UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA - UFPB
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA – CCEN / Dep. de Química
FÍSICO-QUÍMICA: 1º Capítulo (Noções de Gases e Termodinâmica).
Conceitos Fundamentais
1. Expresse (a) 110 kPa em torricelli, (b) 0,997 bar em atmosferas, (c) 2,15x104 Pa em
atmosferas e (d) 723 torr em pascals.
[Resp.: (a) 825 torr, (b) 0,984 atm, (c) 0,212 atm, (d) 9,64x104 Pa]
2. Calcule a pressão na fenda do Mindañao, perto das Filipinas, a região mais profunda dos oceanos. Considere a profundidade como sendo de 11,5 km e considere a densidade do mar de 1,10 gcm-3.
[Resp.: 1,24x108 Pa = 1,22x103 atm]
3. Qual a diferença de pressão que existe entre o início e o fim de um canudo de 15 cm, na posição vertical, quando se bebe através dele água líquida com uma densidade de 1,0 gcm-3?
[Resp.: 1,5x103 Pa 1,5x10-2 atm]
4. A água no tubo aberto de um manômetro, conectado a uma incubadora, estava 3,55 cm abaixo da água no outro ramo do manômetro, e a pressão atmosférica era 758 torr. Qual a pressão dentro da incubadora?
[Resp.: 755 torr]
5. A massa molar da mioglobina, uma proteína que armazena oxigênio, é de 16,1 kDa. Quantas moléculas de mioglobina estão presentes em 1,0 g do composto?
[Resp.: 3,74x1019 moléculas][Nota: Da Dalton = g·mol-1] Noções de Gases
6. Qual a pressão que é exercida por uma amostra com 2,045 g de nitrogênio gasoso em um recipiente de volume igual a 2,00 L, a 21 °C? Dado: MN2 = 28,02 g mol-1.
[Resp.: 89,2 kPa]
7. Para surpresa de muitas pessoas, descobriu-se que o monóxido de nitrogênio (NO) atua como neurotransmissor. Para estudar o seu efeito, uma amostra foi coletada em um recipiente de volume igual a 250,0 mL. A 19,5 °C, observou-se que a sua pressão era de 24,5 kPa. Que quantidade (em mols) de NO foi coletada? Dado: MNO = 30,01 g mol-1. [Resp.: 2,52x10-3 mol]
8. O efeito das pressões altas sobre o organismo, inclusive humanos, é estudado com o objetivo de se obter informações sobre mergulhos em águas profundas e sobre a anestesia. Uma amostra de ar ocupa 1,00 L a 25 °C e 1,00 atm. Que pressão é necessária para comprimir essa amostra a 100 cm3, nessa temperatura?
[Resp.: 10,0 atm]
9. Até que se ache um modo econômico de extrair oxigênio da água do mar ou de rochas lunares, ele tem que ser transportado com as pessoas quando estas vão para lugares onde ele não existe ou está presente em uma concentração abaixo das necessidades dos seres humanos. O transporte do oxigênio é feito em tanques onde ele se encontra comprimido. Uma amostra de oxigênio na pressão de 101 kPa é comprimida, a temperatura constante, de 7,20 L até 4,21 L. Calcule a pressão final do gás.
10. Balões de ar quente conseguem ascender devido ao abaixamento da densidade do ar que ocorre quando o ar no balão é aquecido. A que temperatura se deveria aquecer uma amostra de ar, inicialmente a 340 K, para aumentar seu volume em 14 %?
[Resp.: 388 K]
11. O volume de ar em um sino de mergulho, quando ele está em cima de um barco, é de 3,0 m3. Qual o volume de ar quando o sino atinge uma profundidade de 50 m?
Considere a densidade média da água do mar como sendo 1,025 g·cm-3 e admita que a
temperatura é a mesma da superfície.
