Questão 1

ITA 2019

Química

(ITA - 2019 - 2ª FASE)

Constantes

Constante de Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ mol^–1

Constante de Faraday (F) = 9,65 x 10⁴ C mol^–1 = 9,65 x 10⁴ A s mol^–1 = 9,65 x 10⁴ J V^–1 mol^–1

Volume molar de gás ideal = 22,4 L (CNTP)

Carga elementar = 1,60 x 10^–¹⁹ C

Constante dos gases (R) = 8,21 x 10^–2 atm L K^–1 mol^–1 = 8,31 J K^–1 mol^–1 = 1,98 cal K^–1 mol^–1

Constante gravitacional (g) = 9,81 m s^–2

Constante de Planck (h) = 6,63 x 10^–34 m² kg s^–1

Velocidade da luz no vácuo = 3,0 x 10⁸ m s^–1

Número de Euler (e) = 2,72

Definições

Pressão: 1 atm = 760 mmHg = 1,01325 x 10⁵ N m^–2 = 760 Torr = 1,01325 bar

Energia: 1 J = 1 N m = 1 kg m² s^–2 = 6,24 x 10¹⁸ eV

Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0º C e 760 mmHg

Condições ambientes: 25º C e 1 atm

Condições padrão: 1 bar; concentração das soluções = 1 mol L^–1 (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.

(s) = sólido. ( $ell$ ) = líquido. (g) = gás . (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias.

u.m.a. = unidade de massa atômica. [X] = concentração da espécie química X em mol L^–1

ln X = 2,3 log X

Massas Molares

Elemento Químico	Número Atômico	Massa Molar (g mol^–1)	Elemento Químico	Número Atômico	Massa Molar (g mol^–1)
H	1	1,01	K	19	39,10
Be	4	9,01	Ca	20	40,08
C	6	12,01	Mn	25	54,94
N	7	14,01	Se	34	78,96
O	8	16,00	l	53	126,90
Na	11	22,99	Ba	56	137,33
Cl	17	35,45

Considere reações de combustão do etanol.

a) Escreva a equação balanceada para a reação com oxigênio puro.

b) Escreva a equação balanceada para a reação com ar atmosférico.

c) Escreva a equação química balanceada para a reação com 50% da quantidade estequiométrica de ar atmosférico.

d) Classifique as reações dos itens a), b) e c) em ordem crescente de variação de entalpia reacional.

Gabarito:

Resolução:

a) O etanol possui fórmula molecular $mathrm{C_2H_5OH}$ . Portanto, sua combustão tem gás carbônico e água como produtos. Sua versão não-balanceada, com variação de entalpia $Delta H_a$ , está indicada abaixo.

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow CO_{2(g)}+H_2O_{(ell)}}$

Balanceando-se a reação, chega-se em:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+3O_{2(g)} ightarrow 2CO_{2(g)}+3H_2O_{(ell)}}$

b) 1 mol de ar atmosférico contém, aproximadamente, 0,8 mol de oxigênio e 0,2 mol de nitrogênio. Portanto, uma porção de ar que contiver 3 mols de oxigênio conterá:

$3 imes frac{0.8}{0.2}=12$

mols de nitrogênio. Como o nitrogênio é inerte nesta reação, a combustão do etanol com o ar atmosférico, possuindo variação de entalpia $Delta H_b$ , tem como equação:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+3O_{2(g)} + 12 N_2{(g)} ightarrow 2CO_{2(g)}+3H_2O_{(ell)}+ 12 N_2{(g)}}$

c) Do item anterior, percebemos que a quantidade estequiométrica do ar atmosférico é 15 mol. Portanto, 50% da quantidade estequiométrica é igual a 7,5 mol de ar atmosférico, o que equivale a 1,5 mol de oxigênio e 6 mols de nitrogênio. Teremos combustão incompleta. Vamos analisar, primeiramente, as reações formando $mathrm{CO_{(g)}}$ (gás carbônico) e $mathrm{C_{(s)}}$ (fuligem), de variações de entalpia $Delta H_{CO}$ e $Delta H_C$ , respectivamente:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+2O_{2(g)} ightarrow 2CO_{(g)}+3H_2O_{(ell)}}$

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow 2C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}}$

Sendo ambas reações acima oriundas da combustão incompleta, temos que $Delta H_{CO}<Delta H_a$ e $Delta H_{C}<Delta H_a$ .

Como a quantidade de oxigênio disponível para a reação é menor do que a quantidade necessária para formar apenas gás carbônico, e maior do que a quantidade necessária para formar apenas fuligem, ambos gás carbônico e fuligem serão produtos da reação.

Tomando as duas reações de combustão incompleta, e multiplicando ambas por 1/2, temos:

$mathrm{frac{1}{2}C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+frac{3}{2}H_2O_{(ell)}}$

$mathrm{frac{1}{2}C_2H_5OH_{(ell)}+frac{1}{2}O_{2(g)} ightarrow C_{(s)}+frac{3}{2}H_2O_{(ell)}}$

A variação de entalpia da primeira e segunda reações é $frac{Delta H_{CO}}{2}$ e $frac{Delta H_{C}}{2}$ , respectivamente.

Somando-se as duas reações, chegamos na reação;

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+frac{3}{2}O_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}}$ ,

que terá variação de entalpia $frac{Delta H_{CO}+ Delta H_{C}}{2}$ . Logo, a reação com o ar atmosférico é:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+frac{3}{2}O_{2(g)} + 6N_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}+6N_{2(g)}}$

d) Considerando que os produtos e os reagentes estão na mesma temperatura, temos $Delta H_a=Delta H_b$ , já que o nitrogênio não influencia na variação de entalpia. Considerando o valor absoluto de $Delta H$ , temos:

$|Delta H_{a}|=|Delta H_{b}|>|Delta H_{c}|$ , já que no item c) a combustão é incompleta.

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