ENEM 2019 segunda aplicação
O gás hidrogênio é considerado um ótimo combustível — o único produto da combustão desse gás é o vapor de água, como mostrado na equação química.
Um cilindro contém 1 kg de hidrogênio e todo esse gás foi queimado. Nessa reação, são rompidas e formadas ligações químicas que envolvem as energias listadas no quadro.
Massas molares \( \frac{g}{mol}: H_2 = 2; O_2 = 32; H_2O = 18 \)
Qual é a variação da entalpia, em quilojoule, da reação de combustão do hidrogênio contido no cilindro?
\(-242,000\)
\(-121,000\)
\(-2.500\)
\(+110500\)
Resolução
Passo a Passo da Solução:
-
Analisar a Reação Química e as Energias de Ligação:
A reação de combustão do hidrogênio é dada por:
\[ 2H_2 (g) + O_2 (g) \rightarrow 2H_2O (g) \]Precisamos calcular a variação de entalpia (ΔH) usando as energias de ligação fornecidas na tabela.
A variação de entalpia de uma reação pode ser estimada pela diferença entre a energia gasta para quebrar as ligações dos reagentes e a energia liberada na formação das ligações dos produtos:
\[ \Delta H = \sum (\text{Energia das ligações quebradas}) - \sum (\text{Energia das ligações formadas}) \] -
Calcular a Energia para Quebrar as Ligações dos Reagentes:
Nos reagentes, temos 2 mols de H₂ e 1 mol de O₂.
- Em 2 mols de H₂, temos 2 mols de ligações H-H. Energia = \( 2 \times 437 \, \text{kJ/mol} = 874 \, \text{kJ} \).
- Em 1 mol de O₂, temos 1 mol de ligações O=O. Energia = \( 1 \times 494 \, \text{kJ/mol} = 494 \, \text{kJ} \).
Energia total para quebrar as ligações = \( 874 \, \text{kJ} + 494 \, \text{kJ} = 1368 \, \text{kJ} \). (Energia absorvida, sinal positivo).
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Calcular a Energia Liberada na Formação das Ligações dos Produtos:
Nos produtos, temos 2 mols de H₂O.
- Cada molécula de H₂O (H-O-H) possui 2 ligações H-O.
- Em 2 mols de H₂O, temos \( 2 \times 2 = 4 \) mols de ligações H-O.
- Energia liberada = \( 4 \times 463 \, \text{kJ/mol} = 1852 \, \text{kJ} \). (Energia liberada, entra com sinal negativo no cálculo do ΔH).
-
Calcular a Variação de Entalpia (ΔH) da Reação:
ΔH = (Energia das ligações quebradas) - (Energia das ligações formadas)
ΔH = \( 1368 \, \text{kJ} - 1852 \, \text{kJ} = -484 \, \text{kJ} \).
Este é o ΔH para a reação como escrita, ou seja, para a combustão de 2 mols de H₂.
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Calcular a Quantidade de Mols de H₂ em 1 kg:
A massa de H₂ fornecida é 1 kg = 1000 g.
A massa molar do H₂ é 2 g/mol.
Número de mols de H₂ (n) = \( \frac{\text{massa}}{\text{massa molar}} = \frac{1000 \, \text{g}}{2 \, \text{g/mol}} = 500 \, \text{mol} \).
-
Calcular a Variação de Entalpia para 500 mols de H₂:
Sabemos que a combustão de 2 mols de H₂ libera 484 kJ (ΔH = -484 kJ).
Podemos montar uma regra de três:
2 mols H₂ -------- -484 kJ
500 mols H₂ -------- X
\( X = \frac{500 \, \text{mol} \times (-484 \, \text{kJ})}{2 \, \text{mol}} \)
\( X = 250 \times (-484 \, \text{kJ}) \)
\( X = -121000 \, \text{kJ} \)
Resultado Final:
A variação da entalpia para a combustão de 1 kg (500 mols) de hidrogênio é -121.000 kJ.
Dicas
Erros Comuns
Revisão de Conceitos Essenciais
- Entalpia (H): Uma propriedade termodinâmica que representa o conteúdo total de calor de um sistema a pressão constante. A variação de entalpia (ΔH) representa o calor absorvido ou liberado em uma reação química a pressão constante. Reações exotérmicas liberam calor (ΔH < 0) e reações endotérmicas absorvem calor (ΔH > 0).
- Energia de Ligação: A quantidade de energia necessária para quebrar 1 mol de uma ligação específica no estado gasoso. Quebrar ligações sempre consome energia (processo endotérmico), enquanto formar ligações sempre libera energia (processo exotérmico).
- Cálculo de ΔH por Energia de Ligação: A variação de entalpia de uma reação pode ser estimada pela diferença entre a soma das energias das ligações quebradas nos reagentes e a soma das energias das ligações formadas nos produtos: \( \Delta H \approx \sum E_{\text{ligações quebradas}} - \sum E_{\text{ligações formadas}} \).
- Estequiometria: O estudo das relações quantitativas entre reagentes e produtos em uma reação química. É crucial usar os coeficientes da equação balanceada para determinar a quantidade de mols de cada ligação quebrada e formada.
- Massa Molar e Mol: Massa molar é a massa de um mol de uma substância (átomos, moléculas, íons), expressa em g/mol. O mol é a unidade de quantidade de matéria no SI. A conversão entre massa e mols é feita usando a massa molar: \( n = \frac{m}{M} \).
Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção.
