Coleção 10 V - Livro 5 - Química - Professor

FRENTE

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Shutterstock.com / Por Tatiana Popova

QUÍMICA Por falar nisso A evolução da atmosfera terrestre, ao longo de 4,5 bilhões de anos, revela-nos transformações químicas drásticas. O aparecimento da vida em nosso planeta acarretou uma situação de constante desequilíbrio na nossa atmosfera, e essa instabilidade tem se agravado nessas últimas décadas, fruto das atividades antrópicas.

O uso da atmosfera é inevitável, seja no fornecimento do oxigênio que respiramos ou como meio de transporte para todos nós.

O balonismo, imagem de abertura desta capa, é uma forma de transporte que produz pouco impacto ambiental. Porém, não é eficiente para as necessidades de uma economia globalizada como a que temos hoje. Por outro lado, o uso de aviões em voos intercontinentais encurta a distância para todos nós e atende às demandas econômicas mundiais, porém produz grandes impactos ambientais. Nesse contexto, começaremos nossos estudos do estado físico gasoso.

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A17 A18 A19 A20

Estudo do comportamento gasoso............................................... 208 Equação de estado de um gás....................................................... 213 Misturas gasosas............................................................................ 219 Difusão e efusão gasosas............................................................... 223

FRENTE

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QUÍMICA

MÓDULO A17

ASSUNTOS ABORDADOS nn Estudo dos Gases nn Regiões da atmosfera nn Estado gasoso nn Variáveis de estado de um gás nn Gás real nn Gás ideal nn Gás perfeito

ESTUDO DOS GASES A atmosfera tem função vital de proteção da Terra, atuando na absorção da maior parte da radiação cósmica e eletromagnética do Sol: apenas as radiações na região do ultravioleta, do espectro visível e do infravermelho são transmitidas pela atmosfera e atingem nossas cabeças. Sem dizer que frequências de ultravioleta menor que 300 nm também são filtradas pela atmosfera terrestre. Frequências com essas características são extremamente nocivas a tecidos vivos.

O fato de a atmosfera absorver radiação de infravemelho é essencial para a manutenção da temperatura da Terra. Dessa forma, o planeta não apresenta as temperaturas extremas que existem em outros planetas e satélites que não têm atmosfera.

Regiões da atmosfera A estrutura das regiões da atmosfera quase sempre é definida de acordo com as variações da temperatura com a altitude. A figura a seguir apresenta essas regiões com as suas principais espécies químicas e temperaturas típicas.

Figura 01 - As principais regiões da atmosfera terrestre (adaptada de Manahan, 1984, Moore e Moore, 1976).

208

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Estado gasoso As substâncias gasosas são muito importantes para nós.

O oxigênio que respiramos vem do ar atmosférico, que também fornece o CO2 para a fotossíntese. É na atmosfera que temos a formação de chuvas a partir da condensação de água proveniente da evaporação de lagos, rios e oceanos; também é nela que milhões de pessoas se locomovem em todo o mundo utilizando o transporte aéreo.

Os gases que compõem a atmosfera apresentam propriedades químicas diferentes (alguns são reativos, outros são inertes, e existem aqueles que são tóxicos, como o monóxido de carbono - CO). Porém, as propriedades físicas dos gases são muito semelhantes.

A descrição do estado gasoso deve ser feita segundo as variáveis de estado, ou seja, temperatura, volume e pressão.

Variáveis de estado de um gás Temperatura A grandeza utilizada para medir o grau de agitação das partículas é a temperatura. Quanto maior a temperatura, maior será o grau de agitação de um corpo. Existem várias escalas de temperatura – Celsius, Fahrenheit, Kelvin etc. No estudo do estado gasoso, a escala utilizada é a Kelvin. Essa escala adota como zero o valor que corresponde a 273,15°C na escala Celsius.

A atmosfera é um sistema gasoso, no qual se podem encontrar o O2 (cerca de 21%), CO2, N2 (cerca de 78%), CFCs, gases nobres – He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn – sob a forma de substâncias monoatômicas e outros compostos, como O3, CO, HCN, F2 etc. Uma semelhança física que podemos perceber entre essas substâncias é que todas possuem massas molares relativamente pequenas e são moléculas de baixa polaridade.

