Exercícios: Entalpia e calorimetria

O carbonato de cálcio se decompõe termicamente segundo a seguinte equação termoquímica a $298\,\text{K}$ e $1\,\text{bar}$:

$$\mathrm{CaCO_3(s)} \rightarrow \mathrm{CaO(s)} + \mathrm{CO_2(g)} \quad \Delta H^\circ = +178{,}0\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$

1. a) Justifique se o processo é exotérmico ou endotérmico e qual grandeza física essa variação de entalpia representa se a reação é realizada em um recipiente aberto a pressão constante.
2. b) Calcule o calor trocado, expresso em quilojoules, quando se decompõem completamente $25{,}0\,\text{g}$ de carbonato de cálcio puro.

Dados: Massas molares atômicas: $M(\mathrm{Ca}) = 40{,}1\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{O}) = 16{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

$A 298\,\text{K}$, a combustão do gás monóxido de carbono para dar dióxido de carbono ocorre com liberação de energia segundo:

$$2\,\mathrm{CO(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2(g)} \quad \Delta H_1^\circ = -566{,}0\,\text{kJ}$$

1. a) Determine o valor da entalpia padrão da reação de oxidação do monóxido de carbono, expressa por mol de $\mathrm{CO_2(g)}$ formado.
2. b) Calcule a variação de entalpia padrão, $\Delta H_2^\circ$, para a reação de decomposição:

$$\mathrm{CO_2(g)} \rightarrow \mathrm{CO(g)} + \frac{1}{2}\,\mathrm{O_2(g)}$$

Temos dois combustíveis para aquecimento doméstico: metano, $\mathrm{CH_4(g)}$, e propano, $\mathrm{C_3H_8(g)}$. As equações termoquímicas de combustão completa padrão a $298\,\text{K}$ são:

$$\mathrm{CH_4(g)} + 2\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{CO_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -890{,}4\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$ $$\mathrm{C_3H_8(g)} + 5\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2(g)} + 4\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -2220{,}0\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$

1. a) Calcule a energia liberada por grama de combustível consumido em cada caso.
2. b) Indique, justificando com os resultados obtidos, qual dos dois hidrocarbonetos fornece maior aporte energético por unidade de massa.

Dados: Massas molares atômicas: $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

A síntese industrial da amônia é descrita pelo processo Haber-Bosch. No diagrama entálpico a seguir, representa-se a energia associada a essa transformação termoquímica a $298\,\text{K}$:

A figura esquematiza o balanço entálpico da reação:

Os reagentes gasosos encontram-se à entalpia relativa de $0\,\text{kJ}$ e os produtos a $-92{,}0\,\text{kJ}$ por mol de $\mathrm{N_2(g)}$ que reage.

1. a) Escreva a equação termoquímica balanceada com os menores coeficientes estequiométricos inteiros e deduza, justificando, o sinal e o valor numérico indicados pela seta com ponto de interrogação.
2. b) Calcule a quantidade de calor trocada a pressão constante quando reagem completamente $0{,}50\,\text{mol}$ de $\mathrm{N_2(g)}$ com hidrogênio em excesso, e determine o calor necessário para decompor $68{,}0\,\text{g}$ de amônia gasosa em seus elementos à mesma temperatura.

Dados: Massa molar: $M(\mathrm{NH_3}) = 17{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Em um calorímetro a pressão constante de $1\,\text{bar}$ (cuja capacidade calorífica se considera desprezível) misturam-se $100{,}0\,\text{mL}$ de uma solução aquosa de $\mathrm{HCl} 0{,}50\,\text{M}$ com $100{,}0\,\text{mL}$ de solução aquosa de $\mathrm{NaOH} 0{,}50\,\text{M}$, ambas inicialmente a $21{,}0\,^\circ\text{C}$. Após completar-se a neutralização, a temperatura final da mistura homogênea se estabiliza em $24{,}4\,^\circ\text{C}$.

1. a) Escreva a equação iônica líquida do processo e determine a quantidade de substância, em mols, de água formada.
2. b) Calcule a entalpia molar experimental de neutralização, expressa em $\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ de água gerada.

Dados: Suponha que a densidade de todas as soluções aquosas é $1{,}00\,\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ e que seu calor específico médio é igual ao da água pura, c_e $= 4{,}18\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$. Considere que não há perdas de calor para o ambiente.

Comparam-se como combustíveis aeroespaciais o hidrogênio gasoso, $\mathrm{H_2(g)}$, e a hidrazina líquida, $\mathrm{N_2H_4(l)}$. Em condições padrão a $298\,\text{K}$, as entalpias molares de formação são $\Delta H_f^\circ[\mathrm{H_2O(l)}] = -285{,}8\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ e $\Delta H_f^\circ[\mathrm{N_2H_4(l)}] = +50{,}6\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

As reações de combustão completa com oxigênio gasoso formam, respectivamente, água líquida no caso do hidrogênio, e nitrogênio gasoso junto com água líquida no caso da hidrazina.

1. a) Escreva ambas as equações termoquímicas balanceadas por mol de combustível consumido e determine a entalpia padrão de combustão de cada um em $\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.
2. b) Se um foguete dispõe de um tanque com limite de carga útil de $500\,\text{kg}$ de combustível, calcule, justificando, qual substância fornecerá maior energia total e determine o volume de produto gasoso seco que restaria após resfriar e condensar completamente a água (a $1\,\text{bar}$ e $298\,\text{K}$) para cada combustível. Considere apenas os produtos estequiométricos: oxigênio exato, sem ar nem gás inerte. Esse volume frio não representa o escape quente de um motor.

Dados: $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{N}) = 14{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $R = 0{,}0831\,\text{bar}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Em uma prática de laboratório para determinar a entalpia de hidratação e posterior neutralização do óxido de cálcio, um estudante realiza dois experimentos em um calorímetro de pressão constante com capacidade calorífica desprezível:

1. Faz reagir $2{,}80\,\text{g}$ de $\mathrm{CaO(s)}$ em $200{,}0\,\text{g}$ de água líquida, ocorrendo a reação $\mathrm{CaO(s)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{Ca(OH)_2(s)}$, observando um aquecimento da água que absorve $3{,}26\,\text{kJ}$.

2. Faz reagir $3{,}70\,\text{g}$ de $\mathrm{Ca(OH)_2(s)}$ com um excesso de solução aquosa de $\mathrm{HCl}$, liberando-se $5{,}84\,\text{kJ}$ segundo: $\mathrm{Ca(OH)_2(s)} + 2\,\mathrm{HCl(aq)} \rightarrow \mathrm{CaCl_2(aq)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)}$.

1. a) Calcule a variação de entalpia padrão molar para cada uma das duas reações anteriores.
2. b) Aplicando a lei de Hess, determine a entalpia padrão para a reação direta:

$$\mathrm{CaO(s)} + 2\,\mathrm{HCl(aq)} \rightarrow \mathrm{CaCl_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)}$$

Dados: Massas molares atômicas: $M(\mathrm{Ca}) = 40{,}1\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{O}) = 16{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$. Considere os calores corrigidos a 298 K e pressão padrão; despreze efeitos de diluição e perdas térmicas.