Questão 5 de Físico-química estilo ITA resolvida

Enunciado

Uma mistura gasosa contém apenas H2, CO e N2. Uma porção de 4,480 L, medida a 0 °C e 1 atm, é queimada completamente com excesso de O2. Após resfriamento, toda a água é condensada e sua massa é 1,080 g. O CO2 formado é integralmente absorvido por uma solução básica, cuja massa aumenta 3,520 g. Não há absorção de outros gases. O gás restante contém N2 e O2 em excesso. Dados: volume molar 22,40 L/mol; H2O = 18,00 e CO2 = 44,00 g/mol. Entalpias de combustão, por mol de combustível: H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l), −286,0 kJ/mol; CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g), −283,0 kJ/mol. a) Determine a composição molar da mistura e a quantidade de O2 consumida. b) O calor da combustão de uma porção idêntica é aproveitado com rendimento de transferência de 80,0% para aquecer 0,5000 kg de água inicialmente a 20,0 °C, a pressão constante. Determine a temperatura final, verificando se ocorre ebulição. Use cágua = 4,000 kJ/(kg·K) e temperatura de ebulição 100,0 °C. c) Explique o erro de atribuir todo o volume gasoso restante após a absorção do CO2 ao N2, sem conhecer a quantidade de O2 inicialmente empregada.

Resolução comentada

Resposta: a) H2: 30,0%; CO: 40,0%; N2: 30,0%; O2 consumido: 0,07000 mol. b) Temperatura final: 35,92 °C; não há ebulição. c) O gás contém também O2 que não reagiu.

A mistura tem 4,480/22,40=0,2000 mol. Cada mol de H2 gera um mol de água, de modo que nH2=1,080/18,00=0,06000 mol. Cada mol de CO gera um mol de CO2, logo nCO=3,520/44,00=0,08000 mol. O restante é N2: 0,06000 mol. Dividindo por 0,2000, obtêm-se 30,0%, 40,0% e 30,0%. As equações fornecidas exigem meio mol de O2 por mol de cada combustível; nO2=(0,06000+0,08000)/2=0,07000 mol. O calor liberado é 0,06000(286,0)+0,08000(283,0)=39,800 kJ. A água recebe 0,800(39,800)=31,840 kJ. A capacidade térmica é 0,5000(4,000)=2,000 kJ/K, e ΔT=15,920 K. Portanto, Tfinal=35,92 °C. Aquecer até 100 °C exigiria 160,0 kJ, mais que o disponível; não se usa calor latente nesse percurso. O N2 não libera calor de combustão no modelo e não deve entrar como combustível. O O2 foi adicionado em excesso, permanecendo no gás residual junto com N2. A absorção de CO2 não remove esse O2. A quantidade de N2 foi obtida por balanço da mistura inicial; não é legítimo identificá-la com o volume residual sem uma análise adicional ou o conhecimento do O2 alimentado.