Considere as afirmações a respeito da reação de combustão completa de misturas estequiométricas, nas condições ambientes.
I. Em uma mistura de hidrogênio e oxigênio, o combustivel representa aproximadamente
da massa total.
II. Em uma mistura de octano e oxigénio, o combustivel representa aproximadamente
da massa total.
III. A variação de temperatura da reação de combustivel e oxigênio (por mol de combustível) é igual à variação de temperatura da reação de combustível e ar atmosférico (por mol de combustivel).
IV. A entalpia molar de combustão de uma mistura de combustível e oxigênio é igual à entalpia molar de combustão de uma mistura de combustivel e ar atmosférico.
Assinale a opção que contém as afirmações CORRETAS.
a) Apenas I, II e III.
b) Apenas I e III.
c) Apenas I e IV.
d) Apenas II, III e IV.
e) Apenas II e IV.
I. Em uma mistura de hidrogênio e oxigênio, o combustivel representa aproximadamente
II. Em uma mistura de octano e oxigénio, o combustivel representa aproximadamente
III. A variação de temperatura da reação de combustivel e oxigênio (por mol de combustível) é igual à variação de temperatura da reação de combustível e ar atmosférico (por mol de combustivel).
IV. A entalpia molar de combustão de uma mistura de combustível e oxigênio é igual à entalpia molar de combustão de uma mistura de combustivel e ar atmosférico.
a) Apenas I, II e III.
b) Apenas I e III.
c) Apenas I e IV.
d) Apenas II, III e IV.
e) Apenas II e IV.
Passo 1
Vou identificar claramente o que o enunciado pede e quais informações relevantes temos.
- O enunciado apresenta quatro afirmações (I, II, III, IV) sobre combustão completa estequiométrica em condições ambientes e pede para escolher quais são corretas.
- Informações implícitas que vamos usar:
- “Estequiométrica” significa que há exatamente a quantidade de oxidante necessária para reagir completamente com o combustível, sem excesso nem falta.
- Massa molar aproximada que usarei (valores simples e suficientemente precisos para comparação):
, , logo e . Para carbono usarei . - Composição do ar atmosférico: cerca de
em volume de e em volume de . Aqui usarei essa ideia quando for comparar combustão com puro versus ar.
- O que o enunciado pergunta efetivamente:
- Verificar se I: “em mistura de
e o combustível representa ≈ da massa total” — verdadeiro ou falso? - Verificar se II: “em mistura de octano e
o combustível representa ≈ da massa total” — verdadeiro ou falso? - Verificar se III: “a variação de temperatura (por mol de combustível) é igual para combustão com
puro e com ar atmosférico” — verdadeiro ou falso? - Verificar se IV: “a entalpia molar de combustão é igual para mistura combustível+
e combustível+ar” — verdadeiro ou falso?
- Verificar se I: “em mistura de
A partir daqui eu vou analisar cada afirmação, com cálculos e explicações didáticas.
Passo 2
Verificando a afirmação I (hidrogénio + oxigénio ≈
de combustível por massa).
- Reação de combustão estequiométrica do hidrogénio (formando água líquida ou gasosa, a estequiometria é a mesma):
- Pegamos a estequiometria por
mol de reagindo com mol de . - Massas envolvidas:
- Massa de
mol de : - Massa de
mol de :
- Massa de
- Massa total da mistura estequiométrica (combustível + oxidante):
- Fração mássica do combustível (
):
ou seja
.
Conclusão do passo: a afirmação I está correta (valor ≈
).
Passo 3
Verificando a afirmação II (octano + oxigénio, combustível ≈
da massa total).
- Fórmula do octano (gasolina modelo):
. - Reação de combustão estequiométrica (balanceada por 1 mol de combustível):
Logo, para
mol de octano é necessário
mol de
.
- Calcular massa molar do octano (usando
e para cálculo simples):
- Massa de
necessária por mol de octano:
- Massa total da mistura estequiométrica por mol de octano:
- Fração mássica do combustível (octano):
Isso está longe de
. Portanto a afirmação II é falsa.
Observação prática: mesmo usando massas atômicas ligeiramente mais precisas (por ex.
e
) o resultado fica muito próximo de
, portanto a diferença para
é real e grande.
Passo 4
Analisando a afirmação III (variação de temperatura por mol de combustível é igual para combustão com
puro e com ar atmosférico).
- Conceito físico relevante: a energia liberada pela reação por mol de combustível (entalpia de combustão) é, para os mesmos produtos e nas mesmas condições iniciais, a mesma se o agente oxidador for
puro ou ar — desde que a reação química do combustível produza os mesmos produtos. Porém, a variação de temperatura observada (por exemplo a elevação da temperatura adiabática) depende de quanto material precisa ser aquecido pelos produtos e inertes presentes. - Em processo adiabático e estequiométrico, a energia liberada por mol de combustível é absorvida para elevar a temperatura do conjunto de produtos e quaisquer inertes presentes (por exemplo
do ar). Escrevendo grosseiramente a conservação de energia:
onde
é a entalpia de combustão (por mol de combustível, valor negativo no sentido de liberação de calor),
e
são as massas e capacidades térmicas das espécies que se aquecem, e
é a elevação de temperatura resultante.
- Quando o oxidante é ar em vez de
puro, há muito mais massa de gás inerte ( ) associada por mol de necessário — logo o somatório é maior. Pelo relacionamento acima, para dado o valor de será menor (dividido por uma capacidade térmica total maior). - Portanto a variação de temperatura por mol de combustível (por exemplo a elevação de temperatura adiabática) não é igual entre usar
puro e usar ar: com ar a temperatura final é menor.
Conclusão do passo: a afirmação III é falsa.
Passo 5
Analisando a afirmação IV (entalpia molar de combustão é igual para mistura combustível+
e combustível+ar).
- Conceito termodinâmico chave: entalpia de reação é uma função de estado que depende dos estados iniciais e finais das espécies químicas envolvidas. Se a reação química do combustível produz os mesmos produtos finais e se as condições iniciais (temperatura, pressão padrão) forem as mesmas, a entalpia liberada por mol de combustível é a mesma independentemente de o oxidante ser
puro ou ar — desde que se descreva a reação incluindo os inertes no lado apropriado. - Mais formalmente: escrever a entalpia de combustão por mol de combustível considerando ar inclui
tanto nos reagentes (associada ao ar) quanto como produto (permanece não reagida); na expressão da entalpia de reação a contribuição de nos reagentes e nos produtos normalmente cancela (quando avaliadas nas mesmas condições iniciais e finais), de modo que o termo associado à oxidação do combustível (entalpia por mol de combustível) permanece o mesmo que se considerássemos oxidante puro. Em outras palavras, a presença de um gás inerte não altera a quantidade de energia química liberada pela oxidação do combustível. - Portanto, a entalpia molar de combustão (energia liberada por mol de combustível em condições comparáveis) é igual para mistura com
puro e com ar.
Conclusão do passo: a afirmação IV é verdadeira.
Passo 6
Resumo das verificações:
- I: verdadeira.
- II: falsa.
- III: falsa.
- IV: verdadeira.
Logo as afirmações corretas são apenas I e IV.
Resposta
c) Apenas I e IV.