PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 (Química) da 2ª fase do IME 2022
Texto-base das questões 01 a 10 · Química
FOLHA DE DADOS
Considere:
- 1\ \text{S (siemens)} = 1\ \text{ohm}^{-1};
- Constante de Faraday = 96.500\ \text{C.mol}^{-1};
- Número de Avogadro = 6{,}0 \times 10^{23};
- Constante universal dos gases ideais:
R = 2{,}0\ \text{cal.(mol.K)}^{-1} = 8{,}3\ \text{J.(mol.K)}^{-1} = 8{,}2 \cdot 10^{-2}\ \text{atm.L.(mol.K)}^{-1} ; - 1\ \text{atm} = 101.325\ \text{Pa} = 101{,}325\ \text{kPa} = 1{,}01325\ \text{bar} = 760\ \text{mmHg};
- 2^{1/2} = 1{,}4 ;
- 2^{\frac{65}{30{,}1}} = 2^{2{,}159} = 4{,}466;
- Capacidade calorífica molar média à pressão constante (\overline{C}_{\text{P}}), no intervalo de 0 a -10\ ^\circ\text{C}:
\ce{H2O (l)}: \overline{C}_{\text{P}} = 76{,}0\ \text{J.(mol.K)}^{-1};
\ce{H2O (s)}: \overline{C}_{\text{P}} = 38{,}0\ \text{J.(mol.K)}^{-1}; - Entalpia molar de fusão da água, a 1{,}0\ \text{atm}:
H_{\text{m, fusão}} = 6{,}0\ \text{kJ.mol}^{-1}; - Composição percentual do ar atmosférico = 79{,}0\% de \ce{N2(g)} e 21{,}0\% de \ce{O2(g)}
Entalpias-padrão de formação a 25^\circ\text{C}:
| Substância Química | \ce{C8H18(g)} | \ce{H2O(g)} | \ce{H2O(l)} | \ce{CO2(g)} | \ce{CO(g)} |
|---|---|---|---|---|---|
| \Delta H_{\text{f}}^\circ(\text{kJ.mol}^{-1}) | -208{,}45 | -241{,}82 | -285{,}83 | -393{,}51 | -110{,}53 |
Capacidade calorífica molar:
| Substância Química | \ce{N2(g)} | \ce{O2(g)} | \ce{H2O(g)} | \ce{CO2(g)} | \ce{CO(g)} |
|---|---|---|---|---|---|
| \overline{C}_{\text{P}}\ (\text{J.mol}^{-1}\text{.K}^{-1}) | 29{,}13 | 29{,}36 | 33{,}58 | 37{,}11 | 29{,}14 |
Tabela de logaritmos:
| x | 1{,}038 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 10 | 13 | 14 | 15 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \log(x) | 0{,}02 | 0{,}30 | 0{,}48 | 0{,}60 | 0{,}70 | 0{,}79 | 0{,}85 | 1 | 1{,}11 | 1{,}15 | 1{,}18 |
| \ln(x) | 0{,}04 | 0{,}70 | 1{,}10 | 1{,}39 | 1{,}60 | 1{,}79 | 1{,}95 | 2{,}30 | 2{,}57 | 2{,}64 | 2{,}71 |
Potencial padrão:
| Oxidante | \ce{F2} | \ce{Ce^{4+}} | \ce{Au^{3+}} | \ce{Cl2} | \ce{Fe^{3+}} | \ce{H3O+} | \ce{Ni^{2+}} | \ce{Na+} | \ce{Li+} |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| E^0(\text{V}) | + 2{,}87 | + 1{,}61 | + 1{,}50 | + 1{,}36 | + 0{,}77 | 0{,}00 | - 0{,}25 | - 2{,}71 | - 3{,}05 |
| Redutor | \ce{F-} | \ce{Ce^{3+}} | \ce{Au} | \ce{Cl-} | \ce{Fe^{2+}} | \ce{H2(g)} | \ce{Ni} | \ce{Na} | \ce{Li} |
Tabela Periódica dos Elementos Químicos:

Fonte: adapatada do site https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/40332
Sob determinadas condições, a água pode ser super-resfriada, ou seja, permanecer no estado líquido em temperaturas inferiores ao seu ponto de congelamento, em uma situação termodinamicamente instável. Considere um processo em que 5{,}0\text{ mol} de água super-resfriada a -10^\circ\text{C} e 1{,}0\text{ atm} sejam convertidos em gelo à mesma temperatura. Determine a variação de entropia:
a) do sistema;
b) na vizinhança; e
c) do universo.
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Resolução comentada
a) A entropia é função de estado. Por isso calculo \Delta S do sistema por um caminho reversível de três etapas, todas a 1 atm:
- Aquecer a água líquida de 263\ \text{K} a 273\ \text{K}.
- Congelar reversivelmente a 273\ \text{K}.
- Resfriar o gelo de 273\ \text{K} a 263\ \text{K}.
Por mol:
Como 273/263\approx1{,}038, a tabela dá \ln(1{,}038)=0{,}04. Então:
Para 5{,}0\ \text{mol}:
O sinal negativo era esperado, pois o sistema se ordena ao virar sólido.
Resposta: \Delta S_{sist}\approx-1{,}0\times10^{2}\ \text{J/K}.
b) A vizinhança troca calor de forma isotérmica a 263\ \text{K}, e o processo ocorre a pressão constante. Logo q_{viz}=-\Delta H_{sist}, e preciso da entalpia de congelamento a 263\ \text{K}, e não a 273\ \text{K}. Pela lei de Kirchhoff:
Para 5{,}0\ \text{mol}, \Delta H_{sist}=-28\,100\ \text{J}. A vizinhança recebe +28\,100\ \text{J}:
Resposta: \Delta S_{viz}\approx+1{,}07\times10^{2}\ \text{J/K}.
c) A variação de entropia do universo é a soma:
Como \Delta S_{univ}>0, o congelamento da água super-resfriada é espontâneo (irreversível), de acordo com a instabilidade termodinâmica descrita no enunciado.
Resposta: \Delta S_{univ}\approx+4{,}5\ \text{J/K} (processo espontâneo).
Assuntos: Entropia e energia livre de Gibbs, Estados físicos e mudanças de estado.
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Fonte: IME 2ª fase 2022 · Química. Prova oficial ↗