Considere a reação de produção do ferro a partir da redução da magnetita: FeX3OX4(s)+C(grafita)Fe(s)+COX2(g) \ce{ Fe3O4(s) + C(grafita) -> Fe(s) + CO2(g) } Suponha que ΔHr\Delta H^\circ_\mathrm{r} e ΔSr\Delta S^\circ_\mathrm{r} são independentes da temperatura.

Assinale a alternativa que mais se aproxima da menor temperatura em que a redução da magnetita é espontânea.

DadosFeX3OX4(s)\ce{Fe3O4(s)}COX2(g)\ce{CO2(g)}C(grafite)\ce{C(grafite)}Fe(s)\ce{Fe(s)}
ΔHf/kJmol\Delta H^\circ_\mathsf{f}/\pu{kJ//mol}1120\pu{-1120}394\pu{-394}
Sm/JKmolS^\circ_\mathsf{m}/\pu{J//K.mol}146\pu{146}214\pu{214}5,74\pu{5,74}27,3\pu{27,3}
Gabarito
Gabarito

A temperatura mínima para que a reação se torne espontânea pode ser obtida impondo a condição-limite ΔGr=0\Delta G^\circ_\mathrm{r} = 0. Para isso, primeiro calcula-se a entalpia padrão e a entropia padrão da reação balanceada e, em seguida, usa-se a relação ΔGr=ΔHrTΔSr\Delta G^\circ_\mathrm{r} = \Delta H^\circ_\mathrm{r} - T\Delta S^\circ_\mathrm{r}.

Etapa 1.Escreva a reação balanceada de redução da magnetita.

FeX3OX4(s)+2C(grafite)3Fe(s)+2COX2(g) \ce{ Fe3O4(s) + 2 C(grafite) -> 3 Fe(s) + 2 CO2(g) }

Etapa 2.Calcule a entropia padrão da reação.

De ΔSr=produtosnSmreagentesnSm,\Delta S_\mathrm{r}^\circ = \sum_\text{produtos} n S^\circ_\mathrm{m} - \sum_\text{reagentes} n S^\circ_\mathrm{m}, ΔSr=3Sm,Fe(s)+2Sm,COX2(g)2Sm,C(grafite)Sm,FeX3OX4(s) \Delta S_\mathrm{r}^\circ = \pu{3} S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{Fe(s)}} + \pu{2} S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{CO2(g)}} - \pu{2} S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{C(grafite)}} - S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{Fe3O4(s)}} logo, ΔSr={3(27,3)+2(214)2(5,74)(146)}JKmol=352,4 JK1mol1 \Delta S_\mathrm{r}^\circ = \Big\{ \pu{3}(\pu{27,3}) + \pu{2}(\pu{214}) - \pu{2}(\pu{5,74}) - (\pu{146}) \Big\}\pu{J//K.mol} = \pu{352,4 J.K-1.mol-1}

Etapa 3.Calcule a entalpia padrão da reação.

De ΔHr=produtosnΔHfreagentesnΔHf,\Delta H_\mathrm{r}^\circ = \sum_\text{produtos} n \Delta H^\circ_\mathrm{f} - \sum_\text{reagentes} n \Delta H^\circ_\mathrm{f}, ΔHr=2ΔHf,COX2(g)ΔHf,FeX3OX4(s) \Delta H_\mathrm{r}^\circ = \pu{2} \Delta H^\circ_{\mathrm{f}, \ce{CO2(g)}} - \Delta H^\circ_{\mathrm{f}, \ce{Fe3O4(s)}} logo, ΔHr={2(394)(1120)}kJmol=332 kJmol1 \Delta H_\mathrm{r}^\circ = \Big\{ \pu{2}(\pu{-394}) - (\pu{-1120}) \Big\}\pu{kJ//mol} = \pu{332 kJ.mol-1}

Etapa 4.Calcule a menor temperatura para a reação ser espontânea.

No limite entre o processo não espontâneo e o espontâneo, ΔGr=0 \Delta G^\circ_\mathrm{r} = 0 Assim, 0=ΔHrTΔSr 0 = \Delta H^\circ_\mathrm{r} - T\Delta S^\circ_\mathrm{r} logo, T=ΔHrΔSr=332000 Jmol352,4 JKmol=942 K T = \dfrac{\Delta H^\circ_\mathrm{r}}{\Delta S^\circ_\mathrm{r}} = \dfrac{\pu{332000 J//mol}}{\pu{352,4 J//K.mol}} = \boxed{\pu{942 K}}