Lista de Exercícios Resolvidos - Termodinâmica Química - Equilíbrio Químico

UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GNE329 Termodinâmica Química Aplicada II Lista de exercícios Equilíbrio Químico Prof Nathan Sombra Evangelista Atenção problemas ou itens marcados com devem ser resolvidos com o auxílio do Excel 1 Smith p 397 q 1 Deduza expressões para as frações molares das espécies no meio reacional como uma função da coordenada de reação para um sistema contendo inicialmente 3 mol de H2S e 5 mol de O2 onde ocorre a reação 2H2Sg 3O2g 2H2Og 2SO2g R 𝑦𝐻2𝑆 32𝜀 8𝜀 𝑦𝑂2 53𝜀 8𝜀 𝑦𝐻2𝑂 2𝜀 8𝜀 𝑦𝑆𝑂2 2𝜀 8𝜀 2 Smith p 398 q 3 Em um sistema contendo inicialmente 2 mol de CO2 5 mol de H2 e 1 mol de CO ocorrem as seguintes reações CO2g 3H2g CH3OHg H2Og CO2g H2g COg H2Og Deduza expressões para as frações molares das espécies no meio reacional como funções das coordenadas de reação das duas reações R 𝑦𝐶𝑂2 2𝜀1𝜀2 82𝜀1 𝑦𝐻2 53𝜀1𝜀2 82𝜀1 𝑦𝐶𝐻3𝑂𝐻 𝜀1 82𝜀1 𝑦𝐶𝑂 1𝜀2 82𝜀1 𝑦𝐻2𝑂 𝜀1𝜀2 82𝜀1 3 Koretsky p 442 q 4 Considere a reação de hidrogenação do 1buteno em butano C4H8g H2g C4H10g A razão do fluxo de alimentação e de 10 mols de H2 para cada mol de C4H8 Considere uma temperatura de reator de 1000 K e a pressão de reator de 5 bar Calcule a razão entre as frações molares de butano e de 1buteno no equilíbrio Você pode admitir comportamento de gás ideal e que 𝐻𝑟 º é constante para a reação R 𝑦𝐶4𝐻10 0073 𝑦𝐶4𝐻8 0024 Razão 3019 4 Smith p 398 q 12 A reação a seguir atinge o equilíbrio a 650 ºC e na atmosferapadrão1 N2g C2H2g 2HCNg Se o sistema inicialmente é uma mistura equimolar de nitrogênio e acetileno qual é a sua com posição no equilíbrio Qual seria o efeito ao dobrarse o valor da pressão Considere gases ideais Considere que 𝐻𝑟 º é constante para esta reação R 𝑦𝑁2 0472 𝑦𝐶2𝐻2 0472 𝑦𝐻𝐶𝑁 0057 Não haveria mudança na composição de equilíbrio pois 𝜐𝑖 0 para esta reação 1Não se deve confundir atmosferapadrão com pressão atmosférica A atmosferapadrão é a pressão equivalente a 1 atm a 0ºC en quanto a pressão atmosférica é variável e deve ser medida em cada local 5 Smith p 400 q 16 Para a reação de craqueamento C3H8g C2H4g CH4g a conversão de equilíbrio é desprezível a 300 K porém se torna considerável a temperaturas acima de 500 K Considerando que a pressão do sistema é de 1 bar que a solução reacional se comporta como gás ideal e que o 𝐻𝑟 0 não varia com a temperatura determine a A conversão1 de propano a 625 K R 0771 b A temperatura na qual a conversão é de 85 R 6485 K 6 Smith p 400 q 20 Na reação de síntese da amônia 1 2 N2g 3 2 H2g NH3g A conversão de equilíbrio para a amônia é alta a 300 K porém diminui rapidamente com o au mento de T Entretanto as taxas de reação se tornam apreciáveis somente a temperaturas mais altas Para uma mistura na alimentação composta por hidrogênio e nitrogênio em proporções es tequiométricas a Determine a fração molar da amônia na mistura em equilíbrio a 1 bar e 300 K R 0935 b Em qual temperatura na pressão de 1 bar a fração molar da amônia no equilíbrio fica igual a 050 R 40238 K Considere gases ideais Considere que 𝐻𝑟 º é constante para esta reação 7 Smith p 398 q 14 A reação a seguir atinge o equilíbrio a 650 ºC e na atmosferapadrão C6H5CH CH2g H2g C6H5 C2H5g Se o sistema inicialmente contiver 15 mol de H2 para cada mol de estireno qual será a sua com posição no equilíbrio Considere gases ideais Para esta reação 𝐻𝑟 º não é constante com a tem peratura R 𝑦𝐶6𝐻5𝐶𝐻𝐶𝐻2 0279 𝑦𝐻2 0512 𝑦𝐶6𝐻5𝐶2𝐻5 0201 8 Smith p 400 q 18 A produção de 13butadieno pode ser conduzida através da desidrogena ção de 1buteno C2H5CH CH2g CH2CHCH CH2g H2g Reações secundárias são inibidas pela introdução de vapor dágua Se o equilíbrio é obtido a 950 K e 1 bar e se o produto do reator contém em base molar 10 de 13butadieno determine a As frações molares das outras espécies no produto gasoso R 𝑦𝐶2𝐻5𝐶𝐻𝐶𝐻2 00186 𝑦𝐶𝐻2𝐶𝐻𝐶𝐻𝐶𝐻2 01 𝑦𝐻2 01 𝑦𝐻2𝑂 07814 b A fração molar de vapor dágua necessária na alimentação R 08682 Considere gases ideais Para esta reação 𝐻𝑟 º não é constante com a temperatura 1Não se deve confundir conversão com extensão Conversão é a razão nº mol consumidosnº mols alimentados p dada substância 9 Smith p 401 q 31 A reação de isomerização a seguir ocorre em fase líquida A𝑙 B𝑙 onde A e B são líquidos miscíveis para os quais 𝐺𝐸 𝑅𝑇 01𝑥𝐴𝑥𝐵 Para 𝐺𝑟25º𝐶 º 1000 J qual é a composição de equilíbrio da mistura a 25 ºC Qual é o erro introduzido se for considerado que A e B formam uma solução ideal R Considerando uma solução real 𝑥𝐴 03955 𝑥𝐵 06045 Considerando uma solução ideal 𝑥𝐴 04005 𝑥𝐵 05995 10 Smith p 401 q 28 Sejam as reações 1 2 N2g 1 2 O2g NOg 1 2 N2g O2g NO2g Considerando que essas reações atinjam o equilíbrio após a combustão em um motor de combus tão interna a 2000 K e 200 bar estime as frações molares de NO e NO2 presentes no produto de combustão quando as frações molares do nitrogênio e do oxigênio nesse produto forem respec tivamente iguais a 070 e 005 Considere que a mistura gasosa se comporte como um gás ideal e resolva este problema a Admitindo que o 𝐻𝑟 0 não varia com a temperatura R 𝑦𝑁𝑂 3657103 𝑦𝑁𝑂2 5358105 b Admitindo que o 𝐻𝑟 0 varia com a temperatura R 𝑦𝑁𝑂 3750103 𝑦𝑁𝑂2 4104105 11 Smith p 402 q 34 Um método para produzir gás de síntese mistura CO H2 é através da reforma catalítica do metano com vapor dágua As reações são CH4g H2Og COg 3H2g COg H2Og CO2g H2g Suponha que o equilíbrio seja atingido para ambas as reações a 1 bar e 1300 K a Seria melhor conduzir a reação a pressões acima de 1 bar R Não Para a reação 1 𝜐𝑖 2 o que indica que 𝑃 diminui o produtório razão 𝑦𝐶𝑂𝑦𝐻2 3 𝑦𝐶𝐻4𝑦𝐻2𝑂 ou seja 𝑃 desloca a reação para a esquerda diminuindo o valor de 𝜀1 Para a reação 2 o efeito da pressão no equilíbrio é inexistente pois 𝜐𝑖 0 b Seria melhor conduzir a reação a temperaturas abaixo de 1300 K R Não Como a reação 1 é endotérmica 𝑇 implica em 𝐾 em outras palavras 𝑇 desloca a reação para a esquerda diminuindo a produção do gás de síntese c Estime a razão molar entre o hidrogênio e o monóxido de carbono no gás de síntese se a alimentação for constituída por uma mistura equimolar de vapor dágua e metano R 3 Para esta reação 𝐻𝑟 º não é constante com a temperatura 12 Smith p 402 q 38 Cálculos do equilíbrio de reações podem ser úteis para a estimativa de composições de hidrocarbonetos usados como matériaprima em processos Em um reservatório de matériaprima está disponível um gás a baixa pressão a 500 K que é identificado como C8 aromático Ele poderia em princípio conter os isômeros C8H10 oxileno OX mxileno MX pxileno PX e etilbenzeno EB A seguir é apresentado um conjunto de reações independentes para este sistema 𝑂𝑋𝑔 𝑀𝑋𝑔 I 𝑂𝑋𝑔 𝑃𝑋𝑔 II 𝑂𝑋𝑔 𝐸𝐵𝑔 III a Escreva as equações para o equilíbrio para cada reação do conjunto Enuncie claramente cada consideração R Considerando que o sistema se comporta como um gás ideal 𝐾𝐼 𝑦𝑀𝑋 𝑦𝑂𝑋 𝐾𝐼𝐼 𝑦𝑃𝑋 𝑦𝑂𝑋 𝐾𝐼𝐼𝐼 𝑦𝐸𝐵 𝑦𝑂𝑋 b Utilize os dados a seguir para determinar valores numéricos para as constantes de equilíbrio a 500 K Enuncie claramente cada consideração R 𝐾𝐼 28470 𝐾𝐼𝐼 12637 𝐾𝐼𝐼𝐼 01778 c Determine as frações molares das quatro espécies na condição de equilíbrio R 𝑦𝑂𝑋 01891 𝑦𝑀𝑋 05383 𝑦𝑃𝑋 02390 𝑦𝐸𝐵 00336 Propriedades termoquímicas a 25ºC 13 Koretsky p 444 q 11 Células combustíveis produzem eletricidade a partir de hidrogênio A vida da célula combustível depende da produção de hidrogênio relativamente puro Metano gás natural é frequentemente usado como alimentação na produção de hidrogênio H2 Considere a produção de hidrogênio por dissociação do metano CH4 em carbono sólido C O processo pode ser descrito pela seguinte reação química CH4g Cs 2H2g A temperatura é 1000 K e a pressão é 1000 Pa Você pode admitir que 𝐻𝑟 º não varia com a temperatura a Qual é a constante de equilíbrio a 25 ºC R 1443109 b Qual é a constante de equilíbrio a 1000 K R 2102 c Qual é a quantidade máxima de H2 que pode ser produzida por mol de CH4 na alimentação R 19812 mol d Por que essa reação é conduzida a 1000 K em vez de 25 ºC R A 25 ºC não há formação considerável de H2g o que pode ser constatado pelo baixo valor de K25ºC e Por que essa reação é feita a 1000 Pa em vez de 1 bar R Neste caso a diminuição da pressão favorece o produtório razão 𝑦𝐻2 2 𝑦𝐶𝐻4 o que pode ser observado pela relação de equilíbrio 14 Koretsky p 447 q 30 Considere a reação do CrCl2 com o H2 formando Cr sólido CrCl2s H2g Crs 2HClg A T 632 ºC 𝐾 198105 enquanto a T 806 ºC 𝐾 112103 Considerando válida a equação de vant Hoff responda às seguintes questões a Calcule o calorpadrão da reação R 18834 kJmol Fórmula 𝐻𝑓 0 𝑘Jmol 𝐺𝑓 0 kJmol OXg 1900 12220 MXg 1725 11890 PXg 1796 12120 EBg 2992 13089 b Numa tentativa de aumentar a extensão da reação a temperatura da reação é elevada para 1000 ºC mantendose a pressão em 1 bar No equilíbrio quanto Cr é produzido para cada mol de H2 na alimentação R 00825 mol c Além disso você deseja aumentar a extensão da reação variando a pressão Você aumentaria ou diminuiria a pressão Justifique R R Diminuiria Neste caso a diminuição da pressão favorece o produtório razão 𝑦𝐻𝐶𝑙 2 𝑦𝐻2 o que pode ser observado pela relação de equilíbrio 15 Smith p 405 q 49 O equilíbrio é estabelecido a 425 K e 15 bar para a reação de isomerização em fase gasosa 𝑛 𝐶4H10g 𝑖𝑠𝑜 𝐶4H10g Considerando 𝐻𝑟 º é constante para a reação acima estime a composição de equilíbrio da mistura reacional através de dois procedimentos a Considere a mistura um gás ideal R 𝑦𝑛𝐶4𝐻10 0336 𝑦𝑖𝑠𝑜𝐶4𝐻10 0664 b Considere a mistura uma solução ideal de gases reais sendo válido o seguinte equacionamento para o cálculo do coeficiente de fugacidade R 𝑦𝑛𝐶4𝐻10 0339 𝑦𝑖𝑠𝑜𝐶4𝐻10 0661 𝑙𝑛𝜙𝑖 𝑃𝑟 𝑇𝑟 𝐵0 𝜔𝐵1 𝐵0 0083 0422 𝑇𝑟 16 𝐵1 0139 0172 𝑇𝑟 42 Para o isobutano considere 𝐻𝑓298 𝑜 13418 kJmol e 𝐺𝑓298 𝑜 2076 kJmol Referências KORETSKY M D Termodinâmica para Engenharia Química 1 ed Rio de Janeiro LTC 2007 SMITH J M VAN NESS H C ABBOTT M M Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química 7 ed Rio de Janeiro LTC 2007 The image contains no text