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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 7 (Química) da 2ª fase do ITA 2027

Química · Química: Entropia e energia livre de Gibbs

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}.

\begin{matrix} \ln\text{X} = 2{,}3\log\text{X} & \ln 2 = 0{,}693 & \ln 5 = 1{,}609 & \sqrt{3} = 1{,}73 \\ \log 2 = 0{,}301 & \ln 3 = 1{,}099 & \text{e}^{-0{,}3465} = 0{,}707 & \sqrt{5} = 2{,}24 \end{matrix}

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:

2\ce{C2H5OH (l) + O2(g) -> CH3COOCH2CH3(l) + 2H2O(l)}.

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.

3\ \ce{CH3CH2OH} + 2\ \ce{Cr2O7^{2-}} + 16\ \ce{H+} \longrightarrow 3\ \ce{CH3COOH} + 4\ \ce{Cr^{3+}} + 11\ \ce{H2O}

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.

\ce{CH3COOH + CH3CH2OH <=>[H+, \Delta] CH3COOCH2CH3 + H2O}

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.

  1. Produtos: -480{,}0 + 2(-285{,}8) = -1051{,}6\ \text{kJ}.
  2. Reagentes: 2(-277{,}7) + 0 = -555{,}4\ \text{kJ}.
  3. \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}).

  1. Produtos: 259{,}4 + 2(69{,}9) = 399{,}2\ \text{J/K}.
  2. Reagentes: 2(160{,}7) + 205{,}0 = 526{,}4\ \text{J/K}.
  3. \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.

\Delta G^\circ = -496{,}2 - 298\,(-0{,}1272) = -496{,}2 + 37{,}9 = -458{,}3\ \text{kJ}

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 ↗