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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 11 (Química) do ITA 2017

Química · Química: Entropia e energia livre de Gibbs

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 (\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}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\ \text{L} (CNTP)
Carga elementar = 1{,}602 \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} =
= 62{,}4\ \text{mmHg}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (\text{g}) = 9{,}81\ \text{m}\cdot\text{s}^{-2}
Constante de Planck (\text{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} = 1{,}01325 \times 10^5\ \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 Cl 17 35,45
He 2 4,00 K 19 39,10
Be 4 9,01 Cr 24 52,00
B 5 10,81 Mn 25 54,94
C 6 12,01 Fe 26 55,85
N 7 14,01 Ni 28 58,69
O 8 16,00 Cu 29 63,55
F 9 19,00 Zn 30 65,38
Na 11 22,99 Br 35 79,90
Mg 12 24,31 Pd 46 106,42
Al 13 26,98 Ag 47 107,87
Si 14 28,09 Xe 54 131,30
P 15 30,97 Pt 78 195,08
S 16 32,06 Hg 80 200,59

Em relação às funções termodinâmicas de estado de um sistema, assinale a proposição ERRADA.

  1. A
    A variação de energia interna é nula na expansão de n mols de um gás ideal a temperatura constante.
  2. B
    A variação de energia interna é maior do que zero em um processo endotérmico a volume constante.
  3. C
    A variação de entalpia é nula em um processo de várias etapas em que os estados inicial e final são os mesmos.
  4. D
    A variação de entropia é maior do que zero em um processo endotérmico a pressão constante.
  5. E
    A variação de entropia é nula quando n mols de um gás ideal sofrem expansão livre contra pressão externa nula.
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Resolução comentada

Cada alternativa testa uma propriedade de função de estado. Lembre que a variação de uma função de estado depende só dos estados inicial e final.

(A) Para gás ideal, U depende apenas de T. Se T é constante, \Delta U = 0. Correta.

(B) A volume constante, w = 0, então \Delta U = q_V. Processo endotérmico tem q>0, logo \Delta U>0. Correta.

(C) Se os estados inicial e final são os mesmos, qualquer função de estado, como H, tem variação nula, não importa o número de etapas. Correta.

(D) A pressão constante, \Delta H = q_P > 0 no processo endotérmico. Mas o sinal de \Delta S do sistema não é determinado por isso. Por exemplo, a reação \ce{N2(g) + O2(g) -> 2NO(g)} é endotérmica e tem \Delta S \approx 0. Já uma reação endotérmica com diminuição de mols de gás tem \Delta S<0. Além disso, \Delta S = q_{rev}/T só vale para processo reversível, e o enunciado não diz isso. Portanto a afirmação não é geral. Errada.

(E) Na expansão livre de gás ideal, \Delta S = nR\ln(V_f/V_i) > 0, pois o processo é irreversível e o volume aumenta. A afirmação diz que \Delta S é nula, o que também parece errada.

Comparando (D) e (E): em (E), a entropia do gás aumenta com certeza, pois V_f>V_i e S é função de estado (calculada por um caminho reversível isotérmico). A afirmação de que é nula é falsa em qualquer caso. Já (D) é falsa de forma geral, mas pode ser verdadeira em casos particulares. A proposição inequivocamente errada, que o ITA considera, é a (E).

Alternativa E.

Pegadinha: A alternativa E engana quem pensa que 'pressão externa nula' significa trabalho nulo e logo entropia nula; a entropia aumenta porque o volume aumenta e o processo é irreversível.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ACorreta: a energia interna do gás ideal depende só da temperatura, então \Delta U=0 a T constante.
  • BCorreta: a volume constante \Delta U=q_V, que é positivo no processo endotérmico.
  • CCorreta: estados inicial e final iguais implicam variação nula de qualquer função de estado.
  • DConsiderada correta pela banca: em processo endotérmico o sistema absorve calor, e a associação com aumento de entropia é a esperada, embora não seja universal.

Assunto: Entropia e energia livre de Gibbs.

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Fonte: ITA 2017 · Química. Prova oficial ↗