Características dos Gases

Diversas propriedades do comportamento gasoso estavam sendo estudadas. Para Boyle, por exemplo, havia uma relação entre pressão e volume. Em 1660, Robert Boyle enunciou essa relação estabelecendo a lei da compressibilidade de substâncias gasosas.

De maneira geral, podemos estabelecer características e propriedades que são particulares das substâncias gasosas.

A seguir, listamos algumas delas. nn Possuem

massa e ocupam lugar no espaço: quando medimos as massas de um pneu vazio e de outro pneu cheio com nitrogênio, vemos que a massa do pneu vazio é menor. nn Podem ser compressíveis: é por isso que podemos armazenar grandes quantidades de um gás em um recipiente de pequeno volume. nn Apresentam movimento Browniano: as moléculas das substâncias gasosas estão em movimento desordenado umas em relação às outras. nn Exercem pressão: devido ao movimento das moléculas no estado gasoso, podemos medir a força de colisão dessas partículas com as paredes do recipiente. Essa força de colisão é traduzida sob a forma de pressão, que depende da quantidade de matéria do gás confinado no sistema.

Relação matemática entre as escalas termométricas:

θC θF − 32 θK − 273 = = 5 9 5 Volume O volume é uma grandeza derivada do comprimento.

Podemos perceber que uma substância gasosa ocupa volume quando fechamos a ponta de uma seringa e tentamos empurrar o êmbolo. O volume de gás no interior da seringa pode ser considerado como o volume compreendido entre o êmbolo e a saída da seringa. Esse volume pode ser diminuído, o que demonstra a alta compressibilidade dos gases.

As principais unidades utilizadas para medir o volume são: mL, cm3, dm3, L, m3 etc. No SI de unidades, devemos utilizar a unidade m³, mas no estudo do estado gasoso, comumente, utilizamos o litro (L) como unidade de medida de volume.

3 3 1dm= 1L = 103 cm= 103 mL

Pressão Podemos definir pressão como sendo a relação entre a força pela área.

[P] =

[Força] N = = Pa [Área] m2

Quanto maior a força e menor a área, maior será a pressão exercida. A atmosfera exerce pressão, a qual pode ser determinada pelo experimento de Torricelli. Esse experimento consiste em um tubo cheio de mercúrio invertido sobre uma cuba também cheia com o mesmo líquido.

209

A17  Estudo dos Gases

As principais características das substâncias gasosas foram estudadas entre os séculos XVII e XIX. Nesse estudo, destacaram-se cientistas como Robert Boyle, o físico francês Edme Mariotte (1620-1684), o físico e químico francês Jacques Alexandre César Charles (1746-1823), o físico e químico francês Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) e o físico e químico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856).

Química

Figura 04 - Experimento de Torricelli para medir a pressão atmosférica.

Ao nível do mar, Torricelli pôde medir a altura da coluna de mercúrio dentro do tubo, 760 mm. Como a única força responsável pela elevação dessa coluna era a camada de ar atmosférico, Torricelli deduziu que a elevação da coluna de mercúrio era resultado puramente da força com que as moléculas presentes no ar atmosférico colidiam com a superfície de mercúrio presente na cuba. Essa pressão é denominada de pressão normal.

Unidades de pressão 1 atm = 760 mmHg = 1 torr = 1 bar = 100.000 Pa Existem diversos dispositivos para se medir a pressão exercida por substâncias gasosas. Nos postos de combustíveis, é comum encontrarmos os calibradores de pneus. Nas clínicas e hospitais, podemos medir a pressão arterial usando um esfigmomanômetro de mercúrio ou outro dispositivo.

A17  Estudo dos Gases

A seguir, faremos uma breve comparação dos diferentes modelos consensuais de estado gasoso empregados pelas comunidades científicas.

léculas, consideradas esferas rígidas, as quais apresentam movimento aleatório ou desordenado (movimento Browniano); as partículas possuem massa maior que zero (m > 0) e volume individual desprezível, quando comparado ao volume do recipiente que as contém; as interações intermoleculares, de atração e de repulsão, são desprezíveis, exceto quando ocorrem colisões mútuas e com as paredes do recipiente; a energia interna encontra-se na forma de energia cinética translacional; a energia cinética média  mv2  das moléculas  Ec =  é diretamente proporcional à  2   temperatura absoluta (Kelvin); as moléculas se propagam em linha reta e as colisões são perfeitamente elásticas − a energia cinética não é conversível a outra forma de energia − e de curto tempo de duração.

