Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti

Variação de entalpia (ΔH) de uma transformação

Quadro: Estrutura e aplicações do grafeno

1. O carbono é um elemento classificado como não metal, e seus átomos estão ligados entre si por ligações covalentes. Substâncias com ligações covalentes geralmente não são boas condutoras de eletricidade. Já o cobre é um elemento classificado como metal, e seus átomos estão ligados entre si por ligações metálicas. Substâncias com ligações metálicas geralmente são boas condutoras de eletricidade. O fato de um material com ligações covalentes ter uma condutibilidade elétrica maior que um material com ligações metálicas é surpreendente para os cientistas por contrariar uma regra geral.

2. Segundo o texto, a possibilidade do uso de grafeno para armazenamento de energia deve-se à sua grande área por unidade de massa, ou seja, a leveza do grafeno, que segundo o infográfico é de 0,77 mg/m².

3. De acordo com o texto, baterias produzidas a partir de grafeno poderiam ser desenvolvidas para serem usadas em carros elétricos, o que diminuiria o uso de combustíveis fósseis, como a gasolina e o diesel, cuja queima é responsável pelo aumento do teor de gás carbônico na atmosfera, um dos principais fatores associados ao aquecimento global.

Questões para fechamento do tema

1. a) N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) ΔH = −92 kJ

b) CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) ΔH = +180 kJ

c) C₄H₁₀(g) + O₂(g) → 4 CO₂(g) + 5 H₂O(l) ΔH = −2.878 kJ

d) 2 C_grafite(s) + H₂(g) ⇌ C₂H₂(g) ΔH ≅ +227 kJ

2. H₂(g) + O₂(g) → H₂O(l) ΔH ≅ −286 kJ



3. Para a formação do HNO₃ são necessárias substâncias simples constituídas por hidrogênio (H₂), nitrogênio (N₂) e oxigênio (O₂). Assim, tem-se:

H₂(g) + N₂(g) + O₂(g) ⇌ HNO₃(l)

Calculando a variação de entalpia para 1 mol de HNO₃, tem-se:

0,20 mol HNO₃ _______ 34,8 kJ

1 mol HNO₃ _______ x

x = 174 kJ

Como se trata de uma reação exotérmica, a variação de entalpia (ΔH) será negativa. Assim, tem-se:

H₂(g) + N₂(g) + O₂(g) ⇌ HNO₃(l) ΔH = −174 kJ

4. A variação de entalpia da forma (b) é a que libera menos energia; logo, trata-se da forma mais estável e mais abundante.

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5.

Combustível	Massa molar (g/mol)	Massa de combustível queimado (g)	Variação de entalpia de combustão (kJ/mol)	Energia liberada (kJ)
Propano (C3H8)	44	22	−2.220	1.110
Butano (C4H10)	58	290	−2.878	14.390
Metanol (CH4O)	32	6,4	−726	145,2

Propano:

44 g propano _______ 2.220 kJ

x _______ 1.000 kJ

x ≅ 19,82 g de propano

44 g propano _______ 132 g CO₂ (3 mol)

19,82 g propano _______ y

y = 59,46 g de CO₂

Butano:

58 g butano _______ 2.878 kJ

x _______ 1.000 kJ

x ≅ 20,15 g de butano

58 g butano _______ 176 g CO₂ (4 mol)

20,15 g butano _______ y

y ≅ 61,14 g de CO₂

Metanol:

32 g metanol _______ 726 kJ

x _______ 1.000 kJ

x ≅ 44,08 g de metanol

32 g metanol _______ 44 g CO₂ (1 mol)

44,08 g metanol _______ y

y = 60,61 g de CO₂

Portanto, o butano libera maior massa de CO₂ para produzir 1.000 kJ de energia.

