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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 7 (Química) do ITA 2015

Química · Química: Entropia e energia livre de Gibbs

Texto-base das questões 01 a 20 · Química

Constante de Avogadro = 6,02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}
Constante de Faraday (F) = 9,65 \times 10^4\text{ C mol}^{-1} = 9,65 \times 10^4\text{ A s mol}^{-1} = 9,65 \times 10^4\text{ J V}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Volume molar de gás ideal = 22,4\text{ L} (CNTP)
Carga elementar = 1,602 \times 10^{-19}\text{ C}
Constante dos gases (R) = 8,21 \times 10^{-2}\text{ atm L K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 8,31\text{ J K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 1,98\text{ cal K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 62,4\text{ mmHg L K}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9,81\text{ m s}^{-2}

DEFINIÇÕES

Pressão de 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 101\ 325\text{ N m}^{-2} = 760\text{ Torr} = 1,01325\text{ bar}
1\text{ J} = 1\text{ N m} = 1\text{ kg m}^2\text{ s}^{-2}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 760\text{ mmHg}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\text{ atm}
Condições-padrão: 1\text{ bar} ; concentração das soluções = 1\text{ mol 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 . (CM) = circuito metálico . (conc) = concentrado .
(ua) = unidades arbitrárias . [\text{X}] = concentração da espécie química X em \text{mol L}^{-1}.

MASSAS MOLARES

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g.mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g.mol}^{-1})
H 1 1,01 K 19 39,10
Li 3 6,94 Ca 20 40,08
B 5 10,81 Cr 24 52,00
C 6 12,01 Mn 25 54,94
N 7 14,01 Fe 26 55,85
O 8 16,00 Zn 30 65,38
F 9 19,00 Br 35 79,90
Na 11 22,99 Ag 47 107,90
P 15 30,97 Pt 78 195,08
S 16 32,07 Hg 80 200,59
Cl 17 35,45 Pu 94 238

Considere a reação química hipotética realizada em sistema fechado a pressão e temperatura constantes representada pela equação \mathrm{X + Y \rightleftarrows W + Z}. Supondo que no início da reação haja apenas os reagentes X e Y, e considerando um intervalo de tempo que se estende de t = 0 até um instante t após o equilíbrio ter sido atingido, assinale a opção que apresenta a variação da energia livre de Gibbs.

  1. A
    Gráfico de G em função do tempo apresentando uma reta linear crescente.
  2. B
    Gráfico de G em função do tempo apresentando uma curva crescente que se estabiliza em um patamar horizontal.
  3. C
    Gráfico de G em função do tempo apresentando uma reta linear decrescente.
  4. D
    Gráfico de G em função do tempo apresentando um segmento de reta crescente seguido de um segmento horizontal constante.
  5. E
    Gráfico de G em função do tempo apresentando uma curva decrescente com concavidade para cima que se estabiliza em um patamar horizontal constante.
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Resolução comentada

Em sistema fechado, a pressão e a temperatura constantes, a reação espontânea ocorre no sentido em que a energia livre de Gibbs do sistema diminui. Isso vale enquanto \Delta G < 0, ou seja, quando o quociente de reação Q é diferente de K.\n\nPartindo só de X e Y, a reação avança para formar W e Z, e G do sistema (mistura) cai ao longo do tempo.\n\nNo equilíbrio, \Delta G = 0: G atinge seu valor mínimo e deixa de variar. Depois disso, G permanece constante.\n\nA rapidez da queda é maior no começo, quando as concentrações dos reagentes são altas e a reação está longe do equilíbrio. Ela diminui aos poucos, pois a inclinação da curva (\Delta G em relação ao avanço da reação) tende a zero perto do equilíbrio. Por isso a curva é decrescente, com concavidade para cima, e termina em um patamar horizontal.\n\nConferindo as figuras:\n\n1. crescentes (F1, F2, F4): erradas, pois G não pode aumentar em um processo espontâneo;\n2. reta decrescente (F3): não tem patamar, então não representa o equilíbrio;\n3. curva decrescente que se estabiliza (F5): é a correta.\n\nAlternativa E.

Pegadinha: A alternativa B engana quem lembra do formato de curva que se estabiliza (como a concentração de produtos) e esquece que G diminui até o mínimo no equilíbrio.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • Amostra G crescente e sem patamar, contrariando a espontaneidade (G diminui) e o equilíbrio.
  • BG crescente até um patamar; em processo espontâneo a energia livre diminui, não aumenta.
  • CG decresce, mas em reta contínua, sem estabilizar no equilíbrio, onde G é mínimo e constante.
  • DG cresce e depois fica constante; o patamar está certo, mas o sentido da variação está invertido.

Assuntos: Entropia e energia livre de Gibbs, Constante de equilíbrio (Kc e Kp).

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Fonte: ITA 2015 · Química. Prova oficial ↗