Coleção 10 V - Livro 2 - Química - Aluno by Editora Elabore

FRENTE

commons.wikimedia/Marcello Casal Jr./Agência Brasil

QUÍMICA Por falar nisso Os chamados lixos, lixões e diversas outras formas de descarte de materiais produzem grandes impactos ambientais, principalmente nas fontes naturais de água. Para obter água de qualidade, é necessário tratá-la nas chamadas Estações de Tratamento de Águas (ETA) por meio de processos físico-químicos de separação de misturas, principalmente, heterogêneas. Para isso, técnicas como catação, gradeamento ou peneiração, decantação, cloração e outras são utilizadas para transformar a água suja e poluída em água potável. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A05 A06 A07 A08

Os lixões, as coletas seletivas e as ETAs......................................... 198 Separação de misturas heterogêneas...........................................206 Separação de misturas heterogêneas...........................................210 Separação de misturas homogêneas.............................................215

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A05

ASSUNTOS ABORDADOS nn Lixões, Reciclagem e ETAs nn Lixo e lixões nn Coleta seletiva nn A reciclagem na natureza nn Estações de tratamento de água – ETAs

LIXÕES, RECICLAGEM E ETAS Os resíduos gerados por aglomerações urbanas, processos produtivos e mesmo em estações de tratamento de esgoto são um grande problema, tanto pela quantidade quanto pela toxicidade de tais rejeitos. A solução para tal questão não depende apenas de atitudes governamentais ou decisões de empresas, deve ser fruto também do empenho de cada cidadão, que tem o poder de recusar produtos potencialmente impactantes, participar de organizações não governamentais ou simplesmente segregar resíduos dentro de casa, facilitando assim processos de reciclagem. O conhecimento da questão do lixo é a única maneira de se iniciar um ciclo de decisões e atitudes que possam resultar em uma efetiva melhoria de nossa qualidade ambiental e de vida. Fonte: Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/lixo.pdf>. Acesso em 13 jun. 2016

Lixo e lixões O lixo produzido pelos grandes centros urbanos representa um dos seus graves problemas e requer soluções em curto e em médio prazo. Na maioria das vezes, o lixo urbano é colocado em aterros sanitários ou simplesmente despejado em lixões, causando um grande impacto ambiental. A contaminação dos solos, dos rios e dos lençóis freáticos é constantemente noticiada nos telejornais e causa danos irreparáveis. Dentre eles podemos citar o desaparecimento de várias espécies de peixes e de outros animais aquáticos; a contaminação de produtos, como hortaliças; e, por último, a contaminação de populações inteiras que utilizam águas contendo diversas substâncias tóxicas provenientes da decomposição dos lixões, sem o devido tratamento. Esses são apenas alguns dos problemas que podemos citar. Assim, o tratamento dos materiais descartados por todos nós no dia a dia é parte fundamental para o desenvolvimento sustentável de pequenas, médias e grandes cidades. Dentre as possíveis soluções, programas ambientais alertam para a necessidade de reduzir a quantidade de resíduos e de aumentar a reutilização e a reciclagem dos materiais. Para isso, o lixo deve ser coletado de forma seletiva em recipientes adequados e enviados a unidades de transformações. Os materiais orgânicos, os plásticos, os cerâmicos e os materiais à base de vidro devem ser separados e coletados em recipientes diferentes. Para maior facilidade de operação, existe uma padronização de cores para os recipientes coletores de materiais.

Coleta seletiva

Fonte: wikimedia.commons / Ignácio Costa

A linguagem padrão para a separação seletiva de materiais é feita com base em cores. Há cores específicas para cada um dos materiais. A seguir, há uma tabela explicativa contendo as padronizações de cores para o recolhimento dos diferentes materiais descartados.

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Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Coleta seletiva, uma linguagem padrão Cor

Material Coletado

Verde

Vidro

Amarela

Metal

Azul

Papel/papelão

Vermelha

Plástico

Laranja

Resíduos perigosos

Branca

Resíduos ambulatoriais e de serviços de saúde

Roxa

Resíduos radioativos

Figura 01 - Dispositivos em cores padrão utilizados para coleta seletiva

As técnicas utilizadas para a coleta seletiva podem ser entendidas como técnicas de separação dos componentes de um sistema heterogêneo. A separação do plástico, do vidro, dos metais e dos materiais orgânicos em um lixão é denominada de catação, separação de componentes sólidos de tamanhos diferentes. Em nível industrial, podemos contribuir para diminuir o problema, por meio de algumas atitudes positivas, como: nn depositar o lixo em lugar adequado (cestos de lixo, latões com tampa, sacos de plástico etc.) nn não desperdiçar materiais, como papéis, papelões, lápis, vidros, plásticos, metais etc. Pequenas atitudes, aparentemente insignificantes, quando somadas a muitas outras, podem resultar em melhoria para a qualidade de vida de todos.

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Fonte: ommons wikimedia/

A reciclagem na natureza

Figura 02 - Matéria orgânica em processo de decomposição pela ação de fungos.

Na natureza, também ocorre a contínua reciclagem de materiais, promovida pelos ciclos biogeoquímicos. Fungos e bactérias são os principais responsáveis por essas transformações, pois utilizam para alimentação restos de matéria orgânica em decomposição. Sem a presença desses organismos, alguns elementos químicos não seriam devolvidos à natureza e se esgotariam, em um curto intervalo de tempo. 199

Química

A tabela a seguir, lista alguns materiais de uso comum em nosso dia a dia, bem como o tempo natural de decomposição de cada um deles. Produto

Tempo em anos

Papel

0,25

Palito de fósforo

0,5

Ponta de cigarros

1a2

Chiclete

Lata

Sacos plásticos

30 a 40

Garrafa PET

> 100

Latinha de alumínio

200

Tecido

100 a 400

Fralda descartável

600

Vidro

> 4000

Tabela 01 - Tempo médio em anos de decomposição de alguns materiais quando descartados na natureza.

SAIBA MAIS QUÍMICA & SOCIEDADE Transformar montes de lixo em algo produtivo, que diminui a quantidade de gases tóxicos lançados na atmosfera e ainda gerando energia: essa é a ideia por trás das usinas de metano em funcionamento na cidade de São Paulo. Até 2007, cerca de 25% das emissões de gases de efeito estufa de São Paulo vinham dos aterros Bandeirantes, ativo entre 1979 e 2006 e o maior da América Latina, e São João, que funcionou entre 1992 e 2007. Hoje, o metano (gás 21 vezes mais nocivo que o CO2) liberado pelos lixões é usado para gerar energia elétrica. Um acordo feito com a prefeitura permitiu que os dois lixões fossem explorados para produzir energia. As empresas responsáveis por eles (Loga e EcoUrbis - que cuidam do Bandeirantes e do São João, respectivamente) fecharam uma parceira com a Biogás para que o metano captado fosse queimado e transformado em eletricidade. Os dois locais acumularam juntos 64 milhões de toneladas de lixo. O produto gerado por essa biomassa abastece 800 mil pessoas e reduz em 20% as emissões na cidade. disponível em:< http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/lixo/energia-limpa-biomassa-metano-lixoes-eletricidade-sao-paulo-627175.shtml>. Acesso em 24 jun. 2016.

Fonte: wikimedia commons/Rama

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Estações de tratamento de água – ETAs

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Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A água recobre 71% da superfície da Terra e é a substância mais abundante do planeta. Vejamos a distribuição da água em nosso planeta no gráfico abaixo: 1,7% Calotas polares e geleiras

SAIBA MAIS Para melhor entendimento das etapas de tratamento da água, assista à animação do processo de tratamento disponível em:

0,77% Água doce acessível

http://objetoseducacionais2.mec.gov. br/bitstream/handle/mec/5035/index. html?sequence=8

97,5% Água salgada

Fonte: Cadernos temáticos de Química Nova na Escola. Disponível em: < http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/aguas.pdf>. Acesso em 16 jun. 2016

Observe que a porcentagem da água doce acessível ao uso doméstico corresponde a 0,77% desse total. Isso é motivo de preocupação, pois, em breve, mesmo os países com abundância de água doce, como o Brasil, devem apresentar escassez desse recurso devido ao mau uso. Além do mais, nem toda água doce acessível é de boa qualidade, o que significa que nem sempre pode ser consumida diretamente da fonte.

#Conceito

nn Em nosso planeta, a água se encontra nos três estados físicos, aliás, é a única substância

que podemos encontrar assim. nn No Brasil, a portaria que regulamenta as normas de potabilidade para a água de consumo

humano é a de número 36, do Ministério da Saúde. Ela visa exercer a fiscalização e o cumprimento exato das normas estabelecidas.

O grau de poluição devido à presença de coliformes fecais, metais pesados, como o chumbo e mercúrio, e outras substâncias, torna a maioria das águas indisponível ao uso, quando recolhidas diretamente das fontes, isto é, sem nenhum tratamento. Nesse sentido, o desenvolvimento tecnológico trouxe grandes benefícios ao ser humano, dentre eles, o tratamento de águas para o abastecimento público. O uso de água de boa qualidade reduziu de maneira intensa um grande número de doenças, como a cólera e o tifo, que já representaram grandes ameaças para a sociedade. As principais operações realizadas nas ETAs são: a floculação ou coagulação (3), a decantação (4), a filtração (5) e a desinfecção (6). Essas operações podem variar dependendo da fonte de água e dos padrões a serem alcançados. 1 Represa 9 Bombeamento

Reservatório dos Bairros 6

Floculação

Decantação

Filtração

Cal Cloro Flúor

Reservatório Água Final (ETA)

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Distribuição

Sulfato de Alumínio Cal Cloro Carvão Areia Cascalho

Opirus/Arte

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Química

O principal objetivo dessas operações é atingir o estado de potabilidade exigido para o uso da água. A remoção de materiais particulados, de bactérias, de algas e de vírus é essencial para o bom uso desse recurso. Inicialmente, podemos remover o material de grandes dimensões por filtração, por meio de grades de separação. Por decantação direta (sem a adição de substâncias químicas) seguida de filtração, retiramos as partículas de tamanhos menores. Quando as partículas não decantam naturalmente, é acrescentado um produto químico que acelera a coagulação ou floculação dessas partículas, que podem ser retiradas por decantação ou por meio de filtros adequados. Os agentes químicos mais utilizados são os sulfato de alumínio – Al2(SO4)3 – , sais de ferro III e até polímeros orgânicos. Tratamento químico da água A química do processo de floculação ou coagulação pode ser representada de maneira simplificada pela seguinte equação: Al2(SO4)3(s) + 6 H2O(l) → 2 Al(OH)3(s) + 3 H2SO4(aq) Quando se coloca o sulfato de alumínio em água, há dissociação com liberação de íons Al3+ e SO42-. Os íons alumínio sofrem hidrólise e produzem o hidróxido de alumínio (Al(OH)3), que interage com partículas em solução produzindo um sistema coloidal de diâmetro médio maior. Isso possibilita a decantação. Normalmente essa operação não é suficiente para tornar a água totalmente clara. Outro processo a ser realizado é a filtração. O mecanismo de filtração consiste na retenção de partículas com diâmetro maior que os poros do filtro. Mas, para assegurar que a água esteja realmente livre de organismos patogênicos, devemos fazer a desinfecção. O processo de desinfecção comumente utilizado é a cloração. O uso de hipoclorito de sódio (NaClO) ou até mesmo de cloro gasoso

(Cl2) tem por objetivo destruir ou inativar os micro-organismos. Alguns outros princípios de desinfecção são a utilização de ozônio, luz ultravioleta, dióxido de cloro ou cloraminas. Mas o cloro continua sendo o método relativamente mais empregado devido à relação custo/benefício. O cloro é uma substância de alta reatividade e quando adicionado à água produz oxidação de substâncias orgânicas e inorgânicas. Esse cloro é chamado de cloro ativo livre. Entretanto, parte do cloro que é adicionado reage com espécies químicas como o Fe2+, Mn2+, NO3- e NH3. Por isso, ao calcular a quantidade de cloro a ser adicionada, devemos levar em conta esse fator. O cloro que reage com essas impurezas é denominado cloro de demanda, enquanto o cloro que produzirá oxidação tornando a água adequada para uso é chamado cloro livre disponível. Para obter a concentração adequada, devemos ter uma medida segura de cloro a ser acrescentada na água. O processo utilizado é feito a partir do cloro gasoso, que é comprimido e estocado em cilindros na forma líquida. Como se trata de uma substância muito tóxica, ele é dissolvido em água sob baixa pressão, e a solução concentrada é aplicada na água a ser tratada. O uso direto de cloro gasoso nas águas a serem tratadas é inviável e perigoso. O excesso de cloro nas águas causa sabor desagradável. Isso exige das ETAs constantes monitoramentos que visem ao melhor controle de qualidade das águas. Outro problema da cloração é a capacidade de reação do cloro com matérias orgânicas naturais presentes nas águas. Nessa reação, produzem-se os trialometanos, substâncias cancerígenas que não são removidas por tratamento convencional das águas. Isso implica monitoramento das águas antes de serem tratadas, para evitar a presença de matéria orgânica que forme esses derivados halogenados.

Exercícios de Fixação 01. (UECE) Antes de chegar às nossas torneiras, a água que consumimos segue um longo trajeto e passa por várias etapas de tratamento. É um conjunto de processos químicos e físicos que evitam qualquer tipo de contaminação e transmissão de doenças. A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Assinale a alternativa que apresenta a ordem correta dessas etapas no tratamento da água. a) Coagulação, decantação, filtração, floculação, desinfecção e fluoretação. b) Floculação, coagulação, filtração, decantação, fluoretação e desinfecção. c) Desinfecção, decantação, filtração, coagulação, floculação e fluoretação. d) Coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção e fluoretação.

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02. (Unicamp SP) Materiais poliméricos podem ter destinos diversos, que não seja o simples descarte em lixões ou aterros. A reciclagem, por exemplo, pode ser feita por reaproveitamento sob diversas formas. Na reciclagem secundária, os diversos polímeros que compõem o descarte são separados e reutilizados na fabricação de outros materiais; já na reciclagem quaternária, o material é usado diretamente como combustível para gerar energia térmica ou elétrica. Considere uma embalagem de material polimérico composta por 18 g de PET (C10H8O4)n, 4 g de PEAD (C2H4)n e 0,1 g de PP (C3H6)n. a) Do ponto de vista ambiental, o que seria melhor: a reciclagem secundária ou a quaternária? Justifique sua escolha. b) Numa reciclagem quaternária, representada pela combustão completa da embalagem citada, a massa consumida de polímeros e oxigênio seria maior, menor ou igual à massa formada de gás carbônico e água? Justifique. Gabarito no final do livro.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

04. (Enem MEC) O potencial brasileiro para transformar lixo em energia permanece subutilizado - apenas pequena parte dos resíduos brasileiros é utilizada para gerar energia. Contudo, bons exemplos são os aterros sanitários, que utilizam a principal fonte de energia ali produzida. Alguns aterros vendem créditos de carbono com base no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), do Protocolo de Kyoto. Essa fonte de energia subutilizada, citada no texto, é o a) etanol, obtido a partir da decomposição da matéria orgânica por bactérias. b) gás natural, formado pela ação de fungos decompositores da matéria orgânica. c) óleo de xisto, obtido pela decomposição da matéria orgânica pelas bactérias anaeróbias. d) gás metano, obtido pela atividade de bactérias anaeróbias na decomposição da matéria orgânica. e) gás liquefeito de petróleo, obtido pela decomposição de vegetais presentes nos restos de comida. 05. (Uel PR) Um computador pessoal pode conter 700 substâncias químicas diferentes, e seu descarte indevido contribui para o acúmulo de metais pesados despejados no ambiente. As relações entre a quantidade de matéria-prima extraída do ambiente e o volume de resíduos sólidos produzidos podem ser identificadas nos diferentes métodos de tratamento de resíduos sólidos. Com base nessas considerações e relativamente aos métodos de tratamento de resíduos sólidos, atribua V (verdadeiro) ou F (falso) às afirmativas a seguir. ( ) A reciclagem reduz a matéria-prima extraída do ambiente e diminui o volume dos resíduos sólidos produzidos. ( ) A reciclagem reduz o volume dos resíduos sólidos produzidos, sem diminuir a matéria-prima extraída do ambiente. ( ) A reciclagem e o reaproveitamento reduzem o volume de resíduos sólidos produzidos, mas aumentam a extração de matéria-prima do ambiente. ( ) O reaproveitamento reduz a matéria-prima extraída do ambiente, mas aumenta o volume dos resíduos sólidos produzidos.

( ) O reaproveitamento reduz o volume dos resíduos sólidos produzidos, sem diminuir a matéria-prima extraída do ambiente. Assinale a alternativa que contém, de cima para baixo, a sequência correta. a) V, V, F, F, V. c) F, V, V, F, F. e) F, F, V, V, F. b) V, F, F, F, V. d) F, V, F, V, V. 06. (UEFS BA) O tratamento de esgotos domiciliares, além de contribuir para a diminuição da poluição ambiental e da disseminação de doenças, pode fornecer materiais orgânicos utilizados na obtenção de adubos e de energia. Considerando-se o tema abordado no texto e os conhecimentos sobre as reações químicas, é correto destacar: a) O uso de filtros nas saídas dos encanamentos de esgotos contribui para retirar os poluentes dissolvidos no material. b) A decantação e o tratamento do esgoto com sulfato de alumínio, Al2(SO4)3, são suficientes para eliminar a presença de bactérias patogênicas. c) A compostagem é o processo que transforma o material orgânico obtido no tratamento dos esgotos em adubos, que podem ser usados no solo. d) A liberação de dióxido de carbono, CO2(g), e de monóxido de nitrogênio, NO(g), evidencia a decomposição anaeróbica da matéria orgânica presente nos esgotos. e) O gás metano, CH4(g), obtido no processo anaeróbico de degradação da biomassa, é um combustível de origem renovável que não interfere no aquecimento do planeta. 07. (Enem MEC) Cerca de 1% do lixo urbano é constituído por resíduos sólidos contendo elementos tóxicos. Entre esses elementos estão metais pesados como o cádmio, o chumbo e o mercúrio, componentes de pilhas e baterias, que são perigosos à saúde humana e ao meio ambiente. Quando descartadas em lixos comuns, pilhas e baterias vão para aterros sanitários ou lixões a céu aberto, e o vazamento de seus componentes contamina o solo, os rios e o lençol freático, atingindo a flora e a fauna. Por serem bioacumulativos e não biodegradáveis, esses metais chegam de forma acumulada aos seres humanos, por meio da cadeia alimentar. A legislação vigente (Resolução CONAMA no 257/1999) regulamenta o destino de pilhas e baterias após seu esgotamento energético e determina aos fabricantes e/ou importadores a quantidade máxima permitida desses metais em cada tipo de pilha/bateria, porém o problema ainda persiste. Fonte: Disponível em: http://www.mma.gov.br. Acesso em: 11 jul. 2009.

Uma medida que poderia contribuir para acabar definitivamente com o problema da poluição ambiental por metais pesados relatado no texto seria a) deixar de consumir aparelhos elétricos que utilizam pilha ou bateria como fonte de energia. b) usar apenas pilhas ou baterias recarregáveis e de vida útil longa e evitar ingerir alimentos contaminados, especialmente peixes. c) devolver pilhas e baterias, após o esgotamento da energia armazenada, à rede de assistência técnica especializada para repasse a fabricantes e/ou importadores. d) criar nas cidades, especialmente naquelas com mais de 100 mil habitantes, pontos estratégicos de coleta de baterias e pilhas, para posterior repasse a fabricantes e/ou importadores. e) exigir que fabricantes invistam em pesquisa para a substituição desses metais tóxicos por substâncias menos nocivas ao homem e ao ambiente, e que não sejam bioacumulativas. 203

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

03. (UEFS BA) A Lei que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos estabelece a distinção entre lixo reciclável e rejeitos materiais que não podem ser reaproveitados, e classifica os detritos em doméstico, industrial, eletroeletrônico, dentre outros. A Lei também proíbe a criação de lixões e determina que todas as prefeituras do país deveriam construir, até 2014, aterros sanitários ambientalmente sustentáveis nos quais só poderão ser depositados resíduos sem a possibilidade de reaproveitamento. Considerando-se as informações do texto e os aspectos bioquímicos associados aos resíduos sólidos, é correto destacar: a) A decomposição de resíduos orgânicos sólidos, a céu aberto, envolve a participação de micro-organismos anaeróbicos. b) A reciclagem de materiais sólidos, como o plástico e o papel, contribui para a redução da extração de petróleo e de madeira do ambiente. c) Os aterros sanitários devem ser construídos em terrenos arenosos, que evitam a contaminação da água subterrânea por resíduos tóxicos. d) A incineração de objetos fabricados com poli(cloreto de vinila), PVC, diminui o volume de resíduos sólidos sem liberar gases nocivos ao ambiente. e) O descarte de pilhas e baterias usadas em aterros sanitários é inócuo ao ambiente porque as substâncias químicas nocivas são decompostas durante o funcionamento desses equipamentos.

Química

Exercícios Complementares 01. (Fac. Cultura Inglesa SP) Em uma estação de tratamento, a água passa por diversos processos para tornar-se potável. Um deles consiste na retirada de coloides, substâncias muito dispersivas que precisam ser neutralizadas eletricamente para constituírem precipitados que são agrupados em flocos. Para tanto, em uma das etapas, adiciona-se óxido de cálcio e sulfato de alumínio à água, segundo a equação: Al2(SO4)3 (aq) + 3 Ca(OH)2 (aq) → 2 Al (OH)3 (s) + 3 CaSO4 (aq) A etapa do tratamento da água em que ocorre essa reação é denominada a) coagulação. b) decantação. c) filtração. d) destilação. e) esterilização. 02. (Enem MEC) Para impedir a contaminação microbiana do suprimento de água, deve-se eliminar as emissões de efluentes e, quando necessário, tratá-lo com desinfetante. O ácido hipocloroso (HClO), produzido pela reação entre cloro e água, é um dos compostos mais empregados como desinfetante. Contudo, ele não atua somente como oxidante, mas também como um ativo agente de cloração. A presença de matéria orgânica dissolvida no suprimento de água clorada pode levar à formação de clorofórmio (CHCl3) e outras espécies orgânicas cloradas tóxicas. SPIRO, T. G.; STIGLIANI, W. M. Química ambiental. São Paulo: Pearson, 2009 (adaptado).

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Visando eliminar da água o clorofórmio e outras moléculas orgânicas, o tratamento adequado é a a) filtração, com o uso de filtros de carvão ativo. b) fluoretação, pela adição de fluoreto de sódio. c) coagulação, pela adição de sulfato de alumínio. d) correção do pH, pela adição de carbonato de sódio. e) floculação, em tanques de concreto com a água em movimento. 03. (UFRN) Numa estação de tratamento de água para consumo humano, a água a ser tratada passa por tanques de cimento e recebe produtos como sulfato de alumínio e hidróxido de cálcio. Essas substâncias fazem as partículas finas de impurezas presentes na água se juntarem, formando partículas maiores e mais pesadas, que vão se depositando, aos poucos, no fundo do tanque. Após algumas horas nesse tanque, a água que fica sobre as impurezas e que está mais limpa é passada para outro tanque. Um processo de separação ao qual o texto faz referência é a a) levigação. b) filtração. c) decantação. d) dissolução fracionada.

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04. (UFSC) A água potável proveniente de estações de tratamento resulta de um conjunto de procedimentos físicos e químicos que são aplicados na água para que esta fique em condições adequadas para o consumo. Essa separação é necessária uma vez que a água de rios ou lagoas apresenta muitos resíduos sólidos, por isso tem que passar por uma série de etapas para que esses resíduos sejam removidos. Nesse processo de tratamento, a água fica livre também de qualquer tipo de contaminação, evitando a transmissão de doenças. Em uma ETA (Estação de Tratamento de Água) típica, a água passa pelas seguintes etapas: coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção, fluoretação e correção de pH. Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S). 01. Coagulação: é a etapa em que a água, na sua forma bruta, entra na ETA. Ela recebe, nos tanques, uma determinada quantidade de cloreto de sódio. Essa substância serve para aglomerar partículas sólidas que se encontram na água como, por exemplo, a argila. 02. Floculação: ocorre em tanques de concreto, logo após a coagulação. Com a água em movimento, as partículas sólidas se aglutinam em flocos maiores. 04. Decantação: nessa etapa, que é posterior à coagulação e à floculação, por ação da gravidade, os flocos com as impurezas e partículas ficam depositados no fundo de outros tanques, separando-se da água. A etapa da decantação pode ser considerada um fenômeno físico. 08. Filtração: é a etapa em que a água passa por filtros formados por carvão, areia e pedras de diversos tamanhos. Nessa etapa, as impurezas de tamanho pequeno ficam retidas no filtro. A etapa da filtração pode ser considerada como um fenômeno químico. 16. Fluoretação: é quando se adiciona flúor na água, cuja finalidade é prevenir a formação de cárie dentária em crianças. 32. Desinfecção: é a etapa em que cloro ou ozônio é aplicado na água para eliminar micro-organismos causadores de doenças. 64. Correção de pH: esse procedimento serve para corrigir o pH da água e preservar a rede de encanamentos de distribuição. Se a água está básica, é aplicada certa quantidade de cal hidratada ou de carbonato de sódio. 02-04-16-32

05. (Enem MEC) A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essencial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedade térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, o elevado valor de calor latente de vaporização. Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para convertê-lo em vapor na mesma temperatura, que no caso da água é isolada a 540 calorias por grama.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese. b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos. c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais. d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais. e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos. 06. (UFG GO) O esquema que segue refere-se às etapas de tratamento do esgoto doméstico:

PHB (poli-hidroxibutirato). Sua vantagem é que, ao ser descartado, o bioplástico é degradado por micro-organismos existentes no solo em no máximo um ano, ao contrário dos plásticos de origem petroquímica, que geram resíduos que demoram mais de 200 anos para se degradarem”. GOMES, A.C. Biotecnologia ajuda na conservação do ambiente. Revista Eletrônica Vox Sciencia. Ano V. nº 28. São Paulo: Núcleo de Divulgação Científica José Gomes. Acesso em: 30 abr. 2009 (adaptado)

A nova tecnologia, apresentada no texto, tem como consequência, a) a diminuição da matéria orgânica nos aterros e do mau cheiro nos lixões. b) a ampliação do uso de recursos não renováveis, especialmente, os plásticos. c) a diminuição do metabolismo de bactérias decompositoras presentes nos solos. d) a substituição de recursos não renováveis por renováveis para fabricar plásticos. e) o lançamento no meio ambiente de produtos plásticos inertes em relação ao ciclo da matéria.

07. (Unesp SP) Alguns insetos andam com facilidade sobre a água. Em rios poluídos com esgoto doméstico, isso é mais difícil de acontecer, principalmente devido à presença de grandes quantidades de sabão e detergente provenientes de atividades como lavar louças e roupas e tomar banho. A água poluída, dessa forma, impede que os insetos caminhem sobre sua superfície devido a) ao mau odor exalado pelas águas poluídas. b) à redução da tensão superficial da água dos rios. c) à fragilidade das moléculas de sabão e de detergente. d) à mudança de pH observada na água poluída. e) à baixa concentração de oxigênio dissolvido nessas águas. 08. (Enem MEC) Desde os anos 1990, novas tecnologias para a produção de plásticos biodegradáveis foram pesquisadas em diversos países no mundo. No Brasil, foi desenvolvido um plástico empregando-se derivados da cana-de-açúcar e uma bactéria recém-identificada, capaz de transformar açúcar em plástico. “A bactéria se alimenta de açúcar, transformando o excedente do seu metabolismo em um plástico biodegradável chamado

Fonte: Ciência Hoje, v. 42, jun. 2008 (adaptado).

Suponha que uma pessoa, desejosa de fazer seu próprio adubo orgânico, tenha seguido o procedimento descrito no texto, exceto no que se refere ao umedecimento periódico do composto. Nessa situação, a) o processo de compostagem iria produzir intenso mau cheiro. b) o adubo formado seria pobre em matéria orgânica que não foi transformada em composto. c) a falta de água no composto vai impedir que micro-organismos decomponham a matéria orgânica. d) a falta de água no composto iria elevar a temperatura da mistura, o que resultaria na perda de nutrientes essenciais. e) apenas micro-organismos que independem de oxigênio poderiam agir sobre a matéria orgânica e transformá-la em adubo. 205

A05  Lixões, Reciclagem e ETAs

Considerando-se as etapas I, II, III e IV, o processo de tratamento de esgoto envolve, respectivamente, as etapas de a) filtração, filtração, catação e decantação. b) decantação, filtração, fermentação e filtração. c) filtração, decantação, catação e filtração. d) decantação, decantação, fermentação e filtração. e) filtração, decantação, fermentação e decantação.

09. (Enem MEC) O lixo orgânico de casa - constituído de restos de verduras, frutas, legumes, cascas de ovo, aparas de grama, entre outros -, se for depositado nos lixões, pode contribuir para o aparecimento de animais e de odores indesejáveis. Entretanto, sua reciclagem gera um excelente adubo orgânico, que pode ser usado no cultivo de hortaliças, frutíferas e plantas ornamentais. A produção do adubo ou composto orgânico se dá por meio da compostagem, um processo simples que requer alguns cuidados especiais. O material que é acumulado diariamente em recipientes próprios deve ser revirado com auxílio de ferramentas adequadas, semanalmente, de forma a homogeneizá-lo. É preciso também umedecê-lo periodicamente. O material de restos de capina pode ser intercalado entre uma camada e outra de lixo da cozinha. Por meio desse método, o adubo orgânico estará pronto em aproximadamente dois a três meses. Como usar o lixo orgânico em casa?

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QUÍMICA

MÓDULO A06

ASSUNTOS ABORDADOS nn Separação de misturas hetero-

gêneas

nn Sedimentação nn Ventilação nn Peneiração nn Flotação nn Separação magnética nn Levigação

SEPARAÇÃO DE MISTURAS HETEROGÊNEAS Diferentemente da natureza, nos laboratórios de química, os componentes de um sistema podem ser separados utilizando-se técnicas adequadas. Para os sistemas heterogêneos, podemos utilizar sedimentação, ventilação, peneiração, flotação, separação magnética etc. A seguir, estudaremos alguns desses métodos utilizados para separar os componentes dos sistemas materiais heterogêneos.

Sedimentação É um método que utiliza a ação gravitacional para separar os materiais suspensos em um solvente líquido ou gasoso. Podemos empregar a sedimentação para separar as partículas sólidas suspensas no ar atmosférico de uma sala, por exemplo. Para isso basta deixar o ambiente livre de correntes de ar. A ação da gravidade produz a sedimentação. A sedimentação também é uma técnica empregada na melhoria da qualidade das águas. À medida que deixamos o sistema em repouso, as partículas sólidas que estavam suspensas em água são sedimentadas no fundo do recipiente. As vantagens do processo de sedimentação são o baixo custo e a simplicidade operacional, embasada na diferença entre as densidades dos constituintes sólidos ou em outras propriedades, como diâmetro de partículas, para promover a separação sequencial de sólidos ou das fases sólida e líquida. Na indústria mineral, por exemplo, os sedimentadores mais utilizados produzem polpas com percentagens de sólidos elevadas e possuem, geralmente, a função de espessar material com valor comercial ou rejeito, visando a sua disposição em barragens, cavas de minas ou como em galerias de minas subterrâneas.

Figura 01 - Câmaras de sedimentação de partículas sólidas.

Ventilação É um método que aproveita a corrente de ar para separar os componentes de um sistema. Tem por princípio a diferença de densidade dos componentes. No beneficiamento de cereais, por exemplo, a ventilação é empregada para separar a casca dos grãos.