[Resp.: 0,50 m3]
12. Uma mistura gasosa, que é usada para simular a atmosfera de outro planeta, consiste em 320 mg de metano, 175 mg de argônio e 225 mg de nitrogênio. A pressão parcial do nitrogênio, a 300 K, é 15,2 kPa. Calcule (a) o volume (b) a pressão total da mistura.
[Resp.: (a) 1,33 L e (b) 61,2 kPa]
13. A determinação da densidade de um gás ou de um vapor pode fornecer uma estimativa rápida de sua massa molar, embora a espectrometria de massa seja muito mais precisa. Determinou-se, a 330 K e 25,5 kPa, que a densidade de um determinado composto gasoso é 1,23 g·L-1. Qual é a massa molar desse composto?
[Resp.: 132 g·mol-1]
14. Um recipiente de volume igual a 22,4 L contém 2,0 mols de H2 e 1,0 mol de N2, a
273,15 K. Calcule (a) as suas pressões parciais e (b) a pressão total.
[Resp.: (a) p(H2) = 2,0 atm, p(N2) = 1,0 atm; (b) p = 3,0 atm]
15. (a) Qual a diferença, em termos de pressão, entre considerar 10,00 g de dióxido de carbono confinado em um recipiente de volume igual a 100 cm3, a 25,0 °C, como um
gás perfeito (pideal) e como um gás de Van der Waals (pVDW)? (b) Supondo que o
resultado fornecido pela equação de Van der Waals seja preciso, qual o erro percentual no uso da equação do gás ideal? Dados: a = 3,59 atm·L2·mol-2 e b = 0,043 L·mol-1. [Resp.: (a) pideal = 55,51 atm, pVDW = 43,01 atm, Δp = 12,50 atm; (b) %Erro ≈ 29 %]
Noções de Termodinâmica (Primeira Lei)
16. Calcule o trabalho de expansão que acompanha a combustão completa de 1,0 g de glicose (C6H12O6) a 20 °C sob a pressão externa de 1,0 atm.
[Resp.: -81 J = -19 cal]
17. O trabalho realizado por um motor pode depender de sua orientação no campo gravitacional, pois a massa do pistão é relevante quando a expansão é vertical. Uma reação química se passa em um vaso de seção reta uniforme de 55,0 cm2, provido de
pistão de massa igual a 250 g. Em virtude da reação, o pistão se desloca (a) horizontalmente e (b) verticalmente de 155 cm contra a pressão externa de 105 kPa. Calcule o trabalho feito pelo sistema em cada caso.
[Resp.: (a) 895 J; (b) 899 J]
18. Em uma compressão isotérmica reversível de 52 mmols de um gás perfeito a 260 K, o volume do gás se reduz de 300 mL para 100 mL. Calcule w no processo.
[Resp.: +123 J]
19. Uma fita de 12,5 g de magnésio metálico é colocada em um bécher com ácido clorídrico diluído. Admitindo que o magnésio é o reagente limitante, calcule o trabalho realizado pelo sistema em consequência da reação. A pressão atmosférica é de 1,0 atm e a temperatura de 20,2 °C.
20. Qual é a capacidade calorífica de um líquido cuja temperatura se eleva de 5,23 °C quando recebe 124 J de calor?
[Resp.: 23,7 J·K-1]
21. Quando adicionamos 229 J de energia, sob a forma de calor, a 3,00 mols de Ar(g), a
volume constante, a temperatura do sistema aumenta de 2,55 K. Calcule as capacidades caloríficas molares, a volume e a pressão constante, desse gás.
[Resp.: Cp,m = 38,2 J·K-1·mol-1; CV,m = 29,9 J·K-1·mol-1]
22. Em um experimento realizado para se determinar o valor calórico de um alimento uma amostra foi queimada em uma atmosfera de oxigênio e a temperatura do calorímetro subiu 2,89 °C. A passagem de uma corrente de 1,27 A, a partir de uma fonte de 12,5 V, no mesmo calorímetro, por um tempo de 157 s, elevou a temperatura em 3,88 °C. Qual é o calor liberado pela combustão do alimento?
