Questão 2: A reação: 2 \mathrm{~N}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \leftrightarrow 2 \mathrm{~N}_{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g})
\Delta \mathrm{H}^{0}=-55,0 \mathrm{~kJ} . \mathrm{mol}^{-1}
apresenta energia de ativação igual a 121 \mathrm{~kJ}_{. m \mathrm{I}^{-1}}, se ouro for empregado como catalisador e 134 \mathrm{kJ} . \mathrm{mol}^{-1} \mathrm{se}, alternativamente, platina for empregada como catalisador.
Sobre esse sistema fechado, considere as afirmativas a seguir.
I - Um aumento de temperatura diminuiria o tempo para se atingir o equilíbrio e aumentaria o rendimento do processo.
II - O emprego de ouro como catalisador conduz o processo mais rapidamente ao equilíbrio, quando comparado ao emprego de platina.
III - A uma dada temperatura, o emprego dos catalisadores ao processo altera a velocidade da reação, no entanto as concentrações dos gases no equilíbrio permanecem inalteradas.
IV - Um aumento da pressão total do sistema (pela diminuição do volume) levaria a um aumento do rendimento da reação no equilíbrio.
Estão corretas APENAS as afirmativas
(A) I e III.
(B) I e IV.
(C) II e III.
(D) II e IV.
(E) III e IV.

Passo 1

O enunciado nos dá a reação gasosa e alguns dados e pede que identifiquemos quais das afirmativas I–IV são verdadeiras. Vou listar claramente o que temos e o que é pedido.
  • Reação: 2\mathrm{N}_2\mathrm{O}(\mathrm{g}) \rightleftarrows 2\mathrm{N}_2(\mathrm{g}) + \mathrm{O}_2(\mathrm{g}).
  • Entalpia padrão da reação: \Delta H^{0} = -55{,}0\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}. (ou seja, a reação é exotérmica.)
  • Energia de ativação com catalisador ouro: E_{a,\mathrm{Au}} = 121\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}.
  • Energia de ativação com catalisador platina: E_{a,\mathrm{Pt}} = 134\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}.
  • O sistema é fechado (ou seja, número de mols total do sistema fixo; porém pressões e volumes podem mudar conforme o experimento).
As afirmativas a avaliar:
I - Um aumento de temperatura diminuiria o tempo para se atingir o equilíbrio e aumentaria o rendimento do processo.
II - O emprego de ouro como catalisador conduz o processo mais rapidamente ao equilíbrio, quando comparado ao emprego de platina.
III - A uma dada temperatura, o emprego dos catalisadores ao processo altera a velocidade da reação, no entanto as concentrações dos gases no equilíbrio permanecem inalteradas.
IV - Um aumento da pressão total do sistema (pela diminuição do volume) levaria a um aumento do rendimento da reação no equilíbrio.
Pergunta final: quais afirmativas estão corretas apenas? (escolher entre as alternativas A–E).

Passo 2

Conceitos essenciais (explicação didática e breve) — temperatura, exotermia e rendimento:
  • A entalpia da reação \Delta H^{0} indica se a reação libera ou absorve calor. Se \Delta H^{0}<0 a reação é exotérmica (libera calor para o entorno); se \Delta H^{0}>0 é endotérmica (absorve calor).
  • O Princípio de Le Châtelier (forma prática): se um sistema no equilíbrio for perturbado, o equilíbrio se desloca no sentido que tende a reduzir essa perturbação.
    • Aplicação a temperatura: aquecer (aumentar T) equivale a adicionar energia térmica. Para uma reação exotérmica ( \Delta H^{0}<0), aumentar T favorece o sentido endotérmico (o sentido que absorve calor), ou seja favorece os reagentes. Logo, para reação exotérmica, aumento de T reduz o rendimento em produtos no equilíbrio.
  • Efeito da temperatura na velocidade: aumentar T geralmente aumenta as velocidades de reação (mais moléculas com energia suficiente para superar a barreira de ativação), portanto reduz o tempo para alcançar o equilíbrio.