Peneiração No processamento de alimentos sólidos, é frequente a necessidade de se separar materiais com respeito ao seu tamanho. As técnicas de separação são baseadas nas diferenças físicas entre as partículas, como tamanho, forma ou densidade. Em muitos processos, sólidos obtidos raramente possuem um único tamanho e estão distribuídos em torno de um tamanho médio. 206

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O peneiramento é um método de separação de partículas que leva em consideração apenas o tamanho. No peneiramento industrial, os sólidos são colocados sobre uma superfície com um determinado tamanho de abertura. As partículas menores, ou finas, passam através das aberturas da peneira, as partículas maiores não. Assim, podemos dizer que a peneiração é um método empregado para selecionar grãos de determinado material. Tal princípio tem por base a diferença no tamanho dos grãos. As peneiras são dispostas de forma que os grãos de maior tamanho ficam retidos nas primeiras etapas e somente os grãos de menor diâmetro passam para a próxima peneira.

Separação magnética Os estudos sobre separação magnética e eletrostática datam de pelo menos 600 anos a.C. e chegaram ao conhecimento da humanidade por meio da divulgação dos estudos e experimentos do filósofo grego, Thales de Mileto, conhecedor de algumas propriedades magnéticas dos minerais. O mesmo filósofo descobriu, ao esfregar âmbar em pele de animal, que a carga eletrostática produzida por essa atrição poderia atrair fracamente partículas minerais não condutoras. A aplicação da separação magnética ao processamento mineral depende da susceptibilidade magnética dos minerais a serem processados, enquanto o método eletrostático de beneficiamento de minérios considera a condutividade elétrica dos minerais como a propriedade básica de separação. De maneira breve, podemos dizer que a separação magnética é um método empregado para separar os componentes sólidos de um sistema cujos componentes são atraídos por ímã.

Fonte: pixabay

SAIBA MAIS

Figura 02 - As peneiras são utilizadas na indústria de alimentos, construção civil etc. Acima, peneiras de diferentes tamanhos usados na construção civil.

Flotação

A propriedade de um material que determina a sua resposta a um campo magnético é a susceptibilidade magnética. Com base nessa propriedade, os minerais ou materiais são classificados em duas categorias: aqueles que são atraídos pelo campo magnético e os que são repelidos por esse campo. Os detalhes sobre cada tipo de material são discutidos a seguir: nn Minerais ferromagnéticos compreendem aqueles que são fortemente atraídos pelo ímã comum. O exemplo mais conhecido é a magnetita (Fe3O4). nn Os minerais paramagnéticos são fracamente atraídos pelo

ímã comum e o exemplo clássico é a hematita (Fe2O3). Esses minerais possuem permeabilidade magnética mais elevada que a do meio circundante, usualmente, água ou ar. Além disso, concentram um elevado número de linhas de indução provenientes do campo externo. nn Finalmente, os minerais diamagnéticos possuem suscep-

tibilidade magnética negativa e, portanto, são repelidos quando submetidos a um campo magnético. Nesse caso, além do quartzo, destacam-se: a cerussita, magnesita, calcita, barita, fluorita, esfalerita, dentre outros. Esses minerais possuem permeabilidade magnética mais baixa que a do meio circundante, usualmente, água ou ar. Esse efeito diamagnético é geralmente menor que o correspondente efeito de atração dos minerais paramagnéticos.

Fonte: commons wikimedia / Geomartin

http://mineralis.cetem.gov.br/

Figura 03 - Tanque de flotação utilizado na mineração.

Levigação É um método que se utiliza da diferença de densidade para a separação dos componentes de uma mistura ao ser submetida à água corrente. Um dos componentes (menos denso) é arrastado, enquanto o outro (mais denso) é retido. Essa técnica é utilizada nos garimpos para separar a areia, menos densa, do ouro, mais denso. 207

A06  Separação de Misturas Heterogêneas

É um método muito utilizado em garimpos para separar os componentes metálicos de outras impurezas. No processo, adicionam-se grandes quantidades de óleo e água ao sistema e promove-se intensa agitação. Os componentes metálicos aderem ao óleo (processo chamado de adsorção). Em seguida, agita-se fortemente a suspensão com uma corrente de ar comprimido, separando as partículas que adsorveram o óleo das demais impurezas – a ganga.

Química

Exercícios de Fixação 01. (IF SC) Uma das etapas do processamento do lixo é a separação magnética, que consiste em separar materiais metálicos com o auxílio de um eletroímã. Assim, é CORRETO afirmar que: a) É possível utilizar esse método para separar materiais orgânicos dos lixões. b) Todos os elementos citados no texto são da mesma família química. c) Esse método também serve para separar papéis e papelões. d) Vidros e plásticos são os principais materiais utilizados por esse método separação. e) As latas de alumínio dos refrigerantes, considerando-se que são feitas totalmente de alumínio, não podem ser separadas por esse método. 02. (Fatec SP) Além do problema da escassez de água potável em alguns pontos do planeta, a sociedade também enfrenta as dificuldades de tratamento da água disponível, cada vez mais poluída. Uma das etapas desse tratamento envolve a adição de compostos químicos que possam facilitar a retirada de partículas suspensas na água. Os compostos adicionados reagem formando uma substância gelatinosa, hidróxido de alumínio, que aglutina as partículas suspensas. A seguir, temos a reação que representa o descrito: 3 Ca(OH)2 + Al2(SO4)3 → 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3

A06  Separação de Misturas Heterogêneas

A etapa descrita é denominada a) filtração. b) cloração. c) floculação. d) destilação. e) decantação. 03. (Enem MEC) Belém é cercada por 39 ilhas, e suas populações convivem com ameaças de doenças. O motivo, apontado por especialistas, é a poluição da água do rio, principal fonte de sobrevivência dos ribeirinhos. A diarreia é frequente nas crianças e ocorre como consequência da falta de saneamento básico, já que a população não tem acesso à água de boa qualidade. Como não há água potável, a alternativa é consumir a do rio. O Liberal. 8 jul. 2008. Disponível em: http://www.oliberal.com.br.

O procedimento adequado para tratar a água dos rios, a fim de atenuar os problemas de saúde causados por micro-organismos a essas populações ribeirinhas é a a) filtração. b) cloração. c) coagulação. d) fluoretação. e) decantação.

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04. (Fac. Cultura Inglesa SP) Uma cooperativa de coleta e separação de materiais recicláveis forneceu uma tonelada do produto da moagem de garrafas PET a um cliente. Este, ao verificar um alto grau de contaminação com resíduos de ferro, devolveu o produto. Utilizando um método adequado de separação de misturas, os profissionais da cooperativa resolveram o problema. O método de separação de misturas usado nesse caso foi a a) centrifugação. b) decantação. c) destilação fracionada. d) filtração a vácuo. e) separação magnética. 05. (Enem MEC) Entre as substâncias usadas para o tratamento de água está o sulfato de alumínio que, em meio alcalino, forma partículas em suspensão na água, às quais as impurezas presentes no meio se aderem. O método de separação comumente usado para retirar o sulfato de alumínio com as impurezas aderidas é a a) flotação. d) peneiração. b) levigação. e) centrifugação c) ventilação. 06. (Puc RS) Analise as informações a seguir: O garimpo do ouro é uma atividade econômica comum em determinados pontos da Amazônia. Uma das formas de separar o ouro dos outros materiais é por meio de bateias, uma espécie de bacia em que água corrente é passada para remover a areia, deixando o ouro, que é mais denso, no fundo. Outro método para separar o ouro consiste em adicionar mercúrio à areia. O ouro dissolve-se no mercúrio, mas a areia não. A solução pode ser facilmente separada da areia e recolhida. Para separar o mercúrio do ouro, a solução é aquecida em um recipiente. O mercúrio volatiliza, e seu vapor é resfriado até voltar ao estado líquido, sendo recolhido em um recipiente à parte; depois que todo o mercúrio foi removido, o ouro fica como resíduo. Com base nessas informações, é correto afirmar que: a) A mistura ouro-areia é heterogênea e pode ser separada por levigação. b) A mistura ouro-mercúrio é heterogênea e pode ser separada por destilação. c) A adição de mercúrio à mistura ouro-areia promove a dissolução fracionada da areia. d) A mistura de mercúrio, ouro e areia apresenta três fases: mercúrio líquido, ouro dissolvido e areia sólida. e) Os componentes da mistura ouro-mercúrio podem ser separados por centrifugação.

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Exercícios Complementares

Considerando-se as informações e os processos de tratamento da água, é correto afirmar: a) A filtração com carvão, areia e cascalho retém os resíduos de pesticidas e efluentes dissolvidos na água. b) A cal, formada por óxido de cálcio, CaO(s), ao ser adicionado à água, reage e forma uma base solúvel, que reduz o pH do meio. c) A adição de cloro, Cl2(g), à água leva à formação do ácido clorídrico, HCl (aq), responsável pela eliminação dos micro-organismos. d) O flúor é adicionado no final do processo de tratamento sob a forma de íons fluoreto, com o objetivo de eliminar bactérias patogênicas. e) A decantação de partículas em suspensão é acelerada pelo hidróxido de alumínio formado na reação entre o sulfato de alumínio e o hidróxido de cálcio, acrescentados ao meio aquoso. 02. (UEA AM) Os combustíveis de aviação devem estar livres de impurezas que possam interferir na operação do motor ou nas unidades dos sistemas de combustível e de admissão de ar ao carburador. Mesmo que todas as precauções sejam tomadas no armazenamento e serviços da gasolina, é comum encontrar uma pequena quantidade de água e sedimentos no sistema de combustível de uma aeronave. Geralmente, isso não é considerado como uma fonte de grande perigo, desde que os filtros sejam drenados e limpos em intervalos frequentes. Entretanto, em alguns casos, a água ocasiona sérios problemas, porque ela se assenta no fundo do tanque e pode, então, circular pelo sistema de combustível. Uma excessiva quantidade de água deslocará o combustível que está passando pelos medidores e restritores do fluxo de combustível, o que causará perda de potência e poderá resultar na parada do motor. (http://portal.pilotobrasil.com.br. Adaptado.)

A água que se acumula no fundo dos tanques de combustível de aeronaves pode ser retirada desses tanques pelo processo de separação de misturas conhecido como a) destilação. d) catação. b) filtração. e) levigação. c) decantação.

03. (Unievangélica GO) A tecnologia trouxe para o ser humano benefícios extraordinários. Por exemplo, antes dos aspiradores de pó, era bem difícil retirar as poeiras e outras sujidades dos pisos, tapetes, carpetes e estofados. Os aspiradores de pó convencionais são capazes de separar misturas a) heterogêneas de sólidos e gases. b) homogêneas de sólidos e líquidos. c) heterogêneas de sólidos e líquidos. d) homogêneas de sólidos e gases. 04. (UEFS BA) Os componentes de uma mistura podem ser separados de acordo com suas propriedades físicas e técnicas que fazem parte de uma variedade de processos físicos de análise imediata. Assim, para a separação dos componentes da mistura de areia com serragem de madeira, a melhor técnica é a a) catação da serragem com pinças especiais. b) decantação da areia após a adição de óleo seguida de filtração. c) centrifugação que separa os grãos de areia da serragem de madeira. d) incineração da mistura e a separação posterior das cinzas por centrifugação. e) flotação após adição de água, porque a serragem de madeira é menos densa que a água. 05. (UFG GO) Considere a descrição da seguinte técnica: O minério pulverizado é recoberto com óleo, água e detergente, e, nessa mistura, é borbulhado ar. Essa descrição refere-se a um método de separação de misturas muito utilizado em indústrias metalúrgicas. Qual é essa técnica? a) Decantação c) Cristalização e) Sublimação b) Flotação d) Destilação 06. (UEFS BA) Os componentes de uma mistura podem ser separados de acordo com suas propriedades físicas e técnicas que fazem parte de uma variedade de processos físicos de análise imediata. Assim, para a separação dos componentes da mistura de areia com serragem de madeira, a melhor técnica é a a) catação da serragem com pinças especiais. b) decantação da areia após a adição de óleo seguida de filtração. c) centrifugação que separa os grãos de areia da serragem de madeira. d) incineração da mistura e a separação posterior das cinzas por centrifugação. e) flotação após adição de água, porque a serragem de madeira é menos densa que a água.

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A06  Separação de Misturas Heterogêneas

01. (UEFS BA) A água captada de rios, lagos ou reservatórios pode conter poluentes, a exemplo de pesticidas e efluentes industriais, além de micro-organismos nocivos à saúde. Para torná-la potável, é necessária a utilização de uma série de processos físicos e químicos para a retirada de impurezas, desinfecção e controle da acidez, dentre outros, realizados em uma estação de tratamento, antes de essa água ser distribuída para a população.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A07

ASSUNTOS ABORDADOS nn Separação de misturas hetero-

gêneas

nn Dissolução fracionada nn Extração nn Filtração nn Filtração a vácuo nn Centrifugação

SEPARAÇÃO DE MISTURAS HETEROGÊNEAS Os sistemas heterogêneos são constituídos por dois ou mais sólidos, ou por um sólido e um líquido, comuns no cotidiano. Quando adicionamos água à serragem de madeira, por exemplo, temos um sistema heterogêneo. Da mesma forma, água barrenta, água e areia também são misturas heterogêneas. Para separar os componentes desses sistemas, podemos utilizar técnicas como a dissolução fracionada, a filtração, a centrifugação e outros.

Dissolução fracionada A dissolução fracionada é um método que tem por base a diferença de solubilidade de um dos componentes. Podemos facilmente separar os componentes sal de cozinha e areia utilizando a água. O sal de cozinha se dissolve na água, enquanto a areia não.

#Conceito

210

Figura 01 - Dissolução fracionada da mistura de areia e sal.

Contudo, essa operação apenas dissolve o componente sal na água, mas os componentes do sistema (água, sal e areia) ainda não foram separados. Para separar a areia dos demais componentes, empregamos o processo da filtração. Com um filtro de papel ou de até mesmo de pano, podemos reter o componente areia. A água e o sal podem ser separados por meio da evaporação, processo também chamado de destilação natural.

Opirus/Arte

O papel de filtro é um tipo de papel utilizado como meio filtrante quer em filtrações simples, quer em filtrações a pressão reduzida. Em termos de composição, trata-se de um tipo de papel com elevado grau de celulose e, em alguns casos, algodão. Os papéis de filtro distinguem-se uns dos outros pela dimensão dos seus poros. Quanto maior a dimensão das porosidades do papel, menos eficiente será o filtro. No entanto, é necessário ponderar a relação entre a eficiência da filtração e o tempo em que ela decorrerá. Quanto maiores forem os poros, menor o tempo que demora a filtração. O papel de filtro utilizado em funis de Büchner, para filtrações por pressão reduzida, consiste simplesmente num pedaço de papel com forma circular. Quando se utilizam funis cónicos (filtração simples), o papel tem de ser dobrado adequadamente para poder conter a mistura em filtração.

Figura 02 - À esquerda, forma correta de se dobrar o papel filtro. À direita, processo de separação do sólido (areia) da solução (água e sal).

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Extração

Fonte: commons wikimedia/Mateus S. Figueiredo

A extração é uma técnica que consiste no aquecimento de um material orgânico em presença de um solvente para retirada de um princípio ativo. Os chás de folhas e o café, por exemplo, são obtidos por meio dessa técnica. A água em alta temperatura dissolve o princípio ativo – a cafeína, no caso do café –, solubilizando-o juntamente com outras substâncias.

Já em laboratórios, a filtração ocorre de maneira mais técnica e utiliza filtros que retêm partículas de dimensões muito pequenas. Os principais filtros são as porcelanas porosas e os ultrafiltros. Em algumas situações, o método pode ser acelerado pela filtração a vácuo.

Filtração a vácuo A filtração a vácuo é um procedimento utilizado para se aumentar a velocidade de filtração. Uma bomba de sucção – trompa d’água – é instalada no erlenmeyer e produz redução da pressão no interior do recipiente. A diferença de pressão entre o meio interno e o externo faz o líquido se separar do sólido em alta velocidade. Água Mistura heterogênea Círculo de papel de filtro

Figura 03 - Quando preparamos um chá, um café, ou mesmo um chimarrão, estamos fazendo a extração de um soluto sólido utilizando um solvente líquido.

Fundo perfurado Funil de Buchner

Filtração

Rolha de borracha

A filtração é um método empregado para separar sólidos de líquidos em misturas heterogêneas.

Fonte: wikipedia / Magnus Manske

Fonte: commons wikimedia/Ing.Mgr.Jozef Kotulič

No preparo do café, por exemplo, é feita a separação dos sólidos utilizando-se um filtro comum de pano – o coador – ou, modernamente, um filtro de papel. No preparo do queijo, em sítios e em fazendas, também se faz a separação da coalhada do soro, utilizando-se um pano para filtrar a parte sólida do líquido.

Figura 04 - Processo de separação da coalhada do soro (filtração).

Mangueira

Vácuo

Kitassato

Líquido separado

Figura 05 - Equipamentos utilizados na filtração a vácuo.

Centrifugação A centrifugação nada mais é do que uma decantação acelerada por meio de equipamentos. É um método empregado quando se tem uma suspensão: dispersão de sólido em líquido. Dificilmente, as suspensões se depositam sob a ação da gravidade. Para acelerar o processo, utilizamos uma centrífuga, que tem a função de aumentar a velocidade de decantação – as centrífugas podem girar até 45 000 vezes por minuto e esse movimento é responsável pela separação dos sólidos de maior densidade no fundo do recipiente, os tubos de ensaios. 211

Química

Exercícios de Fixação 01. (IF SP) O aspirador de pó é um eletrodoméstico que permite separar misturas do tipo sólido-gás por a) centrifugação. b) filtração. c) destilação. d) decantação. e) levigação. 02. (IF GO) Considere uma mistura de parafina (hidrocarbonetos de cadeia longa) finamente dividida e açúcar (sacarose – C12H22O11) refinado. Indique a alternativa que representa os processos de separação, na sequência indicada, mais adequados a essa mistura. a) Dissolução em água, filtração, evaporação. b) Filtração, evaporação, combustão. c) Dissolução em água, floculação, decantação. d) Destilação fracionada a 50 °C. e) Combustão, destilação. 03. (Unifesp SP) Para se isolar a cafeína (sólido, em condições ambientais) de uma bebida que a contenha (exemplos: café, chá, refrigerante etc.) pode-se usar o procedimento simplificado seguinte.

A07  Separação de misturas heterogêneas

“Agita-se certo volume da bebida com dicloroetano e deixa-se em repouso por algum tempo. Separa-se, então, a parte orgânica, contendo a cafeína, da aquosa. Em seguida, destila-se o solvente e submete-se o resíduo da destilação a um aquecimento, recebendo-se os seus vapores em uma superfície fria, onde a cafeína deve cristalizar.” Além da destilação e da decantação, quais operações são utilizadas no isolamento da cafeína? a) Flotação e ebulição b) Flotação e sublimação c) Extração e ebulição d) Extração e sublimação e) Levigação e condensação 04. (Enem MEC) Em visita a uma usina sucroalcooleira, um grupo de alunos pôde observar a série de processos de beneficiamento da cana-de-açúcar, entre os quais se destacam: 1. A cana chega cortada da lavoura por meio de caminhões e é despejada em mesas alimentadoras que a conduzem para as moendas. Antes de ser esmagada para a retirada do caldo açucarado, toda a cana é transportada por esteiras e passada por um eletroímã para a retirada de materiais metálicos. 2. Após se esmagar a cana, o bagaço segue para as caldeiras, que geram vapor e energia para toda a usina. 3. O caldo primário, resultante do esmagamento, é passado por filtros e sofre tratamento para transformar-se em açúcar refinado e etanol.

212

Com base nos destaques da observação dos alunos, quais operações físicas de separação de materiais foram realizadas nas etapas de beneficiamento da cana-de-açúcar? a) Separação mecânica, extração, decantação. b) Separação magnética, combustão, filtração. c) Separação magnética, extração, filtração. d) Imantação, combustão, peneiração. e) Imantação, destilação, filtração. 05. (Uem PR) Sobre misturas homogêneas e heterogêneas e seus processos de separação, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. A levigação e a peneiração são técnicas de separação de misturas sólidas, utilizando, respectivamente, diferenças entre a densidade e o tamanho dos sólidos a serem separados. 02. A filtração pode ser utilizada para a separação de uma mistura heterogênea de um sólido em um líquido, ou de um sólido em um gás. 04. Por meio da flotação, podem-se separar dois sólidos com densidades diferentes, utilizando-se um líquido com densidade intermediária aos dois sólidos, sem que haja solubilização dos sólidos no líquido. 08. A centrifugação pode ser utilizada para a separação de dois líquidos solúveis entre si, mas que tenham densidades diferentes. 16. A retenção de substâncias gasosas na superfície de materiais com alta área superficial, como o carvão, é um processo de separação chamado adsorção. 01-02-04-16 06. Em meados do século XVIII a Inglaterra, recém-industrializada, importava grandes quantidades de queijo e leite. Os fazendeiros americanos, em face da oportunidade, foram em busca de meios de aumentar a sua produção de modo a atender a esse mercado. O processo usado até então para desnatar leite, baseado na decantação, era lento e obsoleto, pois o leite fresco era deixado em repouso, por até 24 h, até que a nata depositasse na superfície para depois ser retirada. Em 1864, o alemão Antonin Prandtl (1842-1909), desenvolveu o primeiro separador mecânico da nata do leite. Era um equipamento rústico no qual baldes eram presos a hastes conectadas a um rotor de operação manual. Após um tempo o leite desnatado se depositava no fundo do balde e a nata estava na superfície. A máquina era então parada e a nata removida. Disponível em < http://quimicanova.sbq.org.br/ detalhe_artigo.asp?id=6209>. Acesso em 18 Ago. 2016

Considerando seus conhecimentos e as informações do texto, é coerente afirmar que a evolução do processo descrito no texto deu origem ao equipamento de separação de componentes de misturas denominado de a) Filtros d) Decantadores b) Centrífugas e) Kitassatos c) Destiladores

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. (Unicamp SP) Em algumas extrações de ouro, sedimentos de fundo de rio e água são colocados em uma bateia, recipiente cônico que se assemelha a um funil sem o buraco. Movimentos circulares da bateia permitem que o ouro metálico se deposite sob o material sólido ali presente. Esse depósito, que contém principalmente ouro, é posto em contato com mercúrio metálico. Daí, o amálgama formado é separado e aquecido com um maçarico, separando-se o ouro líquido do mercúrio gasoso. Numa região próxima dali, o mercúrio gasoso se transforma em líquido e acaba indo para o leito dos rios. Os três segmentos acima grifados se referem, respectivamente, às seguintes propriedades: a) peso, temperatura de gaseificação e temperatura de liquefação. b) densidade, temperatura de sublimação e temperatura de fusão. c) peso, temperatura de ebulição e temperatura de fusão. d) densidade, temperatura de ebulição e temperatura de liquefação. 02. (UPE PE) O azeite de oliva é o produto obtido somente dos frutos da oliveira (Olea europaeaL), excluídos os óleos obtidos por meio de solventes e ou qualquer mistura de outros óleos. O azeite de oliva virgem é o produto obtido do fruto da oliveira (Olea europaea) somente por processos mecânicos ou outros meios físicos, em condições térmicas que não produzam alteração do azeite, e que não tenha sido submetido a outros tratamentos além da lavagem com água, decantação, centrifugação e filtração.

03. (Unesp SP) A preparação de um chá utilizando os já tradicionais saquinhos envolve, em ordem de acontecimento, os seguintes processos: a) filtração e dissolução. b) filtração e extração. c) extração e filtração. d) extração e decantação. e) dissolução e decantação. 04. (Fac. Santa Marcelina SP) O ácido acetilsalicílico (AAS) é um dos medicamentos mais conhecidos no mundo. A sua preparação no laboratório é relativamente simples, sendo um dos temas dos experimentos de Química Orgânica no Ensino Médio. O AAS é formado no meio reacional a partir da redução da temperatura do meio com banho de água e gelo. A separação do AAS é feita utilizando as aparelhagens indicadas na figura. Após lavagem e secagem do AAS, um dos testes físicos empregados para sua caracterização é a medida da temperatura em que ocorre a mudança de fases de sólido para líquido.

Adaptado da Resolução de Diretoria Colegiada da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) - RDC Nº. 270, de 22 de setembro de 2005.

(www.brasilescola.com. Adaptado.)

O processo de separação indicado na figura e a propriedade física utilizada na caracterização do AAS são, respectivamente, a) cristalização e temperatura de ebulição. b) cristalização e temperatura de fusão. c) filtração e temperatura de fusão. d) filtração e temperatura de ebulição. e) centrifugação e temperatura de fusão. 05. (Ufscar SP) A figura representa o processo de obtenção de leite de castanha-do-brasil, um sub-produto da castanha, utilizado na alimentação infantil e em pratos regionais.

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A07  Separação de misturas heterogêneas

Está de acordo com esses critérios da RDC Nº. 270 da ANVISA a seguinte garantia dada por uma empresa que processa e comercializa uma marca de “azeite de oliva virgem” em uma rede de supermercados: a) isenção de substâncias apolares, retiradas pelo emprego de um líquido apolar recomendado para o processamento de produtos alimentícios. b) manutenção de um óleo sem muita química, por usar somente processos mecânicos ou outros meios físicos que não produzem alteração do azeite. c) transesterificação no óleo, após a prensagem e a termobatedura, um batimento lento e contínuo da pasta seguido por um aquecimento suave. d) ausência de partículas em suspensão, por causa da separação de compostos de densidades distintas, por meio de processo de inércia, seguido por uma etapa filtrante. e) retirada de um grupo de substâncias polares indesejáveis para a estabilização do produto em prateleira, realizando a destilação do óleo por arraste, com vapor d’água.

Química

Represa Bombeamento

Distribuição

Carvão a vado Coagulante Cal hidratada

2 Carvão Areia Cascalho

Floculação

Decantação

Filtração

Reservatório dos Bairros

Cal Cloro Amônia Flúor

Reservatório de Água tratada

Disponível em: http://www.sanasa.com.br.Acesso em: 27 jun. 2008 (adaptado).

Um técnico precisa substituir a centrifugação na etapa final de obtenção do leite. Para realizar a separação final, ele deve utilizar a a) diluição. d) evaporação. b) filtração. e) condensação. c) destilação. 06. (UECE) Dentre as opções abaixo, assinale a que corresponde à sequência correta de procedimentos que devem ser adotados para separar os componentes de uma mistura de água, sal de cozinha, óleo comestível e pregos de ferro. a) Destilação simples, separação magnética e decantação. b) Separação magnética, decantação e destilação simples. c) Destilação fracionada, filtração e decantação. d) Levigação, separação magnética e sifonação.

A07  Separação de misturas heterogêneas

07. (UEPB) Na natureza, dificilmente encontram-se substâncias puras. Geralmente, encontram-se misturas constituídas de uma substância principal e impurezas. Na separação dessas misturas, empregam-se métodos de análises imediatas que se aplicam conforme o tipo de mistura. Assinale a alternativa que indica qual o método utilizado para separar os componentes do ar. a) Dissolução fracionada. b) Destilação simples. c) Ventilação. d) Fusão fracionada. e) Liquefação ou destilação fracionada. 08. (Uerj RJ) Dentre os sistemas abaixo, qual possui componentes que podem ser separados por centrifugação? a) Petróleo b) Álcool hidratado c) Solução de sacarose em água d) Suspensão de leite de magnésia 09. (Enem MEC) Na atual estrutura social, o abastecimento de água tratada desempenha um papel fundamental para a prevenção de doenças. Entretanto, a população mais carente é a que mais sofre com a falta de água tratada, em geral, pela falta de estações de tratamento capazes de fornecer o volume de água necessário para o abastecimento ou pela falta de distribuição dessa água. 214

No sistema de tratamento de água apresentado na figura, a remoção do odor e a desinfecção da água coletada ocorrem, respectivamente, nas etapas a) 1 e 3. b) 1 e 5. c) 2 e 4. d) 2 e 5. e) 3 e 5. 10. O plasma contém proteínas e outras substâncias dissolvidas, como gases, nutrientes, excretas, hormônios e enzimas. Entre as proteínas presentes no sangue, a mais abundante é a albumina. O plasma tem como função transportar os elementos figurados e substâncias dissolvidas, como nutrientes, medicamentos e produtos tóxicos (como por exemplo o dióxido de carbono). É também o plasma que transporta para todo corpo os medicamentos que ingerimos. O plasma permite o livre intercâmbio de diversos dos seus componentes com o líquido intersticial, através dos poros existentes na membrana capilar. As proteínas plasmáticas, devido às dimensões da sua molécula, em condições habituais, não atravessam a membrana capilar, permanecendo no plasma. O volume médio de sangue de um adulto normal, de 60 ml/kg de peso, corresponde aproximadamente a 35 ml de plasma e 25 ml de hemácias por cada quilograma, quando o hematócrito está normal. A concentração de proteínas no plasma é três vezes maior que no líquido intersticial. A linfa é um líquido transparente e esbranquiçado, levemente amarelado ou rosado, alcalino e de sabor salgado, constituído essencialmente pelo plasma sanguíneo, proteínas e por glóbulos brancos. Um modo simples de separar as células do sangue do plasma consiste no emprego de a) Filtros b) Centrífugas c) Destiladores d) Decantadores e) Kitassatos.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A08

SEPARAÇÃO DE MISTURAS HOMOGÊNEAS A importância do sal de cozinha em nossa alimentação diária é máxima. Também chamado de sal comum, o NaCl é utilizado de maneira universal no preparo e na industrialização dos alimentos. Seu uso diário torna-o veículo ideal para o consumo de Iodo, substância de grande importância no combate do bócio (também “chamada de papeira”). A técnica de produção do NaCl é bastante antiga e consiste no represamento de águas marinhas (ou águas salinas) com filtração, decantação e posterior evaporação da água. Durante a evaporação, ocorre a formação dos cristais de NaCl. É um processo lento, ocorre à temperatura ambiente e baseia-se na diferença de evaporação dos componentes da mistura. Daí a dependência de correntes de vento intensificando a evaporação da água.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Separação de misturas homo-

gêneas

nn Destilação simples nn Destilação fracionada nn Liquefação fracionada nn Fusão fracionada

Nos laboratórios de pesquisa, a separação do NaCl de uma solução aquosa é feita pela técnica de destilação. Há formas de destilar uma solução: a destilação simples e a destilação fracionada. Utilizamos a destilação simples quando os componentes da mistura apresentam pontos de ebulição bastante diferentes entre si. Por exemplo, no caso da solução aquosa de NaCl, os dois componentes, água e NaCl, apresentam pontos de ebulição, respectivamente, de 100 oC e 1413 oC. Contudo, quando os componentes apresentam pontos de ebulição muito próximos entre si, utilizamos a destilação fracionada.

Destilação simples é um método ou processo físico de separação de uma mistura homogênea de líquidos ou de sólidos dissolvidos em seus componentes. Esse processo tem como característica principal o fato de o vapor formado possuir uma composição diferente do líquido residual. O vapor é condensado e o produto obtido é conhecido como destilado. Outro ponto que deve ser considerado é a volatilidade da substância a ser destilada: quanto mais volátil for a substância, mais rápida é a destilação na temperatura utilizada. Trata-se de uma técnica antiga, existindo relatos históricos de que os alquimistas alexandrinos e árabes tenham sido seus precursores. O dispositivo que permite realizar a destilação simples está representado a seguir.

Fonte: wikimedia commons / Ferdinand Reus

Destilação simples

Figura 01 - Produção de cloreto de sódio a partir da água do mar.

215

Opirus/Arte

Química

Termômetro Saída de água de resfriamento Balão de destilação Condensador

Mistura a ser fracionada (solução de sólidos em líquidos).

