Assinale a alternativa que mais se aproxima da razão entre a energia liberada por átomo de hidrogênio na combustão completa do octano gasoso e na célula de combustível de hidrogênio e oxigênio.

DadosC−C\ce{C-C}C−H\ce{C-H}C=O\ce{C=O}O−H\ce{O-H}HX2\ce{H2}OX2\ce{O2}
ΔHL∘/kJmol\Delta H^\circ_\mathsf{L}/\pu{kJ//mol}348\pu{348}412\pu{412}803\pu{803}463\pu{463}436\pu{436}496\pu{496}
Gabarito
Gabarito

A razão pedida pode ser obtida comparando a energia liberada por átomo de hidrogênio em dois processos. Primeiro, calcula-se a entalpia de combustão do octano gasoso a partir das energias de ligação e divide-se esse valor pelo número de átomos de hidrogênio presentes em 1 mol\pu{1 mol} de octano. Em seguida, faz-se o mesmo para a reação da célula a combustível de hidrogênio e oxigênio. Por fim, calcula-se a razão entre os dois valores.

Etapa 1.Escreva a reação de combustão completa do octano gasoso.

CX8HX18(g)+252 OX2(g)→8 COX2(g)+9 HX2O(g) \ce{ C8H18(g) + 25/2 O2(g) -> 8 CO2(g) + 9 H2O(g) }

Etapa 2.Calcule a entalpia de dissociação das ligações quebradas nos reagentes.

Ligações quebradas: 7×C−C+18×C−H+252×O=O 7\times\ce{C-C} \enspace+\enspace 18\times\ce{C-H} \enspace+\enspace \dfrac{25}{2}\times\ce{O=O} Logo, ΔHquebra∘={7(348)+18(412)+252(496)}kJmol=16082 kJ ⋅ mol−1 \Delta H_\mathrm{quebra}^\circ = \Big\{ 7(\pu{348}) + 18(\pu{412}) + \dfrac{25}{2}(\pu{496}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{16082 kJ.mol-1}

Etapa 3.Calcule a entalpia de formação das ligações formadas nos produtos.

Ligações formadas: 16×C=O+18×O−H 16\times\ce{C=O} \enspace+\enspace 18\times\ce{O-H} logo, ΔHformac\ca~o∘=−{16(803)+18(463)}kJmol=−21212 kJ ⋅ mol−1 \Delta H_\mathrm{formação}^\circ = -\Big\{ 16(\pu{803}) + 18(\pu{463}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{-21212 kJ.mol-1}

Etapa 4.Calcule a entalpia de combustão do octano gasoso.

De ΔHc∘=ΔHquebra∘+ΔHformac\ca~o∘ \Delta H_\mathrm{c}^\circ = \Delta H_\mathrm{quebra}^\circ + \Delta H_\mathrm{formação}^\circ logo, ΔHc,CX8HX18∘={(16082)+(−21212)}kJmol=−5130 kJ ⋅ mol−1 \Delta H^\circ_{\mathrm{c},\ce{C8H18}} = \Big\{ (\pu{16082}) + (\pu{-21212}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{-5130 kJ.mol-1}

Etapa 5.Calcule a energia liberada por átomo de hidrogênio na combustão do octano.

Em 1 mol\pu{1 mol} de CX8HX18\ce{C8H18} há 18 mol\pu{18 mol} de átomos de hidrogênio. Portanto, QCX8HX18=−ΔHc,CX8HX18∘NH=5130 kJmol18=285 kJ ⋅ mol−1 Q_\mathrm{\ce{C8H18}} = -\dfrac{\Delta H^\circ_{\mathrm{c},\ce{C8H18}}}{N_{\ce{H}}} = \dfrac{\pu{5130 kJ//mol}}{\pu{18}} = \pu{285 kJ.mol-1}

Etapa 6.Escreva a reação da célula de combustível de hidrogênio e oxigênio.

HX2(g)+12 OX2(g)→HX2O(g) \ce{ H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(g) }

Etapa 7.Calcule a entalpia de dissociação das ligações quebradas nos reagentes.

Ligações quebradas: 1×H−H+12×O=O 1\times\ce{H-H} \enspace+\enspace \dfrac{1}{2}\times\ce{O=O} Logo, ΔHquebra∘={(436)+12(496)}kJmol=684 kJ ⋅ mol−1 \Delta H_\mathrm{quebra}^\circ = \Big\{ (\pu{436}) + \dfrac{1}{2}(\pu{496}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{684 kJ.mol-1}

Etapa 8.Calcule a entalpia de formação das ligações formadas nos produtos.

Ligações formadas: 2×O−H 2\times\ce{O-H} Logo, ΔHformac\ca~o∘=−{2(463)}kJmol=−926 kJ ⋅ mol−1 \Delta H_\mathrm{formação}^\circ = -\Big\{ 2(\pu{463}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{-926 kJ.mol-1}

Etapa 9.Calcule a entalpia da reação da célula de combustível.

De ΔHr∘=ΔHquebra∘+ΔHformac\ca~o∘ \Delta H_\mathrm{r}^\circ = \Delta H_\mathrm{quebra}^\circ + \Delta H_\mathrm{formação}^\circ Logo, ΔHr,HX2∘={(684)+(−926)}kJmol=−242 kJ ⋅ mol−1 \Delta H^\circ_{\mathrm{r},\ce{H2}} = \Big\{ (\pu{684}) + (\pu{-926}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{-242 kJ.mol-1}

Etapa 10.Calcule a energia liberada por átomo de hidrogênio na célula de combustível.

Em 1 mol\pu{1 mol} de HX2\ce{H2} há 2 mol\pu{2 mol} de átomos de hidrogênio. Portanto, QHX2=−ΔHr,HX2∘NH=242 kJmol2=121 kJ ⋅ mol−1 Q_\mathrm{\ce{H2}} = -\dfrac{\Delta H^\circ_{\mathrm{r},\ce{H2}}}{N_{\ce{H}}} = \dfrac{\pu{242 kJ//mol}}{\pu{2}} = \pu{121 kJ.mol-1}

Etapa 11.Calcule a razão pedida.

r=285 kJmol121 kJmol≈2,4 r = \dfrac{\pu{285 kJ//mol}}{\pu{121 kJ//mol}} \approx \boxed{\pu{2,4}}