A escolha de uma determinada substância para ser utilizada como combustível passa pela análise da poluição que ela causa ao ambiente e pela quantidade de energia liberada em sua combustão completa. O quadro apresenta a entalpia de combustão de algumas substâncias. As massas molares dos elementos H, C e O são, respectivamente, iguais a 1 g/mol, 12 g/mol e 16 g/mol.
Levando-se em conta somente o aspecto energético, a substância mais eficiente para a obtenção de energia, na combustão de 1 kg de combustível, é o
A) etano.
B) etanol.
C) metanol.
D) acetileno.
E) hidrogênio.
📚 Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Termoquímica (Entalpia de Combustão)
- Relações Molares (Massa Molar)
- Estequiometria
- Proporcionalidade (Regra de Três)
🎯 Tema/Objetivo Geral: Comparação da eficiência energética de diferentes combustíveis com base na energia liberada por unidade de massa.
🎯 Nível da Questão: Médio – A questão é de nível médio porque não permite uma conclusão direta apenas olhando a tabela. O aluno precisa realizar um cálculo intermediário crucial: converter a energia liberada por mol (kJ/mol) para energia liberada por grama (kJ/g). Isso envolve calcular a massa molar de cada substância e, em seguida, fazer uma série de divisões ou regras de três para poder comparar os combustíveis na mesma base (por kg) e encontrar a resposta correta.
✅ Gabarito: E) hidrogênio. A alternativa está correta pois, ao calcular a energia liberada por quilograma de cada combustível, o hidrogênio apresenta o maior valor (121.000 kJ/kg), superando todos os outros combustíveis listados.
🔎 Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
Transcrição Essencial 📌
“…a substância mais eficiente para a obtenção de energia, na combustão de 1 kg de combustível, é o”
O que está sendo pedido?📌
A questão nos pede para descobrir qual das substâncias da lista libera a maior quantidade de energia quando queimamos a mesma massa (1 kg) de cada uma delas. Ou seja, qual tem o melhor “custo-benefício” em termos de energia por quilo.
Objetivo Cristalino 📌
Nosso objetivo é calcular, para cada substância, a energia liberada por grama (ou por quilograma) e depois comparar esses valores para identificar o maior de todos.
Pergunta de Atenção ✔
Você reparou que a tabela nos dá a energia por mol (kJ/mol), mas a pergunta pede a comparação por quilograma (kg)? Um mol de cada substância tem uma massa diferente! Isso significa que não podemos simplesmente escolher o maior valor da tabela. Precisamos padronizar a comparação.
📚 Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdos Necessários
Explicação de termos📌
Para resolver este problema, precisamos de algumas ferramentas da química:
- Entalpia de Combustão (ΔH°c):
- Explicação: É a quantidade de calor liberada quando 1 mol de uma substância é completamente queimado na presença de oxigênio. O sinal negativo (ex: -1298 kJ/mol) indica que a energia está sendo liberada (reação exotérmica). Para comparar a “potência” do combustível, usamos o valor absoluto (o número sem o sinal).
- Na tabela: A coluna “Entalpia de combustão” nos diz quanta energia um “pacote” (mol) de cada combustível libera.
- Massa Molar (MM):
- Explicação: É a massa, em gramas, de 1 mol (um “pacote”) de uma substância. Ela é a ponte que conecta o mundo microscópico dos mols com o mundo macroscópico da balança (gramas).
- Cálculo: Para calcular a massa molar de uma molécula, somamos as massas atômicas de todos os átomos que a compõem. As massas atômicas foram dadas: H=1, C=12, O=16 g/mol .
- Poder Calorífico:
- Explicação: Este é o verdadeiro critério que a questão nos pede para avaliar. É a quantidade de energia liberada por unidade de massa (geralmente kJ/g ou kJ/kg) de um combustível. É a medida prática da eficiência de um combustível.
- Fórmula: Poder Calorífico (kJ/g) = |Entalpia de Combustão (kJ/mol)| / Massa Molar ( g/mol )
📝 Passo 3: Tradução e Interpretação do Problema
Contextualização Simplificada 📌
Imagine que você tem cinco tipos diferentes de lenha para sua lareira. A loja te diz a energia que cada “pacote” (mol) de lenha libera. O problema é que cada “pacote” tem um peso diferente: um é de um tipo de madeira leve, outro é de uma madeira super pesada. Para saber qual lenha é realmente a melhor, você não quer saber a energia por pacote, mas sim a energia que você consegue por cada quilo de lenha que você compra. Nossa tarefa é fazer essa conta para cada tipo de “lenha” (combustível) e ver qual delas dá mais calor por quilo.
