Ficha nº2 : Exames e TI (2013 – 202*)

A equação química mostra que se consomem duas moles de dioxigénio quando se dá a combustão de uma mole de metano.

ΔH = – 802 kJ / mol de reação = – 802 kJ / mol de CH₄ = – 802 kJ / 2 mol de O₂

Por cada mole de O₂ consumido libertam-se 401 kJ.

A quantidade de O₂ existente em 2,0 m³ desse gás pode calcular-se a partir do volume molar, dado que n (O₂) = V/Vm.

Como, em condições normais de pressão e temperatura Vm = 22,4 dm³ mol^-1, vem:

A quantidade de calor libertado, Q, por reação desta quantidade de oxigénio calcula-se a partir da variação de entalpia:

• Q = n (O₂) x ΔH = 89,3 mol x (- 401 kJ mol^-1) = – 3,6 x 10⁴ kJ

• Na resposta, são apresentados as seguintes etapas de resolução:

A) Determinação da quantidade de oxigénio existente em 2,0 m³ desse gás, em condições normais de pressão e de temperatura (n = 89,3 mol).

B) Determinação da energia libertada por reação dessa quantidade de oxigénio (E = 3,6 x 10⁴ kJ)

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

A classificação a atribuir à resposta resulta da pontuação decorrente do enquadramento num dos níveis de desempenho atrás descritos, à qual podem ser subtraídos pontos, de acordo com o enquadramento nos níveis de desempenho relacionados com o tipo de erros cometidos.

• O (g) + O₃ (g) → O₂ (g)

• O (g) + O₃ (g) → O₂ (g) …………. 5 pontos

• Opção (B)

⇒ A reação de síntese do amoníaco apresenta uma variação de entalpia negativa, o que significa haver libertação de energia.

⇒ O coeficiente estequiométrico do amoníaco, NH₃, na equação química indica que é por cada duas moles de NH₃ formadas.

• Opção (B) …………. 5 pontos

• O₂ (g) + O (g) → O₃ (g)

• O₂ (g) + O (g) → O₃ (g) …………. 5 pontos

Notas:

A omissão da indicação do(s) estado(s) físico(s) de uma ou mais espécies não implica qualquer desvalorização.

A apresentação de ⇋ (em vez de →) não implica qualquer desvalorização.

• Opção (C)

• ΔH = – 105 kJ mol^-1 = – 105 x 10³ J mol^-1

⇒ A energia que se liberta quando se forma uma molécula de ozono:

• Opção (C)…………. 5 pontos

⇒Os elementos flúor e cloro localizam-se no mesmo grupo da Tabela Periódica, grupo 17, e nos períodos 2 e 3, respetivamente, ou seja, o flúor antecede o cloro no mesmo grupo da TP.

⇒Como o raio atómico aumenta ao longo do grupo, o raio atómico do cloro é superior ao raio atómico do flúor.

⇒O comprimento de ligação C-Cl é maior do que o comprimento de ligação C-F.

⇒As diferenças nas energias de ligação resultam fundamentalmente dos diferentes comprimentos de ligação dos átomos ligados.

⇒ Menores comprimentos de ligação conduzem a ligações mais fortes, pelo que a energia de ligação C-Cl é menor que a energia de ligação C-F.

⇒Será necessário mais energia para romper a ligação C-F do que para romper a ligação C-Cl.

• A ligação C-Cl sofre mais facilmente rutura.

• A resposta integra os tópicos de referência seguintes ou outros de conteúdo equivalente:

A)O raio atómico do cloro é superior ao raio atómico do flúor, pelo que o comprimento da ligação C – Cl será maior do que o comprimento da ligação C – F.

B)Assim, será necessária mais energia para romper a ligação C – F do que para romper a ligação C – Cl, pelo que a ligação C – Cl sofrerá mais facilmente rutura.

• Opção (C)

⇒  Por convenção considera-se positiva a energia recebida.

⇒ Para a obtenção de 2 mol de átomos, por decomposição da molécula, tem-se

• N₂ (g) → 2 N (g); ΔH = + 945 kJ

⇒ Para 4 mol de átomos são +2 × 945 kJ

• Opção (C)  ……………. 5 pontos

• Opção (B)

⇒ Na reação em causa, a variação de entalpia associada à formação de 2 mol de HI (g) é – 9,2 kJ.

⇒ Este valor é o “saldo energético” da energia absorvida para partir todas as ligações covalentes nas moléculas dos reagentes e da energia libertada na formação das ligações covalentes nas moléculas dos produtos da reação, ou seja:

• – 9,2 kJ = [+ E_lig (H₂) x 1 mol + E_lig (I₂) x 1 mol] – [ E_lig (HI) x 2 mol ] ⇔

⇔ – 9,2 = [ + 436,4 x 1 + E_lig (I₂) x 1 ] – [ 298,3 x 2 ]

⇔  E_lig (I₂) = 151,0 kJ mol^-1

⇒ A energia que se liberta quando se forma 1 mol de ligações I − I em I₂ é 151,0 kJ

• Opção (B)  ……………. 5 pontos

⇒ A energia necessária para quebrar as ligações O – H em duas mol de moléculas de H₂O é

• E_quebra = 4 x E_ligação ( O – H) 

⇒ A energia libertada na formação das ligações H – H e O = O é dada por

• E_formação = 2 x E_ligação (H – H) + E_ligação (O = O) ⇔ E_formação = 2 x 436 kJ + 1 x 498  = 1370 kJ

⇒ A variação de energia, ΔE, associada à decomposição de duas mol de H₂O (g) é a diferença entre a energia absorvida, E_quebra, e a energia libertada, E_formação:

• ΔE = E_quebra – E_formação ⇔ 572  = 4 x E_ligação (O – H) – 1370 ⇔  E_ligação (O – H) = 486 kJ 

⇒ É necessário fornecer , em média , a energia de 486 kJ para quebrar uma mole de ligações O – H na molécula de água.

