 61,20°C. Qual é a massa molar do composto?
55) Uma solução que contem 1,14 g de uma substância molecular dissolvida em 100 g de cânfora congela em 176,9°C. Qual é a massa molar da substância? Para a cânfora kc = 39,7 K.kg.mol-1 e seu ponto de congelamento 179,8°C.
56) Determine o ponto de congelamento de uma solução em água de 0,10 mol/kg de um eletrólito fraco que esta 7,5% dissociado em dois íons.
57) Qual é a pressão osmótica de uma solução 0,12 mol/L de sacarose em 298 K?
58) A pressão osmótica de 3,0 g de poliestireno dissolvido no benzeno necessário para produzir 150 mL de solução foi 1,21 kPa, em 25°C. Calcule a massa molar média da amostra de poliestireno.
59) Qual é a pressão osmótica, em 20°C, de (a) 0,01 mol/L de C12H22O11; (b) 1,0 mol/L de HCℓ; (c) 0,01 mol/L de CaCℓ2?
60) A catalase, uma enzima do fígado, é solúvel em água. A pressão osmótica de 10,0 mL de uma solução que contem 0,166 g de catalase é 1,2 Torr em 20°C. Qual é a massa molar da catalase.
61) Determine a aw de azeitonas em salmoura que tem 81% de umidade e 4% de cloreto de sódio. Considere o comportamento da solução como ideal.
62) Estime a atividade de água de um suco de tangerina concentrado com 65,27% de sólidos totais. Destes sólidos 52,55% é sacarose (C12H22O11), 25,33% é frutose (C6H12O6), 13,48% é glicose (C6H12O6) e 8,63% é ácido cítrico (C6H8O7).
Gabarito
1) + 0,336 J.K-1						2) - 0,18 J/K
3) + 13,6 J/K	4) + 0,68 J/K
5) – 5,76 J/K	6) – 17,3 J/K
7) – 17,3 J/K	8) – 41,8 J/K	
9) ΔSmis = 2,2 J/K; ΔSexp = 3,72 J/K; ΔS = 5,92 J/K	10) + 22,0 J.K-1.mol-1
11) 88,3 J.K-1.mol-1	12) + 11,2 J/K
13) (a) O3(g); (b) SnCℓ4(g); (c) Ar(g) em 1,0 atm	14) +96,3 J/K
15) + 124,49 kJ, não espontânea	16) G = - 1137,3 kJ, reação espontânea	
17) (a) 75,3 J/K; (b) – 198,1 J/K	18) 5,71 J.K-1
19) (a) Espontânea quando T < 2269°C; (b) Não espontânea.
20) – 32,80 kJ, reação espontânea.	
21) (a) + 0,6 kJ/mol, não espontânea; (b) - 0,5 kJ/mol, espontânea.
22) + 1,69 kJ/mol.		23) – 16,5 kJ/mol.
24) – 959,42 kJ/mol.		25) ξ = 0 (mínimo), ξ = 0,169 mol (máximo).
26) (a) ξ = 1,5 mol; (b) Não, neste caso H2 irá atuar como reagente limitante e ξ = 1,66 mol.
27) ∆G°reação = - 514,38 kJ; ∆Greação = - 539,26 kJ		28) ∆G°reação = - 32,8 kJ; ∆Greação = - 29,4 kJ	
29) (a) ΔG°reação = - 4,73 kJ, K = 6,74; (b) ξ = 0,393
30) 2,86 x 10-3 mol I2; 6,28 x 10-3 mol I; K = 1,13; ξ = 0,00314 mol.
31) Uma queda de 5 K na temperatura, até 293 K, aumenta K por um fator de 2. Diminuindo a temperatura até 282 K, uma queda de 16 K, aumenta K por um fator de 10. Para ∆H = - 20 kJ, as temperaturas são, respectivamente, 274 K e 232 K.
32) 0,017 g.		33) 62,3°C.	
34) 67°C.		35) (a) + 28,3 kJ/mol; (b) 36°C.
36) (a) H2O, 171 mmHg; CCℓ4, 523 mmHg; CHCℓ3, 900 mmHg; (b) H2O, 100°C; CCℓ4, 72°C; CHCℓ3, 58°C; (c) H2O, a justificativa é com vocês.
37) (a) sólido; (b) líquido; (c) vapor.38) (a) 2,4 K; (b) 10 atm; (c) 5,5 K; (d) não.
39) sólido.		40) 1,8 x 10-4 mol/L.	
41) 0,0207 mol.
42) (a) a concentração de CO2 dobra; (b) nenhuma alteração ocorre.
43) (a) 42,8 g; (b) 400 g; (c) 68,4 g; (d) 39,4 g; (e) 26,6 g.
44) (a) NaNO3; KNO3; NH4Cℓ; NaCℓ; (b) Ce2(SO4)3; (c) NaNO3 (maior), KNO3 (menor).
45) (a) correta; (b) incorreta; (c) correta.		46) 521 Torr.	
47) 5,2 kPa.		48) (a) 4,55 Torr; (b) 354,3 Torr; (c) 0,17 Torr.
49) (a) 0,052; (b) 115 g/mol.		50) 177,8°C.	
51) i = 1,9.		52) (a) 100,051°C; (b) 100,22°C; (c) 100,090°C.
53) (a) 100,34°C; (b) 81°C.		54) 170 g/mol.	
55) 160 g/mol.		56) – 0,20°C.
57) 2,93 atm.		58) 41 kg/mol.	
59) (a) 0,24 atm; (b) 48 atm; (c) 0,72 atm.	60) 2,5 x 105 g/mol.	
61) 0,985.	62) 0,877.