PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 7 (Química) da 2ª fase do ITA 2027
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{Torr} = 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}\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.
Condições ambiente: 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.
(s) = sólido. (\ell) = líquido. (g) = gás. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias. u.m.a. = unidade de massa atômica. [X] = concentração da espécie química X em \text{mol}\ \text{L}^{-1}.
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 |
| B | 5 | 10,80 |
| C | 6 | 12,01 |
| N | 7 | 14,01 |
| O | 8 | 16,00 |
| F | 9 | 19,00 |
| Na | 11 | 22,99 |
| Si | 14 | 28,09 |
| S | 16 | 32,06 |
| C\ell | 17 | 35,45 |
| K | 19 | 39,10 |
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| Ca | 20 | 40,08 |
| Cr | 24 | 52,00 |
| Fe | 26 | 55,85 |
| Ni | 28 | 58,69 |
| Cu | 29 | 63,55 |
| Nb | 41 | 92,91 |
| Ag | 47 | 107,87 |
| Pt | 78 | 195,08 |
| Au | 79 | 196,97 |
| Hg | 80 | 200,59 |
| Bi | 83 | 208,98 |
Considere a seguinte reação global:
São fornecidos os seguintes dados termodinâmicos a 298\text{ K}:
| Substância | Entalpia Padrão de Formação: \Delta\text{H}_\text{f}^\circ\ (\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) | Entropia Molar Padrão: \text{S}_\text{m}^\circ\ (\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}) |
|---|---|---|
| \ce{C2H5OH(l)} | - 277{,}7 | 160{,}7 |
| \ce{O2(g)} | 0{,}0 | 205{,}0 |
| \ce{CH3COOCH2CH3(l)} | - 480{,}0 | 259{,}4 |
| \ce{H2O(l)} | - 285{,}8 | 69{,}9 |
Com base nessas informações, faça o que se pede.
a) A partir do etanol, considere a seguinte rota sintética em duas etapas para obtenção do acetato de etila: a primeira etapa envolve a oxidação completa do etanol a ácido acético; a segunda etapa envolve uma esterificação com etanol. Escreva as equações químicas e as condições necessárias em cada etapa.
b) Determine a variação de entalpia padrão da reação global a partir dos valores de entalpia padrão de formação.
c) Calcule a variação da entropia padrão da reação global.
d) Calcule a variação da energia de Gibbs padrão da reação global a 298K.
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Resolução comentada
a) A rota tem duas etapas, e a soma delas deve dar a reação global.
Etapa 1 – oxidação completa do etanol a ácido acético. Usa-se oxidante forte em excesso, em meio ácido e com aquecimento sob refluxo (por exemplo \ce{K2Cr2O7}/\ce{H2SO4} ou \ce{KMnO4}/\ce{H+}). Com oxidante fraco ou sem excesso, a oxidação pararia no aldeído.
Em forma simplificada, com \ce{O2} como oxidante: \ce{CH3CH2OH + O2 -> CH3COOH + H2O}.
Etapa 2 – esterificação de Fischer. O ácido acético reage com outro etanol, com catálise de ácido forte (\ce{H2SO4} concentrado) e aquecimento. A reação é reversível, então usa-se excesso de etanol ou retirada da água para deslocar o equilíbrio.
Somando as duas etapas obtém-se 2\ \ce{C2H5OH} + \ce{O2} \to \ce{CH3COOCH2CH3} + 2\ \ce{H2O}, a reação global.
Rota: (1) oxidação com oxidante forte em excesso, meio ácido e refluxo; (2) esterificação com etanol, catalisada por \ce{H2SO4} conc. e aquecimento.
b) Aplica-se \Delta H^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{produtos}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reagentes}), respeitando os coeficientes.
- Produtos: -480{,}0 + 2(-285{,}8) = -1051{,}6\ \text{kJ}.
- Reagentes: 2(-277{,}7) + 0 = -555{,}4\ \text{kJ}.
- \Delta H^\circ = -1051{,}6 - (-555{,}4) = -496{,}2\ \text{kJ}.
\Delta H^\circ = -496{,}2\ \text{kJ} por mol de reação (como escrita), isto é, reação exotérmica.
c) Aplica-se \Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{produtos}) - \sum S^\circ(\text{reagentes}).
- Produtos: 259{,}4 + 2(69{,}9) = 399{,}2\ \text{J/K}.
- Reagentes: 2(160{,}7) + 205{,}0 = 526{,}4\ \text{J/K}.
- \Delta S^\circ = 399{,}2 - 526{,}4 = -127{,}2\ \text{J/K}.
A entropia diminui porque o gás \ce{O2} é consumido e só se formam líquidos.
\Delta S^\circ = -127{,}2\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}
d) Usa-se \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ, com \Delta S^\circ em kJ/K para manter a unidade de \Delta H^\circ.
Como \Delta G^\circ < 0, a reação é espontânea nas condições padrão a 298 K. O termo entrópico é desfavorável, mas a entalpia domina.
\Delta G^\circ \approx -458\ \text{kJ} (por mol de reação como escrita)
Assuntos: Entropia e energia livre de Gibbs, Lei de Hess, entalpia de formação e energia de ligação, Esterificação, hidrólise e transesterificação.
Resultado conferido com as resoluções dos cursinhos Farias Brito e Poliedro.
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Fonte: ITA 2ª fase 2027 · Química. Prova oficial ↗