Garra de ferro

Tela de aquecimento (tela metálica revestida com amianto)

Líquido que já se destilou (destilado).

Bico de Bunsen Entrada de água de resfriamento

Gás

Suportes de ferro

Os equipamentos utilizados são basicamente: nn Bico

de Bunsen – responsável pelo aquecimento;

nn Tripé

– utilizado como suporte de apoio para tela de amianto;

nn Tela de amianto – responsável pelo aquecimento ho-

mogêneo do fundo do balão de destilação;

A08  Separação de misturas homogêneas

nn Balão

de destilação – recipiente em que se coloca a mistura a ser destilada. Apresenta uma saída lateral por onde o componente de menor ponto de ebulição sairá primeiro;

nn Rolha

de cortiça – tem por finalidade fechar o balão de destilação, além de servir de adaptador para o termômetro;

nn Termômetro – dispositivo que utiliza uma substância

termométrica e uma grandeza termométrica variável para medir a temperatura durante o aquecimento; nn Condensadores – são dispositivos responsáveis pela con-

densação dos vapores destilados durante o processo. 216

Apresentam duas aberturas: uma de entrada de água fria na porção inferior, e outra de saída de água quente na porção superior; nn Erlenmeyer – recipiente coletor do componente des-

tilado.

Destilação fracionada O processo de separação dos componentes de um sistema depende das características desse sistema. No caso dos sistemas homogêneos, o processo de separação mais indicado é a destilação fracionada. Mas por quê? Empregamos a destilação fracionada sempre que os pontos de ebulição dos componentes forem muito próximos. Por exemplo, os componentes da mistura água, etanol (álcool) e propanona (acetona) têm, respectivamente, pontos de ebulição de 100 oC, 78,8 oC e 56 oC. Para separar esses três componentes de uma mistura que os contém, devemos utilizar a destilação fracionada. Para isso, utilizamos o equipamento a seguir ilustrado.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

termômetro saída da água de resfriamento torneira coluna de fracionamento

condensador saída

mistura homogênea líquido-líquido

mangueira de látex manta elétrica

Opirus/Arte

balão de des lação

entrada da água de resfriamento

béquer com primeiro líquido recolhido

Figura 02 - Torre de destilação das diversas frações do petróleo.

Durante o aquecimento, o componente de menor ponto de ebulição, no caso a propanona, entra em processo de ebulição mudando do estado líquido para o estado de vapor. Ao passar pelo condensador, a substância volta ao estado líquido, sendo recolhido no béquer. Em seguida, com o aumento da temperatura, o componente álcool (etanol) será destilado e assim sucessivamente.

Opirus/Arte

A08  Separação de misturas homogêneas

Vamos a mais um exemplo. O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos (compostos formados exclusivamente de átomos de carbono e hidrogênio). Para separar cada um dos seus componentes, utilizamos a destilação fracionada. Essa separação envolve a vaporização de um líquido por aquecimento, seguida da condensação de seu vapor. Para garantir a separação de cada um dos componentes, utilizamos uma coluna de fracionamento. Nas refinarias, essas colunas são substituídas por enormes torres, chamadas de torres de fracionamento. A seguir, temos uma ilustração de uma torre de fracionamento de petróleo.

217

Química

SAIBA MAIS DO GLP AO COQUE, INSUMOS SÃO OBTIDOS DURANTE ETAPAS DE DESTILAÇÃO Da gasolina ao nylon, incluindo gêneros alimentícios como o chiclete, por exemplo, são inúmeros os produtos derivados do petróleo. Tudo isso é possível graças ao processo de refino pelo qual o óleo bruto passa. Para entender como isso funciona, é preciso, antes de mais nada, conhecer a estrutura física do petróleo, que é formado por diferentes tipos de hidrocarbonetos, ou seja, compostas por átomos de carbono e hidrogênio. Para separar esses compostos, é necessário refinar o petróleo por um processo chamado destilação atmosférica. Conforme o petróleo é aquecido, as moléculas mais leves evaporam, sendo posteriormente condensadas. Cada ponto de ebulição gera um produto diferente. O gás liquefeito de petróleo (GLP), por exemplo, é um dos primeiros produtos a serem extraídos no processo, incluindo o butano e o propano, obtidos com diferentes pontos de ebulição. Após o GLP, extraído a menos de 40 °C, os produtos a serem obtidos a partir da destilação atmosférica do petróleo são a nafta, destilado na faixa entre 60 °C e 100 °C; a gasolina, entre 40 °C e 200 °C; o querosene, obtido entre 175 °C e 320 °C; o óleo diesel, entre 250 °C e 350 °C; o óleo lubrificante, de 300 °C a 370 °C; o óleo combustível, de 370 °C a 600 °C; e, por último, os resíduos asfálticos, conseguidos a partir de 600 °C. Para a criação de outros produtos, como o plástico PVC e o poliuretano, por exemplo, a nafta é utilizada como insumo nas petroquímicas. Por meio de processos químicos, suas moléculas são quebradas para gerar outras diversas moléculas, processo chamado de craqueamento. Para obter o máximo aproveitamento do petróleo, as refinarias privilegiam a criação de produtos nobres a partir de material pesado. Sendo assim, para continuar extraindo compostos mais leves, como o GLP, a nafta e o diesel, os óleos combustível e lubrificantes passam por um processo chamado craqueamento catalítico. Nessa etapa, as moléculas são quebradas, gerando produtos mais leves. Para isso, é utilizado um catalisador que tem a função de acelerar a quebra das moléculas. Após o craqueamento, as moléculas mais pesadas que ainda compõem o petróleo são submetidas ao processo de hidrocraqueamento catalítico e passam a ter mais hidrogênios agregados à sua estrutura. É o mesmo processo do craqueamento, só que em alta temperatura, em que o catalisador permite que os hidrogênios possam ser agregados. Quanto mais hidrogênio, mais leve é a molécula. Quando todos esses processos são finalizados, sobram as partes pesadas e sólidas do petróleo, como o coque verde, uma espécie de carvão. Esse tipo de sobra pode ser utilizado na siderurgia como combustível e na indústria do cimento. Na sua composição, o coque verde apresenta muito carbono, enxofre e metais pesados. Disponível em: < http://redeglobo.globo.com/globociencia/noticia/2012/05/entenda-o-processo-de-refino-do-petroleo-e-conheca-seus-derivados.html >. Acesso em 20 jun 2016.

Liquefação fracionada

A08  Separação de misturas homogêneas

A liquefação fracionada é uma técnica utilizada para separar dois ou mais componentes gasosos. A técnica consiste em resfriar componentes gasosos sob alta pressão até que ocorra a liquefação. Após a liquefação, podemos destilar separando os componentes por meio da coluna de fracionamento. O nitrogênio líquido ou azoto líquido (densidade no ponto tríplice é 0.807 g/mL) é o líquido produzido industrialmente em grande quantidade pela destilação fracionada do ar líquido e frequentemente designado pela abreviação NL2. Em estado líquido, o nitrogênio puro entra em ebulição a 77 K e é um fluido criogênico que pode causar rápido congelamento ao contato com tecido vivo. Pelas caracteristicas de gás inerte, o nitrogênio é largamente utilizado na área de tratamento térmico, na criação de atmosferas protetoras, carbonetantes, descarbonetantes, entre outras. As atmosferas obtidas com nitrogênio, puro ou combinado com outros gases, permitem uma maior confiabilidade de processo, minimização do uso de derivados de petróleo e melhor qualidade do produto. A grande 218

procura pelo produto deve-se a uma menor manutenção e menor custo quando comparado com processos tradicionais.

Fusão fracionada A fusão fracionada é uma técnica utilizada para separar os componentes de sistemas sólidos heterogêneos. A técnica consiste em aquecer os componentes sólidos até que ocorra a fusão completa de um dos componentes, que poderá ser separado dos demais. Como exemplo, considere um sistema constituído de alumínio (PF = 660,32 °C) e estanho (PF = 231,93 °C) e submeta-o a aquecimento gradual. Qual dos componentes sofre fusão primeiro? A temperatura de fusão do estanho é menor (231,93 °C), portanto, ele funde primeiro. Pontos de fusão (PF) de alguns metais em °C Metal

Lítio

Sódio

Simbolo

180,5

97,8

63,5

Potássio Rubídio

Césio

Frâncio

Mercúrio

39,31

28,5

-38,83

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

02. (UFSM RS) A vitamina C é importante para o nosso cérebro, pois tem ação antioxidante. Ela contém vários grupos hidroxila, por isso é solúvel em água. Em um laboratório, ao serem realizados alguns testes, comprimidos contendo vitamina C são dissolvidos em água suficiente para formar uma solução homogênea. Esse sistema, uma vez formado, será separado posteriormente, por meio de a) destilação fracionada. d) decantação. b) sublimação. e) filtração. c) destilação simples. 03. (UFMS) Ao chegar às refinarias, o petróleo passa por um processo que resulta na separação de seus diversos hidrocarbonetos, como gasolina, querosene e óleo diesel. Assinale a alternativa que apresenta o nome do processo utilizado nas refinarias. a) Flotação b) Filtração c) Destilação fracionada d) Extração por solvente e) Extração com água

05. (UFJF MG) O ar atmosférico é constituído, principalmente, de 78% de gás nitrogênio e 21% de gás oxigênio. O ar que respiramos contém também material sólido particulado conhecido como poeira. Responda aos itens: a) Cite uma técnica para “limpar” o ar atmosférico, ou seja, separar a poeira. b) Depois de “limpo”, o ar é classificado como uma substância pura? Justifique a sua resposta. c) Os dois principais componentes do ar podem ser separados por meio de um sistema como o representado abaixo. 1. Primeiramente, o ar é convertido em líquido pelo resfriamento a –200 °C. 2. O ar líquido entra na coluna que contém placas na temperatura de –190 °C. 3. Os dois componentes são então recolhidos separadamente: um no estado gasoso e o outro no estado líquido.

Sabendo-se que os pontos de ebulição do nitrogênio e do oxigênio são -196 oC e –183 oC, respectivamente, identifique os componentes que são recolhidos como gás e líquido e escreva suas fórmulas moleculares. Gás: Fórmula: Líquido: Fórmula: d) Escreva o nome do método de separação descrito no item (c). a) Filtração b) Não. Depois de separada a poeira, o ar continua sendo uma mistura de gases (N2 e O2) c) Gás: Nitrogênio; Ffórmula: N2 Líquido: Oxigênio; fórmula: O2 d) Destilação fracionada ou destilação

219

A08  Separação de misturas homogêneas

a) O sal de cozinha entra em ebulição ao mesmo tempo da água e é colhido no erlenmeyer. b) O condensador possui a função de diminuir a temperatura dos vapores produzidos pelo aquecimento e, assim, liquefazer a água. c) A temperatura de ebulição do sal de cozinha é menor que a temperatura de ebulição da água. d) A eficiência do método de destilação é pequena para separar o sal da água.

04. (UECE) Dentre as opções abaixo, assinale a que corresponde à sequência correta de procedimentos que devem ser adotados para separar os componentes de uma mistura de água, sal de cozinha, óleo comestível e pregos de ferro. a) Destilação simples, separação magnética e decantação. b) Separação magnética, decantação e destilação simples. c) Destilação fracionada, filtração e decantação. d) Levigação, separação magnética e sifonação.

Fonte: adaptado de www.agracadaquimica.com.br, acessado em 21 de outubro de 2014.

01. (Ufu MG) Sobre os procedimentos químicos da destilação de uma solução aquosa de sal de cozinha e suas aplicações, assinale a alternativa correta.

Química

Exercícios Complementares 01. (IF GO) As técnicas de separação de misturas são muito importantes para a obtenção de substâncias puras, muito utilizadas na indústria e nos laboratórios. Na coluna da esquerda, são apresentadas algumas misturas; na coluna da direita, as técnicas de separação que poderiam ser utilizadas. Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta para a relação da coluna da esquerda com a da direita de acordo com a técnica a ser utilizada para separar cada mistura. Diagramar de tal forma que os enumerados em romanos fiquem da esquerda, e os parênteses fiquem na coluna lateral da direita I. Água e areia ( ) Destilação Simples II. Petróleo ( ) Decantação III. Água e sal ( ) Peneiração IV. Ouro ( ) Craqueamento V. Areia e brita ( ) Levigação a) I, II, III, IV e V. b) II, IV, I, V, III. c) III, I, IV, II e V.

d) III, IV, I, II e V. e) III, I, V, II, IV.

02. (UFPR) A separação de misturas é uma das principais operações realizadas em pequena escala em laboratórios, e em grande escala em indústrias nos diversos setores. Para separar de maneira eficiente as misturas querosene e água (1), álcool e água (2) e hidróxido de sódio e água (3), os procedimentos corretos, na ordem 1, 2, 3, são: a) decantação, destilação e destilação. b) filtração, sifonação e precipitação. c) decantação, destilação e filtração. d) destilação, decantação e decantação. e) destilação, sifonação e filtração. 03. (Mackenzie SP) Durante a realização de uma aula prática, a respeito da separação de misturas, o professor trouxe aos alunos três frascos A, B e C, contendo as seguintes misturas binárias:

A08  Separação de misturas homogêneas

A: Líquida homogênea, cujos pontos de ebulição diferem em 25 oC. B: Sólida heterogênea, composta por naftalina (naftaleno) moída e areia. C: Sólido-líquida homogênea, composta por NaCl e água. Assinale a alternativa que contém, respectivamente, os processos utilizados para a separação inequívoca dos componentes das misturas A, B e C. a) Destilação simples, sublimação e filtração. b) Evaporação, catação e destilação fracionada. c) Destilação fracionada, separação magnética e destilação simples. d) Destilação fracionada, sublimação e destilação simples. e) Destilação simples, evaporação e destilação fracionada.

220

04. (Asces PE) Um erlenmeyer contém um sistema heterogêneo bifásico formado por água, acetona e tetracloreto de carbono. Sabendo que acetona e água são miscíveis entre si, que o tetracloreto de carbono é imiscível em água e em acetona, e que a acetona é um líquido mais volátil que a água, assinale os métodos mais adequados para separar esses três líquidos. a) Decantação e fusão fracionada. b) Filtração e decantação. c) Centrifugação e decantação. d) Decantação e destilação fracionada. e) Filtração e destilação fracionada. 05. (UFGD MS) Uma das principais operações realizadas em um laboratório de química é a separação de substâncias químicas envolvidas em misturas. Considere uma mistura formada pelo sistema (H2O(l) + Areia(s) + NaCl(l)). Qual a sequência recomendada de operações que um químico deverá realizar a fim de separar totalmente os componentes dessa mistura? a) Destilação; peneiração; filtração. b) Decantação; filtração; sublimação. c) Centrifugação; filtração; destilação simples. d) Centrifugação; destilação; evaporação. e) Filtração; centrifugação; sublimação. 06. (Acafe SC) O petróleo é uma matéria-prima não renovável. Pode ser explorado em áreas continentais de origem marinha, ou em áreas submarinas. Antes do refino, o petróleo bruto é submetido a processos mecânicos de separação para a retirada de água e impurezas sólidas. Nesse sentido, assinale a alternativa correta. a) O petróleo bruto é uma substância com propriedades físicas peculiares. b) Antes do refino, impurezas sólidas do petróleo bruto são separadas por destilação fracionada. c) Após decantação do petróleo bruto, impurezas sólidas são extraídas por destilação. d) Após decantação e filtração do petróleo bruto, os derivados podem ser obtidos por destilação fracionada. 07. (Ufop MG) Um aluno encontrou em um laboratório três frascos contendo três misturas binárias, conforme descrito a seguir. 1ª Mistura: heterogênea, formada por dois sólidos 2ª Mistura: heterogênea, formada por dois líquidos 3ª Mistura: homogênea, formada por dois líquidos cujos pontos de ebulição diferem em 20 °C

Marque a alternativa que indica os processos de separação mais adequados para recuperar as substâncias originais na 1ª, 2ª e 3ª misturas, respectivamente. a) filtração, decantação e destilação simples b) evaporação, destilação simples e decantação c) decantação, destilação simples e destilação fracionada d) sublimação, decantação e destilação fracionada 08. (UFMS) A figura abaixo consiste numa representação esquemática de um sistema de destilação simples. Essa técnica se aplica à separação de misturas homogêneas de sólidos em líquidos.

Fonte: Disponível em <http://www.caii.com.br/ctudo-produtos-processo. html>. Acesso em: 10 jul. 2009. (Adaptado)

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O sal grosso obtido nas salinas contém impurezas insolúveis em água. Para se obter o sal livre dessas impurezas, os procedimentos corretos são: a) Catação, dissolução em água e decantação. b) Separação magnética, destilação e dissolução em água. c) Sublimação, dissolução em água e peneiração. d) Dissolução em água, filtração simples e evaporação. e) Dissolução em água, decantação e sublimação.

09. (UFPR) O processo de destilação é importante para a separação de misturas. Assinale a alternativa correta sobre o processo de destilação da água. a) Na passagem do líquido, ocorre a quebra das ligações covalentes entre os átomos de hidrogênio e de oxigênio. b) A temperatura de ebulição varia durante a destilação da água. c) A fase vapor é constituída por uma mistura dos gases hidrogênio e oxigênio. d) A temperatura de ebulição depende da pressão atmosférica local. e) A temperatura de ebulição depende do tipo de equipamento utilizado no processo. 10. (UFPB) Nas salinas, a água do mar é evaporada pela ação do vento e do calor, obtendo-se o sal grosso. Em seguida, por processos de separação, esse sal é purificado, resultando no cloreto de sódio cristalizado, que é utilizado na indústria como matéria-prima para produção de diversos produtos químicos, conforme exemplificado no esquema a seguir.

11. A baixa aptidão leiteira das matrizes é atualmente um dos fatores responsável pelos baixos índices produtivos da pecuária leiteira. Uma das formas de acelerar o melhoramento genético dos rebanhos leiteiros é o uso da inseminação artificial, que se desenvolveu a partir da década de 1970 no Brasil. Essa técnica permite a utilização de sêmen de touros provados geneticamente para cobertura das matrizes do rebanho, com custo acessível a pequenos, médios e grandes produtores. O sêmem, geralmente, é conservado em nitrogênio líquido em baixas temperaturas. O nitrogênio líquido é obtido a partir do ar atmosférico. Uma das etapas utilizadas para se obter o nitrogênio líquido é a a) Fusão fracionada b) Decantação fracionada c) Destilação fracionada d) Sublimação fracionada e) cristalização fracionada 12. A gasolina automotiva é, dentre os derivados intermediários do petróleo, o produto mais importante para o setor de combustíveis. Constitui-se em uma mistura de hidrocarbonetos parafínicos, naftênicos, olefínicos e aromáticos, cuja faixa de temperatura de ebulição está entre 30°C e 220°C. É utilizada em todo o mundo como combustível de motores de combustão interna. Após a separação de constituintes indesejáveis, a mistura homogênea de petróleo é fracionada em seus componentes. Uma das frações é a gasolina, obtida do petróleo por meio da a) Filtração b) Decantação c) Centrifugação d) Flotação e) Destilação 221

A08  Separação de misturas homogêneas

Considere uma mistura constituída por água em sua forma líquida e cloreto de sódio dissolvido. Ao final do processo de destilação simples dessa mistura, verifica(m)-se: 01. presença de água no Erlenmeyer. 02. presença de cloreto de sódio no balão de destilação. 04. presença de água + cloreto de sódio no Erlenmeyer. 08. presença de água + ácido clorídrico no balão. 16. circulação de água no condensador. 01-02-16

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (Ufam AM) Considerando os diversos processos de separação de misturas, qual alternativa contém apenas processos de separação para misturas sólido-sólido? a) Ventilação, levigação, sedimentação fracionada, separação magnética. b) Peneiração, cristalização fracionada, catação, decantação. c) Levigação, sedimentação fracionada, centrifugação, separação magnética. d) Cristalização fracionada, decantação, ventilação, filtração.

Assim sendo, as etapas A, C e E devem ser, respectivamente, a) filtração grosseira, decantação e cloração. b) decantação, cloração e filtração grosseira. c) cloração, neutralização e filtração grosseira. d) filtração grosseira, neutralização e decantação. e) neutralização, cloração e decantação. 04. (Uerj RJ) Observe os diagramas de mudança de fases das substâncias puras A e B, submetidas às mesmas condições experimentais.

e) Levigação, destilação, peneiração, catação, filtração. 02. (UFTM MG) Leia o texto. A maior parte do cobre metálico produzido atualmente é extraído de minérios de cobre, sendo o mais importante a calcopirita (CuFeS2). O minério bruto de cobre metálico é moído e separado de suas impurezas por meio de um processo no qual é misturado com óleo e água. A mistura de minério com óleo é removida da superfície da água. Após a separação, a calcopirita é submetida a uma forte corrente de ar, reagindo com o gás oxigênio e produzindo sulfeto de cobre(I), óxido de ferro(III) e dióxido de enxofre. O óxido de ferro(III) é removido com sílica. O sulfeto de cobre(I) é então aquecido em corrente de ar, sendo reduzido a cobre metálico. O processo de separação da calcopirita a partir do seu minério bruto recebe o nome de: a) ustulação. b) decantação. c) flotação. d) sedimentação. e) floculação. 03. (Fuvest SP) A obtenção de água doce de boa qualidade está se tornando cada vez mais difícil devido ao adensamento populacional, às mudanças climáticas, à expansão da atividade industrial e à poluição. A água, uma vez captada, precisa ser purificada, o que é feito nas estações de tratamento. Um esquema do processo de purificação é:

em que as etapas B, D e F são: B – adição de sulfato de alumínio e óxido de cálcio. D – filtração em areia. F – fluoretação. 222

Indique a substância que se funde mais rapidamente. Nomeie, também, o processo mais adequado para separar uma mistura homogênea contendo volumes iguais dessas substâncias, inicialmente à temperatura ambiente, justificando sua resposta. Substância A; destilação, pois seus pontos de ebulição são distintos.

05. (Enem MEC) O principal processo industrial utilizado na produção de fenol é a oxidação do cumeno (isopropilbenzeno). A equação mostra que esse processo envolve a formação do hidroperóxido de cumila, que em seguida é decomposto em fenol e acetona, ambos usados na indústria química como precursores de moléculas mais complexas. Após o processo de síntese, esses dois insumos devem ser separados para comercialização individual.

Considerando as características físico-químicas dos dois insumos formados, o método utilizado para a separação da mistura, em escala industrial, é a a) filtração b) ventilação. c) decantação. d) evaporação. e) destilação fracionada.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Com relação ao processo de separação dos componentes desse sistema, adotando procedimentos em uma ordem lógica, os equipamentos utilizados são: a) Funil analítico, erlenmeyer, centrífuga b) Funil de decantação, balão de destilação, condensador c) Funil de Buchner, pipeta, béquer d) Balão de destilação, condensador, centrífuga 07. (Ufes ES) Na perfuração de uma jazida petrolífera, a pressão dos gases faz com que o petróleo jorre para fora. Ao reduzir-se a pressão, o petróleo bruto pára de jorrar e tem de ser bombeado. Devido às impurezas que o petróleo bruto contém, ele é submetido a dois processos mecânicos de purificação, antes do refino: separá-lo da água salgada e separá-lo de impurezas sólidas como areia e argila. Esses processos mecânicos de purificação são, respectivamente, a) decantação e filtração. b) decantação e destilação fracionada. c) filtração e destilação fracionada. d) filtração e decantação. e) destilação fracionada e decantação. 08. (Efoa MG) Há várias maneiras de se preparar um biodiesel. Por exemplo, pode-se adicionar hidróxido de sódio a metanol, agitando o sistema até que se forme uma única fase. Esta solução é, então, misturada ao óleo vegetal aquecido e a mistura é agitada por 1 a 2 horas. Após um tempo em repouso, formam-se duas fases líquidas: a superior é o biodiesel e a inferior contém glicerina. Para separar o biodiesel da glicerina, podem ser usados o seguinte método e equipamento, respectivamente: a) filtração e funil de buchner. b) decantação e funil de decantação. c) destilação fracionada e condensador de refluxo. d) destilação simples e erlenmeyer. e) filtração e funil analítico. 09. (Ufes ES) Para separar os componentes de uma mistura, foi realizada a seguinte sequência de operações: aquecimento → adição de água e filtração → evaporação Esse procedimento é recomendado para a seguinte mistura: a) areia, açúcar e sal. b) carvão, areia e açúcar. c) ferro, enxofre e álcool. d) enxofre, gasolina e ferro. e) iodo, sal de cozinha e areia.

10. (UFPE) Relacione a coluna da direita com a da esquerda, considerando a melhor técnica para separar as seguintes misturas: 1. limalha de ferro e enxofre ( ) sublimação 2. óleo e água ( ) decantação 3. areia e naftaleno ( ) imantação 4. açúcar e sal ( ) fusão fracionada 5. bronze (liga de cobre e estanho) ( ) cristalização Lendo de cima para baixo, forma-se-á a seguinte sequência numérica: a) 3 2 1 5 4 b) 1 2 3 4 5 c) 3 5 1 2 4 d) 4 2 5 3 1 e) 2 4 1 5 3 11. (Faee GO) Os processos usados para separar as misturas gás oxigênio/ gás nitrogênio e água/sal de cozinha são, respectivamente: a) liquefação fracionada e destilação; b) evaporação e condensação; c) destilação e filtração; d) sedimentação e liquefação; e) centrifugação e cristalização. 12. (UFSM RS) Considere a seguinte afirmação: “Cloreto de sódio é bastante solúvel em água e a solução resultante é imiscível ao tetracloreto de carbono”. Para separar o cloreto de sódio, a água e o tetracloreto de carbono de uma mistura dessa três substâncias, que formam duas fases líquidas, é recomendável primeiro: a) filtrar e depois destilar b) filtrar e depois decantar c) sifonar e depois destilar d) decantar e depois filtrar e) centrifugar e depois decantar 13. (Ufop MG) Um aluno encontrou em um laboratório três frascos contendo três misturas binárias, conforme descrito a seguir. 1ª Mistura: heterogênea, formada por dois sólidos 2ª Mistura: heterogênea, formada por dois líquidos 3ª Mistura: homogênea, formada por dois líquidos cujos pontos de ebulição diferem em 20 °C Marque a alternativa que indica os processos de separação mais adequados para recuperar as substâncias originais na 1ª, 2ª e 3ª misturas, respectivamente. a) filtração, decantação e destilação simples b) evaporação, destilação simples e decantação c) decantação, destilação simples e destilação fracionada d) sublimação, decantação e destilação fracionada

223

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

06. (UECE) Um frasco contém uma mistura de óleo vegetal, éter, sal de cozinha e água.

FRENTE

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QUÍMICA Por falar nisso O fenômeno da luminescência é visualmente atraente e desperta a curiosidade das pessoas de todas as idades. Trata-se da emissão de luz resultante de um processo de excitação eletrônica, que pode ocorrer na forma de fluorescência (em que a emissão de luz cessa quando a fonte de energia é desligada) ou como fosforescência (que pode durar horas mesmo depois de desligada a fonte de luz). Na fluorescência, uma molécula emite um fóton de luz e retorna ao estado fundamental. Já na fosforescência, o elétron excitado decai para um nível intermediário de energia a partir do qual ocorre emissão de radiação ao retornar para o estado fundamental. Os fenômenos de emissão luz (fluorescência e fosforescência) foram mais bem entendidos utilizando-se os modelos de átomo de Niels Böhr. Hoje, dispomos de diversos dispositivos tecnológicos que têm como princípio de funcionamento o modelo de átomo de Böhr. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

B05 B06 B07 B08

Modelo de átomo de Niels Böhr................................................... 226 Estudo dos níveis eletrônicos........................................................ 231 Distribuição eletrônica em subníveis............................................. 236 Modelo atual de átomo................................................................. 241

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B05

ASSUNTOS ABORDADOS nn Modelo de átomo de Niels Böhr nn Os espectros de emissão – As linhas espectrais nn O modelo atômico de Böhr

MODELO DE ÁTOMO DE NIELS BÖHR O século XIX terminou com uma concepção um pouco distante das realidades experimentais que os cientistas estavam observando. As teorias da Mecânica de Newton e do Eletromagnetismo de Maxwell eram aplicadas de maneira integral. Acreditava-se que praticamente todos os fenômenos e acontecimentos da natureza poderiam ser explicados com essas teorias: as equações propostas por Newton explicavam os movimentos; já as leis do Magnetismo e da Eletricidade, unificadas por Maxwell em 1865, explicavam o comportamento eletromagnético da luz (a teoria do eletromagnetismo foi verificada por Hertz em 1887). Até aquele momento, dois modelos experimentais de átomo já haviam sido propostos: um era o modelo de Thomson, segundo o qual os elétrons carregados de carga elétrica negativa estavam localizados no interior de uma esfera de carga elétrica positiva – era o “pudim de passas”; o outro era o modelo de átomo de Rutherford, obtido a partir da análise de experimentos de espalhamento de partículas alfa sobre finas lâminas de ouro. Esse modelo determinou que o átomo possui um núcleo pequeno, denso, dotado de carga elétrica positiva que corresponde, praticamente, a toda a massa do átomo. Além disso, em torno dele giram os elétrons, de maneira análoga ao Sistema Solar. Contudo, nenhum dos dois modelos de átomo estavam de acordo com os resultados dos espectros de luz, já obtidos na época a partir de átomos, e, portanto, havia a necessidade de novos esforços para elucidar tais fatos. Tão logo Rutherford divulgou os resultados do seu experimento e elaborou uma nova estrutura de átomo para a matéria, os cientistas defenderam alterações. Não havia dúvidas sobre as previsões do modelo de átomo de Rutherford, exceto no que se refere a Thomson, que não o admitiu. Rutherford propôs que a matéria era constituída de átomos e estes de duas regiões: a eletrosfera e o núcleo. Na eletrosfera, região de imenso vazio de matéria, existiriam os elétrons de carga elétrica negativa. No núcleo, região densa, pequena e dotada de carga elétrica positiva, estariam presentes os prótons.

Figura 01 - Modelo atômico de Thomson.

Nesse contexto, Thomson se opunha ao modelo de átomo proposto por Rutherfor, não admitindo que seu modelo de átomo (pudim de passas) fosse alterado. Segundo Thomson, os fenômenos da natureza podiam ser corretamente entendidos e explicados de acordo com seu modelo de átomo. Além disso, Thomson e demais cientistas criticaram o modelo de átomo de Rutherford afirmando que tal modelo não apresentaria estabilidade elétrica. As principais críticas apontadas para o modelo de átomo de Rutherford foram: nn Se os elétrons fossem estacionários, não haveria nenhum arranjo elétrico estável

capaz de vencer a grande força de atração de Coulomb. nn Se os elétrons estabelecessem movimento em torno do núcleo, perderiam energia sob a forma de radiação eletromagnética, formariam uma espiral e colidiriam com o núcleo. nn Além disso, o espectro contínuo de radiação que seria emitido durante a aproximação do elétron ao núcleo não estava de acordo com os espectros de natureza bastante discretos, já conhecidos na época.

Figura 02 - Modelo atômico de Rutherford

226

Todos esses problemas de estabilidade levaram os cientistas a buscar uma nova saída para a estrutura do átomo. A resposta a esses problemas aconteceu em 1913, dois anos após Rutherford ter proposto seu modelo atômico, com o modelo de Niels Böhr. Ele admitiu que as leis da eletrodinâmica clássica não eram adequadas para

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

explicar o comportamento dos átomos. Era necessário introduzir nas leis em questão uma constante, denominada constante de Planck ou um quantum de ação elementar, como também é chamada. Böhr elaborou um modelo de átomo com base nos espectros de emissão de luz a partir do átomo de hidrogênio.

