PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 (Química) da 2ª fase do ITA 2024
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}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\ \text{s}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\ \text{V}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\ \text{s}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\ \text{s}^{-1}
Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72
Definições
Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{Torr} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\ \text{m} = 1\ \text{kg}\ \text{m}^2\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\ \text{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) = gasoso. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias. u.m.a. = unidade de massa atômica. [\text{X}] = concentração da espécie \text{X} em \text{mol}\ \text{L}^{-1}.
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
\log 2 = 0{,}30
\text{EPH} = eletrodo padrão de hidrogênio
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) | Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 | K | 19 | 39,10 |
| B | 5 | 10,81 | Zn | 30 | 65,38 |
| C | 6 | 12,01 | Se | 34 | 78,96 |
| N | 7 | 14,01 | Nb | 41 | 92,91 |
| O | 8 | 16,00 | Ag | 47 | 107,87 |
| Na | 11 | 22,99 | Te | 52 | 127,60 |
| S | 16 | 32,06 | Po | 84 | 209,00 |
| Cl | 17 | 35,45 |
São descritos dois experimentos (Exp. 1 e Exp. 2) a respeito de uma solução aquosa de uma substância A, de massa molar igual a 50\text{ g mol}^{-1}, que não se dissocia e não se volatiliza. Os experimentos foram realizados a 25\ ^\circ\text{C}.
Exp. 1 – Em um béquer, foram dissolvidos 100\text{ g} da substância A em 360\text{ mL} de água pura. A seguir, colocou-se o béquer em um recipiente que foi fechado.
Exp. 2 – Em um béquer denominado I, preparou-se a mesma solução descrita no Exp.1, e em outro béquer denominado II, adicionou-se 360\text{ mL} de água pura. Em seguida, os béqueres I e II foram colocados em um recipiente que foi fechado.
Considere que a solução aquosa de A se comporte idealmente, a massa específica da água seja 1\text{ g cm}^{-3} e a pressão de vapor da água seja 23{,}8\text{ Torr} a 25\ ^\circ\text{C}.
A partir das informações acima:
a) determine os valores numéricos das frações molares da substância A e da água na solução do Exp. 1;
b) determine o valor numérico da fração molar da água na fase de vapor no Exp.1;
c) determine o valor numérico da pressão de vapor da água, em Torr, no Exp. 1;
d) desconsiderando o efeito causado pelo volume do recipiente no Exp. 2, descreva sucintamente e de forma qualitativa o que acontecerá com o volume do líquido no béquer I após o equilíbrio ter sido atingido.
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Resolução comentada
a) Calcule os mols de cada componente.
- Substância A: n_A = \dfrac{100\ \text{g}}{50\ \text{g/mol}} = 2{,}0\ \text{mol}.
- Água: 360\ \text{mL} a 1\ \text{g/cm}^3 dão 360\ \text{g}. Com M = 18\ \text{g/mol}, n_{\text{H}_2\text{O}} = \dfrac{360}{18} = 20\ \text{mol}.
- Total: 22\ \text{mol}.
x_A \approx 0{,}091 e x_{\text{H}_2\text{O}} \approx 0{,}909
b) A substância A não se volatiliza. Logo, a fase de vapor contém apenas água, e a fração molar da água no vapor é 1.
x_{\text{H}_2\text{O,vapor}} = 1
c) Para solução ideal com soluto não volátil vale a lei de Raoult:
A pressão de vapor da água na solução é menor que a da água pura (23{,}8 Torr), como esperado para a tonoscopia.
P \approx 21{,}6\ \text{Torr}
d) No recipiente fechado, a água pura do béquer II tem pressão de vapor de 23{,}8 Torr. A solução do béquer I tem pressão de vapor menor, 21{,}6 Torr. Assim, o vapor em equilíbrio com II está supersaturado em relação à solução I.
A água evapora de II e condensa em I, e o volume de líquido em I aumenta. A solução vai se diluindo, e sua pressão de vapor sobe, mas só se iguala à da água pura se x_{\text{H}_2\text{O}} \to 1.
Mesmo depois de transferir toda a água de II, a solução teria 40 mol de água e 2 mol de A, com x_{\text{H}_2\text{O}} \approx 0{,}95. Isso ainda dá pressão de vapor menor que 23{,}8 Torr. Portanto, o equilíbrio só é atingido quando o béquer II seca.
O volume do líquido em I aumenta, com transferência de água de II para I até II esvaziar. O volume de água em I chega a cerca de 720\ \text{mL} (o dobro do inicial), e II fica vazio.
Assunto: Propriedades coligativas.
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Fonte: ITA 2ª fase 2024 · Química. Prova oficial ↗