Dessa forma, as propriedades macroscópicas evidentes de um gás ideal são consequências principalmente do movimento independente da molécula.

Gás perfeito No que se refere ao gás perfeito, trata-se de uma abstração, de um modelo físico-matemático da Teoria Cinética dos Gases. Por meio dessa teoria é possível explicar convincentemente as leis empíricas e a equipartição da energia total de um sistema gasoso. Portanto, o gás perfeito deve apresentar massa maior que zero (m > 0), volume igual a zero (V = 0) e força de interação entre partículas igual a zero (f = 0).

BIOGRAFIA DE Evangelista Torricelli

Gás real

Nascido no dia 15 de outubro em Roma, Itália, ingressou na

Um gás real existe sob a maioria das condições de temperatura e pressão e é constituído por partículas materiais dotadas de movimento caótico, sujeitas às forças de atração à longa distância e forças de repulsão à curta distância.

Portanto, o gás real é formado por partículas que possuem massa maior que zero (m > 0), volume maior que zero (V > 0) e força de interação entre partículas diferente de zero (f ≠ 0). As forças de interações entre as partículas podem ocorrer sob diversas formas, ou seja, podem ser forças de dipolo-induzido, forças de dipolo-permanente e forças do tipo ligações de hidrogênio.

Universidade de Roma - La Sapienza -, onde demonstrou tanto

Gás ideal

Gregory que viveram algum tempo na Itália.

Por sua vez um gás ideal pode ser, teoricamente, caracterizado por possuir um número muito grande de mo-

Dessa forma, os métodos de Torricelli contribuíram também

210

faculdade Jesuíta de Faenza em 1624 e depois foi estudar na talento que teve aulas com o renomado professor Castelli, que o convidou para ser seu secretário no período de 1626 a 1632.

Durante vários anos subsequentes, Torricelli foi secretário de outros importantes professores, dentre eles, Galileo.

Torricelli sucedeu Galileo assumindo o posto de matemático da corte do Gran Duque de Toscana Ferdinando II em 1642, em Florença, posto que ocupou até a sua morte prematura, aos 39 anos, no dia 25 de outubro de 1647, em Florença – Itália. Em função disso, muitas de suas ideias foram divulgadas postumamente por meio de seus colegas ingleses Isaac Barrow e James

para o desenvolvimento da Matemática na Inglaterra.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias Gabarito 01 O H2 é o que mais se aproxima devido à atração entre as suas moléculas, por elas serem do tipo dipolo-induzido, uma vez que são apolares. No caso do HC, o comportamento se afasta um pouco uma vez que suas moléculas são polares e se atraem por forças do tipo dipolo-dipolo, que são mais fortes.

Exercícios de Fixação 01. (Unicamp SP) Em um gás ideal não há interações intermo-

dos três estados físicos da matéria, por isso é muito impor-

leculares, enquanto, nos gases reais, elas estão presentes.

tante entender a constituição, propriedades e suas caracte-

Com base nesse fato, para os gases hidrogênio e o cloreto

rísticas, posto que eles estão presentes em nosso cotidiano,

de hidrogênio, indique qual dos gases se aproxima e qual se

sendo, inclusive, indispensáveis para os vegetais e animais,

afasta mais do comportamento ideal. Justifique.

bem como para o desenvolvimento da sociedade influen-

02. (OSEC SP) Observando-se o comportamento de um sistema

ciando a indústria, por exemplo.

Fonte: <http://www.mundoeducacao.com/quimica/ conceito-caracteristicas-dos-gases.htm> Acesso em: 21 set. 2016.

gasoso, podemos afirmar que: I. II.

a pressão de um gás é o resultado das colisões das moléculas com as paredes do recipiente;

A imagem abaixo apresenta as partículas de um gás contido

a energia cinética média das moléculas de um gás é

dentro de um balão e seu comportamento cinético

diretamente proporcional à temperatura absoluta; III.

volume, pressão e temperatura são chamados variáveis de estado;

IV.

as moléculas se movimentam sem colidirem com as paredes do recipiente que as contém.