Os espectros de emissão – As linhas espectrais Um espectro de linhas ocorre quando a radiação proveniente de uma fonte com muitos comprimentos de ondas diferentes, como uma lâmpada incandescente, é separada em seus diferentes comprimentos de onda. O espectro produzido constitui-se de uma faixa contínua (espectro contínuo) de cores, que vai do violeta ao vermelho.

Os postulados de Böhr nn 1º – Somente órbitas de certos raios, correspondendo

a valores específicos de energia, são permitidas para os elétrons de um átomo. nn 2º – Um elétron em uma órbita permitida (estado de energia permitido) não irradiará energia e, portanto, não se moverá em forma de espiral em direção ao núcleo. nn 3º – Um elétron só emite ou absorve energia quando ele muda de uma órbita permitida (estado de energia permitido) para outra. Essa energia é emitida ou absorvida sob a forma de fótons. Dessa forma, Böhr conseguiu um modelo de átomo fazendo algumas modificações no modelo de Rutherford. Por isso, o modelo atômico de Böhr também é conhecido como modelo de Rutherford-Böhr.

O modelo atômico de Böhr O modelo de átomo de Niels Böhr manteve a natureza nuclear do átomo, porém a eletrosfera sofreu grandes modificações:

Figura 03 - Espectro contínuo de emissão

A radiação composta de um único comprimento de onda é chamada monocromática. Porém, nem todas as fontes de radiação produzem um espectro contínuo. Gases diferentes, quando colocados em um tubo sob pressão e alta voltagem, emitem cores de luzes diferentes. Quando a luz proveniente de tais tubos passa através de um prisma, apenas linhas de poucos comprimentos de onda podem ser visualizadas nos espectros resultantes. Um espectro como esse, contendo apenas radiações de comprimentos de ondas específicos, é chamado espectro de linhas.

nn Passou

a apresentar órbitas circulares ou níveis de energia; nn O ganho e a perda de energia (salto quântico) pelo elétron foram considerados descontínuos, sob a forma de “pacotes de energia”, denominados de quanta; nn Cada órbita passou a ser identificada por um número, o número quântico principal cujo símbolo é n. Pontos negativos no modelo de Böhr: nn Só explica de forma satisfatória o átomo de hidrogênio.

Por isso, é chamado de modelo do átomo de hidrogênio; nn Não consegue explicar de forma adequada os espectros de emissão de átomos com um elevado número de elétrons; nn O elétron é tratado como uma partícula girando em torno do núcleo, e não como uma partícula-onda, exibindo as propriedades de ondas eletromagnéticas.

Após as contribuições de Balmer, Max Planck, Albert Einstein e outros, não havia mais dúvidas: a estrutura atômica proposta por Rutherford era insuficiente para explicar os espectros de emissão de luz dos átomos. Munido dessas contribuições, Niels Böhr, em 1913, propôs uma explicação teórica para esses fenômenos, inaugurando uma nova etapa no modo físico de ver a estrutura da matéria.

B05  Modelo de átomo de Niels Böhr

Figura 04 - Aqui vemos a comparação entre um espectro contínuo e outro descontínuo. Os elétrons apresentam espectro de emissão de energia descontínuo.

Figura 05 - Modelo de átomo de hidrogênio segundo Böhr. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

227

Química

Exercícios de Fixação 01. (Unirg TO) Os modelos atômicos foram desenvolvidos em teorias fundamentadas na experimentação por diferentes cientistas, incluindo John Dalton, J.J. Thomson, Ernest Rutherford e Niels Böhr. Em 2013, a teoria do modelo atômico de Niels Böhr completou 100 anos. Essa teoria descreve o átomo como a) um núcleo pequeno, carregado positivamente, cercado por elétrons em órbitas quantizadas. b) uma esfera positiva contendo elétrons distribuídos uniformemente. c) uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível, indivisível e sem carga. d) um modelo planetário, no qual os elétrons descrevem um movimento circular ao redor do núcleo. 02. (UFGD MS) Até algum tempo atrás, adolescentes colecionavam figurinhas que brilhavam no escuro. Essas figuras apresentam em sua composição uma substância chamada sulfeto de zinco (ZnS). Esse fenômeno ocorre porque alguns elétrons que compõem os átomos dessa substância absorvem energia luminosa e “saltam” para níveis de energia mais externos. No escuro, esses elétrons retornam aos seus níveis de origem liberando energia luminosa e fazendo a figurinha brilhar. Esse fenômeno pode ser explicado considerando o modelo atômico proposto por a) Thomson. b) Dalton. c) Lavoisier. d) Böhr. e) Linus Pauling. 03. (UFG GO) Leia o poema apresentado a seguir.

B05  Modelo de átomo de Niels Böhr

Pudim de passas Campo de futebol Bolinhas se chocando Os planetas do sistema solar Átomos Às vezes São essas coisas Em química escolar LEAL, Murilo Cruz. Soneto de hidrogênio. São João del Rei: Editora UFSJ, 2011.

O poema faz parte de um livro publicado em homenagem ao Ano Internacional da Química. A composição metafórica presente nesse poema remete a) aos modelos atômicos propostos por Thomson, Dalton e Rutherford. b) às teorias explicativas para as leis ponderais de Dalton, Proust e Lavoisier.

228

c) aos aspectos dos conteúdos de cinética química no contexto escolar. d) às relações de comparação entre núcleo/eletrosfera e bolinha/campo de futebol. e) às diferentes dimensões representacionais do sistema solar. 04. (Unicamp SP) Glow sticks ou light sticks são pequenos tubos plásticos utilizados em festas por causa da luz que eles emitem. Ao serem pressionados, ocorre uma mistura de peróxido de hidrogênio com um éster orgânico e um corante. Com o tempo, o peróxido e o éster vão reagindo, liberando energia que excita o corante, que está em excesso. O corante excitado, ao voltar para a condição não excitada, emite luz. Quanto maior a quantidade de moléculas excitadas, mais intensa é a luz emitida. Esse processo é contínuo, enquanto o dispositivo funciona. Com base no conhecimento químico, é possível afirmar que o funcionamento do dispositivo, numa temperatura mais baixa, mostrará uma luz a) mais intensa e de menor duração que numa temperatura mais alta. b) mais intensa e de maior duração que numa temperatura mais alta. c) menos intensa e de maior duração que numa temperatura mais alta. d) menos intensa e de menor duração que numa temperatura mais alta. 05. (UEFS BA) Alguns seres vivos possuem um interessante mecanismo, a exemplo das reações que utilizam a energia proveniente dos alimentos para excitar elétrons de átomos em determinadas moléculas. Esse fenômeno é conhecido como bioluminescência e ocorre nos vagalumes, em algumas espécies de fungos e de cogumelos, e de cnidários. Os fenômenos da bioluminescência, da emissão de luz dos lasers e dos luminosos de neônio têm como fundamento os postulados do modelo atômico proposto por N. Böhr, e ocorre quando o elétron, no átomo, a) desloca-se de um nível de menor energia para outro de maior energia e libera radiação na região do infravermelho. b) libera energia na forma de ondas eletromagnéticas, ao retornar de uma órbita estacionária para outra interna. c) permanece entre níveis de energia e passa a emitir energia luminosa, quando excitado. d) movimenta-se em órbitas estacionárias e emite luz ultravioleta. e) move-se livremente ao redor do núcleo em trajetórias elípticas.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

01. Thomson propôs que o átomo seria uma esfera de carga elétrica positiva, não maciça, incrustada de cargas negativas. 02. Dalton propôs que os átomos são esferas rígidas indivisíveis, que não podem ser criados nem destruídos. 04. Rutherford propôs um modelo de átomo conhecido como sistema planetário, cujos elétrons se mantêm em movimento circular ao redor do núcleo. 08. Böhr propôs entre seus postulados que os elétrons movem-se ao redor do núcleo atômico central em órbitas específicas, com energias definidas. 16. O salto de elétrons de um nível energético para outro também está entre os postulados de Börh. 01-02-08-16 02. (UECE) A revista eletrônica mexicana Muy Interesante (http://www.muyinteresante.com.mx) revela a criação de um sorvete que brilha no escuro. Ele é produzido com uma proteína encontrada na água-viva que reage com o cálcio em pH neutro quando o sorvete é degustado. O brilho do sorvete é ocasionado por um fenômeno conhecido como a) luminescência. c) fluorescência. b) deliquescência. d) incandescência. 03. (UFG GO) No conto “O pirotécnico Zacarias”, de Murilo Rubião, o protagonista descreve eventos relacionados à sua morte. Nesse momento, a visão de Zacarias, repleta de cores, se assemelha a fogos de artifício. Esse trecho encontra-se transcrito a seguir. A princípio foi azul, depois verde, amarelo e negro. Um negro espesso, cheio de listras vermelhas, de um vermelho compacto semelhante a fitas densas de sangue. Sangue pastoso com pigmentos amarelados, de um amarelo esverdeado, tênue, quase sem cor. RUBIÃO, Murilo. Obras completas. São Paulo: Companhia de Bolso, p.14-15. 2010.

O fenômeno subatômico que pode explicar e se relacionar com a visão da personagem é a a) premissa de que o elétron pode ser descrito como uma onda, e não como uma partícula. Tal ideia resultou na proposição de equações matemáticas que são complexas e de difícil solução, conhecidas como funções de onda. b) emissão de um feixe de partículas positivamente carregadas direcionado a uma fina folha de ouro, mostrando que essas partículas ou se chocavam ou se desviavam quando em contato com a folha de ouro. c) absorção de energia pelo elétron, quando passa de um nível menos energético para um nível mais energético e, a seguir, a consequente liberação dessa energia, quando o elétron volta ao seu nível original.

d) desintegração de partículas, o que tem como consequência a emissão de raios que escureciam o papel fotográfico mesmo protegido da exposição à luz, sendo que as substâncias que emitiam esses raios ficaram conhecidas como radioativas. e) emissão de um feixe de elétron passa através de um campo elétrico e de um campo magnético, havendo uma deflexão dos dois campos citados em direção oposta, calculando-se a relação carga-massa, balanceando-se o efeito desses campos. 04. (Udesc SC) A estrutura atômica, tal como é conhecida nos dias de hoje, levou um considerável tempo até ser bem compreendida e aceita pela comunidade científica. Vários foram os modelos propostos para a estrutura atômica, entre eles os de Dalton, de Thomson, de Rutherford, de Böhr e o atual modelo quântico. Assinale a alternativa incorreta em relação à estrutura atômica. a) O estudo sobre a natureza dos raios catódicos, produzidos pela aplicação de uma diferença de potencial entre um cátodo e um ânodo em uma ampola com gás à baixa pressão, levou à descoberta do elétron, uma partícula-onda com carga elétrica negativa, invalidando, assim, o modelo de Dalton, que sugeria que os átomos seriam esféricos, maciços, indivisíveis e que átomos do mesmo elemento teriam a mesma massa atômica. b) Segundo experimentos realizados por Thomson, ele chegou à conclusão de que os átomos seriam constituídos por um núcleo, de carga positiva, e pela eletrosfera, de carga negativa, constituída pelos elétrons, que podem assumir qualquer energia, determinada pela sua distância em relação ao núcleo. c) A descoberta de elementos radioativos os quais sofriam deformações diferentes frente a um campo magnético aplicado, denominados raios alfa, beta e gama, além dos resultados obtidos em experimentos de bombardeamento de ouro com partículas alfa, positivas, levou à proposição dos modelos atômicos de Thomson e Rutherford, respectivamente. d) A emissão de radiação discreta por átomos excitados levou à conclusão dos cientistas de que os elétrons nos átomos não poderiam assumir qualquer energia, mas somente estados de energia quantizados, conforme modelo de Böhr, no qual os elétrons se moveriam em órbitas circulares estáveis ao redor do núcleo. e) O enunciado do princípio da incerteza, por Werner Heizesnberg em 1927, diz que não é possível determinar com certeza, simultaneamente, tanto a posição quanto o momento linear de um objeto, tornando inválida a proposição de Böhr, na qual os elétrons nos átomos teriam posição bem definida em relação ao núcleo.

229

B05  Modelo de átomo de Niels Böhr

01. (UEPG PR) Com relação às teorias atômicas, assinale o que for correto.

Química

05. (Unesp SP) Em 2013, comemorou-se o centenário do modelo atômico proposto pelo físico dinamarquês Niels Böhr para o átomo de hidrogênio, o qual incorporou o conceito de quantização da energia, possibilitando a explicação de algumas propriedades observadas experimentalmente. Embora o modelo atômico atual seja diferente, em muitos aspectos, daquele proposto por Böhr, a incorporação do conceito de quantização foi fundamental para o seu desenvolvimento. A respeito do modelo atômico para o átomo de hidrogênio proposto por Böhr em 1913, é correto afirmar que: a) O espectro de emissão do átomo de H é explicado por meio da emissão de energia pelo elétron em seu movimento dentro de cada órbita estável ao redor do núcleo do átomo. b) O movimento do elétron ao redor do núcleo do átomo é descrito por meio de níveis e subníveis eletrônicos. c) O elétron se move com velocidade constante em cada uma das órbitas circulares permitidas ao redor do núcleo do átomo. d) A regra do octeto é um dos conceitos fundamentais para ocupação, pelo elétron, das órbitas ao redor do núcleo do átomo. e) A velocidade do elétron é variável em seu movimento em uma órbita elíptica ao redor do núcleo do átomo.

B05  Modelo de átomo de Niels Böhr

06. (UEFS BA)

O cientista dinamarquês Niels Böhr aprimorou, em 1913, o modelo atômico de E. Rutherford, usando a teoria de Max Planck. Em 1900, Planck já havia admitido a hipótese de que a energia não seria emitida de modo contínuo, mas em quantum, isto é pacote ou porção de energia. Surgiram, assim, os postulados de Böhr e as explicações sobre os aspectos atômicos dos elementos químicos. Considerando-se os postulados de N. Böhr, as explicações sobre os espectros atômicos e em relação à emissão de cor vermelha no teste de chama pelo cloreto de estrôncio, SrC2(s), é correto afirmar que: a) A luz vermelha emitida pelo cloreto de estrôncio está relacionada à cor branca do sal que reúne todas as cores dos espectros atômicos. b) Ao absorverem quanta de energia da chama, os elétrons do íon Sr2+(g) retornam a um nível de energia mais interno. c) Os elétrons do cátion Sr2+(g), ao retornarem de um nível de energia mais externo para outro mais interno, emitem energia, sob forma de radiação eletromagnética. d) A emissão de luz vermelha é propriedade dos cátions de metais alcalinos terrosos. e) O número de raias espectrais diminui com o crescimento do número atômico dos elementos químicos porque, com o aumento da temperatura da chama, cresce o número de transições eletrônicas. 07. (UERN) Todas as substâncias são feitas de matéria e o átomo é a unidade fundamental da matéria. Sabendo-se que o átomo é composto por nêutrons, elétrons e prótons, é correto afirmar que: a) Os elétrons apresentam massa maior que os nêutrons. b) É possível determinar a posição e a velocidade do elétron. 230

c) O modelo atômico de Böhr foi o último a explicar o átomo. d) Os elétrons de um mesmo nível não estão igualmente distanciados do núcleo. 08. (UFRGS RS) Glow sticks são tubos plásticos luminosos, utilizados como pulseiras em festas e que exemplificam o fenômeno da quimioluminescência. Eles contêm uma mistura que inclui difenil-oxalato e um corante. Dentro do tubo, encontra-se um tubo de vidro menor que contém peróxido de hidrogênio. Quando o tubo exterior é dobrado, o tubo interior quebra-se e libera o peróxido de hidrogênio. Este reage com o difenil-oxalato, formando fenol e um peróxido cíclico, o qual reage com o corante e forma dióxido de carbono. No decorrer do processo, elétrons das moléculas do corante são promovidos a estados eletrônicos excitados. A produção de luz nessa reação quimioluminescente ocorre devido a) à emissão do CO2. b) à oxidação do peróxido de hidrogênio. c) à adição desses elétrons excitados aos átomos de oxigênio do peróxido. d) ao retorno dos elétrons excitados para um nível inferior de energia onde a estabilidade é maior. e) à liberação das moléculas do corante para o interior do tubo. 09. (Udesc SC) Assinale a alternativa correta levando em consideração o modelo atômico proposto por Niels Böhr, no início do século XX. a) A carga elétrica do elétron depende do orbital em que este se encontra. b) O núcleo de um átomo é composto por prótons e elétrons. c) A energia de um elétron contido em um determinado átomo pode assumir um valor qualquer. d) Há emissão de radiação eletromagnética quando um elétron transita de um nível de energia mais baixo para um nível mais alto. e) Em escala atômica, a energia de um elétron é uma grandeza quantizada. 10. (Uem PR) De acordo com o modelo atômico de Niels Böhr ou suas aplicações na explicação de fenômenos relacionados à emissão e à absorção de luz pela matéria, assinale o que for correto. 01. Quando absorve luz ultravioleta, um elétron, em um átomo, pode passar de um nível para outro de maior energia. 02. O átomo é formado por uma esfera de carga elétrica positiva, possuindo elétrons incrustados em sua superfície. 04. O elétron, movendo-se em uma órbita estacionária, pode emitir ou absorver energia, dependendo das características do átomo. 08. A cor observada na queima de fogos de artifício é resultado da emissão de radiação infravermelha por moléculas inorgânicas. 16. Alguns interruptores de luz brilham no escuro, porque são feitos de materiais que absorvem radiação e emitem de volta luz visível. 01-16

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B06

ESTUDO DOS NÍVEIS ELETRÔNICOS Após meados do século XIX, o desenvolvimento do modelo atômico passou a se fundamentar mais em estudos sobre a luz emitida ou absorvida pelos materiais. Esses estudos mostraram que as emissões luminosas do sol, de lâmpadas, dos fogos de artifício ou da chama dos fogões, entre outros exemplos, devem-se a transições eletrônicas nos átomos.

ASSUNTO ABORDADO nn Estudo dos níveis eletrônicos

Essas transições são feitas entre níveis de energia presentes na eletrosfera. Para o modelo de Böhr, alguns níveis eletrônicos foram previstos como forma de entendimento do comportamento do espectro eletrônico de emissão do átomo de hidrogênio.

Figura 01 - Modelo de Böhr para o átomo de hidrogênio. Estados de energia permitidos, n = 1, 2, 3, 4... Energia radiante é emitida quando o elétron passa de um estado de maior energia para um estado de menor energia. Por exemplo, um elétron que passa de nível n = 3 para n = 2 emite luz de cor vermelha.

Inicialmente, vamos estudar as divisões de órbitas propostas por Böhr e, em seguida, o números de elétrons que cada uma dessas órbitas pode apresentar quando aplicadas a átomos diferentes do átomo de hidrogênio. Segundo o modelo de átomo de Böhr, a eletrosfera é divida em órbitas circulares em número de até sete níveis ou órbitas: K, L, M, N, O, P e Q. Essas órbitas são os estados estacionários que um elétron pode assumir. Estados estacionários são aqueles em que um elétron não ganha nem perde energia. Para cada órbita há um número quântico específico que a identifica. Assim, para a primeira órbita, ou nível K de energia, temos o número quântico (n = 1); para a segunda órbita, temos o número quântico (n = 2) e assim sucessivamente, até a última órbita ou nível de energia, para a qual temos o número quântico sete (n = 7). Após essa região ou órbita, um elétron se desprenderia do átomo num processo denominado de ionização, dando origem a um cátion (íon resultado da perda de elétrons).

Figura 02 - Representação dos níveis de energia na eletrosfera dos átomos segundo o modelo de Rutherford-Bohr. (Imagem fora de escala e em cores ilustrativas).

231

Química

Além da identificação de cada um dos níveis de energia no modelo de átomo de Böhr, a partir de novos estudos, permitiu-se fazer a previsão do número de elétrons presentes nesses níveis. Por meio da equação de Rydberg (Nelétrons = 2n2), pôde-se prever que o número de elétrons no nível K era numericamente igual a 2; no nível L, o número de elétrons possíveis era de 8; no nível M, já se podia alojar um total de 18 elétrons e assim sucessivamente. Para isso, novas modificações foram propostas para o modelo de átomo de nível (órbitas) de energia, principalmente no que diz respeito à eletrosfera. Essas modificações introduziram na eletrosfera o conceito de níveis e subníveis de energia. Na realidade, ainda não temos átomos com número de elétrons suficientes para preencher todos os níveis de energia de acordo com a equação de Rydberg. Daí o fato de se ter, além do número atual de elétrons por nível de energia, um número teórico de elétrons por nível. Para o modelo de átomo de Böhr, cada órbita (ou nível de energia) recebe determinado número de elétrons: Número de elétrons por nível de energia (Nelétrons = 2n2). Níveis ou órbitas

Número quântico principal

Número teórico de elétrons

Número atual de elétrons

Verifique, na tabela, que para esse modelo de preenchimento da eletrosfera com elétrons em nível, devemos considerar que no último nível de energia deve haver no máximo 8 elétrons e, no antepenúltimo, 8, 18 ou 32 elétrons. A seguir, temos alguns casos de distribuição eletrônica para elementos químicos representativos da tabela periódica. O estudo da tabela periódica será feito em aulas posteriores. Distribuição eletrônica em níveis no estado fundamental de energia

B06  Estudo dos níveis eletrônicos

Elemento químico

Símbolo

Hidrogênio

Flúor

Fósforo

Quantidade de elétrons por nível de energia K

Bromo

Estrôncio

Bário

Astato

Para o átomo de hidrogênio (H), temos apenas 1 elétron no nível ou órbita K. Para o flúor (F), temos 9 elétrons na eletrosfera, sendo no nível K, 2 elétrons, e no nível L, 7 elétrons. Lembrando que no último nível deve haver, no máximo, oito elétrons. Para o átomo de fósforo (P), temos um total de 15 elétrons na eletrosfera, sendo 2 elétrons no nível K, 8 elétrons no nível L e 5 elétrons no nível M. Para o átomo de bromo (Br) , que tem um total de 35 elétrons na eletrosfera, temos 2 elétrons no nível K, 8 elétrons no nível L e 18 elétrons no nível M e 7 elétrons no nível N. Da mesma forma, distribuímos os 38 elétrons do estrôncio (Sr): 2 elétrons no nível K, 8 elétrons no nível L e 18 elétrons no nível M, 8 elétrons no nível N e 2 elétrons no nível O. Para o bário (Ba), temos 2 elétrons no nível K, 8 elétrons no nível L e 18 elétrons no nível M, 18 elétrons no nível N, 8 elétrons no nível O e 2 elétrons no nível P. Para o elemento químico astato (At), temos 2 elétrons no nível K, 8 elétrons no nível L e 18 elétrons no nível M, 32 elétrons no nível N, 18 elétrons no nível O e 7 elétrons no nível P. Analisando esses seis casos de distribuição, vemos que no último nível de energia teremos, no máximo, 8 elétrons; no penúltimo 8 ou 18 elétrons e antepenúltimo nível de energia teremos 8, 18 ou 32 elétrons. 232

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O último nível ou nível mais externo da eletrosfera de um átomo no estado fundamental é chamado de camada de valência. Conhecer a quantidade de elétrons na camada de valência é importante para compreender as interações que ocorrem entre os átomos na formação de substâncias. Os elétrons presentes na camada de valência são chamados de elétrons de valência. Dessa forma, o elemento hidrogênio tem 1 elétron de valência; o flúor, bromo e astato têm 7 elétrons de valência e o estrôncio e o bário têm 2 elétrons de valência. O número de elétrons de valência permite fazer previsões do comportamento dos íons dos elementos. De maneira geral, os elementos químicos mais estáveis são os gases nobres e, fazendo exceção ao hélio, todos têm 8 elétrons de valência. Assim, é de se prever que os átomos, ao reagir, busquem a estabilidade química dos gases nobres. Para isso, perdem ou ganham elétrons, formando íons denominados, respectivamente, de cátions ou ânions. Distribuição eletrônica em níveis no estado fundamental de energia

Elemento químico

Quantidade de elétrons por nível de energia

Símbolo do elemento

Íon formado

Símbolo do íon

Ganha 1e-

Ânion monovalente

F-

Ganha 2 e-

Ânion bivalente

O2-

Ganha 3 e-

Ânion trivalente

N3-

Perde 1e-

Cátion monovalente

Na+

Perde 2e-

Cátion bivalente

Mg2+

Perde 3e-

Cátion trivalente

Al3+

Flúor

Oxigênio

Nitrogênio

Sódio

Magnésio

Alumínio

Ganha ou perde elétrons (e-)

Após um átomo ter recebido elétrons formando um ânion ou perdido seus elétrons da camada de valência formando um cátion, podemos estabelecer uma nova distribuição eletrônica em níveis de energia. Verifique, na tabela a seguir, a distribuição eletrônica de íons ânions e cátions em níveis de energia. Um fato importante é que tanto cátions quanto ânions têm oito elétrons na camada de valência. Distribuição eletrônica em níveis de energia para íons Símbolo do íon

F-

O2-

N3-

Na+

Mg2+

Al3+

Flúor Oxigênio

Nitrogênio

Sódio

Magnésio Alumínio

Quantidade de elétrons por nível de energia

B06  Estudo dos níveis eletrônicos

Elemento químico

233

Química

Exercícios de Fixação 01. A estabilidade eletrônica de um átomo, segundo a regra do octeto, depende do número de elétrons da camada de valência. Quando um átomo tem de 1 a 3 elétrons na camada de valência ele tem tendência de perder esses elétrons formando um cátion. Por outro lado, quando o átomo apresenta de 5 a 7 elétrons na camada de valência ele tem tendência a ganhar elétrons e completar o octeto. Utilizando essas informações, faça uma previsão, com base na distribuição eletrônica em níveis de energia, se o átomo tem tendência a ganhar ou perder elétrons nos casos a seguir: a) 19K a) K = 2; L = 8; M = 8; M = 1. O potássio tem tendência a perder 1 elétron. b) 38Sr b) K = 2; L = 8; M = 18; M = 8; N = 2. O estrôncio tem tendência c) 17C a perder 2 elétron. c) K = 2; L = 8; M = 7. O cloro tem tendência a ganhar 1 elétron. d) 34Se d) K = 2; L = 8; M = 18; M = 6. O selênio tem tendência a ganhar 2 elétron.

02. Quando um átomo perde elétrons para adquirir estabilidade, segundo a regra do octeto, temos a formação de um íon cátion. Da mesma forma, quando um átomo ganha elétrons para adquirir a estabilidade, segundo a regra do octeto, temos a formação de um ânion. Caso o ganho ou a perda de elétrons seja de 1, 2 ou 3, temos um íon, respectivamente, mono, bi ou trivalente. Com base nessas informações, faça uma previsão para os átomos a seguir se eles têm tendência a formar cátions ou ânions, além de classificar a valência do íon formado. a) 3Li b) 12Mg c) 9F d) 16S

a) K = 2; L = 1. O lítio tem tendência a perder 1 elétron e formar cátion monovalente. b) K = 2; L = 8; M = 2. O magnésio tem tendência a perder 2 elétron e formar cátion bivalente. c) K = 2; L = 7. O flúor tem tendência a ganhar 1 elétron e formar ânion monovalente. d) K = 2; L = 8; M = 6. O oxigênio tem tendência a ganhar 2 elétron e formar ânion bivalente.

03. (IF SP) O número de elétrons da camada de valência do átomo de cálcio (Z = 20), no estado fundamental, é

B06  Estudo dos níveis eletrônicos

a) 1 b) 2 c) 6 d) 8 e) 10 04. (UFJF MG) O metal que dá origem ao íon metálico mais abundante no corpo humano tem, no estado fundamental, a seguinte configuração eletrônica: nível 1: completo nível 2: completo nível 3: 8 elétrons nível 4: 2 elétrons Esse metal é denominado: a) ferro (Z=26). b) silício (Z = 14). c) cálcio (Z = 20). d) magnésio (Z= 12). e) zinco (Z= 30).

234

05. (UCS RS) Os dias dos carros com luzes azuis estão contados, pois, desde 1º de janeiro de 2009, as lâmpadas de xenônio (Xe) não podem mais ser instaladas em faróis convencionais. Mesmo que as lâmpadas azuis possibilitem três vezes mais luminosidade do que as convencionais, elas não se adaptam adequadamente aos refletores feitos para o uso com lâmpadas convencionais, podendo causar ofuscamento à visão dos motoristas que trafegam em sentido contrário e possibilitando, assim, a ocorrência de acidentes. Em quantos níveis de energia o gás xenônio apresenta elétrons distribuídos? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 06. (UFGD MS) Considere o elemento de número atômico 13. No estado fundamental, qual a configuração eletrônica do íon estável que esse elemento pode formar?

Configuração do átomo: 2 – 8 – 3, para se tornar estável deve perder 3 elétrons, tornado um íon trivalente (carga +3).

07. (Ulbra RS) Para adquirir configuração eletrônica de gás nobre, o átomo de número atômico 34 deve: a) ganhar 2 elétrons. b) ganhar 3 elétrons. c) perder 1 elétron. d) perder 2 elétrons. e) perder 3 elétrons.

08. (Unificado RJ) O ferro é bastante utilizado pelo homem em todo o mundo. Foram identificados artefatos de ferro produzidos em torno de 4000 a 3500 a.C. Nos dias atuais, o ferro pode ser obtido por intermédio da redução de óxidos ou hidróxidos, por um fluxo gasoso de hidrogênio molecular (H2) ou monóxido de carbono. O Brasil é atualmente o segundo maior produtor mundial de minério de ferro. Na natureza, o ferro ocorre, principalmente, em compostos, tais como: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), siderita (FeCO3), limonita (Fe2O3 ⋅ H2O) e pirita (FeS2), sendo a hematita o seu principal mineral. Assim, segundo o diagrama de Linus Pauling, a distribuição eletrônica para o íon ferro (+3), nesse mineral, é representada da seguinte maneira: a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5. b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6. c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9. d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3. e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

As partículas Ne, F-, Na+, O2- e Mg2+ são isoeletrônicas, isto é, possuem as mesmas configurações eletrônicas. Dentre elas, a que apresenta maior número de prótons é: a) Ne b) Fc) O2d) Mg2+ e) Na+ 02. (IF SP) Silício é um elemento químico utilizado para a fabricação dos chips, indispensáveis ao funcionamento de praticamente todos os aparelhos eletrônicos. Esse elemento possui número atômico igual a 14. Sendo assim, o número de elétrons da camada de valência do átomo de silício no estado fundamental é a) 1 c) 3 e) 5 b) 2 d) 4 03. (Unip SP) O átomo 3x + 2A7x tem 38 nêutrons. O número de elétrons existentes na camada de valência desse átomo é: a) 1 c) 3 e) 5 b) 2 d) 4 04. (UFMG) Considerando as partículas constituintes do íon Mg2+ e a posição do elemento no quadro periódico, pode-se afirmar que esse íon: a) apresenta dois níveis completamente preenchidos. b) apresenta números iguais de prótons e elétrons. c) tem um núcleo com 14 prótons. d) tem a mesma configuração eletrônica que o átomo de argônio. 05. (Puc MT) O bromo, único halogênio que nas condições ambiente se encontra no estado líquido, formado por átomos representados por 35Br80, apresenta: a) 25 elétrons na camada de valência. b) 2 elétrons na camada de valência. c) 7 elétrons na camada de valência. d) 35 partículas nucleares. e) 45 partículas nucleares. 06. (UFRJ) Com base na distribuição eletrônica de um átomo cujo número atômico é igual a 35, podemos afirmar que o átomo possui: a) sete elétrons na última camada. b) cinco elétrons na última camada. c) dois elétrons na última camada. d) oito elétrons na última camada. e) um elétrons na última camada.