• Etapas de resolução:

⇒ Determinação da energia libertada na formação de duas moles de ligações  H-H e de uma mole de ligações O=O (E = 1370 kJ) (ver nota 1)  …….. 4 pontos

⇒ Determinação da energia que é necessário fornecer, em média, para quebrar  uma mole de ligações O-H na molécula de água (E = 486 kJ) (ver nota 2)  …….. 6 pontos

Notas:

1. A consideração de uma estequiometria incorreta implica que a resposta seja classificada com zero pontos.

2. A utilização de sinais algébricos incorretos implica que a etapa seja pontuada com zero pontos.

• Opção (A)

⇒ Condensação é uma transformação física em que ocorre a passagem do estado físico gasoso para o estado físico líquido.

⇒ Como na passagem de vapor de água ao estado líquido ocorre a formação de ligações intermoleculares, particularmente ligações de hidrogénio, as opções B e D não são corretas.

• A formação de ligações envolve libertação de energia (ΔH < 0).

ou

⇒ A água condensa ao passar do estado gasoso ao estado líquido. Nessa transformação estabelecem-se ligações entre moléculas de água, por isso há libertação de energia.

• Opção (A)  ……………. 10 pontos

• Opção (A)

⇒ A energia média de ligação é a energia que é absorvida, em média, por cada mole de ligações quebradas.

⇒ Como a energia libertada na formação de uma ligação é igual à energia absorvida na quebra dessa ligação, conclui-se que quando se forma uma ligação C-C é libertada, em média, uma energia de

• Opção (A)  ……………. 10 pontos

⇒  Como é necessário fornecer energia para ocorrer a decomposição, em fase gasosa, do pentacloreto de fósforo, PCℓ₅ , a reação é endotérmica. Por isso, ΔH > 0 .

Para calcular a energia da ligação P − Cℓ na molécula PCℓ₃, pode fazer-se o balanço entre a energia posta em jogo na decomposição do PCℓ₅ , ΔH_r, a energia absorvida na rutura de ligações e a energia libertada na formação das novas ligações.

⇒ Energias envolvidas:

Seja x kJ/mol a energia de ligação P − Cℓ em PCℓ₃

Variação de entalpia associada à reação de decomposição de

• 1 mol de PCℓ₅ (g) : ΔH_r = + 88 kJ/mol

Energia absorvida na dissociação de uma mol de ligações

• P − Cℓ em PCℓ₅   = 257 kJ/mol

Energia libertada na formação de uma mol de ligações

• Cℓ − Cℓ = 243 kJ/mol

⇒ Nas ligações que se partem e que se formam, atendendo a que, por convenção, a energia absorvida pelo sistema é positiva e a energia libertada é negativa.

Energia absorvida para romper ligações nas moléculas reagentes:

• 5 x 257 = 1285 kJ/mol

Energia libertada ao formar ligações nas moléculas resultantes:

• − (3 x + 243) kJ/mol

⇒ Balanço energético:

• 1285 − ​(3 x + 243) = 88 ⇔ 1285 − 88 = 3 x + 243 ⇔ 954 = 3 x ⇔ x = 318 kJ/mol

Como 318 kJ/mol > 257 kJ/mol ⇔ E_lig P − Cℓ em PCℓ₃ > ​E_lig P − Cℓ em PCℓ5 .

⇒ Como quanto maior for a energia de ligação mais forte é a ligação, a ligação P − Cℓ em PCℓ₃ é mais forte do que em PCℓ₅ .

• Elementos de resposta:

⇒ cálculo da energia da ligação P – Cl na molécula PCl₃ com base na diferença entre a energia envolvida na rutura de ligações químicas e a energia envolvida na formação de ligações químicas (318 kJ mol^-1);

⇒ identificação da ligação mais forte com base na associação entre uma maior energia de ligação e uma ligação mais forte (P – Cl na molécula PCl₃).

⇒ Calculo da variação de entalpia associada à reação de combustão do metano:

⇒ A energia libertada ou absorvida numa reação química resulta de um balanço entre a energia absorvida na rutura das ligações entre os átomos dos reagentes e a energia libertada na formação das novas ligações. Por convenção, a energia absorvida pelo sistema é positiva e a energia libertada é negativa.

⇒ Para determinar a energia de dissociação da molécula de O₂, pode recorrer-se a este balanço energético:

• A energia de dissociação é numericamente igual à energia de ligação, E_diss (O = O) = 490 kJ/mol, ou seja, a energia necessária para dissociar de é 1 mol de O₂ é 490 kJ. 

• Determina o valor solicitado, percorrendo as etapas seguintes:

⇒ Calcula a energia que se liberta na combustão de 1 mol de CH₄ (802,6 kJ) …….. 4 pontos

⇒ Calcula a energia envolvida na formação das ligações de 1 mol de CO₂ e de 2 mol de H₂O (3438 kJ)…….. 3 pontos

⇒ Calcula a energia necessária para dissociar 1 mol de O₂ (490 kJ) …….. 3 pontos

• Opção (A)

⇒ Determinação da quantidade de matéria de CH₄:

⇒ Classificação da reação do ponto de vista energético:

• ΔH <0 ⇒ a reação é exotérmica. Logo, há libertação de energia.

⇒ Cálculo da energia libertada:

Nota: O calculo refere-se à reação completa da massa referente ao tanque do navio transportando o máximo volume possível, ou seja, na sua capacidade.

• Opção (A)  ……………. 10 pontos