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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 3 (Química) da 2ª fase do ITA 2022

Química · Química: Lei de velocidade e ordem de reação

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

Constantes

Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
Constante de Faraday (\text{F}) = 9{,}65 \times 10^4\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\cdot\text{V}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72

Definições

Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\cdot\text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\cdot\text{m} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\ \text{eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1} (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.
(\text{s}) = sólido. (\ell) = líquido. (\text{g}) = gás. (\text{aq}) = aquoso. (\text{conc}) = concentrado. (\text{ua}) = unidades arbitrárias.
\text{u.m.a.} = unidade de massa atômica. [\text{X}] = concentração da espécie química \text{X} em \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
\text{EPH} = eletrodo padrão de hidrogênio

Dados eventualmente necessários:

\text{e}^{10} = 2{,}2 \times 10^4

Massas Molares

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1})
H 1 1,01 Cl 17 35,45
B 5 10,81 K 19 39,10
C 6 12,01 Ca 20 40,08
N 7 14,01 Mn 25 54,94
O 8 16,00 Br 35 79,90
F 9 19,00 Ag 47 107,87
Na 11 22,99 I 53 126,90
Mg 12 24,30 Hg 80 200,59
P 15 30,97 Pb 82 207,19
S 16 32,06 Pa 91 231,04

Um químico carregou um reator com 20 atm de uma mistura gasosa, constituída de uma substância A e de um componente inerte I, em uma proporção molar de A:I igual a 4:1. A temperatura do reator foi mantida constante e a pressão total foi monitorada, o que permitiu determinar a velocidade da reação em função do tempo, de acordo com os dados da tabela.

t (min) 0,89 2,08 3,75 6,25 10,42 18,75
P (atm) 21 22 23 24 25 26
v (\text{atm.min}^{-1}) 1,96 1,44 1,00 0,64 0,36 0,16

Com base nesses dados e sabendo que a estequiometria da reação é \ce{2A(g) -> 3B(g)}, pede-se:

a) O valor numérico da ordem da reação.

b) O valor numérico da constante de velocidade com sua unidade de medida.

c) A composição no interior do reator no tempo 10,42 minutos em termos das pressões parciais (em atm) de cada componente.

d) O valor numérico do tempo de meia vida da reação.

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Resolução comentada

a) Primeiro, converta a pressão total em pressão parcial de A. Com 20 atm iniciais e proporção A:I = 4:1, temos P_{A,0}=16\ \text{atm} e P_I=4\ \text{atm} (o inerte não muda).

Se 2x é a pressão de A consumida, 3x é a de B formada. A pressão total fica P = 20 + x, ou seja, x = P-20. Logo:

P_A = 16-2(P-20)=56-2P

Para P=21,\ 22,\ 23,\ 24,\ 25,\ 26 atm, obtemos P_A=14,\ 12,\ 10,\ 8,\ 6,\ 4 atm.

A velocidade da tabela acompanha P_A. Quando P_A cai de 12 para 6 atm (metade), v cai de 1,44 para 0,36 (um quarto). Isso indica ordem 2. Confirmando: v/P_A^2 = 1{,}96/196 = 1{,}44/144 = 1{,}00/100 = 0{,}01, sempre constante.

Ordem = 2.

b) Como v=k\,P_A^2 e v/P_A^2 = 0{,}01:

k = \frac{1{,}96\ \text{atm/min}}{(14\ \text{atm})^2}=0{,}01\ \text{atm}^{-1}\,\text{min}^{-1}

Esse valor também reproduz a lei integrada, \frac{1}{P_A}=\frac{1}{16}+kt. Em t=6{,}25 min, 1/P_A = 0{,}0625+0{,}0625=0{,}125, ou seja, P_A=8 atm, o que bate com a tabela (P=24 atm).

k = 0{,}01\ \text{atm}^{-1}\,\text{min}^{-1}

c) Em t=10{,}42 min, P=25 atm, então x=25-20=5 atm.

  1. P_A = 16-2(5)=6 atm
  2. P_B = 3(5)=15 atm
  3. P_I = 4 atm

Conferindo: 6+15+4=25 atm.

P_A=6\ \text{atm}, P_B=15\ \text{atm}, P_I=4\ \text{atm}

d) Para reação de segunda ordem, o tempo de meia-vida depende da pressão inicial de A:

t_{1/2}=\frac{1}{k\,P_{A,0}}=\frac{1}{0{,}01\cdot 16}=6{,}25\ \text{min}

t_{1/2}=6{,}25\ \text{min}

Assuntos: Lei de velocidade e ordem de reação, Estudo dos gases e equação de Clapeyron.

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Fonte: ITA 2ª fase 2022 · Química. Prova oficial ↗