07. (Vest-Rio RJ) Um cátion mononuclear bivalente apresenta 15 elétrons. A caracterização incorreta desse cátion está na seguinte alternativa: a) é isoeletrônico do ânion S2-. b) apresenta 20 prótons no seu núcleo. c) possui número atômico igual a 18 quando átomo neutro. d) apresenta configuração eletrônica idêntica à do gás nobre Ar. e) possui raio iônico menor do que o raio atômico do correspondente átomo neutro. 08. (UFMG) Considerando as partículas constituintes do íon Mg2+ e a posição do elemento no quadro periódico (12Mg), pode-se afirmar que esse íon a) tem a mesma configuração eletrônica que o átomo de argônio (Ar = 18). b) apresenta dois níveis completamente preenchidos. c) tem um núcleo com 14 prótons. d) apresenta número iguais de prótons e elétrons. 09. (Mackenzie SP) Átomos do elemento químico potássio, que possuem 20 nêutrons, estão no quarto período da tabela periódica, na família dos metais alcalinos. Em relação aos seus íons, é correto afirmar que: a) Têm Z=18. b) Têm 20 elétrons e A = 40. c) Têm 18 elétrons e A = 39. d) São cátions bivalentes. e) Têm A = 38. 10. (Escs DF) “Os pesquisadores alertam que os metais dos quais as panelas são feitas podem causar intoxicações, anemia, distúrbios gástricos e até expor os usuários a substâncias cancerígenas. Pesquisas mostram que o excesso de alumínio no corpo pode induzir a estados de demência e panelas deste metal devem ser utilizadas para cozimentos rápidos. O cobre em excesso pode originar leucemia e câncer do intestino, embora sua falta possa levar a doenças respiratórias e as panelas deste metal devem ser revestidas com uma camada protetora de titânio. Até mesmo revestimentos de níquel ou de material antiaderente apresentam riscos para saúde. De um modo geral, as panelas de ferro fundido são as melhores para a saúde, pois liberam o nutriente na comida e ajudam a suprir as necessidades do organismo, mas não são boas para quem tem colesterol alto. As panelas de INOX são bastante seguras, porque o material não se oxida e não libera o metal na comida, dizem alguns pesquisadores.” (Adaptado de O Globo, 14/10/2011)

Dos metais de transição citados no texto, o que mais facilmente forma cátions é o: a) alumínio. c) ferro. e) titânio. b) cobre. d) níquel.

235

B06  Estudo dos níveis eletrônicos

01. (Uesc BA) Assinale a alternativa correta.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B07

ASSUNTOS ABORDADOS nn Distribuição eletrônica em

subníveis

nn O modelo do átomo segundo Sommerfeld nn Distribuição eletrônica para íons

DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA EM SUBNÍVEIS O modelo proposto por Böhr não esclarecia como os elétrons estavam organizados nos átomos e também não explicava completamente seus espectros, mesmo para o caso do hidrogênio, que é a espécie química mais simples da natureza. Portanto, estava claro que, por meio dos princípios da física clássica, não era possível desenvolver uma teoria que explicasse fatos experimentais relevantes observados nos espectros atômicos. Mesmo após a introdução de correções, o modelo de Böhr não era capaz de explicar detalhes dos espectros de átomos multieletrônicos. Essa e outras falhas indicavam que esse modelo era mais uma etapa na busca de uma teoria atômica geral que explicasse não só os espectros atômicos, como também as ligações químicas e outras propriedades inerentes aos átomos. Portanto, era necessário o desenvolvimento de novos modelos que explicassem esses fatos.

Fonte: wikimedia commons

O modelo do átomo segundo Sommerfeld

Figura 01 - Arnold Sommerfeld (1868-1951).

Logo após a utilização de aparelhos de espectros mais sofisticados, já se podia afirmar que as órbitas circulares do modelo de Niels Böhr não explicavam de maneira satisfatória os fenômenos da natureza. A interpretação de espectros mais apurados levou os cientistas da época a propor um novo modelo de átomo que estivesse de acordo com as evidências dos espectros de emissão. Arnold Sommerfeld foi quem melhor interpretou essas evidências propondo o modelo de átomo cuja eletrosfera fosse constituída por órbitas circulares e órbitas elípticas (órbitas de diferentes excentricidades). Para cada nível (n), deveria haver uma órbita circular e (n − 1) órbitas elípticas, justificando os diferentes espectros emitidos pelos átomos.

Figura 02 - Modelo atômico de Sommerfeld. Para o nível 4, uma órbita circular e três órbitas elípticas.

236

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A ideia da existência de órbitas circulares e elípticas foi feita com base em duas divisões distintas para a trajetória do elétron. Para as órbitas circulares foi proposto os níveis de energia, e para as órbitas elípticas foram propostos os subníveis. Assim, os níveis K, L, M, N, O, P, Q deveriam apresentar subdivisões, ou seja, subníveis ou subórbitas, que correspondiam às diferentes linhas em um espectro de emissão. Subníveis de energia Já sabemos que o átomo apresenta a eletrosfera dividida em níveis de energia e que os níveis, ou órbitas, também apresentam subdivisões, denominadas de subníveis de energia. Com os estudos de Sommerfeld a respeito da estrutura atômica da matéria e com as diferentes excentricidades das camadas em relação às suas órbitas, houve a necessidade de se justificar as variações de energia para diferentes excentricidades de um nível energético. Surgiu, então, a ideia dos subníveis de energia para os elétrons de um mesmo nível: os elétrons poderiam ter energia variável dependendo da órbita descrita. Para os elementos conhecidos atualmente, existem quatro subníveis: nn s = sharp nn p = principal nn d = diffuse nn f = fine ou fundamental O uso dessas letras está relacionado aos estudos da espectroscopia. Cada subnível comporta determinado número de elétrons: nn s

= 2 elétrons

nn p

= 6 elétrons

nn d

= 10 elétrons

nn f

= 14 elétron

Figura 03 - Diagrama de energia ou diagrama das diagonais

Nesse diagrama, podemos identificar um número total de sete níveis de energia e as suas subdivisões. A configuração associada ao menor número de níveis de energia possível é o estado quântico fundamental. Por exemplo, para o cobalto, Co (Z = 27), para o criptônio, Kr (Z = 36) e para o césio, Cs (Z = 55), podemos propor a seguinte distribuição eletrônica dos elétrons:

Para garantir a estabilidade da eletrosfera, os elétrons nos subníveis estariam distribuídos em ordem crescente de energia (em geral, s < p < d < f), preenchendo cada subnível menos energético (e, consequentemente, cada nível menos energético) antes de seguir para o próximo. Esse princípio, desenvolvido pelo físico alemão Erwin Madelung (18811972), deu origem a um diagrama de energia para os subníveis, que ficou conhecido como diagrama de preenchimento. Uma maneira de se distribuir os elétrons de um átomo no estado fundamental de energia e ordem crescente de energia é seguir as diagonais do diagrama a seguir. Mas, se após a ordem energética, quisermos ordenar os subníveis pela sequência dos níveis de energia, a configuração é chamada ordem ou configuração geométrica dos subníveis de energia.

nn Para o cobalto o último elétron foi distribuído no subnível

3d7 do diagrama. Uma vez que a distribuição obedece à ordem energética, o subnível 3d7 é o de maior energia (também chamado de subnível diferencial). Porém, os elétrons de valência do cobalto estão localizados no quarto nível de energia, no subnível 4s2. 237

B07  Distribuição Eletrônica em Subníveis

Métodos de ordenação dos subníveis

Química

Observe que o diagrama não foi completamente preenchido, porque o número de elétrons, 27 para o cobalto, 36 para o criptônio e 55 para o césio, não preenche por completo o diagrama. Seguindo as diagonais do diagrama, teremos a configuração dos subníveis de energia em ordem de energia. Em destaque, cor amarela, temos os elétrons diferenciais. nn nn nn

Co: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 Kr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 36 Cs: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s1 55 27

Contudo, se a leitura do diagrama for feita por nível de energia (na horizontal), teremos a configuração dos subníveis de energia em ordem geométrica. Em destaque, cor amarela, temos os elétrons da camada ou nível de valência. nn 27Co: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 nn 36Kr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 nn 55Cs: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s1 nn Para

o criptônio, o último elétron foi distribuído no subnível 4p6 do diagrama, portanto, esse subnível é o subnível diferencial, que contém os elétrons diferenciais (de maior energia). Porém, nesse mesmo nível de energia temos o subnível 4s2. Assim, para o criptônio, os elétrons de valência são todos os elétrons do 4º nível de energia (camada de valência). Logo, o criptônio tem 8 elétrons na camada de valência.

Distribuição eletrônica para íons Íons são espécies químicas que ganharam (ânion) ou perderam elétrons (cátions). A perda ou ganho de elétrons por um átomo é feita sempre a partir da camada de valência. Por exemplo, o cálcio, Ca (Z = 20), apresenta elétrons distribuídos em quatro níveis de energia. O elétron diferencial (4s2) coincide com os elétrons da camada de valência (quarta camada). Assim, para que o átomo de cálcio forme o íon cálcio bivalente (Ca2+) ele deve perder 2 elétrons. Lembre-se de que os elétrons são perdidos sempre a partir da camada de valência. No caso do cálcio, para formar o íon cátion bivalente, ele deve perder os dois elétrons do subnível 4s2. A seguir, temos a distribuição eletrônica dos subníveis de energia para o átomo de cálcio e também para o íon cálcio bivalente. 2+

Ca (Z=20)

B07  Distribuição Eletrônica em Subníveis

3s nn Para o césio, o último elétron foi distribuído no subnível

6s do diagrama, portanto, o subnível 6s é o subnível diferencial, que contém o elétron diferencial (de maior energia). A camada de valência é a 6ª camada ou 6º nível de energia. Assim, o césio tem 1 elétron na camada de valência. 1

238

Figura 04 - À esquerda, distribuição eletrônica do átomo de cálcio. À direita, distribuição eletrônica do íon cálcio. Imagem fora de escala de tamanho e em cores ilustrativas.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

Dado: Ti (Z =22) a) 6 b) 5 c) 4 d) 3 e) 2 02. (Ufac AC) Elementos químicos são utilizados em organismos vivos para a realização de muitas tarefas importantes. Por exemplo, o ferro faz parte da molécula de hemoglobina participando do transporte do oxigênio no corpo. O átomo de ferro tem Z = 26. A camada de valência desse átomo tem a) 6 elétrons b) 14 elétrons c) 2 elétrons d) 8 elétrons e) 12 elétrons 03. (Uel PR) Quantos elétrons de valência existem na configuração do elemento químico de número atômico 52? a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 6 04. (Favip PE) O cálcio é o elemento da rigidez e da construção: é o cátion dos ossos do nosso esqueleto, das conchas dos moluscos, do concreto, da argamassa e da pedra calcária das nossas construções. Sabendo que o átomo de cálcio tem número atômico 20 e número de massa 40, é correto afirmar que o cátion Ca2+ tem a) 18 prótons. b) 18 nêutrons. c) 20 elétrons. d) configuração eletrônica igual à do íon K+ (Z = 19). e) configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. 05. (Escs DF) “Um cientista da Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas declarou que quando há consumo excessivo de produtos à base de grãos integrais, os fibratos presentes nas fibras desses grãos podem reduzir a absorção de minerais como zinco, ferro e cálcio.” (O Estado de São Paulo, p. A28, 12/09/2010.)

Os elementos zinco, ferro e cálcio podem ser absorvidos no organismo na forma de seus cátions bivalentes. Considerando os metais citados, a configuração eletrônica em subníveis energéticos para o cátion bivalente do metal alcalino terroso é: a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 06. (Escs DF) Analise a tabela a seguir que apresenta os cinco elementos mais abundantes na crosta terrestre e suas respectivas abundâncias em partes por milhão: Elemento

Abundância (ppm)

Oxigênio

474000

Silício

277000

Alumínio

82000

Ferro

41000

Cálcio

41000

O metal mais abundante apresenta a seguinte distribuição eletrônica em subníveis energéticos: a) 1s2 2s2 2p4 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 07. (UEPG PR) Sobre o átomo de cromo 52 Cr e sobre seu íon 24 Cr3+, o qual se encontra presente no rubi vermelho, assinale o que for correto. 01. O átomo de cromo e o seu íon Cr3+ possuem o mesmo número de massa (A = 52). 02. No estado fundamental, o átomo de cromo possui 24 elétrons, 24 prótons e 28 nêutrons. 04. Átomos de cromo no estado fundamental apresentam 4 elétrons na última camada eletrônica. 08. O íon cromo trivalente forma-se pela perda de três elétrons. 01-02-08 08. (Ufes ES) A distribuição eletrônica correta do elemento químico Au, em camadas, é a) K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 O = 17 P = 2 b) K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 O = 18 P = 1 c) K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 O = 16 P = 3 d) K = 2 L = 8 M = 18 N = 30 O = 18 P = 3 e) K = 2 L = 8 M = 18 N = 31 O = 18 P = 2

239

B07  Distribuição Eletrônica em Subníveis

01. (UEFS BA) O titânio é metal utilizado na fabricação de motores de avião e pinos para prótese. Quantos elétrons há no último nível da configuração eletrônica desse metal?

Química

Exercícios Complementares 01. (UFS SE) O cobalto é um metal de coloração prata acinzentado, usado principalmente em ligas com o ferro. O aço alnico, uma liga de ferro, alumínio, níquel e cobalto, é utilizado para construir magnetos permanentes, como os usados em alto-falantes. Precisamos de cobalto em nossa dieta, pois ele é um componente da vitamina B12. Sabendo que o número atômico do cobalto é 27, sua configuração eletrônica será: a) 1s22s22p63s23p63d9 b) 1s22s22p63s23p64s9 c) 1s22s22p63s23p64s24p63d1 d) 1s22s22p63s23p64s23d7 e) 1s22s22p63s23p64s24p7 02. (Ufes ES) Ligas de titânio são muito usadas na fabricação de parafusos e pinos que compõem as próteses ortopédicas. A configuração eletrônica correta do átomo de titânio é a) [Ar]3d4 d) [Ar]4s2, 3d2 6 b) [Ar]3d e) [Ar]4s2, 3d5 1 3 c) [Ar]4s , 3d 03. (Ufes ES) A configuração eletrônica do átomo de ferro em ordem crescente de energia é 1s22s22p63s23p64s23d6. Na formação do íon Fe2+, o átomo neutro perde 2 elétrons. A configuração eletrônica do íon formado é:

B07  Distribuição Eletrônica em Subníveis

a) 1s22s22p63s23p63d6 b) 1s22s22p63s23p64s23d4 c) 1s22s22p63s23p64s13d5 d) 1s22s22p63s23p44s13d6 e) 1s22s22p63s23p44s23d5 04. (Unificado RJ) O ferro é bastante utilizado pelo homem em todo o mundo. Foram identificados artefatos de ferro produzidos em torno de 4000 a 3500 a.C. Nos dias atuais, o ferro pode ser obtido por intermédio da redução de óxidos ou hidróxidos, por um fluxo gasoso de hidrogênio molecular (H2) ou monóxido de carbono. O Brasil é atualmente o segundo maior produtor mundial de minério de ferro. Na natureza, o ferro ocorre, principalmente, em compostos, tais como: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), siderita (FeCO3), limonita (Fe2O3 ⋅ H2O) e pirita (FeS2), sendo a hematita o seu principal mineral. Assim, segundo o diagrama de Linus Pauling, a distribuição eletrônica para o íon ferro (+3), nesse mineral, é representada da seguinte maneira: a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3 e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2

240

05. (Cefet PR) Analise as afirmativas e verifique se são verdadeiras (V) ou falsas (F) e assinale a alternativa que indica a sequência correta de cima para baixo. ( ) O íon 8O2– é isoeletrônico com o íon 16S1–. ( ) O íon F2– possui o mesmo número de prótons que o íon F1–. ( ) A distribuição eletrônica do íon 12Mg2+ é igual à distribuição eletrônica do íon 11Na1+. ( ) Comparando o átomo de 137 Ba com o 137 Cs, pode-se 56 55 afirmar que são isótonos. ( ) A distribuição eletrônica no nível de valência do 18Ar é 3s2 3p6. ( ) Os números quânticos do elétron mais energético dos íons 9F1– e do íon 8O1– são iguais. a) F – F – F – V – V – F d) F – V – V – F – V – F b) V –F – F – V – V – F e) F – V – F – V – V – F c) V – F – V – V – F – V 06. (UCS RS) A toxicidade do mercúrio (Hg) já é conhecida de longa data, e não se tem notícia de que ele seja essencial ao organismo humano. Devido ao elevado teor desse metal em lâmpadas fluorescentes, elas constituem um problema ambiental quando descartadas de forma inadequada. Felizmente, a quantidade de mercúrio nessas lâmpadas vem diminuindo com o decorrer dos anos. Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), a quantidade de mercúrio em lâmpadas fluorescentes, entre 1995 e 2000, foi reduzida em cerca de 40%. (DURÃO Junior, W. A.; WINDMÖLLER, C. C. A questão do mercúrio em lâmpadas fluorescentes. Química Nova na Escola, n. 28, p. 15-19, maio 2008 – Texto adaptado.)

A distribuição eletrônica para o mercúrio elementar é a) [Kr] 4d10 5p6. b) [Ar] 3d10 4p4. c) [Rn] 5f14 6d6. d) [Xe] 6s2 4f14 5d10. e) [Ne] 6d10 5f14 7p2. 07. (FM Petrópolis RJ) O chumbo é um metal pesado que pode contaminar o ar, o solo, os rios e alimentos. A absorção de quantidades pequenas de chumbo por longos períodos pode levar a uma toxicidade crônica, que se manifesta de várias formas, especialmente afetando o sistema nervoso, sendo as crianças as principais vítimas. Sendo o número atômico (Z) do chumbo igual a 82, o íon plumboso (Pb+2) possui os elétrons mais energéticos no subnível a) 6p2 b) 6s2 c) 6p4 d) 5d10 e) 4f14

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B08

MODELO ATUAL DE ÁTOMO

ASSUNTOS ABORDADOS

Na segunda metade do século XIX, o conceito de modelo atômico passou a se fundamentar nos espectros de emissão e absorção de luz pelos elétrons. Para isso, diversas fontes luminosas eram utilizadas no estudo do comportamento do elétron, e o conceito de eletrosfera com níveis e subníveis de energia ganhou força entre os cientistas.

nn Modelo atual de átomo nn Dualidade da matéria nn O princípio da incerteza nn Números quânticos

Um fato facilmente observável é que as cores das luzes variam de acordo com a natureza do material emissor. Assim, lítio, sódio e bário, quando aquecidos, emitem, respectivamente, luz vermelha, amarela e verde. Hoje, sabemos porque isso acontece, mas durante muito tempo foi um enigma que começou a ser decifrado com estudos sobre a luz emitida na excitação de elétrons do átomo de hidrogênio. Esses fundamentos e os resultados desses estudos foram descritos em termos da natureza ondulatória da luz, a quantização de energia e o modelo desenvolvido por Böhr, embasado na física clássica e na hipótese quântica de Planck.

nn Princípio da exclusão de Pauli nn A distribuição eletrônica em orbitais

Contudo, o modelo de átomo de Böhr não foi capaz de explicar algumas particularidades dos espectros atômicos, ainda que fossem espécies químicas simples, como o átomo de hidrogênio ou hidrogenoides (Hidrogenoides são íons que possuem apenas um elétron, tais como He+, Li2+, Be3+). Portanto, eram necessários novos esforços para solucionar tais problemas, bem como esclarecer questões relativas às propriedades físicas e químicas dos elementos. A elucidação dessas indagações surgiu, no início do século XX, com o desenvolvimento da mecânica quântica, ramo da física que estuda os movimentos das partículas microscópicas. A proposta de Louis De Broglie (1892-1987) para o comportamento das partículas em movimento e o princípio da incerteza de Heisenberg serviram de base para o desenvolvimento da equação de onda sugerida por Schrödinger para explicar o átomo de hidrogênio. Naquela época, já despontava a ideia de que o elétron apresentava comportamento dual. Inicialmente, De Broglie se encarregou de atribuir o aspecto de partícula-onda ao elétron. Enquanto isso, Erwin Schröedinger conferiu o aspecto matemático dessa dualidade, atribuindo uma função de onda para o elétron, dando ao comportamento do elétron uma nova modelagem. Após 1920, o sucesso da aplicação quântica ao átomo foi tão grande que originou o modelo de átomo atual. A associação de uma equação de onda ao aspecto dual do elétron levou a uma ruptura definitiva da visão mecânico-clássica atribuída aos modelos atômicos anteriores.

Foi Louis De Broglie quem ampliou de forma eficiente a ideia da dualidade partícula-onda para o elétron nos anos posteriores ao desenvolvimento do modelo de Böhr. Segundo ele, se a energia radiante pudesse se comportar, sob condições apropriadas, como um feixe de partículas, a matéria, também sob condições apropriadas, poderia possivelmente mostrar propriedades de onda. De Broglie sugeriu que o elétron, em seu movimento ao redor do núcleo, tinha associado a ele determinado comprimento de onda. h , em que: m× f λ = comprimento de onda λ=

h = constante de Planck m = massa do elétron f = frequência

Fonte: commons wikimedia / Unknown

Dualidade da matéria

Figura 01 - Louis De Broglie (1892-1987).

241

Química

Poucos anos após a publicação da teoria de De Broglie, as propriedades ondulatórias do elétron foram experimentalmente demonstradas. Os elétrons eram difratados pelos cristais, da mesma forma que os raios X sofriam difração, comprovando a natureza dual da matéria.

O princípio da incerteza

A hipótese formulada por De Broglie e o princípio da incerteza de Heisenberg estabeleceram a base para uma nova teoria de estrutura atômica da matéria. Nela, a determinação simultânea da posição e da velocidade do elétron se torna inviável. A natureza ondulatória do elétron passou a ser aceita e reconhecida, e seu comportamento foi descrito em termos apropriados para ondas. Criou-se, então, um novo modelo de átomo que descreve precisamente a energia do elétron. A localização do elétron, porém, não pode ser determinada com exatidão, ficando limitada a uma região de maior probabilidade de este ser encontrado. Essa região foi denominada de orbital.

Fonte: commons wikimedia /

O físico alemão Werner Heisenberg concluiu que a natureza dual da matéria colocava algumas restrições de localização simultânea para o elétron em termos de posição e velocidade. O princípio de Heisenberg ficou conhecido como princípio da incerteza e é importante quando trabalhamos com partículas subatômicas. Segundo esse princípio, é impossível, simultaneamente, localizar com exatidão e precisão a posição e a velocidade de um elétron.

Figura 02 - Werner Heisenberg (1901-1976).

Orbital

Fonte: commons wikimedia / Nobel foundation

Em 1926, o austríaco Erwin Schrödinger propôs uma equação que incorporava tanto o comportamento ondulatório como o de partícula do elétron (Mecânica Quântica ou Mecânica Ondulatória). A resolução dessa equação levou a uma série de funções matemáticas, denominadas funções de onda, que descrevem o comportamento ondulatório do elétron. A função de onda não tem em si um significado físico direto, porém o quadrado da função de onda fornece informações importantes sobre a localização do elétron, quando em um estado de energia permitido (órbita).

Figura 03 - Erwin Schrödinger (1887-1961).

As energias calculadas para o átomo de hidrogênio, segundo a Mecânica Quântica, são as mesmas previstas pelo modelo de Böhr. No entanto, segundo o modelo mecânico-quântico, o elétron não está em um estado de energia permitido, mas, sim, em um estado de probabilidade estatística (orbital). Desse modo, a região de máxima probabilidade de se encontrar determinado elétron, em um átomo, é denominada de orbital.

B08  Modelo Atual de Átomo

Números quânticos Os trabalhos de Heisenberg mostraram a necessidade de se desenvolver um modelo atômico compatível com o seu princípio da incerteza. Isso foi conseguido a partir da equação de onda sugerida por Schrödinger para descrever sistemas microscópicos, particularmente, ao átomo de hidrogênio. Por outro lado, também havia uma necessidade de se caracterizar os estados energéticos de cada elétron num átomo de maneira mais precisa. Para isso, foram atribuídos números quânticos (“localizadores”) para o elétron. Três deles, os números quânticos principal (n), do momento angular orbital () e magnético (m ou m), definem a região de máxima possibilidade de se localizar o elétron. O quarto é o número quântico magnético do spin do elétron (S ou ms) que é inerente ao elétron. Com isso, chegaremos a um modelo satisfatório para descrever as estruturas dos átomos e muitas das suas propriedades. 242

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Número quântico principal (n)

Número quântico magnético ( ou m)

O primeiro dos números quânticos, o número quântico principal, é representado pela letra n e possui valores que podem variar de 1 a +∞. Esse número quântico:

O terceiro número quântico é o número quântico magnético, que indica o orbital em que o elétron se encontra. É representado pela letra m e assume valores que variam de - a +. O número quântico magnético descreve a trajetória do orbital no espaço.

nn Indica

o nível de energia do elétron.

nn Representa, de forma aproximada, a distância do elé-

tron ao núcleo. nn Participa

no cálculo da energia do elétron: E = n + .

Número quântico secundário ou azimutal () O segundo número quântico é o número quântico secundário ou azimutal, também chamado de número quântico do momentum angular. É representado pela letra  e assume valores que variam de 0 a (n – 1); indica os subníveis de energia s, p, d, f e assume valores 0, 1, 2, 3, respectivamente. Esse número quântico: nn Indica

Número quântico spin (s) Por último, temos o número quântico spin que descreve o movimento de rotação do elétron. É representado pela letra s ou ms e assume valores −1/2 e +1/2. O movimento spin nem sempre traduz o comportamento real do elétron, pois se considerarmos que o spin mede o movimento de rotação do elétron, estaremos tratando o elétron como uma partícula.

o subnível de energia do elétron.

nn Representa nn Participa

a forma do orbital.

no cálculo da energia do elétron: E = n + .

Outra indicação para o número quântico secundário é a forma do orbital. Orbitais cujo número quântico  é igual a 0 são esféricos, enquanto orbitais cujo número quântico  é igual a 1 têm forma de duplo ovoide ou de halteres. Na ilustração abaixo, temos a representação dos três orbitais do subnível p ( = 1) do nível 2 (n = 2), que são designados por 2px, 2py e 2pz. Figura 05 - Spin

Princípio da exclusão de Pauli

Figura 04 - Ilustração do modelo de orbitais. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas

Os elétrons são cargas negativas que apresentam um movimento de rotação em torno de seu próprio eixo, o spin. Ora, sabemos do eletromagnetismo que toda carga em movimento em torno do seu próprio eixo cria em sua imediação um campo magnético idêntico ao de um ímã. Esse campo pode provocar repulsão, quando os elétrons giram no mesmo sentido, ou atração, quando os elétrons giram em sentidos opostos. Em um mesmo orbital, os elétrons devem apresentar spins opostos ao preenchê-lo. 243

B08  Modelo Atual de Átomo

Segundo Wolfgang Pauli, um orbital pode conter, no máximo, dois elétrons de spins opostos. Diferentemente do modelo de Böhr, no modelo atômico atual, os elétrons não são localizados com o máximo de segurança. Há um aspecto probabilístico para tal localização, a qual passa a ser feita pelo conjunto dos quatro números quânticos, que jamais são iguais para dois elétrons de um mesmo átomo. Esse fato traduz o princípio da exclusão de Pauli.

Química

Daí o princípio da exclusão de Pauli: dois elétrons que pertencem ao mesmo átomo não podem apresentar os quatro números quânticos iguais.

Regras para a distribuição em orbitais Considerando que orbital, segundo Erwin Schrödinger, é a “região de máxima probabilidade de se localizar determinado elétron” e que, pelo Princípio da exclusão de Pauli, “em um orbital pode haver no máximo dois elétrons de spins opostos”, a distribuição dos elétrons nos orbitais deve ser feita obedecendo a esses seguinte critérios. Nesse caso, os elétrons devem preencher os orbitais vazios e somente depois preencher os orbitais incompletos, tornando-os completos.

A distribuição eletrônica em orbitais A partir do modelo atual do átomo, puderam ser determinadas as possibilidades de localização do elétron, ou seja, há um conjunto de números quânticos que permitem, de maneira provável, identificar a posição do elétron na eletrosfera do átomo. Dessa forma, o átomo atual passou a ser denominado modelo do orbital, e a eletrosfera deixou de ser dividida em órbitas ou níveis de energia para ter regiões de probabilidades de se encontrar o elétron: os subníveis de energia (s, p, d, f) e os orbitais.

Essa sequência de preenchimento de orbitais é conhecida como regra de Hund. De forma simples, podemos representar graficamente o orbital por um círculo ou um quadrado, como mostra o quadro a seguir:

Subníveis de energia

Número de elétrons

f14

Número de orbitais

1 orbital

3 orbitais

5 orbitais

7 orbitais

Distribuição em orbitais

↑↓

↑↓ ↑↓ ↑↓

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

Número quântico magnético Número quântico secundário

Por exemplo, a distribuição em orbitais para os átomos de sódio (Na) e cloro (C) pode ser feita da seguinte forma:

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 3

Por exemplo:

O elétron diferencial do átomo de carbono é o último elétron distribuído nos orbitais do subnível 2p:

B08  Modelo Atual de Átomo

O sinal do número quântico spin (negativo ou positivo) fica a critério de cada um, pois o hidrogênio, que só apresenta um único elétron, já foi detectado com valor negativo e positivo para o spin.

Pelas distribuições acima, podemos observar que: nn O sódio apresenta um elétron desemparelhado no subnível 3s da camada de valência. nn O cloro apresenta um elétron desemparelhado no subnível 3p da camada de valência. A localização de um elétron pode ser feita utilizando os números quânticos e aplicando-os ao elétron diferencial. Elétron diferencial é o elétron de maior energia distribuído no diagrama das diagonais. 244

Figura 06 - À esquerda, imagem do Wolfgang Pauli (19001958). À direita, imagem de Friedrich Hund (1896-1997).

Fonte: image description

Assim, temos que n = 2;  = 1; m = 0 e s = −1/2

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação 01. (UECE) No seu livro Oppenheimer e a bomba atômica em 90 minutos, afirma Paul Strathern: “Heinsenberg e Schrödinger logo passaram a se olhar como aqueles que sustentam teorias opostas em outros campos – da religião à administração do futebol. Heinsenberg chamou a teoria de Schrödinger de ‘repugnante’, enquanto Schrödinger reputava a teoria de Heinsenberg ‘repulsiva e deprimente”. As teorias de Heinsenberg e Schrödinger são, respectivamente, a) princípio da exclusão e regra da máxima multiplicidade. b) princípio da incerteza e equação ondulatória. c) regra da máxima multiplicidade e equação ondulatória. d) princípio da incerteza e princípio da exclusão. 02. (UERN) A principal aplicação do bromo é a produção de brometo de etileno, que é utilizado em combustíveis para motores, com o intuito de evitar a acumulação de chumbo no interior dos cilindros. Considerando que o número atômico do bromo é 35, afirma-se que ele possui: I. O número quântico principal igual a 4. II. 7 orbitais completos. III. 5 elétrons no nível de valência. IV. O número quântico magnético igual a 0. V. 5 elétrons na última camada, com número quântico azimutal igual a 1. Estão corretas apenas as afirmativas: a) I e IV. b) I, II e V. c) III, IV e V. d) I, II, IV e V.