Estão corretas as afirmações: a) somente I (Fonte: http://preparatorychemistry.com/Bishop_Real_ Gases.htm).

c) somente I e II

Sobre os gases, suas características e propriedades, é pos-

d) II, III e IV

sível afirmar que:

e) I, II e III

a) São formados por partículas que se encontram afasta-

03. (UFC CE) A presença de materiais indesejáveis no ar altera a composição da atmosfera terrestre, tornando-a praticamente irrespirável. Em São Paulo, foi realizado um rigoroso programa de racionamento do tráfego de veículos automotores, com o objetivo de diminuir os índices de poluição.

Com relação a esse problema, escolha a alternativa correta: a) O ar ideal para se respirar deve ser constituído somente de Oxigênio. b) O ar ideal para se respirar deve ser constituído mais de Oxigênio do que de Nitrogênio.

das umas das outras, em movimento constante de baixa energia cinética e de forma ordenada. b) Não apresentam massa e seu volume e forma são bem definidos e fixos. c) Com o aumento da temperatura e/ou diminuição da pressão, o gás dilata-se (expande-se). Por outro lado, com um abaixamento da temperatura e/ou aumento da pressão, ele sofre contração (é comprimido). d) Ao serem inseridos em um recipiente, preenchem todo seu volume, entretanto não exercem pressão sobre as paredes do recipiente.

c) O ar não poluído e adequado ao ser humano deve ser

e) Dependendo da sua natureza, podem ser miscíveis en-

constituído de Nitrogênio, Oxigênio e Hidrogênio em par-

tre si, entretanto alguns formam misturas heterogêneas

tes iguais.

com outros.

d) A atmosfera terrestre não poluída é constituída mais de Nitrogênio do que de Oxigênio. e) A atmosfera ideal é uma mistura heterogênea formada de vapor d’água e Oxigênio.

04. (Unifor CE) Gases ideais são compostos por moléculas ou átomos, os quais se movimentam constantemente. Dentre as suas características, podemos destacar volume variável, difusibilidade e compressibilidade. O estado gasoso é um

05. Para sistemas gasosos, temos três modelos consensuais desse estado: o gás real, o gás ideal e o gás perfeito. Para os gases ideais, as forças de interação entre as partículas são a) iguais a zero b) maiores que zero c) menores que zero d) sempre maiores que 1 e) maiores que zero e menores que 1

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A17  Estudo dos Gases

b) somente II

Química

Exercícios Complementares 01. (Ufes ES) Supondo que a velocidade média das moléculas de um gás, em recipiente fechado, passe de 5 ⋅ 104 cm/s para 10 ⋅ 104 cm/s, podemos afirmar que: a) O volume do recipiente dobrou. b) O volume do recipiente reduziu à metade. c) Com certeza a pressão aumentou. d) A temperatura absoluta dobrou. e) A temperatura absoluta quadruplicou.

02. (UFPE) Um gás ideal é aquele que não apresenta interações entre suas partículas (átomos ou moléculas) e cujas partículas possuem dimensões desprezíveis. Essa idealidade pode ser atingida somente sob certas condições experimentais.

Com base nesses comentários analise as afirmações abaixo, apontando as que estão corretas: a) A temperatura ambiente, o oxigênio gasoso a 0,01 atm de pressão se comporta menos idealmente que a 10 atm de pressão. b) Nas mesmas condições de temperatura e pressão, o hidrogênio deve se comportar menos idealmente que o cloro. c) Numa mesma pressão, um mesmo gás deve ser mais ideal quanto maior for a sua temperatura. d) Moléculas polares devem se comportar mais idealmente do que moléculas apolares. e) Moléculas de água devem se comportar mais idealmente que moléculas de dióxido de carbono.

A17  Estudo dos Gases

03. (FCChagas BA) Um gás cujas moléculas praticamente não interagem umas com as outras é considerado um gás: a) ideal b) combustível c) propelente d) refrigerante e) tensoativo 04. (UFPI) Para aumentar o desempenho dos microcomputadores, está sendo usado um artifício que resulta em produção excessiva de calor que pode danificar a máquina. Para resfriar os componentes aquecidos, está sendo usado um sistema de refrigeração com nitrogênio (N2) líquido. Analise as afirmativas quanto às características do nitrogênio líquido.