[Resp.: +1,86x103 J]
23. Um animal de laboratório é obrigado a se exercitar em uma esteira ergométrica acoplada a um sistema de roldanas. Durante o exercício, o animal consegue erguer uma massa de 200 g a uma altura de 1,55 m. Para tanto, perde 5,0 J de energia como calor. Desprezando outras perdas e considerando o animal como um sistema fechado, qual é a variação de sua energia interna?
[Resp.: -8,0 J]
24. O dióxido de carbono, ainda que em pequena quantidade na atmosfera, desempenha importante papel na determinação das condições do tempo e na composição e temperatura da atmosfera. (a) Calcule a diferença entre a entalpia molar e a energia interna molar do dióxido de carbono, considerando como gás perfeito, a 1,00 atm e 298,15 K. (b) A entalpia molar aumenta ou diminui se considerarmos as forças intermoleculares? Para esse cálculo, considere o dióxido de carbono como um gás de Van der Waals. Dados: a = 3,59 atm·L2·mol-2, b = 0,043 L·mol-1 e V
m = 24 L·mol-1. [Resp.: (a) 2,479 kJ·mol-1; (b) Diminui]
25. Quando 3,0 mols de oxigênio são aquecidos sob pressão constante de 3,25 atm, sua temperatura aumenta de 260 K para 285 K. A capacidade calorífica molar do oxigênio, a pressão constante, é 29,4 J·K-1mol-1. Calcule q, w, ΔH e ΔU.
[Resp.: q = +2,2 kJ; w = -0,6 kJ; ΔH = +2,2 kJ; ΔU = +1,6 kJ]
Noções de Termodinâmica (Termoquímica)
26. O isopropanol (2-propanol) é normalmente usado como “álcool de fricção”, para aliviar as dores causadas por contusões em práticas esportivas. Sua ação é devida ao efeito de resfriamento que acompanha a sua rápida evaporação quando aplicado sobre a pele. Uma amostra do álcool foi aquecida a ebulição em um experimento para determinar a sua entalpia de vaporização. A passagem de uma corrente de 0,812 A, proveniente de uma fonte de 11,5 V, por 303 s, provocou a vaporização de 4,27 g do álcool. Qual é a entalpia molar de vaporização do isopropanol?
[Resp.: +39,8 kJ·mol-1]
27. Um projeto eficiente de plantas industriais para o processo química depende da habilidade do projetista em estimar e usar o calor produzido em uma etapa do processo para alimentar um outro processo. A entalpia padrão da reação: N2(g) + 3 H2(g)
2 NH3(g), é -92,22 kJ·mol-1. Qual é a variação de entalpia quando (a) 1,00 mol de N2(g) é
consumido e (b) 1,00 mol de NH3(g) é formado? [Resp.: -46,11 kJ]
28. As entalpias padrões de formação são encontradas com facilidade, mas precisamos, muitas vezes, das entalpias padrões de combustão. A entalpia padrão de formação do etilbenzeno é -12,5 kJ·mol-1. Calcule a sua entalpia padrão de combustão.
[Resp.: -4564,7 kJ·mol-1]
29. Quando se queimam 320 mg de naftaleno, C10H8(s), em uma bomba calorimétrica, a
temperatura se eleva de 3,05 °C. De quanto a temperatura se elevará na combustão de 100 mg de fenol, C6H5OH(s), no mesmo calorímetro e nas mesmas condições? Dados:
ΔHc,m(naftaleno) = -5157 kJ·mol-1; ΔHc,m(fenol) = -3054 kJ·mol-1. [Resp.: 0,769 °C]
30. O gás usado nos campings é basicamente constituído de propano. A entalpia padrão de combustão do gás propano é de -2220,00 kJ·mol-1, e a entalpia de vaporização do
líquido é +15 kJ·mol-1. Calcule: (a) a entalpia padrão e (b) a energia interna padrão de
combustão do líquido.