Considerando a distribuição eletrônica do átomo de enxofre em seu estado fundamental (Z = 16), assinale a opção que apresenta a aplicação correta da regra de Hund. a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py2 3pz0. b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py1 3pz1. c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py0 3pz2. d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px1 3py2 3pz1. 05. (Udesc SC) O último elétron de um átomo neutro apresenta o seguinte conjunto de números quânticos: n = 3;  = 1; m = 0; s = +1/2. Convencionando-se que o primeiro elétron a ocupar um orbital possui número quântico de spin igual a +1/2, o número atômico desse átomo é igual a: a) 15 b) 14 c) 13 d) 17 e) 16 06. (UFPB) A contribuição da Química para o aumento do bem-estar humano está associada ao conhecimento sobre a influência da configuração eletrônica dos elementos na reatividade, propriedade fortemente relacionada à camada de valência típica de cada elemento. Conforme as restrições impostas pelo modelo quântico, os elétrons não se encontram dispostos aleatoriamente nos orbitais atômicos. Considere as representações de configurações eletrônicas na camada de valência:

03. (UECE) Wolfgang Ernst Pauli (1900 - 1958), físico austríaco, estabeleceu o princípio de exclusão, segundo o qual férmions, como é o caso dos elétrons, “não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente”. Esse princípio está em consonância com uma das propriedades da matéria, conhecida pelos pré-socráticos desde os tempos imemoriais, denominada de

04. (UECE) A regra de Hund, como o próprio nome indica, foi formulada pela primeira vez, em 1927, pelo físico alemão Friedrich Hund. Ele partiu diretamente da estrutura nuclear, já conhecida e medida, das moléculas e tentou calcular as orbitais moleculares adequadas por via direta, resultando na regra de Hund. Essa regra afirma que a energia de um orbital incompleto é menor quando nela existe o maior número possível de elétrons com spins paralelos.

Com base nessas informações, é correto afirmar que a configuração eletrônica representada em a) I corresponde à camada de valência do boro. b) II infringe o princípio de exclusão de Pauli. c) III infringe uma das regras para o preenchimento dos orbitais. d) IV corresponde à camada de valência do enxofre. e) V corresponde à camada de valência do íon Ca2+.

245

B08  Modelo Atual de Átomo

a) impenetrabilidade. b) inércia. c) divisibilidade. d) extensão.

Química

Exercícios Complementares 01. (UEFS BA) O ato de medir afeta a grandeza medida, e isso se torna tanto acentuado quanto menor é o objeto da medida observado. Algo semelhante ocorre ao se observarem os elétrons em um átomo. A própria luz interage com eles e afeta a posição e a energia dessa partícula-onda. É, portanto, impossível ter certeza absoluta da posição de um elétron em um átomo, de acordo com o princípio de incerteza de Werner Heisenberg, (1901-1976). A partir dessas considerações sobre o princípio de incerteza associado aos modelos atuais de estrutura atômica da matéria, é correto afirmar que: a) O raio atômico é uma medida precisa de localização de um elétron no átomo. b) O lugar mais preciso para encontrar um elétron é nas proximidades do núcleo atômico. c) O elétron é melhor caracterizado pela quantidade de energia do que pela posição, velocidade ou trajetória. d) As concepções do modelo atômico de N. Böhr sobre as trajetórias circulares bem definidas dos elétrons em um átomo foram comprovadas experimentalmente. e) O movimento do elétron não é alterado quando fótons de grande quantidade de energia colidem com ele, entretanto possibilita a determinação precisa da velocidade e da posição dessa partícula.

B08  Modelo Atual de Átomo

02. (UERN) Durante anos, os cientistas desvendaram os mistérios que envolviam o átomo. Sem desprezar os conceitos anteriores, cada um foi criando o seu próprio modelo atômico a partir da falha do modelo anterior, ou simplesmente não explicava. Com o cientista dinamarquês Niels Böhr, não foi diferente, pois ele aprimorou o modelo atômico de Rutherford, utilizando a teoria de Max Planck, e elaborou sua própria teoria nos seguintes fundamentos, EXCETO: a) Não é possível calcular a posição e a velocidade de um elétron num mesmo instante. b) Os elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas circulares, com energia fixa e determinada. c) Os elétrons movimentam-se nas órbitas estacionárias e, nesse movimento, não emitem energia espontaneamente. d) Quando o elétron recebe energia suficiente do exterior, ele salta para outra órbita. Após receber essa energia, o elétron tende a voltar à órbita de origem, devolvendo a energia recebida (na forma de luz ou calor). 03. (Udesc SC) Assinale a alternativa correta sobre o modelo atômico atual. a) O número de prótons é sempre igual ao número de nêutrons, em todos os átomos. b) Os elétrons se comportam como partículas carregadas, girando ao redor do núcleo em órbitas definidas.

246

c) A descrição probabilística de um elétron em um orbital p gera uma forma esférica em torno do núcleo. d) Orbital é a região mais provável de se encontrar o elétron a uma certa distância do núcleo. e) Os átomos são formados pelas partículas elétrons, prótons e nêutrons, cujas massas são semelhantes. 04. (UFGD MS) No modelo atômico da mecânica quântica, os elétrons são descritos por quatro diferentes números quânticos: número quântico principal; número quântico secundário; número quântico magnético; número quântico de spin. Assinale a alternativa que apresenta, respectivamente, os significados físicos desses números. a) Tamanho do átomo; probabilidade de encontrar o elétron; magnetismo do átomo; rotação do elétron em torno de si mesmo. b) Raio nuclear; região de probabilidade; magnetismo do átomo e rotação do elétron em torno do átomo. c) Atração dos elétrons pelo núcleo; forma plana da região que o elétron ocupa; magnetismo do átomo; rotação do elétron em torno do núcleo. d) Nível principal de energia do elétron; forma espacial da região que o elétron ocupa; orientação espacial do orbital atômico e rotação do elétron em torno do si mesmo. e) Energia do elétron; forma espacial do orbital molecular; orientação espacial do orbital; rotação do elétron em torno de si mesmo. 05. (UFCG PB) Considerando a tabela abaixo: Números Quânticos n

Conjunto 1

-2

+1/2

Conjunto 2

+1/2

Conjunto 3

-1/2

Conjunto 4

+1/2

Conjunto 5

-2

-1

Assinale a alternativa correta. a) Os conjuntos 1, 3 e 5 representam configurações impossíveis para um elétron em um átomo. b) Os conjuntos 1 e 4 representam configurações possíveis para um elétron em um átomo. c) Os conjuntos 2 e 4 representam configurações possíveis para um elétron em um átomo. d) Os conjuntos 4 e 5 representam configurações impossíveis para um elétron em um átomo. e) Os conjuntos 1, 2 e 3 representam configurações possíveis para um elétron em um átomo.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

tado fundamental é 1s 2s 2p . Considerando o último subnível 2

dessa configuração eletrônica assinale a única alternativa que contém os valores dos números quânticos principal, secundário, magnético e de spin para o último elétron desse subnível. a) 2, 0, +1 e +1/2. b) 2, 1, -1 e +1/2. c) 4, 2, +1 e -1/2 d) 4, 0, -1 e +1/2. e) 0, -1, +1/2, 2. 07. (UFT TO) Quais são os quatro números quânticos principal(n), azimutal (), magnético (m) e de momento angular orbital (ms), para a configuração 4p2? a) n = 4;  = 0; m = 0; ms = –1/2 b) n = 4;  = 0; m = –1; ms = –1/2 c) n = 4;  = 1; m = –1; ms = +1/2 d) n = 4;  = 1; m = 0; Ms = +1/2 08. (UEPG PR) Os números quânticos fornecem informações acerca das propriedades do elétron em um determinado orbital. Com relação aos números quânticos: principal (n), secundário ou azimutal (), magnético (m) e de spin (ms), assinale o que for correto. 01. Em uma camada com n = 4, existem 4 subcamadas ( = 0,

10. (Fei SP) São valores compatíveis, respectivamente, com os números quânticos principal, azimutal e magnético do elétron mais energético do átomo de número atômico 31, no estado fundamental: a) n = 3 =1 m=0 b) n = 4 =1 m = -1 c) n = 5 =3 m=2 d) n = 4 =2 m = -2 e) n = 4 =2 m = -1 11. (FCChagas BA) Conforme as regras que regulam os valores dos quatro números quânticos, qual dos seguintes conjuntos é possível? a) n = 2 =0 m = +2 s = +1/2. b) n = 2 =0 m = +2 s = -1/2. c) n = 2 =2 m=0 s = +1/2. d) n = 3 =2 m = +3 s = -1/2. e) n = 4 =2 m = -1 s = +1/2. 12. (Unimep SP) Qual dos seguintes conjuntos de números quânticos (citados na ordem n, , m, S) é impossível para um elétron num átomo? a) 4, 2, 0, + 1/2. d) 4, 3, 0, -1/2. b) 3, 3, -2, - 1/2. e) 3, 2, -1 + 1/2. c) 2, 1, -1, + 1/2. 13. (UFF RJ) Considere os casos:

1, 2, 3) e portanto 4 orbitais.



-2

04. O elétron de diferenciação para um átomo com z = 23 pos-

sui a seguinte série de números quânticos: n = 3,  = 2, m

-1

08. Um elétron no orbital 2s pode ser representado pelo se-

guinte conjunto de números quânticos: n = 2,  = 1, m = 1,

-2

02. Os números quânticos, n = 3 e  = 2, designam o orbital 3d, no qual podem ser acomodados no máximo 10 elétrons.

= –1, ms = +1/2.

ms = +1/2. 16. Quando n = 2 são permitidos os seguintes valores para o número quântico secundário:  = 0 e  = 1. 02-16 09. (Uem PR) Assinale o que for correto. 01. Os números quânticos de spin variam de - a +, passando por zero. 02. O número quântico magnético indica a energia do elétron no subnível. 04. O número quântico principal indica a energia do elétron no orbital. 08. O movimento do elétron ao redor do núcleo atômico gera um campo magnético externo, e o movimento do elétron em torno de seu próprio eixo gera outro campo magnético. 16. A região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron em um subnível s é uma região esférica. 08-16

Dessas designações para estados quânticos, as que não descrevem um estado característico (permitido) para um elétron num átomo são: a) 1 e 4 c) 2 e 3 e) 3 e 5 b) 1 e 5 d) 3 e 4 14. (Fesp PE) O último elétron distribuído de um átomo de um determinado elemento químico tem a ele associado os seguintes números quânticos: 4, 0, 0 e + 1/2. É correto afirmar que: a) o átomo tem seus elétrons distribuídos em três camadas de energias. b) o átomo tem dez elétrons distribuídos em orbitais p. c) o último elétron distribuído desse átomo encontra-se em um orbital do tipo s. d) o número total de elétrons desse átomo é igual a 16. e) o valor numérico do número quântico secundário associado ao penúltimo elétron desse átomo é igual a 2. 247

B08  Modelo Atual de Átomo

06. (UFRR) A configuração eletrônica do átomo de oxigênio no es-

FRENTE

QUÍMICA

Gabarito 03. a) No modelo atômico de Niels Böhr, existem elétrons circulando em órbitas ao redor de um pequeno núcleo positivo de grande massa. É o famoso “modelo atômico planetário” análogo ao sistema solar. b) Submetido à descarga elétrica, o elétron passa para uma órbita mais afastada do núcleo e mais energética. Ao retornar à órbita original, a energia absorvida é emitida na forma de radiação eletromagnética.

Exercícios de Aprofundamento 01. As três ondas eletromagnéticas representadas por X, Y e W são referentes às luzes emitidas por um átomo de hidrogênio que foi excitado. Admitindo que as ondas correspondem à transição entre os três primeiros níveis de energia do hidrogênio, quais correspondências entre o gráfico e as ondas são verdadeiras e quais são falsas ?

03. A frequência de onda do fóton emitido no retorno do nível 2 para o nível 1 é aproximadamente igual a 2,5×1015Hz. 04. A energia absorvida por um elétron, para ionizar o átomo de hidrogênio, é igual a 20,4eV. 05. A energia liberada por átomos de hidrogênio, ao transferir elétrons para o oxigênio na síntese da água, é igual a 13,6eV. 03 03. O sucesso do modelo atômico de Niels Böhr estava na explicação da emissão de luz pelos átomos. A emissão de luz é provocada por uma descarga elétrica por meio do gás sob investigação. Böhr desenvolveu um modelo do átomo de hidrogênio que lhe permitiu explicar esse fenômeno.

00. 01. 02. 03. 04.

B corresponde a Y. A corresponde a X. C corresponde a W. D corresponde a W. E corresponde a X. V-F-F-V-F

a) Descreva o modelo de Böhr. b) Descreva o que ocorre, segundo o modelo do átomo de Böhr, com o elétron do hidrogênio quando submetido à descarga elétrica. 04. (UEFS BA)

02.

O modelo de átomo de Ernest Rutherford, proposto em 1911, embora tenha esclarecido satisfatoriamente os resultados de experiências de dispersão de partículas alfa, α, não explicou os espectros atômicos. Niels Böhr propôs um novo modelo mais completo, que conseguiu esclarecer o espectro de linhas, como os representados na figura.

RAMALHO JUNIOR, F. et al. Os fundamentos da Física. Livro do professor. v. 3 , São Paulo: Moderna 8 ed, s/d, p.408.

A figura representa níveis de energia de um elétron em um átomo de hidrogênio, um dos componentes de compostos orgânicos. Considerando-se a constante de Planck, h, igual a 4,14×10–15 eV⋅s e com base nos postulados de Böhr, é correto afirmar: 01. A atração magnética provê a um elétron aceleração centrípeta necessária para girar ao redor do núcleo do átomo de hidrogênio, descrevendo movimento circular variável. 02. A energia cinética do elétron que se encontra no estado estacionário fundamental é igual a 2F⋅rB, sendo F a força de atração eletrostática e rB, o raio de Böhr. 248

Em seu modelo, Böhr incluiu uma série de postulados capazes de explicar corretamente as linhas do espectro atômico dos elementos químicos, tais como: a) cada um dos níveis atômicos possui valores de energia variáveis. b) um elétron, quando excitado, permanece entre dois níveis de energia. c) o elétron emite luz visível, ao passar de um nível para outro de maior energia. d) a energia dos elétrons não é quantizada em razão dos diversos níveis existentes no átomo. e) os elétrons excitados, ao retornarem aos níveis iniciais, liberam energia, sob a forma de ondas eletromagnéticas, como luz visível e ultravioleta.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

05. O metais gálio e rubídio apresentam algumas características si-

a) [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p2.

milares. Eles são visualmente parecidos e, em ambientes com

b) [Xe] 6s2 4f14 5d10.

temperatura acima de 40 °C, são encontrados na fase líquida.

c) [Xe] 4f14 5d9 6p1.

Apesar disso, podemos observar diferenças se compararmos

d) [Xe] 6s1 4f14 5d10 6p1.

a distribuição eletrônica de seus átomos. Escreva em seu ca-

e) [Xe] 6s2 4f14 5d8 6p2.

derno a distribuição eletrônica em subníveis desses metais de acordo com a ordem crescente de energia: a) Ga (Z = 31)

a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1

b) Rb (Z = 37) 06. (UEFS BA) Na configuração eletrônica de um elemento quími-

09. (UFC CE) Considere três átomos A, B e C. Os átomos A e C são isótopos; os átomos B e C são isóbaros e os átomos A e B são isótonos. Sabendo que o átomo A tem 20 prótons e número de massa 41 e que o átomo C tem 22 nêutrons, os números quânticos do elétron mais energético do átomo B são:

co, há dois elétrons no subnível 3d. O número atômico desse

a) n = 3

=0

m=1

s = -1/2

elemento é:

b) n = 3

 =2

m = -2

s = -1/2

c) n = 3

 =2

m=0

s = -1/2

d) n = 3

 =2

m = -1

s = -1/2

e) n = 4

 =0

m=0

s = -1/2

a) 18 b) 20 c) 21 d) 22 e) 40

10. (UFPI) Indique a alternativa que representa um conjunto de números quânticos permitidos:

07. (Uesc BA) A cor das pedras preciosas decorre da presença

a) n = 3

=0

m=1

s = +1/2

de íons na estrutura química dessas gemas. O rubi tem a cor

b) n = 3

m=1

s = +1/2

vermelha em razão da presença de íons Cr3+, e as safiras apre-

 =4

c) n = 3

=3

m=0

s = +1/2

sentam cores variadas atribuídas aos íons Co2+ e Fe2+, dentre

d) n = 3

m=1

s = +1/2

outros. A distribuição eletrônica desses íons obedece ao prin-

 =2

e) n = 4

=0

m=3

s = -1/2

cípio da energia mínima. Assim, os elétrons são colocados nos subníveis de menor energia no átomo. 04 Considerando-se a tendência à energia mínima na distribuição

11. (UEPB) O diagrama abaixo representa a distribuição eletrônica do átomo de níquel.

eletrônica, é correto afirmar que: 01. A distribuição eletrônica do íon Cr3+ é representada por [Ar] 4s1 3d2. 02. Os elétrons de maior energia no íon Co2+ apresentam a configuração eletrônica 4s2. 03. A configuração eletrônica do íon Fe2+ é representada por [Ar] 3d6 4s2. 04. A configuração eletrônica do íon Co2+ é representada por [Ar] 3d7. de ferro é representada por 3d8. 08. (UFMS) Uma grande fabricante mundial de brinquedos anunciou recentemente uma chamada aos clientes devido à necessidade de substituição de alguns de seus produtos (recall), com elevados teores de chumbo presentes no pigmento utilizado nas tintas aplicadas nesses brinquedos. O chumbo, na sua forma catiônica possui elevada toxicidade, afetando principalmente a síntese da hemoglobina nos organismos. Sabendo-se que o número atômico (Z) do chumbo é 82 e do xenônio é 54, assinale a alternativa que apresenta a configuração eletrônica correta para o cátion bivalente do chumbo.

Assinale a alternativa que corresponde ao conjunto dos números quânticos do elétron de diferenciação desse átomo e o seu numero atômico. Obs.: considerar ↓ = -1/2 a) n = 3;  = 2 ; m = +2; s = +1/2 e Z = 31 b) n = 1;  = 0 ; m = 0; s = -1/2 e Z = 29 c) n = 3;  = 0 ; m = -1; s = +1/2 e Z = 30 d) n = 1;  = 1 ; m = +1; s = -1/2 e Z = 27 e) n = 3;  = 2 ; m = 0; s = -1/2 e Z = 28

249

FRENTE B  Exercícios de Aprofundamento

05. A configuração eletrônica da camada de valência do átomo

FRENTE

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QUÍMICA Por falar nisso A produção industrial de medicamentos obedece a um rigoroso controle de qualidade dos princípios ativos medicamentosos. Para que um medicamento obtenha os resultados esperados e seja eficaz, uma proporção, geralmente em massa, entre a massa de princípio ativo e a massa do paciente, deve ser atendida. Do contrário, o medicamento pode conduzir a graves intoxicações nos pacientes. No Brasil, o controle dessas proporções é feito pela Anvisa e demais órgãos reguladores, os quais fazem testes de controle de qualidade para atestar se um produto está dentro das especificações estabelecidas. As proporções em massa, quantidade de matéria, volume e quantidade de átomos são estudadas por um ramo da química chamado de cálculo estequiométrico. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C05 C06 C07 C08

Cálculo estequiométrico envolvendo massa, mol e volume........252 Cálculo estequiométrico envolvendo reagente limitante..................257 Cálculo estequiométrico envolvendo pureza ..............................262 Cálculo estequiométrico envolvendo rendimento.......................266

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C05

ASSUNTOS ABORDADOS nn Cálculos estequiométricos nn Lei de Lavoisier nn Lei de Proust nn Relações estequiométricas

CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS As transformações químicas para formar novos produtos começaram a ser entendidas dentro do método científico com as leis ponderais. Lavoisier, Proust, Dalton e outros contribuíram de forma assertiva para o entendimento desses processos. Pela Lei de Lavoisier, a massa dos reagentes, quando transformada em produtos, sempre se mantém constante. Por outro lado, a lei de Proust, também chamada de lei das proporções constantes, nos permite fazer previsão de valores de massa de um ou outro participante (reagente e/ou produto) em uma transformação química.

Lei de Lavoisier Em seu Tratado Elementar de Química, Lavoisier afirma:

#Conceito Axioma: É a sentença ou afirmação que não exige demonstração ou prova, mas que é considerada consenso inicial para a aceitação ou construção de uma teoria.

“Podemos estabelecer como um axioma que, em todas as operações da arte e da natureza, nada se cria; uma quantidade igual de matéria existe antes e depois do experimento; a qualidade e a quantidade dos elementos permanecem precisamente as mesmas; e nada ocorre além de variações e modificações na combinação dos elementos. Deste princípio depende toda a arte de executar experimentos químicos: devemos sempre supor uma igualdade exata entre os elementos do corpo examinado e aqueles dos produtos de sua análise”. Desse enunciado, surgiram, mais tarde, frases que não são de sua autoria, tais como: “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Exemplo: Quando misturamos 16 g de metano com 64 g de oxigênio, obtemos 44 g de dióxido de carbono e 36 g de água pela reação: metano + oxigênio → dióxido de carbono + água

Admitindo que o sistema seja fechado e que não haja troca de matéria com o meio externo, podemos somar as massas dos reagentes e verificar que esse resultado é igual à soma das massas dos produtos. Dessa forma, a massa é conservada, obedecendo à lei de Lavoisier.

Lei de Proust Por volta de 1800, o químico francês Joseph Louis Proust (1754 - 1826) fez a observação experimental de que a composição elementar de uma substância pura é sempre a mesma, estabelecendo a lei da composição constante ou lei das proporções definidas. Assim, independentemente do modo como se prepara um composto químico puro, seja em laboratório ou na natureza, sua composição e suas propriedades são sempre as mesmas. Quando os elementos químicos, sob a forma de substâncias, se combinam para formar outra substância, eles sempre o fazem em uma proporção fixa ou constante e definida.

252

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exemplos: Quando misturamos 200 g de mercúrio com 16 g de oxigênio, obtemos 216 g de óxido de mercúrio pela reação: mercúrio + oxigênio → óxido de mercúrio 200 g

16 g

216 g

Assim, no óxido, temos: Massa de mercúrio 200 25 = = Massa de oxigênio 16 2 Quando misturamos 75 g de mercúrio com 6 g de oxigênio, obtemos 81 g de óxido de mercúrio pela reação: mercúrio + oxigênio → óxido de mercúrio 75 g

81 g

Assim, no óxido, temos: Massa de mercúrio 75 25 = = Massa de oxigênio 6 2 Desse modo, podemos perceber que, independentemente da maneira como o óxido de mercúrio é formado, a proporção entre o mercúrio e o oxigênio é sempre de 25 : 2. A lei de Proust é a base dos cálculos estequiométricos. Por meio dela, podemos estabelecer uma regra de três e determinar a massa de um ou outro participante de uma reação química.

Relações estequiométricas Por meio de uma equação química, estequiometricamente balanceada, podemos estabelecer as possíveis relações entre os reagentes e os produtos. Não existe um caminho fixo a seguir. Os cálculos estequiométricos dependem da interpretação de dados fornecidos e por isso são realizados de diversas maneiras. Podemos empregar, assim, uma sequência de operações matemáticas para chegar ao resultado final. Por exemplo, considere a combustão completa do gás metano nas condições normais de temperatura e de pressão (CNTP). 1 CH4(g) + 2 O2(g) → 1 CO2 (g) + 2 H2O(v) Durante a combustão do gás metano, não temos como medir diretamente, no laboratório, a quantidade de matéria de oxigênio consumida. Mas podemos medir o volume de O2 gasto (admita 44,8 L). Qual a quantidade de matéria de gás metano consumida nesse processo? C05  Cálculos estequiométricos

Dados: VM = 22,4 L/mol Observe que a equação nos dá a proporção estequiométrica em quantidade de matéria de cada um dos participantes da reação. Porém, para a resolução, precisamos apenas das substâncias metano e gás oxigênio (1 mol CH4 : 2 mol O2). Mas o dado relativo ao oxigênio foi fornecido em volume e, portanto, devemos convertê-lo em mol, ou então utilizar o valor do volume molar diretamente na equação. Qual caminho seguir? Os dois caminhos nos levam ao mesmo resultado.

253

Química

Primeiro caminho Passo 1 Cálculo da quantidade de matéria de oxigênio em função do volume molar: 1 mol O2 ------------------------ 22,4 L x ------------------------ 44,8 L → x = 2 mol de O2

Passo 2 Cálculo da quantidade de matéria de metano em função da quantidade de matéria de oxigênio: 1 mol CH4 ------------------------ 2 mol de O2 y ------------------------ 2 mol de O2 y = 1 mol de CH4

Segundo caminho Cálculo da quantidade de matéria de metano em função do volume molar do oxigênio: 1 mol CH4 ------------------------ 2 ⋅ 22,4 L de O2 y ------------------------ 44,8 L de O2 y = 1 mol de CH4

Dessa forma, a escolha do caminho a seguir e a relação que deve ser estabelecida ficam a critério de uma leitura cuidadosa e interpretativa. O quadro a seguir estabelece as principais grandezas que podemos relacionar. proporção em

1 CH4(g)

quantidade de matéria

1 mol

2 mol

1 mol

2 mol

massa

16 g

64 g

44 g

36 g

moléculas

6 ⋅ 1023

12 ⋅ 1023

6 ⋅ 1023

12 ⋅ 1023

volume

22,4 L

2 O2 (g)

44,8 L

→

1 CO2 (g)

22,4 L

2 H2O(g)

44,8 L

C05  Cálculos estequiométricos

Exercícios de Fixação 01. (FPS PE) O limite máximo de “ingestão diária aceitável” (IDA) de aspartame é de 40 mg por kg de massa corporal. Se um sachê de 0,8 g de adoçante contém apenas 30 mg de aspartame, qual o número de sachês que uma pessoa com 60 kg pode ingerir para atingir o limite máximo de IDA? a) 80 c) 20 e) 60 b) 3 d) 10 02. (Ufscar SP) Considere a seguinte reação: 4 Al (s) + 3 O2 (g) → 2 Al2O3 (s) Sabendo que a massa molar do alumínio é igual a 27 g/mol, a quantidade de óxido de alumínio, em mol, formado numa reação em que foram colocados 10 g de A para reagir com excesso de O2 é, aproximadamente, igual a

254

a) 0,7. b) 0,6. c) 0,4.

d) 0,2. e) 0,1.

03. (FGV SP) O hidrogenossulfito de sódio, NaHSO3, é um insumo usado na indústria de fabricação de papel e de curtume. Pode ser obtido a partir da reação representada na seguinte equação: Na2CO3(aq) + 2 SO2(g) + H2O(l) → 2 NaHSO3(aq) + CO2 (g) A quantidade máxima de NaHSO3, em mol, produzida a partir de 42,4 toneladas de Na2CO3, é a) 4 x 104. d) 8 x 105. 5 b) 4 x 10 . e) 8 x 106. 4 c) 8 x 10 .

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

04. (FPS PE) A equação de combustão não balanceada da glicose é apresentada a seguir. Qual é a massa, em gramas, de glicose que precisa ser consumida para gerar 54 g de água? C6H12O6(s) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g) As massas molares em g/mol são: H = 1; C = 12; O = 16. a) 90 b) 9 c) 18 d) 180 e) 54 05. (Ufam AM) O sulfato de alumínio A2(SO4)3 é um produto químico amplamente utilizado na indústria de papel e nas estações de tratamento de água. O A2(SO4)3 pode ser produzido reagindo bauxita, rica em A2O3 com ácido sulfúrico H2SO4, de acordo com a reação não balanceada: A2O3 + H2SO4 → A2(SO4)3 + H2O Partindo-se de 306 g de A2O3 e quantidade de H2SO4 suficiente, a quantidade máxima de A2(SO4)3 formada é: a) 536 g b) 684 g c) 898 g d) 1026 g e) 1280 g

06. (Unimontes MG) Uma maneira de reduzir a poluição do ar é remover os gases poluentes em potencial de um fluxo de exaustão antes que eles sejam liberados para o ar. Assim, o dióxido de carbono pode ser removido de um fluxo de gás, reagindo-o com óxido de cálcio como mostra a equação: CO2(g) + CaO(s) → CaCO3(s). Ao reagir 5,5 L de gás carbônico, nas condições normais de temperatura e pressão, com excesso de óxido de cálcio, a massa de carbonato de cálcio formada equivale, aproximadamente, a a) 12,3 g b) 22,7 g c) 24,6 g d) 22,4 g 07. (UERN) A combustão do gás propano resulta em gás carbônico e água, de acordo com a reação apresentada. Se 1 litro de gás propano reagir na presença de 8 litros de gás oxigênio, ambos nas mesmas condições de temperatura e pressão, é correto afirmar que o volume final, em litros, da mistura resultante será: a) 4 b) 7 c) 10 d) 13

C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(g)

Exercícios Complementares

02. (Ufscar SP) O etanol, proveniente da cana-de-açúcar, é um combustível de fonte renovável. A queima do etanol praticamente não contribui para o aumento do gás do efeito estufa, como ocorre com a queima da gasolina, que é um combustível de fonte não renovável. A equação da reação de combustão do etanol é representada na equação:

CH3CH2OH () + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O () Na combustão completa de 2 mol de etanol, a massa produzida de CO2, em gramas, é: a) 22 b) 44 c) 88 d) 132 e) 176 03. (UFPR) O palito de fósforo é um dos artigos mais úteis no nosso cotidiano. Na sua composição, possui fósforo vermelho, enxofre e clorato de potássio. A cabeça de um palito de fósforo pesa aproximadamente 0,05 g. A reação que ocorre na queima da cabeça de fósforo está representada a seguir: 3 P4 + S + 10 KCO3 + O2 → 3 P4O10 + 10 KC + SO2 O cheiro característico de “fósforo queimado” se deve ao dióxido de enxofre formado. Dados: No palito de fósforo, os componentes estão em quantidades estequiométricas. M (g mol–1): C = 35,5; K = 39; O = 16; P = 31; S = 32.

255

C05  Cálculos estequiométricos

01. (Unicamp SP) Quando uma tempestade de poeira atingiu o mar da Austrália em 2009, observou-se que a população de fitoplâncton aumentou muito. Esse evento serviu de base para um experimento em que a ureia foi utilizada para fertilizar o mar, com o intuito de formar fitoplâncton e capturar o CO2 atmosférico. De acordo com a literatura científica, a composição elementar do fitoplâncton pode ser representada por C106N16P. Considerando que todo o nitrogênio adicionado ao mar seja transformado em fitoplâncton, capturando o gás carbônico da atmosfera, 1 (uma) tonelada de nitrogênio seria capaz de promover a remoção de, aproximadamente, quantas toneladas de gás carbônico? Dados de massas molares em g mol–1: C = 12; N = 14 e O = 16. a) 6,6 c) 5,7 b) 20,8 d) 1696

Química

A massa (em g) de dióxido de enxofre produzido ao queimar uma cabeça de fósforo é aproximadamente: a) 3 × 10–2. b) 9 × 10–3. c) 2 × 10–3. d) 9 × 10–4. e) 4 × 10–5. 04. (Unesp SP) Os hidretos dos metais alcalinos-terrosos reagem com água para produzir hidrogênio gasoso, além do hidróxido correspondente. Por isso, tais hidretos podem ser utilizados para inflar salva-vidas ou balões. Escreva a equação química balanceada e calcule o volume de hidrogênio produzido a 27 oC e 1,0 atm, pela reação de 84,0 g de hidreto de cálcio, CaH2, com água. Dados: Ca = 40; H = 1; O = 16. R = 0,082atm.L/mol.K CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2 ,

V = 98,52L

05. (UNISC RS) O GNV (Gás Natural Veicular) é composto principalmente de metano. A reação de combustão do metano pode ser descrita como: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) Na combustão de 160 g de metano, a) são consumidos 640 L de oxigênio nas CNTP. b) são formados 36 g de água. c) são liberados na atmosfera 44 litros de CO2. d) são formados 440 g de CO2. e) a massa total de produtos formados será de 224 g. 06. (Udesc SC) O silício é o segundo elemento mais abundante, depois do oxigênio, na crosta da Terra. Ele ocorre como SiO2 em uma enorme variedade de minerais silicatos. O elemento é obtido pela reação do SiO2 fundido em presença de carbono a altas temperaturas, liberando um gás, conforme reação a seguir:

C05  Cálculos estequiométricos

SiO2() + 2 C(s) → Si() + ____(g) Considerando a reação acima, assinale a alternativa que completa corretamente a equação. a) É gerado 1 mol do gás CO, devido à reação de oxirredução. b) São gerados 2 mol do gás CO, devido à redução do carbono. c) São gerados 2 mol do gás CO2, devido à oxidação do carbono. d) São gerados 2 mol do gás CO, devido à oxidação do carbono. e) São gerados 2 mol do gás CO2, devido à redução do carbono. 07. (UEFS BA) As equações químicas I e II representam resumidamente, o processo de obtenção do níquel a partir de sulfeto de níquel.