Estratégia Geral 📌
A estratégia é sistemática:
- Para cada uma das cinco substâncias, primeiro vamos calcular sua Massa Molar (MM) em g/mol .
- Em seguida, vamos calcular seu Poder Calorífico em kJ/g, dividindo o valor da energia da tabela (em módulo) pela massa molar que calculamos.
- Finalmente, vamos comparar os cinco valores de Poder Calorífico e identificar o maior.
🧮 Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio e Cálculos
Passo a Passo Detalhado 📌
Vamos aplicar a estratégia para cada combustível. (Nota: Vamos usar os valores de entalpia em módulo, pois estamos interessados na energia liberada).
- 1. Acetileno (C₂H₂):
- MM = (2 * 12) + (2 * 1) = 26 g/mol
- Poder Calorífico = 1298 kJ / 26 g = 49,92 kJ/g
- 2. Etano (C₂H₆):
- MM = (2 * 12) + (6 * 1) = 30 g/mol
- Poder Calorífico = 1558 kJ / 30 g = 51,93 kJ/g
- 3. Etanol (C₂H₅OH):
- MM = (2 * 12) + (6 * 1) + (1 * 16) = 46 g/mol
- Poder Calorífico = 1366 kJ / 46 g = 29,70 kJ/g
- 4. Hidrogênio (H₂):
- MM = (2 * 1) = 2 g/mol
- Poder Calorífico = 242 kJ / 2 g = 121,00 kJ/g
- 5. Metanol (CH₃OH):
- MM = (1 * 12) + (4 * 1) + (1 * 16) = 32 g/mol
- Poder Calorífico = 558 kJ / 32 g = 17,44 kJ/g
Verificação Intermediária 📌
Agora temos todos os valores na mesma unidade (kJ/g) e podemos compará-los diretamente:
- Acetileno: 49,92 kJ/g
- Etano: 51,93 kJ/g
- Etanol: 29,70 kJ/g
- Hidrogênio: 121,00 kJ/g <– O maior valor!
- Metanol: 17,44 kJ/g
Possível armadilha ❓/ ✔
A principal armadilha é olhar para a tabela e escolher a substância com o maior valor de entalpia de combustão em módulo, que é o etano (-1558 kJ/mol). Isso seria um erro porque um mol de etano é muito mais “pesado” que um mol de hidrogênio. A questão é sobre eficiência por massa, não por mol. O hidrogênio, apesar de liberar pouca energia por mol, é extremamente leve, o que o torna incrivelmente energético quando comparado grama por grama.
Fechamento e expectativa
Nossos cálculos mostram que o hidrogênio libera, de longe, a maior quantidade de energia por grama. Portanto, ele é o combustível mais eficiente em massa. Esperamos que “hidrogênio” seja a alternativa correta.
✅ Passo 5: Análise das Alternativas
Listagem das Alternativas
A) etano.
B) etanol.
C) metanol.
D) acetileno.
E) hidrogênio.
Justificativa Individual
- 🔴 A) etano: Incorreta. É a armadilha para quem olha apenas o maior valor de energia por mol na tabela, sem considerar a massa molar.
- 🔴 B) etanol: Incorreta. Possui um poder calorífico (29,7 kJ/g) bem menor que o do etano, acetileno e hidrogênio.
- 🔴 C) metanol: Incorreta. É o combustível com o menor poder calorífico da lista (17,44 kJ/g).
- 🔴 D) acetileno: Incorreta. Seu poder calorífico (49,92 kJ/g) é alto, mas inferior ao do etano e muito inferior ao do hidrogênio.
- 🟢 E) hidrogênio: Correta. Conforme nossos cálculos, o hidrogênio possui o maior poder calorífico (121 kJ/g), sendo a substância mais eficiente em massa para a obtenção de energia.
🏆 Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
Resumo do Raciocínio 📌
Para determinar a eficiência por massa, calculamos o poder calorífico de cada substância (energia por grama). Isso foi feito dividindo a entalpia de combustão (em kJ/mol) pela massa molar (em g/mol ). A comparação dos resultados mostrou que o hidrogênio libera a maior quantidade de energia por grama.
Gabarito Reafirmado 📌
A alternativa correta é a E) hidrogênio.
Resumo Final para Revisão 🔍
Para fixar: A eficiência de um combustível é melhor medida pelo seu Poder Calorífico (energia por massa), não pela sua entalpia de combustão (energia por mol). Para converter de um para o outro, basta dividir pela massa molar.