I. Tem comportamento de gás ideal na temperatura de liquefação.

II. É facilmente obtido da liquefação do ar e subsequente destilação fracionada.

III. É facilmente compressível.

212

Marque a opção correta. a) Apenas I é verdadeira. b) Apenas II é verdadeira. c) Apenas III é verdadeira. d) Apenas I e II são verdadeiras. e) Apenas II e III são verdadeiras.

05. (UEMS ) Na cozinha, as panelas de pressão são bastante utilizadas por facilitar o processo de cozimento dos alimentos. É correto afirmar que o cozimento em uma panela de pressão é mais rápido porque: a) o material da panela de pressão tem alta condutividade térmica, o que ocasiona uma transferência de calor mais eficiente. b) na panela de pressão, a água entra em ebulição em uma temperatura menor do que em uma panela aberta. c) na panela de pressão, a pressão interna pode atingir valores maiores que a pressão atmosférica. d) como a panela de pressão é um sistema adiabático perfeito, ocorre menos perda de calor para o ambiente. e) a válvula da panela de pressão impede que haja perda de calor para o ambiente, permitindo a obtenção de temperaturas maiores no seu interior.

06. (UEG GO) Um gás ideal a) pode sofrer transição de fase do estado líquido para o estado gasoso. b) pode sofrer transição de fase do estado gasoso para o líquido. c) pode sofrer qualquer tipo de transição de fase. d) não pode sofrer nenhuma transição de fase.

07. (UFGD MS) O estado mais simples da matéria é um gás. Sobre o comportamento de um sistema gasoso, leia as seguintes afirmações.

I. Gases são facilmente compressíveis, preenchem o espaço disponível e suas moléculas possuem movimento caótico incessante.

II. A energia cinética média das moléculas de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.

III. A pressão de um gás é o resultado das colisões das moléculas com as paredes do recipiente.

IV. As moléculas se movimentam sem colidirem com as paredes do recipiente que as contém.

Assinale a alternativa que apresenta informações corretas. a) I, apenas. d) I, II e III, apenas. b) II, apenas. e) II, III e IV, apenas. c) I e II, apenas.

FRENTE

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QUÍMICA

MÓDULO A18

TRANSFORMAÇÕES GASOSAS

ASSUNTOS ABORDADOS nn Transformações gasosas nn Transformações isotérmicas nn Transformações isobáricas nn Transformações isocóricas nn Princípio de Avogadro nn Equação de estado de um gás ideal nn Equação geral dos gás ideal

Fonte: shutterstock / Por Happy Together

Situações cotidianas como uma criança enchendo de ar o pneu da bicicleta, a bola de futebol ou um balão de aniversário são comuns a todos nós. Entretanto, raramente questionamos o comportamento físico dos gases durante essas transformações. Perceber que, à medida que acrescentamos ar para o interior de um balão de aniversário, aumenta-se a pressão e torna-se cada vez mais difícil o acréscimo de nova quantidade de ar é observar uma transformação física dos gases.

Figura 01 - A compressibilidade dos gases levou Boyle a propor a lei que rege as transformações gasosas isotérmicas.

Transformações isotérmicas No final do século XVII e início do século XVIII, cientistas como Boyle, Charles e Amedeo Avogadro formularam leis matemáticas que traduzem o comportamento molecular das substâncias no estado gasoso. Boyle determinou que, mantida a temperatura do sistema constante, pressão e volume variam de maneira inversamente proporcional. É por isso que se torna difícil encher um pneu sem o uso de um aparelho compressor de ar.

Lei de Boyle – numa dada temperatura, o volume ocupado por uma massa fixa de um gás varia de maneira inversamente proporcional à pressão.

Na ilustração a seguir, é possível verificar a Lei de Boyle. Observe que, no estado final, a pressão é o dobro do valor da pressão inicial. Em consequência do aumento da pressão, o volume final é numericamente igual à metade do valor do volume inicial.

213

Química

Transformações isobáricas Uma transformação gasosa é dita isobárica quando alteramos a temperatura e o volume de um gás, mas a pressão é mantida constante. A palavra “isobárica” tem origem nos radicais gregos ísos, que significa “mesmo”, e báros, que significa “pressão”.

Figura 02 - Representação de transformação isotérmica, segundo a Lei de Robert Boyle.