[Resp.: (a) -2205 kJ·mol-1; (b) -2200 kJ·mol-1]
Noções de Termodinâmica (Segunda Lei)
31. Um peixinho de aquário nada em uma tigela de água, a 20 °C. Durante um certo período de tempo, o peixe transfere 120 J para a água, como resultado do seu metabolismo. Qual a variação da entropia da água?
[Resp.: +0,410 J·K-1]
32. Uma amostra de alumínio, de massa igual a 1,25 kg, é resfriada, a pressão constante, de 300 K para 260 K. Calcule (a) a energia que deve ser removida como calor e (b) a variação de entropia da amostra. A capacidade calorífica do alumínio é 24,35 J·K-1mol-1,
e sua massa molar é 26,98 g·mol-1. [Resp.: (a) -45,1 kJ; (b) -161 J·K-1]
33. Calcule a variação de entropia molar quando o dióxido de carbono se expande isotermicamente de 1,5 L para 4,5 L.
[Resp.: +9,1 J·K-1mol-1]
34. Sempre que um gás se expande (quando expiramos, quando um frasco é aberto etc.) o gás sofre um aumento de entropia. Uma amostra de metano gasoso de massa igual a 25 g, a 250 K e 185 kPa, se expande isotermicamente e (a) reversivelmente e (b) irreversivelmente até que sua pressão seja de 2,5 kPa. Calcule a variação de entropia do gás.
[Resp.: +56 J·K-1]
35. Calcule a variação de entropia molar quando uma amostra de argônio for comprimida de 2,0 L para 500 mL e, simultaneamente, aquecida de 300 K para 400 K. Considere CV,m
igual a 3/ 2R. [Resp.: -7,9 J·K-1mol-1]
36. A entalpia da transição de fase grafita diamante, na pressão de 100 kbar e temperatura de 2000 K, é +1,9 kJ·mol-1. Calcule a variação de entropia da transição. [Resp.: +0,95 J·K-1mol-1]
37. Em uma determinada reação biológica, que ocorre no seu corpo a 37 °C, a variação de entalpia é -125 kJ·mol-1, e a variação de entropia é -126 J·K-1mol-1. (a) Calcule a
variação da energia de Gibbs. (b) A reação é espontânea? (c) Calcule a variação total de entropia, do sistema e das vizinhanças.
38. A capacidade calorífica molar, a pressão constante, de moléculas gasosas lineares é de, aproximadamente, 7/
2R, e no caso de moléculas gasosas não-lineares, 4 R. Determine o
efeito da temperatura na variação da entropia padrão de reação das duas reações a seguir, quando a temperatura aumenta de 10 K a partir de 273 K a pressão constante: (a) 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g); (b) CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g).
[Resp.: (a) -0,75 J·K-1·mol-1; (b) +0,15 J·K-1·mol-1]
39. A formação da glutamina, a partir de glutamato e íons amônio, necessita de 14 kJ·mol-1
de energia. Essa energia é fornecida pela hidrólise do ATP (trifosfato de adenosina) a ADP (difosfato de adenosina) na presença da enzima glutamina sintetase. (a) Dado que a variação da energia de Gibbs para a hidrólise do ATP corresponda a ΔG = -31 kJ·mol-1,
nas condições típicas de uma célula, pode a hidrólise fornecer a energia necessária para a formação da glutamina? (b) Quantos mols de ATP devem ser hidrolisados para formar 1 mol de glutamina?
[Resp.: (a) Sim; (b) 0,46 mol de ATP]
40. Admita que o raio de uma célula típica seja 10 μm, e que dentro dela 106 moléculas de
ATP são hidrolisadas a cada segundo. Qual é a densidade de potência em watts por metro cúbico (1 W = 1 J·s-1)? Uma bateria de computador fornece, aproximadamente,
15 W e tem um volume de 100 cm3. Quem tem maior densidade de potência, a célula
ou a bateria?
