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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 13 (Química) do ITA 2016

Química · Química: Combustão e poder calorífico

Texto-base das questões 01 a 20 · Química

Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}
Constante de Faraday (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}
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}\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} =
= 62{,}4\text{ mmHg}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}626 \times 10^{-34}\text{ m}^2\cdot\text{kg}\cdot\text{s}^{-1}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}

DEFINIÇÕES

Pressão de 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 101325\text{ N}\cdot\text{m}^{-2} = 760\text{ Torr} = 1{,}01325\text{ bar}

1\text{ J} = 1\text{ N}\cdot\text{m} = 1\text{ kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-2}. \ln 2 = 0{,}693

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}\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. (CM) = circuito metálico. (conc) = concentrado.

(ua) = unidades arbitrárias. [X] = concentração da espécie química X em \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}.

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 Cr 24 52,00
He 2 4,00 Mn 25 54,94
Li 3 6,94 Fe 26 55,85
C 6 12,01 Co 27 58,93
N 7 14,01 Cu 29 63,55
O 8 16,00 Zn 30 65,38
Na 11 22,99 Br 35 79,90
Mg 12 24,31 Ag 47 107,87
P 15 30,97 I 53 126,90
S 16 32,06 Pt 78 195,08
Cl 17 35,45 Hg 80 200,59
K 19 39,10 Pb 82 207,21
Ca 20 40,08

Considere as entalpias padrão de formação dos seguintes compostos:

\ce{CH4(g)} \ce{O2(g)} \ce{CO2(g)} \ce{H2O(g)}
\Delta\text{H}_\text{f}^\text{o}\ /\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1} -74{,}81 zero -393{,}51 -285{,}83

Sabendo que a capacidade calorífica da água, à pressão constante, vale 75{,}9\ \text{J}\cdot\text{mol}^{-1} e que sua entalpia de vaporização é igual a 40{,}66\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}, assinale a alternativa que melhor corresponda ao número de mols de metano necessários para vaporizar 1 L de água pura, cuja temperatura inicial é 25\ ^\circ\text{C}, ao nível do mar.

  1. A
    1,0
  2. B
    2,0
  3. C
    2,9
  4. D
    3,8
  5. E
    4,7
Escolha uma alternativa para conferir o gabarito.
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Resolução comentada

Precisamos do calor liberado pela combustão de 1 mol de CH₄ e do calor necessário para aquecer e vaporizar 1 L de água.

Combustão do metano. A tabela dá ΔH_f da água como -285{,}83 (valor do líquido, apesar de indicar (g)). A reação de combustão é \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. Usando o valor da tabela:

\Delta H = [-393{,}51 + 2(-285{,}83)] - (-74{,}81) = -890{,}36\ \text{kJ/mol}

Isso corresponde à água líquida, que é o que a tabela fornece. Cada mol de CH₄ libera 890{,}36 kJ.

Calor para a água. 1 L de água tem cerca de 1000 g, ou seja, 1000/18{,}02 \approx 55{,}5 mol.

  1. Aquecer de 25 °C a 100 °C (\Delta T = 75 K): q_1 = 55{,}5 \times 75{,}9 \times 75 \approx 3{,}16\times10^5\ \text{J} = 316 kJ.
  2. Vaporizar: q_2 = 55{,}5 \times 40{,}66 \approx 2256 kJ.
  3. Total: q \approx 316 + 2256 = 2572 kJ.

Mols de metano:

n = \frac{2572}{890{,}36} \approx 2{,}9\ \text{mol}

O resultado bate com a alternativa C.

Alternativa C.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AConsidera só uma parte do calor necessário, sem somar aquecimento e vaporização, ou erra a massa de água.
  • BNão corresponde ao calor total de cerca de 2572 kJ dividido por 890 kJ/mol; vem de erro de conta.
  • DValor alto demais, que não resulta da razão entre o calor total e a entalpia de combustão.
  • EValor alto demais, que não resulta da razão entre o calor total e a entalpia de combustão.

Assuntos: Combustão e poder calorífico, Lei de Hess, entalpia de formação e energia de ligação.

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Fonte: ITA 2016 · Química. Prova oficial ↗