O hidrogênio vem sendo estudado como uma alternativa aos combustíveis fósseis. Na célula de combustível o hidrogênio reage com oxigênio gerando corrente elétrica: 2 HX2(g)+OX2(g)→HX2O(l) \ce{ 2 H2(g) + O2(g) -> H2O(l) } A eficiência de uma célula combustível é definida como a razão entre o trabalho produzido e o calor dissipado pela reação.

Assinale a alternativa que mais se aproxima da eficiência energética máxima da célula de hidrogênio em 298 K.\pu{298 K}.

DadosHX2O(l)\ce{H2O(l)}HX2(g)\ce{H2(g)}OX2(g)\ce{O2(g)}
ΔHf∘/kJmol\Delta H^\circ_\mathsf{f}/\pu{kJ//mol}−286\pu{-286}
Sm∘/JK ⋅ molS^\circ_\mathsf{m}/\pu{J//K.mol}70\pu{70}131\pu{131}205\pu{205}
Gabarito
Gabarito

A eficiência energética máxima de uma célula a combustível é obtida comparando o trabalho útil máximo com a energia total liberada pela reação. Em pressão e temperatura constantes, o trabalho máximo é dado por −ΔG-\Delta G, enquanto o calor total liberado está relacionado a −ΔH-\Delta H. Assim, a eficiência máxima é dada por ΔGΔH\dfrac{\Delta G}{\Delta H}.

Etapa 1.Escreva a reação balanceada da célula de combustível.

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

Etapa 2.Calcule a entropia padrão da reação.

De ΔSr∘=∑produtosnSm∘−∑reagentesnSm∘,\Delta S_\mathrm{r}^\circ = \sum_\text{produtos} n S^\circ_\mathrm{m} - \sum_\text{reagentes} n S^\circ_\mathrm{m}, ΔSr∘=Sm,HX2O(l)∘−Sm,HX2(g)∘−12Sm,OX2(g)∘ \Delta S_\mathrm{r}^\circ = S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{H2O(l)}} - S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{H2(g)}} - \dfrac{\pu{1}}{\pu{2}} S^\circ_{\mathrm{m}, \ce{O2(g)}} logo, ΔSr∘={(70)−(131)−12(205)}JK ⋅ mol=−163,5 J ⋅ K−1 ⋅ mol−1 \Delta S_\mathrm{r}^\circ = \Big\{ (\pu{70}) - (\pu{131}) - \dfrac{\pu{1}}{\pu{2}}(\pu{205}) \Big\}\pu{J//K.mol} = \pu{-163,5 J.K-1.mol-1}

Etapa 3.Calcule a energia livre padrão da reação.

De ΔGr∘=ΔHr∘−TΔSr∘ \Delta G_\mathrm{r}^\circ = \Delta H_\mathrm{r}^\circ - T\Delta S_\mathrm{r}^\circ Logo, ΔGr∘=−286 kJmol−298 K1000(−163,5 JK ⋅ mol)=−237,3 kJ ⋅ mol−1 \Delta G_\mathrm{r}^\circ = \pu{-286 kJ//mol} - \dfrac{\pu{298 K}}{\pu{1000}}(\pu{-163,5 J//K.mol}) = \pu{-237,3 kJ.mol-1}

Etapa 4.Calcule a eficiência energética máxima da célula.

A eficiência máxima é ηmaˊx=ΔGr∘ΔHr∘=−237,3 kJmol−286 kJmol=83 % \eta_\text{máx} = \dfrac{\Delta G_\mathrm{r}^\circ}{\Delta H_\mathrm{r}^\circ} = \dfrac{\pu{-237,3 kJ//mol}}{\pu{-286 kJ//mol}} = \boxed{\pu{83 \%}}