química EQUILÍBRIO QUÍMICO Lista de Exercícios EXTENSIVO - MANHÃ 1. (Ita) A constante de equilíbrio da reação H 2 O(g) + Cl 2 O(g) = 2HOCl(g).

Transcrição

1 EXTENSIVO - MANHÃ química EQUILÍBRIO QUÍMICO Lista de Exercícios 1. (Ita) A constante de equilíbrio da reação H 2 O(g) + Cl 2 O(g) = 2HOCl(g). a 25 C, é Kc = Kp = 0,0900. Recipientes fechados numerados de I até IV, e mantidos na temperatura de 25 C, contêm somente as três espécies químicas gasosas envolvidas na reação anterior. Imediatamente após cada recipiente ter sido fechado. as pressões e/ou as quantidades de cada uma destas substâncias, em cada um dos recipientes, são: I) 5mmHg de H 2 O(g); 400mmHg de Cl 2 O(g) e 10mmHg de HOCl(g). II) 10mmHg de H 2 O(g); 200mmHg de Cl 2 O(g) e 10mmHg de NOCl(g) III) 1,0mol de H 2 O(g); 0,080mols (sic) de Cl 2 O(g) e 0,0080mols de HOCl(g). IV) 0,50mols de H 2 O; 0,0010mols de Cl 2 O(g) e 0,20mols de HOCl(g). Pode-se afirmar que: As misturas gasosas dos recipientes I e II não estão em equilíbrio químico e as reações avançam no sentido da direita para a esquerda. CERTO ou ERRADO? Justifique. 2. (Ufrj) Observe a reação química: 2NO 2 (g) = N 2 O 4 (g) [reagente] [produto] O gráfico concentração versus tempo a seguir apresenta alterações na concentração das substâncias NO 2 e N 2 O 4 a pressão constante. O diagrama auxiliar de temperatura versus tempo permite analisar a dinâmica da reação apresentada; observe que a reação se dá a uma temperatura de 80 C no intervalo de tempo de t 0, a t 4 e de 120 C entre t 5 e t 6. a) Calcule a constante de equilíbrio (K C ) da reação a 80 C.

2 b) Analisando o comportamento do sistema entre t 4 e t 5, explique por que a reação química representada é exotérmica. 3. (Unicamp) Íons como Cu 2+, Fe 3+ e Fe 2+, presentes em certos alimentos, como por exemplo maionese, podem causar a sua deterioração através da formação de peróxidos. Para evitar este problema, em alguns alimentos industrializados pode ser adicionada uma substância que complexa (reage com) estes íons, impedindo a sua ação. Esta substância, genericamente conhecida como "EDTA", é adicionada na forma de seu sal de sódio e cálcio. A reação que ocorre entre os íons "indesejáveis" e o "EDTA" adicionado pode ser representada pela equação: Ca EDTA 2- + Me n+ = Me EDTA n-4 + Ca 2+ Os valores dos logaritmos das constantes de equilíbrio para as reações de complexação desses íons com EDTA são: a) Qual dos íons Me n+ será removido com mais eficiência? Justifique. b) Escreva a equação química que representa a reação entre CaEDTA 2- e o íon escolhido no item a da questão. 4. (Ufc) Considere a seguinte mistura em equilíbrio: 3H 2(g) +N 2(g)! 2NH 3(g) com as seguintes pressões parciais: PH 2 = 0,01 atm, PN 2 = 0,001 atm, PNH 3 = 0,004 atm. a) Calcule a constante de equilíbrio em função das pressões parciais, K p, para essa reação. b) Considere que após 5 minutos do equilíbrio ser atingido, é adicionado H 2 (g), de modo que sua pressão parcial é elevada para 0,10 atm. Desenhe um gráfico, mostrando o perfil qualitativo das pressões parciais de todas as espécies presentes em função do tempo. 5. (Fuvest) Na produção de hidrogênio por via petroquímica, sobram traços de CO e CO 2 nesse gás, o que impede sua aplicação em hidrogenações catalíticas, uma vez que CO é veneno de catalisador. Usando-se o próprio hidrogênio, essas impurezas são removidas, sendo transformadas em CH 4 e H 2 O. Essas reações ocorrem a temperaturas elevadas, em que reagentes e produtos são gasosos, chegando a um equilíbrio de constante KI no caso do CO e a um equilíbrio de constante KII no caso do CO 2. O gráfico traz a variação dessas constantes com a temperatura.

