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QUESTÃO. Considerando a decomposição do clorato de potássio (
) em uma reação exotérmica relevante para processos agroquímicos:
com uma variação de entalpia de reação (
) de
, responda aos itens abaixo:
a) Escreva a equação da constante de equilíbrio para a reação acima.
b) Se a reação acima alcançar o equilíbrio químico a
e a temperatura do sistema for posteriormente aumentada, o que ocorrerá com massa de KCl no sistema na nova condição de equilíbrio em comparação àquela na condição de equilíbrio inicial? Justifique.
c) Determine a quantidade de energia liberada ao decompor completamente 175 g de
. Em seguida, calcule o número de moles de
que seriam necessários para liberar a mesma quantidade de energia que a queimada de 1000 g de combustível com um poder calorífico de
. Massa molar do
.
d) Um processo de purificação de água usando a decomposição do
requer um aumento de temperatura de
a
em um volume de 2 litros de água. Se a reação ocorre em um recipiente com uma eficiência de
na conversão de energia, calcule a quantidade de
necessária para atingir essa meta. Considere que o calor específico da água é
e a densidade da água é
.
a) Escreva a equação da constante de equilíbrio para a reação acima.
b) Se a reação acima alcançar o equilíbrio químico a
c) Determine a quantidade de energia liberada ao decompor completamente 175 g de
Passo 1
O enunciado pede quatro coisas (a–d). Vou listar o que é solicitado e os dados fornecidos, sem resolver ainda:
-
Perguntas:
a) Escrever a equação da constante de equilíbrio para a reação dada.
b) Se a reação alcançar equilíbrio ae depois a temperatura for aumentada, o que acontece com a massa de no novo equilíbrio? Justifique.
c) Determinar a energia liberada ao decompor completamentede . Em seguida, calcular o número de moles de necessários para liberar a mesma quantidade de energia queimar de combustível com poder calorífico .
d) Para aquecerde água de a com eficiência da reação de , calcular a massa de necessária. Dados: , densidade da água , massa molar . -
Dados fornecidos no enunciado:
- Observação importante (assunção explícita, pois enunciado dá só "
"): vou interpretar como energia liberada por mol de que se decompõe (isto é, cada mol de libera ). Essa é a interpretação mais direta para aplicar nos cálculos quantitativos pedidos. Se alguém tivesse interpretado por “mol da reação (2 mol de )”, os números seriam diferentes; aqui escolhi a interpretação por mol de substância porque o enunciado pede energia por massa de .
Passo 2
(a) Montando a expressão da constante de equilíbrio — entenda passo a passo o raciocínio:
-
Conceito rápido e intuitivo de atividade: para uma reação gerala constante de equilíbrio
é o produto das atividades dos produtos elevadas aos seus coeficientes dividido pelo produto das atividades dos reagentes elevadas aos seus coeficientes: Atividade de um gás ideal é proporcional à sua pressão parcial; atividade de um sólido puro é(em condições padrões) — isso simplifica muito equilíbrios heterogêneos. -
Para a reação dada:as atividades de
e são . Resta apenas a atividade do gás , que em termos de pressão é a pressão parcial . -
Portanto a constante em termos de pressões (
) é -
Se alguém preferir escrever em termos de concentrações (
), para o gás teríamos ondeé a concentração molar do oxigênio; mas normalmente, por envolver gases, usamos .
Passo 3
(b) O que acontece com a massa de
ao aumentar a temperatura? Explicação detalhada e justificativa:
-
Intuição de Le Châtelier (jeito prático): se uma reação é exotérmica, isso significa que ela libera calor no sentido direto (formação de produtos). Se eu aumento a temperatura do sistema, estou “adicionando calor” — o sistema tende a contrariar essa perturbação consumindo o calor, ou seja, favorecendo a reação endotérmica (no caso reverso da escrita original). Assim, o equilíbrio desloca-se no sentido que absorve calor.
-
Relacionamento quantitativo (fórmula de van 't Hoff) — para quem quiser ver o sinal:Aqui
é a constante dos gases e a temperatura em kelvin. Se (reação exotérmica), então o lado direito é negativo, logo diminui quando aumenta, isto é, diminui com o aumento de temperatura. -
Conectando
com a quantidade de : para nossa reação temos . Se diminui, o valor de no equilíbrio diminui (porque ). Menos pressão parcial de significa que, em equilíbrio, há menos mols de formados do que antes. -
Pela estequiometria da reação, a formação de
está diretamente ligada à formação de : cada 3 mols de correspondem a 2 mols de . Logo, se o equilíbrio se desloca para a esquerda (menos no produto), haverá menos formado no novo equilíbrio. -
Conclusão (clara e direta): ao aumentar a temperatura, a massa de
no equilíbrio diminuirá em comparação com a condição inicial a , porque o equilíbrio se desloca no sentido endotérmico (reforma de ).
Passo 4
(c) Energia liberada ao decompor completamente
de
; e quantos moles seriam necessários para liberar a mesma energia de queimar
de combustível.
-
Converter massa em mols:Calcule:
-
Energia liberada por mol (assumida) é
. Energia total liberada: Calcule: -
Energia liberada pela queima do combustível: massa
, poder calorífico . -
Moles de
necessários para liberar : Calcule:
Passo 5
(d) Massa de
necessária para aquecer
de água de
a
com eficiência
.
-
Converter volume em massa da água usando densidade
: -
Variação de temperatura:
-
Calor necessário (sem considerar eficiência):Calcule:
-
Como o processo tem eficiência de
, a energia que precisa ser liberada pela reação é maior: Em kJ:— cuidado: unidade correta é corresponde a ; note que 639294 J = 639,294 kJ. (mantive o número e unidades consistentes abaixo) Corrigindo forma adequada:— para ficar simples usarei kJ: (Observação: 543400 J / 0,85 = 639294,1176 J = 639,2941176 kJ.) -
Número de mols de
necessários: Calcule: -
Converter para massa:Calcule:
-
Interpretação final: para aquecer
de água de a com de eficiência, são necessárias cerca de de (aproximação com dois/três algarismos significativos).
Resposta
a)
b) A massa de
diminuirá (o aumento de
desloca o equilíbrio para a esquerda, consumindo produtos porque a reação é exotérmica).
c) Energia liberada pela decomposição de
de
:
Moles de necessários para igualar a energia de queimar
de combustível:
Moles de
d) Massa de
necessária para aquecer
de água de
a
com
de eficiência:
(aprox.).