6. a) Por causa da variação de entalpia positiva, a bolsa causará resfriamento do local, pois a dissolução do sal é endotérmica, e o calor será retirado da região do corpo em que ela for aplicada.

b) A massa molar do sal é igual a 101 g/mol. Assim, tem-se:

101 g KNO₃ _______ 34,89 kJ

5 g KNO₃ _______ x

x ≅ 1,727 kJ ou 1.727 J

Q = m ⋅ c ⋅ ΔT

1.727 J = 100 g ⋅ 4,18 J/g ⋅ °C ⋅ ΔT

ΔT ≅ 4,1 °C

Como há absorção de calor na dissolução do sal, a temperatura final da água será:

20 °C − 4,1 °C = 15,9 °C

7. É economicamente mais vantajoso encher o tanque com gasolina, pois:

Preço do combustível	Energia liberada na queima de 1 L de combustível	Preço por cada 100.000 kJ
Gasolina: R$ 2,50/L	35.688 kJ	R$ 7,00
Etanol: R$ 1,90/L	23.464 kJ	R$ 8,10

Quando o valor do litro do etanol ultrapassa 70% do valor do litro da gasolina (0,7 ⋅ R$ 2,50 = R$ 1,75 < R$ 1,90), o uso do etanol passa a ser menos vantajoso. Observa-se que o preço de cada 100.000 kJ obtidos a partir do etanol está cerca de 12% maior que o da gasolina.

8. a) Analisando a densidade de energia calculada, percebe-se que a energia liberada na queima de 1 g de gasolina (48 kJ/g) é bem superior à energia liberada na queima de 1 g de metanol (22,7 kJ/g). Assim, considerando que os carros da Fórmula 1 e os da Fórmula Indy têm o mesmo desempenho, a gasolina mostra-se um combustível mais eficiente energeticamente.

b) A gasolina pura tem densidade de energia de ≅ 48 kJ/g. Uma mistura de 10% de MTBE à gasolina causaria uma diminuição na densidade de energia do combustível, pois o MTBE possui densidade de energia de 38,3 kJ/g, um valor menor que o da gasolina. A densidade de energia de uma gasolina com 10% de MTBE pode ser calculada por meio de uma média ponderada:

Densidade de energia =

Densidade de energia = 47,03 kJ/g, ou seja, um valor menor que os 48 kJ/g da gasolina pura.

9. Alternativa (d).

Tema 3

Calculando a variação de entalpia (ΔH) de uma reação a partir das entalpias de formação e pela lei de Hess

Questões para fechamento do tema

1. Como a entalpia é uma função de estado, somente os estados inicial e final são relevantes para os cálculos. Assim, representando a transformação por:

3 O₂(g) → 2 O₃(g), tem-se:

ΔH = 2 ⋅ (+143 kJ) − 3 ⋅ (0)

ΔH = +286 kJ

3 mol O₂ _______ +286 kJ

1 mol O₂ _______ x

x = +95,3 kJ/mol

2. A combustão completa do propano produz dióxido de carbono e água, segundo a equação balanceada:

C₃H₈(g) + 5 O₂(g) → 3 CO₂(g) + 4 H₂O(l)

Considerando a entalpia de formação do gás oxigênio igual a zero, tem-se:

ΔH = [3 ⋅ (−394 kJ) + 4 ⋅ (−286 kJ)] − [−104 kJ]

ΔH = −1.182 kJ − 1.144 kJ + 104 kJ

ΔH = −2.222 kJ

Considerando que a combustão incompleta do propano produz monóxido de carbono e água, tem-se a seguinte equação balanceada:

C₃H₈(g) + O₂(g) → 3 CO(g) + 4 H₂O(l)

Considerando a entalpia de formação do gás oxigênio igual a zero, tem-se:

ΔH = [3 ⋅ (−111 kJ) + 4 ⋅ (−286 kJ)] − [−104 kJ/mol]

ΔH = −333 kJ − 1.144 kJ + 104 kJ

ΔH = −1.373 kJ

Comparando a energia liberada nos dois processos:

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2.222 kJ _______ 100%

1.373 kJ _______ x

x = 61,8%

100% − 61,8% = 38,2%. Logo, a produção de energia por meio da combustão incompleta é quase 40% menor.