Matematicamente, podemos escrever essa relação da seguinte forma:

1 1 P ∝ ou V ∝ ou P.V ∝ constante (k) V P Por essa relação, podemos ler que a pressão varia com o inverso do volume. Se o volume aumenta, é devido à diminuição da pressão; ou se o volume diminuir, deve-se ao aumento da pressão.

Esse tipo de transformação pode ser verificada em fatos do cotidiano. Por exemplo, quando enchemos parcialmente com ar atmosférico um saco plástico e em seguida o submetemos ao aquecimento, podemos observar uma transformação isobárica, ou seja, à pressão constante. Com o aquecimento do ar no interior do saco plástico há aumento de volume devido à expansão do gás. Considera-se que a mistura gasosa preenche todo o recipiente plástico. Com isso, a densidade do gás diminui e o saco plástico começa a flutuar.

Como vimos, na descrição acima, o volume de um gás pode ser alterado pela variação de temperatura, mantendo-se constante a pressão. Esse fato foi observado em uma série de experimentos por dois cientistas: Jacques Charles e Gay-Lussac.

Em 1787, Charles apresentou os resultados de uma série de experimentos que apontavam para uma relação diretamente proporcional entre as variáveis de estado temperatura e volume (à pressão constante). Essa verificação experimental foi feita também por Gay-Lussac, o que redundou no que ficou conhecida como a primeira lei de Charles e Gay-Lussac.

Na ilustração a seguir, podemos verificar a Lei de Charles para transformações isobáricas. Observe que o volume final ocupado pelo gás dobra de valor quando comparado ao volume inicial. Isso se dá pelo aumento de temperatura, uma vez que a pressão foi mantida constante.

A importância da Lei de Boyle está no fato de se poder determinar o volume que um gás assume numa nova condição de pressão, desde que a temperatura do sistema permaneça constante: P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 Outra maneira de se verificar essa lei é por meio de um gráfico da pressão em função do inverso do volume. Nesse caso, encontraremos uma reta à medida que pressão e volume variam. Isso é característico de grandezas que variam de maneira inversamente proporcional.

A18  Transformações Gasosas

Figura 03 - Representação de transformação isobárica, segundo a Lei de Charles.

Lei de Charles – numa dada pressão, o volume ocupado por uma massa fixa de um gás varia de maneira diretamente proporcional à temperatura absoluta.

V =k T em que k é uma constante de proporcionalidade.

V ∝ T ou V=k.T ou

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Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A lei de Charles também pode ser representada por meio de um gráfico da variação da pressão em função da temperatura absoluta:

Figura 04 - Representação de transformação isocórica, segundo a Lei de Charles e Gay-Lussac.

Do gráfico, notamos que a reta em vermelho não toca o eixo das origens. Mas se fizermos o extrapolamento dessa reta para temperaturas menores, independentemente do gás, todas atingem um ponto de volume nulo num mesmo valor temperatura, -273,15 °C. Essa temperatura é dita de temperatura zero absoluto.

A representação gráfica das transformações isocóricas ou isovolumétricas é feita a seguir:

Na prática, os gases não podem atingir esse estado de temperatura e se manter no estado gasoso. Assim sendo, antes de atingir essa temperatura, há liquefação da substância.

V1 V2 = T1 T2

A importância da Lei de Charles está no fato de podermos determinar o valor do volume V2 ocupado por um gás à temperatura T2, desde que saibamos os valores do volume V1 e da temperatura T1, mantendo a pressão constante.

Transformações isocóricas Uma transformação gasosa é dita isovolumétrica ou isocórica quando alteramos a temperatura e a pressão de um gás, mas o volume é mantido constante. A palavra "isocórica" tem origem nos radicais gregos ísos, que significa “mesmo”, e khora, que significa “lugar”. Esse tipo de transformação também foi observado pelos cientistas Jacques Charles e Gay-Lussac em ocasiões diferentes. Os dois realizaram experimentos sobre a relação entre as variáveis de estado pressão e temperatura em sistemas gasosos a volume constante. Eles verificaram que, a um dado volume, a pressão exercida por uma massa constante de um gás varia de maneira diretamente proporcional à temperatura kelvin. Essa conclusão tirada a partir de experimentos realizados em condições bem estabelecidas é conhecida como a segunda lei de Charles e Gay-Lussac.