Passo 3

Avaliação da afirmativa I usando os conceitos:
  • A primeira parte de I: “Um aumento de temperatura diminuiria o tempo para se atingir o equilíbrio” — isso é correto: aumentar T tende a aumentar as constantes de velocidade (mais colisões eficazes), então o sistema alcança o equilíbrio mais rápido.
  • A segunda parte de I: “e aumentaria o rendimento do processo” — como a reação é exotérmica ( \Delta H^{0}=-55{,}0\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}), aumentar T desloca o equilíbrio para os reagentes (sentido endotérmico é o inverso), diminuindo o rendimento em produtos. Portanto essa segunda parte é falsa.
    Conclusão sobre I: a afirmativa completa é falsa (porque mistura uma parte verdadeira e outra falsa). Logo I é falsa.

Passo 4

Conceitos essenciais (explicação sobre catalisadores e energia de ativação):
  • A constante de velocidade de uma reação obedece qualitativamente à Lei de Arrhenius:
k = A \exp\!\left(-\dfrac{E_a}{R T}\right),
onde k é a constante de velocidade, A é o fator pré-exponencial (frequência efetiva de colisões), E_a é a energia de ativação, R é a constante dos gases ideais e T a temperatura absoluta.
  • Um catalisador atua fornecendo um caminho reacional alternativo com menor E_a. Isso aumenta k (para mesma T) e, portanto, aumenta a velocidade da reação. Importante: o catalisador altera a velocidade (quanto mais baixo E_a, maior k), mas não altera a energia livre padrão da reação nem o valor da constante de equilíbrio K (pois não muda estados inicial/final, só o caminho).
  • Assim, entre dois catalisadores, aquele que oferecer menor E_a dará uma constante de velocidade maior (tudo o mais igual), e portanto conduzirá ao equilíbrio mais rapidamente.

Passo 5

Avaliação da afirmativa II (comparação ouro × platina):
  • Dados: E_{a,\mathrm{Au}}=121\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}} e E_{a,\mathrm{Pt}}=134\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}. Ouro tem menor energia de ativação.
  • Pela Lei de Arrhenius, menor E_a → maior k → reação mais rápida → equilíbrio atingido mais depressa.
  • Portanto II é verdadeira: o emprego de ouro conduz o processo mais rapidamente ao equilíbrio do que platina (para a mesma temperatura).

Passo 6

Avaliação da afirmativa III (efeito de catalisador sobre concentrações em equilíbrio):
  • Um catalisador acelera as velocidades direta e inversa numa reação, mas não altera as energias livres dos reagentes ou produtos nem a constante de equilíbrio K. A constante de equilíbrio K depende apenas da temperatura (e da natureza das substâncias), não do mecanismo.
  • Assim, para uma dada temperatura, adicionar um catalisador muda a velocidade com que o equilíbrio é alcançado, mas não muda as concentrações das espécies no equilíbrio.
  • Portanto III é verdadeira.

Passo 7

Conceitos essenciais e avaliação da afirmativa IV (efeito da pressão total):
  • Contagem de mols gasosos: no lado dos reagentes há 2 mols gasosos ( 2\mathrm{N}_2\mathrm{O}); no lado dos produtos há 2+1=3 mols gasosos ( 2\mathrm{N}_2 + \mathrm{O}_2). Logo \Delta n_{\text{gás}} = +1á (mais mols de gás nos produtos).
  • Pelo Princípio de Le Châtelier: aumentar a pressão total (por diminuir o volume) desloca o equilíbrio para o lado com menos mols de gás — isto é, para os reagentes aqui. Portanto aumento de pressão reduz a fração de produtos no equilíbrio (diminui rendimento em produtos).
  • A afirmativa IV dizia que um aumento da pressão levaria a um aumento do rendimento da reação no equilíbrio — isso é contrário ao que ocorre. Logo IV é falsa.

Passo 8

Resumo lógico das quatro afirmativas:
  • I: falsa (aumentar T diminui o tempo, mas diminui o rendimento porque a reação é exotérmica).
  • II: verdadeira (ouro tem menor E_a, então conduz mais rápido ao equilíbrio que platina).
  • III: verdadeira (catalisadores alteram velocidades, não a composição do equilíbrio a uma dada T).
  • IV: falsa (aumentar pressão favorece o lado com menos mols gás; aqui favorece os reagentes, reduzindo rendimento de produtos).
Portanto as afirmativas corretas são somente II e III.

Resposta

(C) II e III.

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