3. Balanceando a equação, tem-se:

Mg(s) + 2 H₂O(l) ⇌ Mg(OH)₂(s) + H₂(g)

Calculando a variação de entalpia a partir das entalpias de formação de reagentes e produtos e considerando as entalpias de formação do Mg(s) e do H₂(g) iguais a zero, tem-se:

ΔH = [−925 kJ] − [2 ⋅ (−286 kJ)]

ΔH = −925 kJ + 572 kJ

ΔH = −353 kJ

Uma variação de entalpia negativa indica que a reação libera calor. Por isso, a reação pode ser utilizada para a produção de uma bolsa quente.

4. Duas estratégias podem ser empregadas. Por meio de uma tabela com as variações de entalpia padrão de formação, contendo os dados para os dois óxidos, ou por meio da medida das entalpias padrão de combustão dos dois metais, aplicando-se a lei de Hess.

5. Deve-se rearranjar as equações de modo que sua soma global resulte na equação de formação da ureia a partir de amônia e gás carbônico:

Equação	Ação	Equação	Variação de entalpia
1ª	Inverter	2 NH3(g) → N2(g) + 3 H2(g)	ΔH = +92 kJ
2ª	Multiplicar por três	3 H2(g) + O2(g) → 3 H2O(l)	ΔH = −858 kJ
3ª	Inverter	CO2(g) + 2 H2O(l) + N2(g) → CO(NH2)2(s) + O2(g)	ΔH = +632 kJ
Equação global		2 NH3(g) + CO2(g) → CO(NH2)2(s) + H2O(l)	ΔH = −134 kJ

A variação de entalpia dessa reação é de −134 kJ.

6. Pode-se identificar no gráfico a reação indicada e sua entalpia (ΔH₃):



FERNANDO JOSÉ FERREIRA

Observa-se que ΔH₃ corresponde à soma de ΔH₁ e ΔH₂. Portanto, a variação de entalpia dessa reação é de −310,68 kJ.

Tema 4

Cálculo da variação de entalpia (ΔH) a partir das energias de ligação

Questões para fechamento do tema

1. As ligações rompidas são: H – H e O ═ O. As ligações formadas são: O –H. Como é uma combustão, espera-se que o valor de entalpia calculado seja negativo, pois trata-se de uma reação exotérmica.

2. Haverá maior variação de energia na reação que envolve o iodo e o cloro (reação IV), pois nela há maior diferença entre as energias de ligação rompidas (C– I = 238 kJ/mol e H– Cl = 431 kJ/mol) e as energias de ligações formadas (C– Cl = −338 kJ/mol e H –I = −299 kJ/mol).

Ao fazer os cálculos utilizando as energias das ligações rompidas e formadas para as quatro reações, tem-se os seguintes resultados:

I. (−484 kJ/mol − 431 kJ/mol) + (338 kJ/mol + 565 kJ/mol) = −12 kJ/mol

II. (−338 kJ/mol − 366 kJ/mol) + (276 kJ/mol + 431 kJ/mol) = +3 kJ/mol

III. (−276 kJ/mol − 299 kJ/mol) + (238 kJ/mol + 366 kJ/mol) = +29 kJ/mol

IV. (−338 kJ/mol − 299 kJ/mol) + (238 kJ/mol + 431 kJ/mol) = +32 kJ/mol
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3. a) O valor de 879 kJ refere-se à transformação 2 H₂(g) → 4 H(g), que corresponde à quebra de dois mols de ligações H –H. Logo, a energia da ligação H–H é 439,5 kJ/mol.

b) Utilizando a lei de Hess, tem-se:

C(g) + 2 H₂(g) ⇌ + ΔH = −712 kJ

+ ⇌ CH₄(g) ΔH = −83,7 kJ

C(g) + 2 H₂(g) ⇌ CH₄(g) ΔH = −795,7 kJ

c) O ΔH da reação do CH₄(g) decompondo-se em C(g) + 4 H(g) é igual a quatro vezes a entalpia da ligação C–H. Segundo o gráfico, o sinal desse ΔH é positivo e seu valor em módulo é igual a: 879 kJ + 712 kJ + 83,7 kJ = 1.674,7 kJ.

Assim, a entalpia da ligação C–H é igual a ₌ = 418,7KJ.