3 a) Num experimento de laboratório, realizado a 460 C, as pressões parciais de CO, H 2, CH 4 e H 2 O, eram, respectivamente, atm; 2 atm; 0,4 atm; e 0,4 atm. Verifique se o equilíbrio químico foi alcançado. Explique. b) As transformações de CO e CO 2 em CH 4 mais H 2 O são exotérmicas ou endotérmicas? Justifique sua resposta. c) Em qual das duas transformações, na de CO ou na de CO 2, o calor desprendido ou absorvido é maior? Explique, em termos do módulo da quantidade de calor ( Q ) envolvida. 6. (Fuvest 2014) Algumas gotas de um indicador de ph foram adicionadas a uma solução aquosa saturada de CO 2, a qual ficou vermelha. Dessa solução, 5 ml foram transferidos para uma seringa, cuja extremidade foi vedada com uma tampa (Figura I). Em seguida, o êmbolo da seringa foi puxado até a marca de 50 ml e travado nessa posição, observando se liberação de muitas bolhas dentro da seringa e mudança da cor da solução para laranja (Figura II). A tampa e a trava foram então removidas, e o êmbolo foi empurrado de modo a expulsar totalmente a fase gasosa, mas não o líquido (Figura III). Finalmente, a tampa foi recolocada na extremidade da seringa (Figura IV) e o êmbolo foi novamente puxado para a marca de 50 ml e travado (Figura V). Observou se, nessa situação, a liberação de poucas bolhas, e a solução ficou amarela. Considere que a temperatura do sistema permaneceu constante ao longo de todo o experimento. a) Explique, incluindo em sua resposta as equações químicas adequadas, por que a solução aquosa inicial, saturada de CO 2, ficou vermelha na presença do indicador de ph. b) Por que a coloração da solução mudou de vermelho para laranja ao final da Etapa 1? c) A pressão da fase gasosa no interior da seringa, nas situações ilustradas pelas figuras II e V, é a mesma? Justifique. 7. (Ufpr 2011) O trióxido de dinitrogênio é um líquido de cor azul bastante intenso, formado pela associação de óxido nítrico e dióxido de nitrogênio, conforme a seguinte reação de equilíbrio: NO( g) +NO 2 ( g)! N 2 O 3 ( I) A formação do trióxido de dinitrogênio é favorecida em temperaturas inferiores a -21 ºC. Num sistema fechado de volume constante, à pressão de 1 atm e à temperatura de 298 K, há uma mistura de NO e NO 2, cujas frações molares são 0,4 e 0,6, respectivamente. O sistema foi resfriado com uma mistura de acetona e gelo seco até a