256

I. II.

Ni2S3(s) + 4 O2(g)  → 2 NiO(s) + 3 SO2(g) ∆ NiO(s) + C(s)  → Ni() + CO(g) ∆

Considerando-se essas equações químicas I e II, é correto afirmar: a) A quantidade de matéria de sulfeto de níquel necessária à produção de 59,0 g de níquel metálico é de 1,0 mol. b) O volume de SO2(g) produzido nas CNTP, durante a obtenção de 1,0 mol de níquel, é igual a 67,2L. c) A equação química II representa a reação de síntese do níquel. d) A reação representada pela equação química I é de oxirredução. e) Os óxidos NiO(s) e CO(g) são óxidos ácidos. 08. (Puc Campinas SP) Um dos álcoois mais comuns, o etanol, queima completamente segundo a reação C2H6O () + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O (g) Considerando que todos os produtos dessa reação são gasosos, o volume de gás total, em m3, produzido quando é queimado 1,0 kg de etanol, nas CNTP, é de, aproximadamente, Dados: Massas molares (g.mol–1). H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0; Volume molar, nas CNTP = 22,4 L.mol–1 a) 1,3. b) 2,4. c) 3,3. d) 5,8. e) 7,2. 09. (IF SP) Hidróxido de magnésio, princípio ativo do “leite de magnésia”, ao ser aquecido prolongadamente, em temperatura elevada, produz óxido de magnésio sólido e água no estado gasoso. Em um experimento, o hidróxido de magnésio foi colocado em um cadinho de massa igual a 30,0 g. Determinou-se a massa do conjunto “cadinho + hidróxido de magnésio”, obtendo-se o valor 35,83 g. Em seguida, o cadinho e seu conteúdo foram aquecidos prolongadamente. Após o aquecimento, determinou-se novamente a massa do conjunto, obtendo-se o valor 34,03 g. A massa de óxido de magnésio produzida nesse experimento foi, em gramas, igual a a) 1,80. b) 4,03. c) 5,83. d) 6,76. e) 9,86.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C06

REAGENTE LIMITANTE Quando estudamos uma transformação química, podemos observar aspectos qualitativos e quantitativos. Os aspectos qualitativos estão relacionados com as mudanças de propriedades químicas dos compostos, comprovando a ocorrência das reações. Já os aspectos quantitativos estão relacionados com a estequiometria das reações, como cálculo de massa, de quantidade de matéria e de volume.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Reagente limitante

Podemos dizer que os cálculos estequiométricos tratam das quantidades envolvidas nas transformações químicas. Quando dizemos “proporções químicas” significa que reagentes estão em quantidades adequadas para reagir e formar novos compostos. No nosso cotidiano, os cálculos de proporções estão presentes em praticamente tudo. O preparo de um alimento com tempero adequado, por exemplo, envolve diversas proporções, como quantidade de sal, condimento, ervas aromáticas e óleo vegetal. Já numa indústria química, a produção está diretamente relacionada com a estequiometria de reagentes e produtos. Os custos de um medicamento em uma indústria farmacêutica dependem, dentre outros fatores, da quantidade de matéria do princípio ativo e do excipiente gasto na sua síntese, do custo da energia elétrica, da embalagem utilizada, da distribuição e da divulgação nos meios de comunicação. Assim, os cálculos de proporções devem estar relacionados aos processos químicos para garantir o funcionamento e a sustentabilidade de uma indústria. Nesse contexto, o objetivo de uma reação química na indústria é garantir que os reagentes sejam consumidos na sua totalidade e os produtos sejam obtidos na quantidade máxima. Mas nem sempre isso é possível. A obediência completa à estequiometria durante a reação é rara e quase sempre temos que utilizar uma quantidade maior de um dos reagentes para que o outro seja completamente consumido. O reagente encontrado em menor quantidade e integralmente consumido é chamado reagente limitante, enquanto o outro reagente é denominado reagente em excesso. Como determinar se há reagente limitante? Considere, por exemplo, que, durante a reação de oxidação da amônia sobre uma tela metálica de platina, temos a seguinte reação: 4 NO(g) + 6 H2O(g) 4 NH3(g) + 5 O2(g) Pt As quantidades de reagentes colocadas em contato para reagir são 44 mol de NH3 e 23,4 mol de O2. Em relação a esse sistema, existe reagente limitante? Podemos responder a essa pergunta estabelecendo um cálculo estequiométrico, ou seja, a proporção em mol entre os reagentes é de 4 : 5. Porém, a quantidade de matéria colocada para reagir está na proporção de 44 : 23,4. Logo, podemos determinar o reagente limitante da seguinte maneira: 4 mol NH3 ------------------------ 5 mol de O2 X ------------------------ 23,5 mol de O2 X = 18,8 mol de NH3 Como estão disponíveis 44 mol de NH3 e a reação só consome 18,8 mol, podemos dizer que o NH3 está em excesso e o O2 é o reagente limitante. 257

Química

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Reações utilizando o ar atmosférico

Figura 01 - Nos motores automotivos é de extrema importância se fazer com frequência o processo de regulagem. Essa técnica permite uma combustão mais completa dos combustíveis, diminuindo o lançamento de fuligem e outros materiais de impactos ambientais. Na imagem acima, vemos uma grande quantidade de particulados fuliginosos sendo lançados do escapamento de um veículo.

Figura 02 - Nas reações de combustão, geralmente o oxigênio é o reagente limitante.

Diversas reações químicas envolvem o ar atmosférico. Seja na queima de combustíveis fósseis – petróleo e carvão –, seja na reação de oxidação de uma barra metálica, o ar atmosférico participa fornecendo o oxigênio responsável por essas reações. A atmosfera é uma mistura gasosa de composição 78% de nitrogênio (N2), 21% de oxigênio (O2), 1% de Argônio (Ar), vapor d’água, dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e outros gases, como o metano (CH4). Entretanto, a ação humana fez aumentar desde os anos 1850 a emissão de dióxido de carbono, que foi intensificada no século XX, principalmente pela combustão de carvão e de derivados de petróleo.

C06  Reagente limitantes

SAIBA MAIS No limiar da Revolução Industrial, a concentração de CO2 na atmosfera era de 280 ppm (partes por milhão); atualmente a concentração desse gás é superior a 360 ppm. O teor de metano passou de 700 ppb (partes por bilhão) para 1700 ppb, e a concentração de óxido nitroso subiu de 285 ppb para 315 ppb. O aumento da concentração desses gases contribuiu para o aumento da temperatura média do planeta. É o efeito estufa: a atmosfera é transparente à radiação solar, mas absorve a radiação na faixa do infravermelho e aquece o planeta.

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De maneira aproximada, podemos dizer que a proporção entre oxigênio e ar atmosférico é, respectivamente, de 1 : 5. Isso é importante nos cálculos estequiométricos em que o ar atmosférico participa. Por exemplo, considerando a reação de queima do gás propano, um dos componentes do gás de cozinha (GLP- gás liquefeito de petróleo), tem-se: 1 C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Para cada 1 mol de gás propano (C3H8) são necessários 5 mol de O2. Considerando que o volume molar seja de 22,4 L, podemos determinar o volume de gás oxigênio para queimar 1 mol de C3H8, ou seja, VO2 =× 5 22,4 ∴ VO2 = 112 L

Para se determinar o volume de ar atmosférico, devemos lembrar que o oxigênio participa com 20% do na composição do ar, ou seja, a proporção é de: VO2 1 112 1 = ∴ = ∴ Var =560 L Var 5 Var 5 Portanto, para se queimar 1 mol de C3H8 (44g desse gás) são necessários 560 L de ar atmosférico.

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Exercícios de Fixação

02. (Ibmec RJ) Em um laboratório, foram postos para reagir 5 mol de N2(g)com 12 mol de H2(g), em um recipiente fechado de x litros de capacidade, a certa temperatura. Sabendo que a equação que representa a reação é: N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) Indique qual a quantidade em mol do reagente em excesso? a) 1 b) 2 c) 3 d) 5 e) 12 03. (Ufal AL) A combustão incompleta de combustíveis fósseis produz monóxido de carbono (CO), que é um gás tóxico que, quando inalado, penetra nos pulmões reduzindo a capacidade do sangue de transportar oxigênio através do corpo, pois o complexo formado com a hemoglobina é mais estável que o formado com o oxigênio. Admitindo que a reação 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) é completa, qual a quantidade de matéria de oxigênio presente no final da reação quando 9,0 mol de monóxido de carbono reagem com 6,0 mol de oxigênio em um recipiente fechado? Dado: C = 12 e O = 16 a) 2,0 b) 3,0 c) 4,5 d) 6,0 e) 1,5 04. (UFRGS RS) A reação completa entre 5,0 g de gás carbônico e 8,0 g de hidróxido de sódio, segundo a equação: CO2 + NaOH → Na2CO3 + H2O produz .......g de carbonato de sódio, restando ......g do reagente colocado em excesso. Os números que preenchem corretamente as lacunas são, respectivamente, a) 10,0 e 0,6 b) 2,0 e 1,0 c) 5,8 e 4,0 d) 10,0 e 3,0 e) 8,3 e 0,6

05. (Uel PR) Considere as informações a seguir. Estão sendo pesquisados, para uso em veículos automotores, combustíveis alternativos a gasolina, pois eles geram níveis menores de poluentes. O propano foi sugerido como um combustível econômico para veículos. Suponha que, num teste, sejam queimados 22,0 kg de C3H8 com 400 kg de ar, produzindo gás carbônico e água conforme a reação: C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Massas molares em g/mol: C3H8 = 44,0; O2 = 32,0. Considerando que no ar se tem 23% em massa de oxigênio, pode-se afirmar que a massa de oxigênio em excesso na reação de combustão do propano é de aproximadamente: a) 320 kg c) 80 kg e) 12 kg b) 92 kg d) 5 kg 06. (UFRGS RS) Quando 56 g de ferro são colocados para reagir com 40 g de enxofre, de acordo com a reação: Fe(s) + S(s) → FeS(s) Dados: Fe = 56; S = 32 Formam-se: a) 40g de FeS e sobram 16g de ferro. b) 56g de FeS e sobram 8g de enxofre. c) 96g de FeS. d) 88g de FeS e sobram 8g de enxofre. e) 40g de FeS e sobram 8g de ferro. 07. (Unesp SP) Considere a reação em fase gasosa: N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) Fazendo-se reagir 4L de N2 com 9L de H2 em condições de temperatura e pressão constantes, pode-se afirmar que: a) Os reagentes estão em quantidades estequiométricas. b) O N2 está em excesso. c) Após o término da reação, os reagentes serão totalmente vertidos em amônia. d) A reação se processa com aumento de volume total. e) Após o término da reação serão formados 8L de NH3. 08. (Mackenzie SP) Conforme a reação abaixo equacionada, NaC(aq) + AgNO3(aq) → AgC(s) + NaNO3(aq). Misturam-se 11,7 g de cloreto de sódio e 34 g de nitrato de prata, resultando em 1 L, após adição de água. A massa que se obtém do precipitado branco vale: Dados: Ag = 108; O = 16; C = 35,5; Na = 23; N = 14.

C06  Reagente limitantes

01. Considerando a combustão completa do óleo diesel em um motor automotivo, é correto afirmar que: a) O oxigênio é o reagente limitante. b) O metano é o reagente limitante. c) O dióxido de carbono é o reagente limitante. d) O metano é o reagente em excesso. e) O oxigênio determina o rendimento da reação.

a) 2,87g b) 28,7g c) 17,0g d) 45,7g e) 34,0g

259

Química

Exercícios Complementares 01. (IF SP) A obtenção de hidrogênio em laboratório pode ser feita pela reação entre zinco metálico e ácido sulfúrico, representada abaixo: Zn (s) + H2SO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + H2 (g) Considerando rendimento de 100 %, a massa, em gramas, de hidrogênio que pode ser obtida pela reação de 130 g de zinco com ácido sulfúrico em excesso é: Massas molares em g/mol: Zn = 65 ; H = 1 a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 02. (Puc RJ) O sulfeto de ferro pode ser usado como matéria-prima para produção de ácido sulfúrico como indicado na reação. 4 FeS + 9 O2 + 4 H2O → 2 Fe2O3 + 4 H2SO4 Numa reação completa e com FeS como reagente limitante, a massa desse sulfeto metálico que mais se aproxima da necessária para produzir 10 mol de H2SO4 é: a) 350 g d) 1260 g b) 720 g e) 1440 g c) 880 g 03. (Udesc SC) Os compostos reduzidos de enxofre, principalmente o sulfeto de hidrogênio (H2S), um gás de cheiro desagradável, são formados por atividade bacteriana anaeróbica em “lixões”. Ele pode ser removido do ar por uma variedade de processos, entre eles, o bombeamento por meio de um recipiente com óxido de ferro (III) hidratado, o qual se combina com sulfeto de hidrogênio: Fe2O3.H2O(s) + 3 H2S → Fe2S3(s) + 4 H2O(l)

C06  Reagente limitantes

Se 208 g de Fe2S3 são obtidos pela reação, qual a quantidade de H2S removida? Considere que Fe2O3.H2O está em excesso e que o rendimento da reação é de 100%. a) 68 g d) 102 g b) 51 g e) 208 g c) 34 g 04. (Uncisal AL) O dióxido de carbono (também conhecido como gás carbônico) é essencial à vida no planeta, visto que é um dos compostos essenciais para a realização da fotossíntese das plantas. Esse gás é liberado no processo de respiração (na expiração) dos seres humanos e também na queima dos combustíveis fósseis (gasolina, diesel, querosene, carvão mineral e vegetal). Considere a formação do gás carbônico (CO2), a partir da queima de carbono (C) em presença de oxigênio (O2). A massa, em gramas, de CO2 que pode ser produzida a partir da mistura de 12 g de C com 34 g de O2 poderá ser, no máximo, a) 34 g. d) 46 g. b) 68 g. e) 88 g. c) 44 g.

260

05. (UFC CE) O ferro metálico pode ser produzido a partir da reação do Fe2O3 com CO de acordo com a seguinte equação química não balanceada: x Fe2O3(s) + y CO(g)  → w Fe(s) + z CO2(g) Considere a reação completa entre 1,60 g de Fe2O3 e 3,00 g de CO e assinale a alternativa correta. a) O reagente limitante dessa reação é o monóxido de carbono. b) A quantidade máxima de ferro metálico produzida será de aproximadamente 1,12 g. c) Após a reação se completar, restará 0,58 g de monóxido de carbono no meio reacional. d) A quantidade máxima de dióxido de carbono produzida será de aproximadamente 4,60 g. e) Se o rendimento for de 80%, serão produzidos aproximadamente 2,50 g de ferro metálico. 06. (UFMG) Considere uma reação hipotética que ocorre em fase gasosa e envolve os reagentes X e Y e o produto Z. Num experimento, foram misturados, em um recipiente, 5 mol de X com 5 mol de Y. Após 1 minuto, nesse recipiente, havia 4 mol de X, 3 mol de Y e 1 mol de Z, como registrado neste quadro:

Início

5 mol

Após 1 min

4 mol

3 mol

1 mol

Suponha que essa reação prossegue até o consumo total do reagente limitante. Considerando-se a quantidade inicial de X e Y, é correto afirmar que a quantidade máxima de Z a ser obtida essa reação é de a) 2,5 mol. b) 3,5 mol. c) 4 mol. d) 5 mol. 07. (UFMS) Assinale a alternativa que indica a massa de cloreto de prata obtida pela adição de excesso de AgNO3 a uma solução aquosa contendo 11,70g de cloreto de sódio. (Massa molar, em g/mol: Ag = 108; N = 14; O = 16; Cl = 35,5; Na = 23). a) 28,7 g. b) 34,0 g. c) 17,0 g. d) 43,5 g. e) 5,85 g.

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Fe2O3(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) Quando 5 mol de Fe2O3 reagem com 16 mol de CO com um rendimento de 100%, pode-se afirmar que o reagente limitante e o número de átomos de Fe formados, respectivamente, nessa reação, serão: a) CO, e são formados 90,30 × 1023 átomos de Fe. b) Fe2O3, e são formados 6,02 × 1023 átomos de Fe. c) Fe2O3, e são formados 60,24 × 1023 átomos de Fe. d) CO, e são formados 72,24 × 1023 átomos de Fe. e) Fe2O3, e são formados 24,08 × 1023 átomos de Fe. 09. (UECE) Quando se aquece uma mistura de dióxido de silício e carbono, ambos sólidos, eles reagem para formar carbeto de silício SiC e monóxido de carbono gasoso. Quando forem usados 75 g de SiO2 e 112,0 g de C, a massa de SiC obtida será: Dados: Si = 28; O = 16; C = 12. a) 40 g b) 50 g c) 60 g d) 80 g 10. (UFV MG) O alumínio (A) reage com o oxigênio (O2) de acordo com a equação química balanceada, a seguir: 4 A(s) + 3 O2(g) → 2 A2O3 (s). A massa, em gramas, de óxido de alumínio (A2O3) produzida pela reação de 9,0 g de alumínio com excesso de oxigênio é: a) 17 b) 34 c) 8,5 d) 9,0 e) 27 11. (UFPE) Considere a reação de produção do álcool metílico com rendimento de 100%. CO(g) + 2H2(g) → CH3OH() . Se 48 g de H2(g) são adicionados a 140 g de CO(g), após a reação podemos concluir que: Dados: C = 12; O = 16 e H = 1. 01. 02. 03. 04. 05.

São produzidos 188 g de álcool metílico. A reação prossegue até consumo total do H2(g). A reação prossegue até consumo total do CO(g). O hidrogênio está em excesso no sistema reagente. No recipiente, estão contidos 5 mol de CH3OH() e 14 mol de H2(g). 03-04-05

12. (UFPR) Em uma experiência na qual metano (CH4) queima em oxigênio, gerando dióxido de carbono e água, foram misturados 0,25 mol de metano com 1,25 mol de oxigênio. Dados: C = 12; O = 16; H = 1 a) Todo o metano foi queimado? Justifique. Sim. O oxigênio está em excesso.

b) Quantos gramas de CO2 foram produzidos? Justifique. 11 g do CO2

13. (UFPB) Gigantes reservas de petróleo foram encontradas recentemente no Brasil. Essas reservas situam-se em regiões de grandes profundidades em águas oceânicas e abaixo de uma camada de sal, por isso, denominadas de pré-sal. Com a exploração dessas reservas, o Brasil aumentará significativamente a produção de petróleo. Após a extração, o petróleo é transportado até as refinarias, onde passará por uma série de processos de purificação denominada de refino, em que o petróleo entra na fornalha, é aquecido e segue para a torre de destilação, onde serão separadas as diversas frações. Considerando a combustão completa do metano em um motor de carro, é correto afirmar: a) O oxigênio é o reagente limitante. b) O metano é o reagente limitante. c) O dióxido de carbono é o reagente limitante. d) O metano é o reagente em excesso. e) O oxigênio determina o rendimento da reação. 14. (Unifor CE) Vários experimentos foram realizados para estudar a reação entre óxido de cálcio e água, produzindo hidróxido de cálcio. A temperatura (Tf), medida ao final de cada reação, está registrada na tabela abaixo:

Quant. de Experimento

óxido de cálcio (mol)

Quant. total Quant. de

de material

Temp. final

água (mol)

reagente

(Tf)

(mol)

1,0

0,0

1,0

20°C

0,8

0,2

1,0

30°C

0,7

0,3

1,0

40°C

1,0

Analisando os dados da tabela e conhecendo a estequiometria da reação, podemos afirmar que a) os valores de X e Y para que a temperatura final da reação seja a maior possível são 0,6 e 0,4, respectivamente. b) o reagente limitante na reação do experimento 3 é o óxido de cálcio. c) a quantidade de produto formado no experimento 2 é de aproximadamente 15 gramas. d) a relação molar estequiométrica na reação do experimento 2 é 4 : 1. e) a reação que ocorre entre o óxido de cálcio e a água é um processo endotérmico. 261

C06  Reagente limitantes

08. (Furg RS) Considere a seguinte reação não balanceada:

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C07

ASSUNTO ABORDADO nn Pureza

PUREZA Não é raro na indústria química um ou outro produto ser submetido ao teste de pureza. Por mais apurada que seja a técnica de produção e de separação dos componentes, é comum as substâncias produzidas apresentarem uma pequena quantidade de outros materiais. Conhecer o grau de pureza de um produto é fundamental tanto na indústria como em nosso cotidiano. Quando usamos um produto, por exemplo, água sanitária, e não chegamos ao resultado esperado, geralmente duvidamos da pureza do material. Para saber do grau de pureza de um produto, podemos verificar o rótulo da embalagem. Normalmente, o valor aparece em porcentagem. Assim, podemos nos deparar com dados como água sanitária a 98%, o que significa dizer que para cada 100 g do produto adquirido 98 g são do princípio ativo e 2 g são de impurezas. Na indústria farmacêutica, o controle do grau de pureza é muito rigoroso. Isso porque, se uma substância medicamentosa é contaminada, reações adversas podem ocorrer nos pacientes que utilizam tal medicamento. Sais de bário, por exemplo, são muito utilizados como contraste em exames radiológicos. No entanto, a concentração máxima do íon bário tolerada por um indivíduo é de 1 mg/L. Concentrações acima desse valor são muito tóxicas e podem causar a morte. Como determinar a pureza de um material? Considere, por exemplo, que uma amostra de prata de massa 6,0 g foi convenientemente dissolvida em ácido nítrico. O químico responsável pelo processo de dissolução constatou posteriormente que apenas 5,4 g sofreram dissolução. Qual o teor de prata na amostra? 6,0 g de Ag ------------- 100% da amostra 5,4 g de Ag ------------- X X = 90% de prata

Vamos a mais um exemplo. O carbonato de cálcio (CaCO3) sofre decomposição térmica para formar óxido de cálcio sólido e dióxido de carbono gasoso, segundo a reação a seguir: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Em um processo de decomposição, foram aquecidos 400 g de CaCO3 com 85% de pureza. A partir dessas informações, determinou-se a massa de óxido de cálcio produzida nessa decomposição. O valor para essa massa é: Resolução Determinação da massa pura de CaCO3 400 g ------------- 100% da amostra X ------------- 85% da amostra X = 340 g Cálculo da massa de CaO 100 g CaCO3 ------------- 56 g CaO 340 g CaCO3 ------------- X X = 190,4 g CaO 262

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

02. (UFRGS RS) A combustão do álcool etílico é representada pela seguinte equação: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Na queima de 100 g de um álcool hidratado, com 92% de pureza, a massa de água formada na reação é aproximadamente igual a: a) 18 g d) 116 g b) 54 g e) 117 g c) 108 g 03. (UFMT) Determine a massa de carbonato de cálcio presente em 60 g de uma amostra de calcário com 85% de pureza em CaCO3. a) 40 b) 45 c) 51 d) 60 e) 65 04. (UCBA) Que quantidade, em mol, de CaCO3 há em 100 g de calcita com 90% de pureza? a) 0,05 b) 0,10 c) 0,30 d) 0,45 e) 0,90 05. (Ufal AL) O óxido de cálcio é obtido segundo a equação representada abaixo e gera durante sua produção grande quantidade de dióxido de carbono.

CaCO3 (s)  → CaO(s) + CO2 (g) Ä A massa de dióxido de carbono formada partindo-se de 200,0 g de carbonato de cálcio com 90% de pureza é Dados: Massas molares (g mol–1): Ca = 40; C = 12; O = 16 a) 7,9 g. b) 8,8 g. c) 79,2 g. d) 88,0 g. e) 96,8 g.

06. (UFRGS RS) Nas tecnologias de energias renováveis, estudos têm sido realizados com tintas fotovoltaicas contendo nanopartículas de dióxido de titânio, TiO2. Essas tintas são capazes de transformar a energia luminosa em energia elétrica. O dióxido de titânio natural pode ser obtido da ilmenita, um óxido natural de ferro e titânio minerado a partir das areias de praia. A reação de obtenção do dióxido de titânio, a partir da ilmenita, é representada pela reação abaixo já ajustada. 2 FeTiO3 + 4 HCl + C2 → 2 FeC3 + 2 TiO2 + 2 H2O A massa de dióxido de titânio que pode ser obtida, a partir de uma tonelada de areia bruta com 5% de ilmenita, é, aproximadamente, (Dados: TiO2 = 80 g.mol–1 e FeTiO3 = 152 g.mol–1) a) 16 kg b) 26,3 kg c) 52,6 kg d) 105,2 kg e) 210,4 kg 07. (UFPA) A reação do tiossulfato de sódio anidro, Na2S2O3, com ácido sulfúrico pode ser representada pela equação química a seguir: Na2S2O3(aq) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + SO2(g) + S(s) + H2O(l) O volume, em mililitros, de ácido sulfúrico, de densidade 1,84 g/cm3 contendo 98% em massa dessa substância, necessário para reagir completamente com 3,0 gramas de tiossulfato de sódio, é, aproximadamente, Dados: Massas molares (g/mol): H = 1; O = 16; Na = 23; S = 32 a) 4,0 b) 3,0 c) 2,0 d) 1,0 e) 0,5 08. (FMABC SP) O hidróxido de magnésio é um sólido pouco solúvel em água e o princípio ativo do leite de magnésia, suspensão em água que atua como antiácido estomacal ou laxante. Uma amostra de massa 1,00 g contendo hidróxido de magnésio e impurezas sólidas foi completamente neutralizada por 50,0 mL de uma solução aquosa de ácido nítrico de concentração 0,40 mol/L. Considerando que as impurezas não reagiram durante o processo, pode-se afirmar que o teor de hidróxido de magnésio presente na amostra impura é de: a) 29% b) 49% c) 58% d) 70% e) 87%

263

C07  Pureza

01. (Mackenzie SP) Uma amostra de 10 g de calcário contém 8 g de carbonato de cálcio. A porcentagem de pureza do carbonato de cálcio é: a) 0,8% b) 10% c) 8,0% d) 80% e) 20%

Química

Exercícios Complementares 01. (Unirg TO) Uma pastilha antiácida, pesando 500 mg, possui, em sua composição, 80% de carbonato de cálcio (CaCO3). Com base nessas informações, conclui-se que as massas, em mg, dos íons Ca2+ e CO32– são, respectivamente, a) 320 e 480 b) 160 e 240 c) 80 e 120 d) 40 e 60 02. (UFG GO) A argamassa é um material usado na construção civil, composto de uma fração ativa e outra inerte. A fração inerte é formada por areia e a fração ativa, por cimento e cal hidratada. A cal hidratada é obtida por meio da reação representada pela seguinte equação química: CaO (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (aq) Considerando-se uma argamassa para revestimento com um teor de 17% de cal hidratada, a massa de óxido de cálcio e o volume de água necessários para a produção de 50 kg de argamassa são, aproximadamente, a) 0,64 kg e 0,2 L b) 6,4 kg e 2,0 L c) 8,5 kg e 1,8 L d) 8,5 kg e 2,0 L e) 8,5 kg e 18,0 L

C07  Pureza

03. (FMABC SP) A bauxita é um minério de alumínio que apresenta alto teor de óxido de alumínio além de impurezas de óxidos de ferro (responsáveis pela tonalidade avermelhada do mineral) e óxidos de silício. A bauxita é purificada, obtendo-se a alumina (Al2O3) de alto teor de pureza que, posteriormente, por eletrólise ígnea resulta no metal alumínio. Considere que a partir de 6,0 t de bauxita obtêm-se 2,7 t de metal alumínio. Nesse caso, a pureza do minério em questão é de a) 27%. b) 45 %. c) 53 %. d) 85 %. e) 100 %. 04. (UFT TO) O carbonato de cálcio (CaCO3) quando sofre reação de decomposição, forma óxido de cálcio (CaO) e gás carbônico (CO2). Com o objetivo de determinar a pureza de um carregamento de CaCO3, adquirido para uso industrial, uma amostra de 5,00 gramas do produto foi coletada e após ser submetida à decomposição térmica total produziu 2,24 gramas de CaO. Qual é o grau de pureza da amostra? a) 80% d) 44,8% b) 20% e) 56% c) 22,4%

264

05. (Unimontes MG) As concentrações a seguir são relativas às massas (mg) de alguns metais ou minerais em 100 g de plantas medicinais estudadas: aroeira e poejo.

Minerais Plantas

Aroeira

2020

1,11

6,79

97,9

3,04

2,26

Poejo

890

6,25

7,91

287

4,74

13,77

Em relação aos dados fornecidos, é incorreto afirmar que: a) A planta poejo apresenta maior teor de minerais alcalinos. b) A planta poejo apresenta 5,14% a mais de teor de cobre. c) A planta aroeira tem maior teor de matéria (mol) de Ca. d) A planta aroeira apresenta maior quantidade de minerais. 06. (Ufes ES) A Terra roxa é a denominação dada a um tipo de solo do Sul do país, caracterizado pelos altos teores de óxido de ferro. A hematita (Fe2O3) é o principal óxido de ferro presente nesse tipo de solo e responsável pela sua cor vermelha. A quantidade de ferro, em gramas, presente em 300 gramas de solo contendo 25% (em peso) de hematita é de a) 25,00 c) 56,12 e) 94,84 b) 52,45 d) 75,00 07. (UECE) O gás cloro, descoberto em 1774 pelo sueco Carl Wilhelm Scheele, pode ser obtido por meio de eletrólise da solução aquosa de cloreto sódio cuja reação global ocorre de acordo com a equação: 2NaCl(aq) + 2H2O() → 2NaOH(aq) + H2(g) + C2(g) Considerando que a solução de sal apresenta 45% em massa de NaC, a partir de cada 100 kg da mencionada solução, as massas de hidróxido de sódio e cloro obtidas serão, aproximadamente, a) 36,00 kg e 31,95 kg c) 30,77 kg e 27,30 kg b) 36,00 kg e 63,00 kg d) 30,77 kg e 54,60 kg 08. (UFMT) O etanol queima de forma limpa não resultando fuligem, sendo por isso considerado um combustível ecologicamente correto. É atualmente a "vedete brasileira" em termos de energia renovável. Qual o número de átomos de oxigênio comburente necessário para a combustão de 1,15 L de etanol com 95% de pureza? Considere: • detanol = 0,8 g × cm−3 • N = 6,00 × 1023 a) 6,84 × 1025 d) 8,46 × 1025 24 b) 6,00 × 10 e) 4,68 × 1025 c) 3,60 × 1024

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

3TiO2(s) + 4BrF3(l) → 3TiF4(s) + 2Br2() + 3O2(g) Se 12,0 g do minério produzem 0,96 g de O2, a porcentagem aproximada de TiO2 nesse minério é de: a) 10% b) 20% c) 30% d) 40% e) 50% 10. (Puc Campinas SP) A concentração máxima (m/m) de alguns metais pesados permitida nas rodas de liga de alumínio é: cromo: 0,1%, chumbo: 0,1%, cádmio: 0,01%. Sabendo que uma roda de alumínio possui massa, em média, de 28 kg, as massas máximas, em gramas, de cromo, chumbo e cádmio constantes dessa roda são, respectivamente, a) 28, 28 e 2,8. b) 2,8, 2,8 e 28. c) 28, 28 e 280. d) 280, 280 e 28. e) 28, 28 e 28. 11. (PUC MG) Um tanque com 50 kg de ácido sulfúrico (H2SO4) vazou em uma indústria de papel e celulose. Para neutralizar H2SO4 um químico resolveu utilizar carbonato de cálcio (CaCO3) presente no calcário. O calcário possui cerca de 80 % de CaCO3 (m/m). A equação da reação de neutralização está representada abaixo. H2SO4 + CaCO3 → CaSO4 + H2O + CO2 Assinale a quantidade de calcário necessária para neutralizar o ácido sulfúrico que vazou do tanque. a) 51,07kg b) 63,83 kg c) 100,20 kg d) 98,34 kg 12. (Fatec SP) Uma indústria compra soda cáustica com teor de pureza de 80%, em NaOH. Antes de mandar o material para o estoque, chama o técnico em Química para verificar se a informação procede. No laboratório, ele dissolve 1 g do material em água, obtendo 10 mL de solução. Utilizando um indicador apropriado, realiza uma titulação, gastando 20 mL de HCl, a 0,5 mol/L. Dados: NaOH = 40 g.mol− e HC = 36,5 g.mol− NaOH + HC → NaC + H2O Sobre o resultado da titulação, é correto afirmar que a informação a) não procede, pois o grau de pureza é de 40%. b) não procede, pois o grau de pureza é de 60%. c) procede, pois o grau de pureza é de 80%. d) procede, pois o teor de impurezas é de 80%. e) procede, pois o teor de impurezas é de 40%.