4. Alternativa (d).

5. a) A energia da ligação tripla das moléculas de N₂ é uma das maiores que existe, valendo 944 kJ/mol, em média.

b) Reagentes: gás nitrogênio = 944 kJ; gás hidrogênio = 3 ⋅ (436 kJ)

Soma: 944 kJ + 1.308 kJ = +2.252 kJ

Produtos: gás amônia: 2 ⋅3 ⋅ (−388 kJ) = −2.328 kJ

ΔH = −2.328 kJ + 2.252 kJ = −76 kJ

Exercícios finais

1. Alternativa (b).

2. Alternativa (c).

3. Cálculo da energia gasta nos 40 minutos de caminhada:

3 kcal/kg ⋅ 70 kg = 210 kcal

60 min caminhada _______ 210 kcal

40 min caminhada _______ x

x = 140 kcal = 585,76 kJ

Cálculo da massa de chocolate necessária:

1 g chocolate _______ 22 kJ

y _______ 585,76 kJ

y ≅ 26,6 g

Esse valor é aproximadamente da quantidade de chocolate ingerida.

4. Primeiro experimento: CaCl₂

Massa molar = 40 g/mol + 2 ⋅ 35,5 g/mol = 111 g/mol

Q = m ⋅ c ⋅ ∆T

Q = 100 g ⋅ 4,184 J/g ⋅ °C ⋅ 70 °C

Q = 29.288 J ≅ 29,29 kJ

40 g CaCl₂ _______ 29,29 kJ

111 g CaCl₂ _______ x

x ≅ 81,28 kJ

Portanto, houve a liberação de aproximadamente 81,28 kJ/mol de CaCl₂ dissolvido.

Segundo experimento: NH₄NO₃

Massa molar = 14 g/mol + 4 g/mol + 14 g/mol + 48 g/mol = 80 g/mol

Q = m ⋅ c ⋅ ∆T

Q = 100 g ⋅ 4,184 J/g ⋅ ⋅ °C ⋅ 20 °C

Q = 8.368 J ≅ 8,37 kJ

30 g NH₄NO₃ _______ 8,37 kJ

80 g NH₄NO₃ _______ y

y ≅ 22,3 kJ

Portanto, houve a absorção de aproximadamente 22,3 kJ/mol de NH₄NO₃ dissolvido.

5. Alternativa (b).

6. Alternativa (d).

7. Alternativa (b).

8. Alternativa (e).

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9. a) C₆H₄(OH)₂(aq) + H₂O₂(aq) ⇌ C₆H₄O₂(aq) + 2 H₂O(l)

b)

I. C₆H₄(OH)₂(aq) ⇌ C₆H₄O₂(aq) + ΔH° = +177 kJ

II. H₂O₂(aq) ⇌ H₂O(l) + ΔH° = −94,65 kJ

III. + → H₂O(l) ΔH° = −286 kJ

C₆H₄(OH)₂(aq) + H₂O₂(aq) C₆H₄O₂(aq) + 2 H₂O(l) ΔH° = −203,65 kJ/mol

c) Massa molar C₆H₄(OH)₂: 6 ⋅ 12 g/mol + 6 ⋅ 1 g/mol + 2 ⋅ 16 g/mol = 110 g/mol

Massa de hidroquinona: 200 mg ou 0,2 g

110 g hidroquinona _______ 203,65 kJ

0,2 g hidroquinona _______ x

x ≅ 0,37 kJ ou 370 J

370 J _______ 30 descargas

y _______ 1 descarga

y ≅ 12,3 J

10. X = 0, pois são substâncias simples na forma alotrópica mais estável.

Z = +396 kJ, pois como X tem valor igual a zero, a variação de entalpia da reação (ΔH) será igual à diferença entre a entalpia dos produtos (0 kJ) e a dos reagentes (−396 kJ).

Y = −297 kJ.

Utilizando a lei de Hess, tem-se:

S_rômbico(s) + → ΔH = −396 kJ

⇌ SO₂(g) + ΔH = +99 kJ

S_rômbico(s) + O₂(g) → SO₂(g) ΔH = −297 kJ

W = −297 kJ. Como X = 0, então Y = W.