4 temperatura de 196 K. Nessa condição, praticamente todo óxido nítrico reage com dióxido de nitrogênio presente. O dióxido de nitrogênio em excesso também reage, formando tetróxido de dinitrogênio, um gás incolor, conforme a reação abaixo. Pode-se considerar que esse equilíbrio é deslocado totalmente no sentido do produto na temperatura da mistura acetona/gelo seco empregada. 2NO 2 ( g)! N 2 O 4 g ( ) Nas condições descritas acima, calcule qual a pressão do sistema a 196 K. Admita que o volume de trióxido de dinitrogênio é desprezível em comparação com o volume do sistema. Dado: R = L.atm.K 1.mol (Fatec 2013) A produção de alimentos para a população mundial necessita de quantidades de fertilizantes em grande escala, sendo que muitos deles se podem obter a partir do amoníaco. Fritz Haber ( ), na procura de soluções para a otimização do processo, descobre o efeito do ferro como catalisador, baixando a energia de ativação da reação. Carl Bosch ( ), engenheiro químico e colega de Haber, trabalhando nos limites da tecnologia no início do século XX, desenha o processo industrial catalítico de altas pressões e altas temperaturas, ainda hoje utilizado como único meio de produção de amoníaco e conhecido por processo de Haber-Bosch. Controlar as condições que afetam os diferentes equilíbrios que constituem o processo de formação destes e de outros produtos, otimizando a sua rentabilidade, é um dos objetivos da Ciência/Química e da Tecnologia para o desenvolvimento da sociedade. (nautilus.fis.uc.pt/spf/dte/pdfs/fisica_quimica_a_11_homol.pdf Acesso em: ) Considere a reação de formação da amônia N ( g ) 3H ( g ) 2NH ( g) e o gráfico, que mostra a influência conjunta da pressão e da temperatura no seu rendimento. A análise do gráfico permite concluir, corretamente, que a) a reação de formação da amônia é endotérmica. b) o rendimento da reação, a 300 atm, é maior a 600 C. c) a constante de equilíbrio ( K c ) não depende da temperatura. d) a constante de equilíbrio ( K c ) é maior a 400 C do que a 500 C. e) a reação de formação da amônia é favorecida pela diminuição da pressão. 9. (Ibmecrj 2013) Num recipiente fechado, de volume constante, hidrogênio gasoso reage com excesso de carbono sólido, formando gás metano, como descrito na equação: C(s) + 2H2(g) CH4(g) Essa reação foi realizada em duas temperaturas, 800 a 900 K e, em ambos os casos, a concentração de metano foi monitorada, desde o inicio do processo, até certo tempo após o equilíbrio ter sido atingido. O gráfico apresenta os resultados desse experimento:

5 Após as informações, foram feitas algumas considerações. Assinale a alternativa que indica considerações corretas: I. A adição de mais carbono, após o sistema atingir o equilíbrio, favorece a formação de mais gás metano. II. A reação de formação do metano é exotérmica. III. O número de moléculas de metano formadas é o mesmo de moléculas de hidrogênio consumidas na reação. IV. O resfriamento do sistema em equilíbrio de 900 K para 800 K provoca uma diminuição da concentração de metano. a) I b) II c) I e II d) II e III e) III

6 Gabarito: Resposta da questão 1: Cálculo da relação das pressões (Qp) e das concentrações (Qc), dos recipientes I e II Recipiente I: Qp = P 2 HOCl / P H 2 O. P Cl 2 O = = (10 mmhg) 2 / (5 mmhg) (400 mmhg) = = 100 / 2000 = 0,05 Recipiente II: Qp = P 2 HOCl / P H 2 O. P Cl 2 O = = (10 mmhg) 2 / (10 mmhg) (200 mmhg) = = 100 / 2000 = 0,05 A afirmativa está errada pois as misturas gasosas não estão em equilíbrio (Qp Kp e Qc Kc) e o deslocamento ocorre da esquerda para a direita (Qp < Kp e Qc < Kc). Resposta da questão 2: a) K C = 2,2 b) A reação é exotérmica porque, quando ocorre uma elevação da temperatura (entre t 4 e t 5 ), observa-se a diminuição da concentração de produto (N 2 O 4 ), mostrando que o equilíbrio é deslocado no sentido da formação do reagente (NO 2 ). Resposta da questão 3: a) A partir da equação fornecida no texto que representa o equilíbrio químico, teremos: 2- n+ n-4 2+ Ca EDTA + Me = Me EDTA + Ca K n-4 2+ [Me EDTA ][Ca ] = [Ca EDTA ][Me ] eq 2- n+ Para que o íon n Me + seja retirado com maior eficiência, o equilíbrio deverá ser deslocado para a direita, ou seja: n-4 2+ [Me EDTA ][Ca ] K = 2- n+ [Ca EDTA ][Me ] A partir da tabela fornecida obtemos os valores das constantes de equilíbrio: logkeq = x x 10 = K n+ eq Me logk K eq eq 2+ 14,4 Fe 14, ,8 Cu 18, ,1 Fe 25,1 10 A maior constante de equilíbrio maior facilidade. 25,1 eq = pertence a presença do cátion (K 10 ) 3 Fe +, logo este será removido com b) Teremos: Ca EDTA 2- + Me n+! Me EDTA n-4 + Ca 2+ Ca EDTA 2- + Fe 3+! Fe EDTA 1- + Ca 2+ Resposta da questão 4:

7 a) Teremos: 2 p 2 NH3 (0,004) Kp = = = = 1,6 10 atm 3 3 ph p N (0,01) (0,001) 2 2 b) Observe o gráfico a seguir: Resposta da questão 5: a) A 460 C para KI = 500 atm -2, teremos: 3H 2 (g) + CO(g) = CH 4 (g) + H 2 O(g) QI = (P(CH 4 ) x P(H 2 O))/((P(H 2 )) 3 x P(CO)) QI = (0,4 x 0,4) / ((2 3 ) x 4 x 10-5 ) = 0,5 x 10 3 = 500 atm 2. Conclusão: QI = KI = 500 atm -2. O equilíbrio foi alcançado. b) São transformações exotérmicas, pois, de acordo com o gráfico, com a elevação da temperatura os valores de KI e de KII diminuem, ou seja, os produtos se formam em menor quantidade. c) Numa dada temperatura, de acordo com o gráfico, KI > KII. Isto significa que a variação de temperatura influencia mais o valor de KI do que o valor de KII. Ou seja, a reação I é mais exotérmica do que a reação II, logo, o calor liberado na reação I é maior do que o calor liberado na reação II. Então QI > QII. Conclusão, a reação I libera maior quantidade de calor. Resposta da questão 6: a) Equações químicas adequadas: CO 2 (g)! CO 2 (aq) CO 2 (aq) +H 2 O(l)! H 2 CO 3 (aq)! H + (aq) +HCO 3 (aq) De acordo com a reação química descrita pela equação acima se percebe que o meio fica ácido. De acordo com o enunciado a solução ficou vermelha, isto significa que houve saturação, ou seja, que o ph é inferior a 4,5 (vide tabela). b) No final da etapa I se observou a liberação de muitas bolhas de gás carbônico, isto significa que o equilíbrio foi deslocado para a esquerda e que a concentração de íons H + diminui: CO 2(g) CO 2(aq) esquerda + CO 2(aq) + H2O( l ) H2CO 3(aq) H (aq) + HCO 3 (aq) esquerda esquerda Consequentemente o ph aumenta e supera 4,5. A solução muda da coloração vermelha para laranja. c) Foram feitas as seguintes observações: Etapa 1: liberação de bolhas de gás carbônico e a solução ficou laranja. Etapa 4: houve liberação de poucas bolhas e a solução ficou amarela. Conclui-se que a pressão da fase gasosa no interior da seringa, nas situações ilustradas pelas figuras II e V, não é a mesma:

8 P { V = nco R{ T P { V = nco R{ T CO2 CO2 CO2 cons tante cons tante n = k P n = k P n = k P Resposta da questão 7: Teremos: NO + NO É N O 2 2 cons tante cons tante ( g) 2( g) 2 3( l ) 0,4 0,6 0 (início) 0,4 0,4 + 0,4 (durante) 0 0,2 + 0,4 (final) 2NO É N O 2( g) 2 4( g) 0,2 0 (início) 0,2 0,1 (durante) 0 0,1 (final) Então, Pi Vi ni R T = i P V n R T f f f f 1 V 1 R 298 = P V 0,1 R 196 f P = 0,0657 = 0,066 atm f Resposta da questão 8: [D] A constante de equilíbrio K 2 [NH 3 ] c = 3 [N 2][H 2] é maior a 400 C do que a 500 C, conforme o gráfico demonstra. Resposta da questão 9: [B]

9 A reação de formação do metano é exotérmica, pois, verifica-se pelo gráfico que a concentração de metano é maior a 800 K do que a 900 K: