PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 58 do ITA 2020

1ª fase · Química

Texto-base das questões 56 a 70 · 1ª fase

Constantes

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}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\ \text{s}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\ \text{V}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\ \text{L} (CNTP)
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (R) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\ \text{m}\ \text{s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{m}^2\ \text{kg}\ \text{s}^{-1}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\ \text{s}^{-1}
Número de Euler (e) = 2,72

Definições

Pressão:1 atm = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia:1 J = 1\ \text{N}\ \text{m} = 1\ \text{kg}\ \text{m}^2\ \text{s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\ \text{eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0^\circ\ \text{C} e 760\ \text{mmHg}
Condições ambientes: 25^\circ\ \text{C} e 1 atm
Condições padrão:1 bar; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\ \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}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}

Massas Molares

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1})
H 1 1,01 Cl 17 35,45
C 6 12,01 K 19 39,10
N 7 14,01 Cu 29 63,55
O 8 16,00 Br 35 79,90
Na 11 23,00 Ag 47 107,87
P 15 30,97 I 53 126,90
S 16 32,06

A amônia, uma das principais matérias-primas da indústria de fertilizantes, é produzida em escala industrial pelo processo conhecido como Haber-Bosch. Neste, uma reação entre \ce{H2(g)} e \ce{N2(g)} é catalisada com ferro em um reator mantido a 200\text{ atm} e 450\ ^\circ\text{C}. Sobre essa reação exotérmica, sejam feitas as seguintes proposições:

I. O aumento da pressão no reator, mediante adição de um gás inerte, aumenta o rendimento do processo.

II. O uso de um catalisador mais efetivo aumenta o rendimento do processo.

III. Uma vez atingido o equilíbrio, não ocorrem mais colisões efetivas entre moléculas de \ce{H2(g)} e \ce{N2(g)}.

IV. Considerando que ainda exista superação da energia de ativação, a redução da temperatura no reator diminui a velocidade da reação, mas favorece a formação de amônia.

Assinale a opção que apresenta a(s) afirmação(ões) CORRETA(S) sobre a reação de formação da amônia.

  1. A
    ( ) apenas I
  2. B
    ( ) apenas I e II
  3. C
    ( ) apenas II e III
  4. D
    ( ) apenas III e IV
  5. E
    ( ) apenas IV
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Resolução comentada

A reação é \ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}, exotérmica, com 4 mol de gás nos reagentes e 2 mol no produto. Analisando cada proposição:

I. Falsa. Adicionar gás inerte a volume constante aumenta a pressão total, mas não altera as pressões parciais nem as concentrações de \ce{N2}, \ce{H2} e \ce{NH3}. Logo, o equilíbrio não se desloca e o rendimento não aumenta.

II. Falsa. O catalisador diminui a energia de ativação das reações direta e inversa na mesma proporção. Ele acelera a chegada ao equilíbrio, mas não muda a constante de equilíbrio nem o rendimento.

III. Falsa. O equilíbrio é dinâmico: as reações direta e inversa continuam ocorrendo com velocidades iguais. Portanto, ainda há colisões efetivas entre \ce{H2} e \ce{N2}.

IV. Verdadeira. Diminuir a temperatura reduz a energia cinética das moléculas e, portanto, a velocidade da reação. Como a reação direta é exotérmica, o princípio de Le Chatelier prevê que o equilíbrio se desloque no sentido que libera calor, isto é, para a formação de \ce{NH3}. O enunciado ressalva que a energia de ativação ainda é superada, então a reação continua ocorrendo.

Somente a IV está correta.

Alternativa E.

Pegadinha: A proposição I engana ao tratar o aumento de pressão por gás inerte como se fosse compressão, que sim favoreceria a amônia.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AGás inerte a volume constante não altera as pressões parciais, então não desloca o equilíbrio nem aumenta o rendimento.
  • BA I é falsa pelo mesmo motivo, e o catalisador só altera a velocidade, não o rendimento.
  • CO catalisador não muda o rendimento e, no equilíbrio, as colisões efetivas continuam ocorrendo nos dois sentidos.
  • DA III é falsa, pois o equilíbrio é dinâmico e as reações direta e inversa continuam acontecendo.

Assuntos: equilíbrio químico, princípio de Le Chatelier, catalisador.

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Fonte: ITA 2020 · 1ª fase. Prova oficial ↗