11. Alternativa (b).

12. Quanto maior a diferença entre a energia dos átomos isolados (X) e o valor mínimo de energia (Y), maior a energia da ligação. Como uma ligação tripla é mais energética que uma dupla, que, por sua vez, é mais energética que uma simples, a associação correta entre os gráficos e as ligações é: (a) ligação C–C; (b) ligação C ═ C; (c) ligação C≡C.

13. ΔH_{A → D} = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃

−70 kJ = [30 kJ − 10 kJ] + [−10 kJ − 30 kJ] + [y − (− 10 kJ)]

−70 kJ = + 20 kJ − 40 kJ + 10 kJ + y

y = −60 kJ

14. a) Na transformação de 2 H(g) + O(g) → 2 H(g) + O₂(g), forma-se 0,5 mol de gás oxigênio.

Logo, na formação de 1 mol de gás oxigênio haverá a liberação do dobro de energia, ou seja, 249 kJ ⋅ 2 = 498 kJ.

b) Na transformação de 2 H(g) + O₂(g) → H₂(g) + O₂(g), há a formação de 1 mol de H₂(g).

Logo, a energia da ligação terá o mesmo valor, ou seja, 436 kJ.

c) Na transformação H₂(g) + O₂ → H₂O(g), tem-se:

Ligações rompidas: H–H + 0,5 O ═ O ⇒ 436 kJ + 0,5 ⋅ 498 kJ = 685 kJ

Ligações formadas: 2 O–H ⇒2 x

ΔH = ∑_{ligações rompidas} + ∑_{ligações formadas}

−242 kJ = 685 kJ + 2x

x = −463,5 kJ

15. Alternativa (d).

16. Alternativa (b).

17. Alternativa (c).

18. Alternativa (a).

Capítulo 3 As transformações químicas e a energia elétrica

Questões relativas ao texto de abertura

1. O tubo A contém gás hidrogênio, e o tubo B, gás oxigênio.
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2. A produção do alumínio metálico a partir da reação com sódio deve formar, analogamente à reação com potássio, o cloreto de sódio, conforme representado pela equação:

AlCl₃(s) + 3 Na(s) ⇌ Al(s) + 3 NaCl(s)

3. a) Segundo o texto, para produzir 1.000 kg de alumínio, são necessários 14.000 kWh. Assim, tem-se:

1.000 kg Al _______ 14.000 kWh

x _______ 179 kWh

x ≅ 12,78 kg

b) 1.000.000 g Al _______ 14.000 kWh

13,5 g Al _______ x

x ≅ 0,189 kWh

179 kWh _______ R$ 96,78

0,189 kWh _______ y

y ≅ R$ 0,10

4. A reciclagem do alumínio, além de economicamente vantajosa, faz com que seja necessário extrair menos alumina da bauxita. Consequentemente, menos reservatórios de lama vermelha precisarão ser construídos, o que diminui as chances de novos acidentes, como o ocorrido na Hungria em 2010.

Tema 1

Ocorrência de fenômenos espontâneos de oxidação e redução

Quadro: Autopreservação química

1. O radical é reduzido, já que os antioxidantes são moléculas facilmente oxidadas. Um dos benefícios dessa reação é que, ao serem reduzidos por antioxidantes, os radicais deixam de oxidar os lipídios, por exemplo, não prejudicando a função das membranas.

2. A exposição da pele ao sol sem proteção gera no organismo um aumento na concentração de radicais, que, por sua vez, podem danificar as células. Determinadas modificações danificam as células, o que pode ocasionar o desenvolvimento de câncer de pele.

Questões para fechamento do tema

1. A fórmula eletrônica do peróxido de hidrogênio é:

Cada átomo de oxigênio faz uma ligação com um átomo de hidrogênio (menos eletronegativo) e outra com outro átomo de oxigênio (mesma eletronegatividade). Assim, o nox de cada átomo de oxigênio é −1, e não −2, como na maioria dos compostos que contêm átomos desse elemento químico.