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Enunciado

Química - Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente - 5ª Edição - Peter Atkins, Loretta Jones e Leroy Laverman- Ed: 5º - Capítulo 8.1 - Ex. 105

As bolas de ar (“air bags”) dos veículos protegem os passageiros com uma reação química que gera gás rapidamente. A reação tem de ser espontânea e explosivamente rápida. Uma reação comumente usada é a decomposição da azida de sódio, N a N 3 , a gás nitrogênio e ao metal sódio.(a) Escreva a equação química balanceada da reação usando o menor número possível de coeficientes inteiros.

(b) Prediga o sinal da variação de entropia desta reação sem fazer nenhum cálculo. Explique seu raciocínio.

(c) Determine o número de oxidação do nitrogênio no íon azida e no gás nitrogênio. O nitrogênio é oxidado ou reduzido na reação?

(d) Use os dados do Apêndice 2A e o fato de que, para a azida de sódio, S m 0 = 96,9   J ⋅ K - 1   para calcular Δ S 0 em 298 K para a decomposição da azida de sódio.

(e) Use seu resultado da parte (d) e o fato de que, para a azida de sódio, Δ H f 0 = + 21,7   k J ⋅ K - 1     para calcular Δ S º em 298   K para a decomposição da azida de sódio.

(f) A reação é espontânea em 298 K e pressão constante de 1 bar?

(g) Pode a reação ficar não espontânea (na pressão constante de 1 bar) se a temperatura se alterar? Se for o caso, a temperatura deve subir ou descer.

Passo 1

a)Vamos começar balanceando a equação de decomposição da azida de sódio:

N a N 3 s → x N a s + y N 2 g Balanceando o Nitrogênio:

1 × 3 = 2 y y = 3 / 2

Portanto

N a N 3 s → x N a s + 3 2 N 2 g Balanceando o Sódio:

1 × 1 = x × 1 x = 1

Portanto

N a N 3 s → N a s + 3 2 N 2 g

A questão pede os menores coeficientes inteiros. Portanto vamos multiplicar a equação toda por 2:

2 N a N 3 s → 2 N a s + 3 N 2 g

Passo 2

b)A equação balanceada da decomposição da azida de sódio é:

2 N a N 3 s → 2 N a s + 3 N 2 g

Vemos que durante a decomposição, 2 mols de N a N 3 ( s ) produzem 2 mols de N a s 3 mols de N 2 ( g ) . Logo, 2 mols de reagente sólido decompõem-se formando 3 mols de produtos gasosos. Isso implica que o grau de desordem no estado gasoso é maior que no estado sólido, consequentemente a entropia total dos produtos será maior do que os reagentes. Nessa reação, a entropia aumentou a variação de entropia é positiva.

Passo 3

c) A fórmula do íon azida é N 3 - , portanto o número de oxidação total do íon é dado por:

3 × N o x N = - 1 N o x N = - 1 3

O N 2 é um elemento natural, seu número de oxidação é zero.Portanto houve aumento do número de oxidação do Nitrogênio na decomposição da azida. Logo o nitrogênio se oxidou.

Passo 4

d) Sabemos que a variação de entropia é dada pela equação:

Δ S 0 = ∑ n × Δ S m 0 p r o d u t o s - ∑ n × Δ S m 0 r e a g e n t e s D a d o s :

Entropia Molar

S m 0 N a N 3 , s = 96,9   J ⋅ K - 1 m o l - 1 S m 0 N a , s = 51,21   J ⋅ K - 1 m o l - 1 S m 0 N 2 , s = 191,61   J ⋅ K - 1 m o l - 1

Equação balanceada da decomposição da azida de sódio:

N a N 3 s → N a s + 3 2 N 2 g

Calculando, então a variação de entropia: Δ S 0 = 1   m o l × S m 0 N a , s + 3 2   m o l × S m 0 N 2 , s - 1   m o l × S m 0 N a N 3 , s Δ S 0 = 1   m o l × 51,21   J + 3 2   m o l × 191,61   J - 1   m o l × 96,9 Δ S 0 = 338,625   J ⋅ K - 1 - 96,9   J ⋅ K - 1 Δ S 0 = 241,7   J ⋅ K - 1 = 0,241   k J ⋅ K - 1

Passo 5

e)Sabemos que a variação de entalpia é dada pela equação:

Δ H 0 = ∑ n × Δ H f 0 p r o d u t o s - ∑ n × Δ f 0 r e a g e n t e s

Dados:

Entalpia padrão de formação

Δ f 0 N a N 3 , s = 21,7   k J ⋅ m o l - 1 Δ f 0 N a , s = 0   Δ f 0 N 2 , s = 0  

Equação balanceada da decomposição da azida de sódio:

N a N 3 s → N a s + 3 2 N 2 g

Calulando então a variação de entalpia:

Δ H 0 = 1   m o l × Δ f 0 N a , s + 3 2   m o l × Δ f 0 N 2 , s - 1   m o l × Δ H f 0 N a N 3 , s Δ H 0 = 1   m o l × 0 + 3 2   m o l × 0 - 1   m o l × 21,7 k J ⋅ m o l - 1

Δ H 0 = 0 - 21,7

Δ H 0 = - 21,7   k J

Passo 6

A variação da energia de Gibbs é dada pela equação:

Δ G 0 = Δ H 0 - T Δ S 0 Δ G 0 = - 21,7   k J - 298   K × 0,241 k J ⋅ K - 1 Δ G 0 = - 93,7   k J

Resumindo:

Δ H 0 = - 21,7   k J Δ G 0 = - 93,7   k J

Passo 7

f)O valor para a energia livre de Gibbs é Δ G 0 = - 93,7   k J . Como Δ G 0 é negativo, está espontânea a 298   K e 1   b a r .

Passo 8

g) Para a decomposição da azida de sódio Δ H 0 = - 21,7   k J e Δ S 0 = 0,2417   k J ⋅ K - 1 .

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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