13. (Puc RJ) Fertilizantes, como o fosfato monocálcico monoidratado, Ca(H2PO4)2 ⋅ H2O, contêm fósforo (P), um nutriente vital para a manutenção do ciclo de vida de reprodução das plantas. Com o intuito de adubar uma área para plantio, um agricultor comprou 280 kg de um produto comercial contendo 90% de Ca(H2PO4)2 ⋅ H2O. Nessa quantidade adquirida, a massa de fósforo, em kg, é aproximadamente igual a: a) 31 b) 62 c) 93 d) 124 e) 155 14. (UFMG) 7g de uma amostra de alumínio impuro são tratados por 50 mL de uma solução de ácido sulfúrico, que apresenta 49% de H2SO4 em massa e densidade 1,4g/mL. Terminada a reação, verifica-se que todo o ácido foi gasto, e que as impurezas não reagiram. A porcentagem em massa de alumínio na amostra analisada é de: 2 A + 3 H2SO4 → A2(SO4)3 + 3 H2 Dados: A = 27; H = 1; S = 32; O = 16. a) 90% b) 80% c) 70% d) 50% e) 35% 15. (Uerj RJ) O químico francês Antoine Laurent de Lavoisier ficaria surpreso se conhecesse o município de Resende, a 160 quilômetros do Rio. É lá, às margens da Via Dutra, que moradores, empresário e poder público seguem à risca a máxima do cientista que revolucionou o século XVII ao provar que, na natureza, tudo se transforma. Graças a uma campanha que já reúne boa parte da população, Resende é forte concorrente ao título de capital nacional da reciclagem. Ao mesmo tempo em que diminui a quantidade de lixo jogado no aterro sanitário, a comunidade faz sucata virar objeto de consumo. Nada se perde. (Revista DOMINGO, 11/07/93)

Assim, com base na equação 2 A2O3(s) → 4 A(s) + 3 O2(g) e supondo-se um rendimento de 100% no processo, a massa de alumínio que pode ser obtida na reciclagem de 255 kg de sucata contendo 80% de A2O3, em massa, é: a) 540 kg b) 270 kg

C07  Pureza

09. (UFC CE) A porcentagem de TiO2 em um minério pode ser determinada por meio da seguinte reação:

c) 135 kg d) 108 kg e) 96 kg 265

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C08

ASSUNTOS ABORDADOS nn Rendimento reacional

RENDIMENTO REACIONAL Quando uma indústria se propõe a produzir algum tipo de material por meio de uma reação química, ela se preocupa em obter o máximo de produto possível a partir do mínimo de reagente. A produção ideal para qualquer processo químico deve gerar 100% de rendimentos. Chamamos de rendimento teórico a quantidade máxima de produto que pode ser obtida em uma transformação química.

Fonte: wikimedia commons / Sisib Universidad de Chile

Mas as reações laboratoriais, dificilmente, proporcionam 100% de rendimento. Sempre há perdas durante o isolamento e a purificação dos produtos. Há casos também em que as reações não se processam completamente na formação dos produtos, e algumas vezes as reações ocorrem formando substâncias indesejadas. Esses são alguns dos motivos pelos quais a reação acaba produzindo uma quantidade de matéria inferior (rendimento de fato) ao inicialmente previsto (rendimento teórico). Figura 01 - Nos laboratórios de pesquisas, dificilmente, uma reação atinge 100% de rendimento.

Podemos determinar o rendimento percentual (X) considerando o rendimento teórico e o rendimento de fato: rendimento teórico --------------- 100% rendimento de fato --------------- X

 rendimento de fato  X  =  × 100%  rendimento teórico  Uma boa analogia para diferenciar rendimento teórico de rendimento de fato é contar o número de grãos de milho que estoura durante o preparo de pipoca caseira. Separe 50 grãos de milho e coloque-os no interior de uma vasilha adequada ao aquecimento de micro-ondas. Teoricamente, todos os grãos de milho deverão estourar (rendimento teórico). Entretanto, quando terminar o processo, verificamos que nem todos os grãos estouraram (rendimento de fato). Se admitirmos que 40 grãos estouraram, de um total de 50 grãos, podemos calcular o rendimento de fato dessa transformação. 50 grãos --------------- 100% 40 grãos --------------- X X = 80% Empregando esse mesmo raciocínio, podemos determinar o rendimento de uma reação química. Por exemplo, o cloro é um dos mais utilizados agentes sanitizantes nas operações de potabilização da água. A utilização de derivados clorados tem contribuído para o controle de doenças de origem hídrica. A reação a seguir exemplifica a utilização do hipoclorito de sódio (NaClO) na desinfecção da água. NaCO + H2O  HCO + NaOH Na = 23; C = 35,5; O = 16; H = 1 Utilizando essa equação, podemos questionar o seguinte: qual a massa de ácido hipocloroso formada na reação de 149 g de hipoclorito de sódio em um processo cujo rendimento é de 80%? 266

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Da equação química, temos que a proporção em massa de hipoclorito de sódio (NaCO) e ácido hipocloroso (HCO) é, respectivamente, 74,5 g para 52,5 g. Contudo, a massa de hipoclorito de sódio utilizada no processo foi de 149 g. Assim, podemos estabelecer a seguinte proporção: 74,5 g NaCO --------------------- 52,5 g HCO 149 g NaCO --------------------- X X = 105 g HCO Se o rendimento da reação fosse de 100%, a massa de ácido hipocloroso formada seria de 105 gramas. Contudo, o texto aponta que o rendimento reacional foi de 80%. Assim, estabelecemos o seguinte cálculo: 105 g HCO ------------------- 100% R ------------------- 80% R = 84 g HCO Exercícios de Fixação

02. (Faap SP) Aquecendo-se 2 g de hidrogeno-carbonato de sódio (NaHCO3), verificou-se a formação de 1,06 g de carbonato de sódio (Na2CO3). 2 NaHCO3 → Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g) Qual o rendimento da decomposição? a) 80% b) 42% c) 50% d) 100% e) 84% 03. (Osec SP) Fazendo reagir 11,2 g de N2 com 1,8 g de H2, obtemos 5,1 g de NH3. O rendimento percentual da reação, nessas condições é de: a) 50% d) 25% b) 75% e) 100% c) 10% 04. (Puc RJ) O sulfato de cálcio (CaSO4) é matéria-prima do giz e pode ser obtido pela reação entre soluções aquosas de cloreto de cálcio e de sulfato de sódio (conforme reação abaixo). Sabendo disso, calcule a massa de sulfato de cálcio obtida pela reação de 2 mol de cloreto de cálcio com excesso de sulfato de sódio, considerando-se que o rendimento da reação é igual a 75 %.

CaC2(aq) + Na2SO4(aq) → CaSO4 (s) + 2NaC(aq) a) 56 g b) 136 g c) 272 g d) 204 g e) 102 g 05. (UFJF MG) O cromo é um metal empregado na produção do aço inox e no revestimento (cromação) de algumas peças metálicas. Esse metal é produzido por meio da reação abaixo: Cr2O3(s) + 2 Al(s) → 2 Cr(s) + A2O3(s) Partindo-se de 15,2 gramas de Cr2O3 e admitindo-se que esse processo tem um rendimento de 75 %, a massa produzida de cromo é igual a: a) 11,8 g b) 10,4 g c) 13,8 g d) 15,2 g e) 7,8 g 06. (UEPB) O óxido nitroso é usado como anestésico em partos. A sua obtenção é dada pela reação apresentada na equação química abaixo: NH4NO3 → N2O + 2 H2O Se foram usados 6 gramas de nitrato de amônio e foram obtidos 2,97 g de óxido de dinitrogênio, qual o rendimento da reação? a) 91% b) 110% c) 97% d) 90% e) 80%

267

C08  Rendimento racional

01. (UFC CE) Uma das maneiras de se produzir cal viva é por meio da pirólise do calcário (CaCO3). Uma amostra de 20,0 g de calcário produziu 10,0 g de cal viva (CaO). Dados: CaCO3 = 100; CaO = 56. O rendimento da reação foi de: a) 100% c) 85% e) 75% b) 90% d) 80%

Química

Exercícios Complementares 01. (Uncisal AL) A água é um recurso natural indispensável à vida a demandar preservação. Estima-se que no período de formação do planeta a água se originou da liberação de grandes quantidades dos gases hidrogênio e oxigênio na atmosfera, que se combinaram e deram origem aos vapores de água. Hoje, pode-se representar quimicamente essa reação por 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). Considerando essa reação de formação da água, qual o rendimento dessa reação, se a partir de 10 gramas de hidrogênio obtiveram-se 72 gramas de água? a) 80% c) 72% e) 90% b) 10% d) 13,8% 02. (UFG GO) A combustão da gasolina e do óleo diesel libera quantidades elevadas de poluentes para a atmosfera. Para minimizar esse problema, tem-se incentivado a utilização de biocombustíveis como o biodiesel e o etanol. O etanol pode ser obtido a partir da fermentação da sacarose, conforme a equação não balanceada apresentada a seguir. C12H22O11(s) + H2O(l) → C2H6O() + CO2(g) Considerando-se o exposto e o fato de que uma indústria alcooleira utilize 100 mol de sacarose e que o processo tenha rendimento de 85%, conclui-se que a quantidade máxima obtida do álcool será de: a) 27,60 kg c) 18,40 kg e) 9,20 kg b) 23,46 kg d) 15,64 kg 03. (Unesp SP) Considere que, para obter vanilina no laboratório, o estudante optou pela aplicação do método 1, e usando 15 g do reagente 1, obteve 10 g de vanilina. Sabendo que a massa molar da vanilina é de 158 g, o rendimento da síntese realizada pelo estudante foi de, aproximadamente, a) 80% c) 50% e) 65% b) 25% d) 12% 04. (Puc RJ) O elemento boro pode ser preparado pela redução do B2O3, segundo a equação abaixo.

C08  Rendimento racional

B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO Partindo-se de 262,5 g do óxido de boro em excesso de magnésio, obtiveram-se 33 g de B, o que significa que o rendimento percentual (%) da reação foi mais próximo de: a) 30 c) 40 e) 50 b) 35 d) 45 05. (Mackenzie SP) Uma das atividades de destaque da Mineradora Vale, a segunda maior empresa em seu setor no mundo, é a produção do alumínio, metal presente em nosso cotidiano em inúmeros artigos, como latas de bebidas e

268

alimentos, utensílios domésticos e embalagens diversas. O alumínio pode ser obtido industrialmente a partir da bauxita, cujo percentual de alumina (Al2O3) é de cerca de 50%. Basicamente, a reação que ocorre nesse processo é 2 A2O3 → 4 A + 3 O2. Dados: massas molares em (g/mol) O = 16 e A = 27. Considerando as condições de obtenção industrial do alumínio, informadas no texto, a quantidade obtida desse metal, a partir de 2,04 toneladas de bauxita, é de cerca de: a) 135 kg d) 1080 kg b) 270 kg e) 2160 kg c) 540 kg 06. (Puc RJ) O processo industrial de obtenção da soda barrilha, conhecido como “Processo Solvay”, tem, em sua última etapa, a conversão, por aquecimento, de bicarbonato de sódio em carbonato de sódio: ∆ 2 NaHCO3(s)  → Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

Admitindo que, nessa etapa, 420 kg de bicarbonato de sódio originaram 212 kg de carbonato de sódio, é correto afirmar que o valor mais próximo do rendimento percentual dessa reação é: a) 50% c) 70% e) 90% b) 60% d) 80% 07. (Udesc SC) A reação abaixo mostra a reação envolvida no processo de obtenção do formaldeído (CH2O) a partir do metanol (CH3OH), por reação com O2 em presença de prata como catalisador. Sabendo-se que o rendimento da reação é de apenas 10%, a massa de formaldeído obtida pela reação de 320 g de metanol é: Ag CH3OH + O2  → CH2O + H2O

a) 310 g b) 200 g c) 150 g d) 31 g e) 15 g 08. (Uerj RJ) A quantidade total de glicose consumida pelo atleta foi de 0,5 mol. Dessa quantidade, 80% produziram somente ácido lático, e o restante foi completamente oxidado no ciclo dos ácidos tricarboxílicos. O volume de CO2, em litros, nas CNTP, produzido pelas mitocôndrias dos músculos do atleta, corresponde a: a) 0,10 b) 2,24 c) 6,72 d) 13,44

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento

01. (Unesp SP) A hidrazina, substância com fórmula molecular N2H4, é um líquido bastante reativo na forma pura. Na forma de seu monoidrato, N2H4 · H2O, a hidrazina é bem menos reativa que na forma pura e, por isso, de manipulação mais fácil. Devido às suas propriedades físicas e químicas, além de sua utilização em vários processos industriais, a hidrazina também é utilizada como combustível de foguetes e naves espaciais, e em células de combustível. A atuação da hidrazina como propelente de foguetes envolve a seguinte sequência de reações, iniciada com o emprego de um catalisador adequado, que rapidamente eleva a temperatura do sistema acima de 800 °C: 3 N2H4 (l) → 4 NH3 (g) + N2 (g) N2H4(l) + 4 NH3 (g) → 3 N2 (g) + 8 H2 (g) Dados: Massas molares, em g · mol-1: N = 14,0; H = 1,0; Volume molar (CNTP) = 22,4 L Calcule a massa de H2 e o volume total dos gases formados, medido nas CNTP, gerados pela decomposição estequiométrica de 1,0 g de N2H4 (l). Massa H2 = 2g/mol, Volume = 2,1 L 02. (Uerj RJ) A proporção de moléculas de água presentes na forma hidratada de um sal pode ser representada da seguinte forma, na qual x corresponde ao número de mol de água por mol desse sal: CuSO4 ⋅ x H2O Uma amostra de 4,99 g desse sal hidratado foi aquecida até que toda a água nela contida evaporou, obtendo-se uma massa de 3,19 g de sulfato de cobre II. O número de mol de água por mol de sulfato de cobre II na composição do sal hidratado equivale a: a) 2 b) 5 c) 10 d) 20

se querosene por quilômetro, ao percorrer 10000 km, libera uma quantidade de CO2 igual a a) 3,1 × 105 kg. b) 3,6 × 105 kg. c) 8,5 × 104 kg. d) 1,0 × 105 kg. 04. (Uespi PI) A quantidade máxima de hidróxido de ferro que se pode preparar a partir de uma mistura de 888 g de brometo férrico e 612 g de hidróxido de potássio é: a) 321 g b) 1500 g c) 1070 g d) 276,0 g e) 548 g 05. A quantidade máxima de carbonato de cálcio que se pode preparar a partir de uma mistura de 112g de óxido de cálcio 90 g de dióxido de carbono é: a) 100 g b) 150 g c) 200 g d) 250 g e) 300 g 06. (Unificado RJ) O gráfico abaixo ilustra a relação entre a temperatura na folha de uma planta e a capacidade de fixar ou assimilar o gás carbônico, em duas situações: de alta concentração de CO2 e na concentração usual desse gás.

03. (Escs DF) Atualmente, há grande preocupação com a intensificação da liberação de gases poluentes para a atmosfera causada pela crescente circulação de pessoas e mercadorias. Além de afetar o ciclo de carbono, devido à liberação de CO2, a queima de combustíveis fósseis também libera gases responsáveis pelo fenômeno da chuva ácida. Considere que o querosene de aviação seja composto unicamente por carbono e hidrogênio, sendo a porcentagem de carbono igual a 85%. Nesse caso, considerando uma combustão completa, um avião que consome, em média, 10,0 kg des-

269

Química

Comparando-se as duas curvas no gráfico, pode-se inferir que há um reagente limitante na reação de conversão de CO2 em carboidrato. O agente limitante e o valor máximo de assimilação de CO2, na concentração ambiente, em µg/m2/s, são, respectivamente, a) CO2 e 880 d) H2O e 440 b) CO2 e 440 e) C6H12O6 e 880 c) H2O e 880 07. (Uerj RJ) Para evitar a ingestão de quantidades excessivas de sódio, foi desenvolvido o sal light, no qual parte do cloreto de sódio é substituída por cloreto de potássio. Os quadros abaixo comparam as informações nutricionais para porções iguais de dois tipos de sal: Sal tradicional Constituinte

Quantidade por porção

Sódio

368,0 mg

Potássio

--------

Sal light Constituinte

Quantidade por porção

Sódio

184,0 mg

Potássio

249,6 mg

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

Além desses cloretos, não há outros compostos de cloro, sódio ou potássio nos sais. A redução percentual do íon cloro no sal light em relação ao sal tradicional é igual a: a) 10% b) 20% c) 40% d) 50% 08. (Unifesp SP) O gás sulfeto de hidrogênio é uma substância que dá aos ovos podres o nauseabundo odor que exalam. Esse gás é formado na reação de um ácido forte, como o ácido clorídrico, HC(aq), com sulfeto de sódio, Na2S. Considerando que a reação química se processa até consumir todo o reagente limitante, quando são transferidos para um recipiente 195 g de sulfeto de sódio, 584 g de ácido clorídrico a 25% em massa e água destilada, a quantidade produzida de sulfeto de hidrogênio, em gramas, é igual a a) 779. b) 683. c) 234. d) 85. e) 68.

270

09. (Ufes ES) Uma amostra de calcário dolomítico, contendo 60% de carbonato de cálcio e 21% de carbonato de magnésio, sofre decomposição quando submetida a aquecimento, segundo a equação abaixo: CaCO3(s) + MgCO3(s) → CaO(s) + MgO(s) + 2CO2(g) A massa de óxido de cálcio e a massa de óxido de magnésio, em gramas, obtidas com a queima de 1 quilograma de calcário são, respectivamente, Dados: Ca = 40; C =12; O = 16; Mg =24. a) 60 ; 21 d) 336 ; 100 b) 100 ; 84 e) 600 ; 210 c) 184 ; 96 10. (FUP PE) Uma amostra de prata de massa 6,0 g foi convenientemente dissolvida em ácido nítrico. O químico responsável pelo processo de dissolução constatou, posteriormente, que o número de átomos de prata resultante da dissolução da amostra era igual a 3,01 . 1022 átomos. O teor de prata na amostra é de aproximadamente: a) 100% c) 80% e) 10% b) 90% d) 70% 11. (Unicamp SP) Segundo notícia publicada no jornal Correio Popular, um caminhão-tanque tombou nas proximidades de Itanhaém causando um vazamento de 20 t (2,0 . 107 g) de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4). A equipe de atendimento usou cal extinta, Ca(OH)2, para neutralizar o ácido. Admitindo que o H2SO4 é 98% puro, calcule a massa mínima de Ca(OH)2 necessária para a neutralização total do ácido derramado. 1,48 . 107 g 12. (Enem MEC) Grandes fontes de emissão do gás dióxido de enxofre são as indústrias de extração de cobre e níquel, em decorrência da oxidação dos minérios sulfurados. Para evitar a liberação desses óxidos na atmosfera e a consequente formação da chuva ácida, o gás pode ser lavado, em um processo conhecido como dessulfurização, conforme mostrado na equação (1). CaCO3 (s) + SO2 (g) → CaSO3 (s) + CO2 (g)

(1)

Por sua vez, o sulfito de cálcio formado pode ser oxidado, com o auxílio do ar atmosférico, para a obtenção do sulfato de cálcio, como mostrado na equação (2). Essa etapa é de grande interesse porque o produto da reação, popularmente conhecido como gesso, é utilizado para fins agrícolas. 2 CaSO3 (s) + O2 (g) → 2 CaSO4 (s)

(2)

As massas molares dos elementos carbono, oxigênio, enxofre e cálcio são iguais a 12 g/mol, 16 g/mol, 32 g/mol e 40 g/mol, respectivamente. BAIRD, C. Química ambiental. Porto Alegre: Bookman, 2002 (adaptado).

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

13. (Enem MEC) A composição média de uma bateria automotiva esgotada é de aproximadamente 32% Pb, 3% PbO, 17% PbO2 e 36% PbSO4. A média de massa da pasta residual de uma bateria usada é de 6 kg, onde 19% é PbO2, 60% PbSO4 e 21% Pb. Entre todos os compostos de chumbo presentes na pasta, o que mais preocupa é o sulfato de chumbo (II), pois nos processos pirometalúrgicos, em que os compostos de chumbo (placas das baterias) são fundidos, há a conversão de sulfato em dióxido de enxofre, gás muito poluente. Para reduzir o problema das emissões de SO2(g), a indústria pode utilizar uma planta mista, ou seja, utilizar o processo hidrometalúrgico, para a dessulfuração antes da fusão do composto de chumbo. Nesse caso, a redução de sulfato presente no PbSO4 é feita via lixiviação com solução de carbonato de sódio (Na2CO3) 1 mol/L a 45°C, em que se obtém o carbonato de chumbo (II) com rendimento de 91%. Após esse processo, o material segue para a fundição para obter o chumbo metálico. PbSO4 + Na2CO3 → PbCO3 + Na2SO4 Dados: Massas Molares em g/mol Pb = 207; S = 32; Na = 23; O = 16; C = 12 ARAÚJO, R.V.V. TINDADE, R.B.E. SOARES. P.S.M. Reciclagem de chumbo de bateria automotiva: estudo de caso. Disponível em: http://www.iqsc.usp.br. Acesso em: 17 abr. 2010 (adaptado).

Segundo as condições do processo apresentado para a obtenção de carbonato de chumbo (II) por meio da lixiviação por carbonato de sódio e considerando uma massa de pasta residual de uma bateria de 6 kg, qual quantidade aproximada, em quilogramas, de PbCO3 é obtida? a) 1,7 kg b) 1,9 kg c) 2,9 kg d) 3,3 kg e) 3,6 kg 14. (UEFS BA) (NH4)2CO3(aq) + CaSO4(aq) → (NH4)2SO4(aq) + CaCO3(s) O cálculo estequiométrico é importante ferramenta utilizada pela indústria química, na determinação de quantidade de matéria e de massa em um processo químico. A obtenção do fertilizante nitrogenado, sulfato de amônio, (NH4)2SO4, no qual foram usados como reagentes 10,0 g de carbonato de amônio, (NH4)2CO3, e 12,0g de sulfato de cálcio, CaSO4, constitui exemplo do processo químico de produção de sulfato de amônio representado resumidamente pela equação química.

De acordo com essas informações e a partir dos conhecimentos de cálculo estequiométrico, é correto afirmar que: a) O rendimento total, em massa, de sulfato de amônio, na reação, é, aproximadamente, 11,6 g. b) O excesso de sulfato de cálcio no processo representado é, aproximadamente, 6,0 g. c) O carbonato de amônio é o reagente-limite da reação química representada. d) A obtenção de 10,0 g de fertilizante corresponde a 80% do rendimento real. e) A razão entre as massas molares dos reagentes é igual a 1:1. 15. (Uepa PA) O estrôncio pode ser obtido a partir do mineral celestita (SrSO4). Supondo que se tenha 1837 g desse mineral, a quantidade, em kg, que se obtém de estrôncio, considerando um rendimento de 80%, é de: Dados: Sr = 87,6 g/mol; S = 32,1 g/mol e O = 16,0 g/mol. a) 0,7 kg c) 70,0 kg e) 8,76 kg b) 7,0 kg d) 0,8 kg 16. (UFRR) Uma das maneiras de se obter sais é por meio da reação entre um ácido e uma base. Um químico realizou a reação entre ácido clorídrico e hidróxido de potássio utilizando 7,3 g de ácido clorídrico e 15,8 g de hidróxido de potássio. Marque a alternativa que apresenta o rendimento percentual da reação considerando que foram obtidos 12,5 g do sal correspondente. a) 100,0% d) 20,5% b) 59,5% e) 83,8% c) 37,2 % 17. (UFTM MG) Quando o gás amônia, NH3, interage com a solução aquosa de ácido nítrico, HNO3, forma-se uma solução aquosa de nitrato de amônio, NH4NO3, fertilizante de elevado consumo nacional. Admitindo que a transformação seja completa, isto é, seu rendimento seja 100%, para obter 640 g de fertilizantes, a massa de amônia que será consumida é, em gramas, igual a: Dados: massas molares (g.mol-1): H = 1, N = 14 e O = 16 a) 2,1 d) 145,4 b) 37,6 e) 164,8 c) 136,0 18. (UECE) A ideia do atomismo remonta à Antiga Grécia, mas foram as leis das combinações químicas que ofereceram provas empíricas da divisibilidade da matéria. Joseph Louis Proust (1754 - 1826), químico e farmacêutico francês, deu uma extraordinária contribuição ao estabelecer uma dessas leis que permite a) ajustar os coeficientes de uma equação química. b) calcular o equivalente de uma espécie química. c) diferenciar uma mistura de uma substância. d) prever as proporções dos componentes de uma mistura de gases.

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FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

Considerando um rendimento de 90% no processo, a massa de gesso obtida, em gramas, por mol de gás retido é mais próxima de: a) 64 c) 122 e) 245 b) 108 d) 136

Química

19. (UEA AM) Até a época dos trabalhos de Lavoisier, considerado o grande responsável pelo nascimento da Química Moderna, acreditava-se que a água era uma substância simples. Essa ideia foi invalidada quando ele demonstrou que a água líquida poderia ser a) vaporizada, misturando-se com o ar em diferentes proporções. b) obtida, como um único produto, pela reação entre hidrogênio e oxigênio. c) misturada com o álcool em diferentes proporções. d) transformada em gelo por abaixamento de temperatura. e) obtida, como único produto, da liquefação do vapor de água.

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

20. (Puc RS) Na cultura pop, Tony Stark, o Homem de Ferro, tem uma armadura feita de uma liga de titânio e ouro. Na vida real, um grupo de pesquisadores descobriu, em 2016, um composto de fórmula Ti3Au com resistência mecânica quatro vezes maior do que o titânio puro. No entanto, a utilidade desse composto não está em possíveis armaduras para super-heróis, mas em próteses para serem implantadas no lugar de ossos quebrados, pois o material é biocompatível e apresenta baixo coeficiente de atrito. Com base nas informações, é possível afirmar que, em uma prótese feita de 68 g desse material, há a) mais átomos de ouro do que de titânio. b) maior massa de ouro do que de titânio. c) cerca de 0,10 mol de ouro. d) átomos unidos por ligação iônica. e) 75% de titânio em massa. 21. (Fuvest SP) Nas mesmas condições de pressão e temperatura, 50 L de gás propano (C3H8) e 250 L de ar foram colocados em um reator, ao qual foi fornecida energia apenas suficiente para iniciar a reação de combustão. Após algum tempo, não mais se observou a liberação de calor, o que indicou que a reação havia-se encerrado. Com base nessas observações experimentais, três afirmações foram feitas: I. Se tivesse ocorrido apenas combustão incompleta, restaria propano no reator. II. Para que todo o propano reagisse, considerando a combustão completa, seriam necessários, no mínimo, 750 L de ar. III. É provável que, nessa combustão, tenha se formado fuligem. Note e adote: Composição aproximada do ar em volume: 80% de N2 e 20%de O2. Está correto apenas o que se afirma em a) I. b) III. c) I e II. e) II e III. 22. (UFRR) O produto vendido comercialmente como água sanitária, muito utilizado devido as suas propriedades bactericida e alvejante, é uma solução de 2 - 2,5 % de hipoclorito de sódio. Este pode ser produzido fazendo-se reagir gás cloro com hidróxido de sódio: 272

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O. Ao misturar 150 kg de cloro com 160 kg de hidróxido de sódio, a massa de hipoclorito de sódio obtida após a reação será de a) 157 kg; b) 149 kg; c) 75 kg; d) 79 kg; e) 153 kg. 23. (Fac. Albert Einstein SP) Um resíduo industrial é constituído por uma mistura de carbonato de cálcio (CaCO3) e sulfato de cálcio (CaSO4). O carbonato de cálcio sofre decomposição térmica se aquecido entre 825 e 900 °C, já o sulfato de cálcio é termicamente estável. A termólise do CaCO3 resulta em óxido de cálcio e gás carbônico. CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Uma amostra de 10,00 g desse resíduo foi aquecida a 900 °C até não se observar mais alteração em sua massa. Após o resfriamento da amostra, o sólido resultante apresentava 6,70 g. O teor de carbonato de cálcio na amostra é de, aproximadamente, a) 33%. b) 50%. c) 67%. d) 75%. 24. (Fuvest SP) O Brasil produziu, em 2014, 14 milhões de toneladas de minério de níquel. Apenas uma parte desse minério é processada para a obtenção de níquel puro. Uma das etapas do processo de obtenção do níquel puro consiste no aquecimento, em presença de ar, do sulfeto de níquel (Ni2S3), contido no minério, formando óxido de níquel (NiO) e dióxido de enxofre (SO2). O óxido de níquel é, então, aquecido com carvão, em um forno, obtendo-se o níquel metálico. Nessa última etapa, forma-se, também, dióxido de carbono (CO2). a) Considere que apenas 30 % de todo o minério produzido em 2014 foram destinados ao processo de obtenção de níquel puro e que, nesse processo, a massa de níquel puro obtida correspondeu a 1,4 % da massa de minério utilizada. Calcule a massa mínima de carvão, em quilogramas, que foi necessária para a obtenção dessa quantidade de níquel puro. b) Cada um dos gases produzidos nessas etapas de obtenção do níquel puro causa um tipo de dano ambiental. Explique esse fato para cada um desses gases. Note e adote: Massa molar (g/mol): Ni ...... 58,8 C ....... 12,0 O ....... 16,0

a) 6 × 106 kg ou 6 milhões de kg de carvão. b) Os gases produzidos são SO2 e CO2, que causam chuva ácida e agravamento do efeito estufa, respectivamente. Isso ocorre porque o SO2 é um óxido ácido que, em contato com o gás oxigênio e a água, leva à formação do ácido sulfúrico, e o CO2 absorve a radiação infravermelha, causando aquecimento.