Questão 1

ITA 2019

Química

[Resolução ITA 2019 2ª fase 1ª questão]

a) O etanol possui fórmula molecular $mathrm{C_2H_5OH}$ Portanto, sua combustão tem gás carbônico e água como produtos. Sua versão não-balanceada, com variação de entalpia $Delta H_a$ está indicada abaixo. $mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow CO_{2(g)}+H_2O_{(ell)}}$

Balanceando-se a reação, chega-se em:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+3O_{2(g)} ightarrow 2CO_{2(g)}+3H_2O_{(ell)}}$

b) 1 mol de ar atmosférico contém, aproximadamente, 0,8 mol de oxigênio e 0,2 mol de nitrogênio. Portanto, uma porção de ar que contiver 3 mols de oxigênio conterá:

$3 imes frac{0.8}{0.2}=12$

mols de nitrogênio. Como o nitrogênio é inerte nesta reação, a combustão do etanol com o ar atmosférico, possuindo variação de entalpia $Delta H_b$ tem como equação:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+3O_{2(g)} + 12 N_2{(g)} ightarrow 2CO_{2(g)}+3H_2O_{(ell)}+ 12 N_2{(g)}}$

c) Do item anterior, percebemos que a quantidade estequiométrica do ar atmosférico é 15 mol. Portanto, 50% da quantidade estequiométrica é igual a 7,5 mol de ar atmosférico, o que equivale a 1,5 mol de oxigênio e 6 mols de nitrogênio. Teremos combustão incompleta. Vamos analisar, primeiramente, as reações formando $mathrm{CO_{(g)}}$ (gás carbônico) e $mathrm{C_{(s)}}$ (fuligem), de variações de entalpia $Delta H_{CO}$ e $Delta H_C$ , respectivamente:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+2O_{2(g)} ightarrow 2CO_{(g)}+3H_2O_{(ell)}}$

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow 2C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}}$

Sendo ambas reações acima oriundas da combustão incompleta, temos que $Delta H_{CO}<Delta H_a$ e $Delta H_{C}<Delta H_a$

Como a quantidade de oxigênio disponível para a reação é menor do que a quantidade necessária para formar apenas gás carbônico, e maior do que a quantidade necessária para formar apenas fuligem, ambos gás carbônico e fuligem serão produtos da reação.

Tomando as duas reações de combustão incompleta, e multiplicando ambas por 1/2, temos:

$mathrm{frac{1}{2}C_2H_5OH_{(ell)}+O_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+frac{3}{2}H_2O_{(ell)}}$

$mathrm{frac{1}{2}C_2H_5OH_{(ell)}+frac{1}{2}O_{2(g)} ightarrow C_{(s)}+frac{3}{2}H_2O_{(ell)}}$

A variação de entalpia da primeira e segunda reações é $frac{Delta H_{CO}}{2}$ e $frac{Delta H_{C}}{2}$ respectivamente.

Somando-se as duas reações, chegamos na reação;

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+frac{3}{2}O_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}}$

que terá variação de entalpia $frac{Delta H_{CO}+ Delta H_{C}}{2}$ . Logo, a reação com o ar atmosférico é:

$mathrm{C_2H_5OH_{(ell)}+frac{3}{2}O_{2(g)} + 6N_{2(g)} ightarrow CO_{(g)}+C_{(s)}+3H_2O_{(ell)}+6N_{2(g)}}$

d) Considerando que os produtos e os reagentes estão na mesma temperatura, temos $Delta H_a=Delta H_b$ já que o nitrogênio não influencia na variação de entalpia. Considerando o valor absoluto de $Delta H$ , temos:

$|Delta H_{a}|=|Delta H_{b}|>|Delta H_{c}|$ , já que no item c) a combustão é incompleta.

Gabarito:

Questão 1

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