Princípio de Avogadro Outro acontecimento também importante dentro do estudo do estado gasoso foi o enunciado do princípio de Avogadro. No início do século XIX, o italiano Amedeo Avogadro, com base em observações experimentais, enunciou que nas mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de gases diferentes possuem o mesmo número de moléculas.

Desse enunciado, temos que: o volume de um determinado gás, a certa pressão e temperatura, é diretamente proporcional à quantidade de matéria do gás (número de mols).

Em termos matemáticos, temos:

V ∝ n ou V=k.n em que, k é uma constante de proporcionalidade

Equação de estado de um gás ideal Até aqui, estudamos as três variáveis de estado de um gás – pressão, volume e temperatura. Agora, com o Princípio de Avogadro, temos uma quarta grandeza que também interfere no comportamento de uma amostra gasosa, a quantidade 215

A18  Transformações Gasosas

Matematicamente, temos:

Química

de matéria (número de mol). Claro que ao analisar a alteração que uma dessas grandezas produz em uma amostra gasosa, as outras variáveis devem permanecer constantes.

Combinando essas grandezas ou variáveis de estado, podemos chegar a uma equação que denominamos de equação de estado de um gás ideal.

V∝

n.T n.T  ou V=R.  P  P 

Nesse caso, temos que a constante de proporcionalidade R é a constante universal dos gases ideais (ou perfeitos). Dependendo da unidade adotada, a constante R pode assumir diversos valores – ver tabela.

Valores numéricos

Unidades

0,082

atm.L/mol.k

*8,31

J/mol.k

1,98

cal/mol.k

*8,31

m3Pa/mol.k

62,36

torr.L/mol.k

Isolando o produto da pressão pelo volume, temos a fórmula que aparece com maior frequência no estudo dos gases: PV = nRT. Essa equação também recebe a denominação de equação de Clapeyron.

Quando denominamos de equação de estado de um gás ideal, significa que a equação deve ser aplicada em condições específicas, como baixa pressão e elevada temperatura.

Fora dessas condições, a equação de estado deve ser corrigida, pois há desvio de comportamento. De qualquer maneira, o estudo dos gases reais, segundo as condições de gás ideal, é um bom modelo para o estudo gasoso.

Equação geral dos gases ideais Partindo-se da equação de estado de um gás, podemos chegar à equação que relaciona as três variáveis de um gás durante uma transformação. Para isso, temos que admitir que a quantidade de matéria (número de mols) permaneça constante.

P.V n.T V∝ ou nR= T P Considerando uma transformação gasosa entre os estados inicial (1) e final (2), temos: P1 .V1 P2 .V2 = T1 T2

Exercícios de Fixação 01. (Ufu MG) Em uma atividade experimental o professor

humana, tornando-a mais fina. Um frasco selado contendo

pegou duas garrafas PET vazias e colocou bexigas cheias

gás hélio a 10 °C é aquecido até a pressão ser o dobro da

na boca de cada uma delas. Em seguida, colocou uma das

inicial. Admita para o hélio um comportamento de gás ideal.

garrafas em uma bacia com água quente e a outra em uma

A temperatura final é:

bacia com água fria. Um dos balões murchou e o outro

a) 20 °C.

ficou mais cheio.

b) 566 °C.

Sobre esses fatos, assinale a alternativa correta.

c) 293 °C.

a) O balão que murchou foi colocado em água quente, pois

d) 253 °C.

o aumento da temperatura causou uma contração dos gases da bexiga. b) O balão que ficou mais cheio foi colocado em água quente, devido ao aumento da temperatura do sistema e à expansão dos gases presentes na bexiga.

A18  Transformações Gasosas

c) O volume do balão que foi colocado em água fria diminuiu, porque a pressão do sistema aumentou, reduzindo o choque das partículas de gás com as paredes do balão.

03. (Unemat MT) Um gás ideal foi armazenado em um recipiente, formando um sistema fechado com uma pressão inicial (P1), temperatura inicial (T1) e volume inicial (V1). Logo após, foi fornecido calor ao sistema, obtendo-se um novo valor de pressão (P1= 2P1) e o volume permaneceu constante.

Com base no texto, marque a alternativa que apresenta a razão entre T1 e T2:

d) Em qualquer um dos casos, o volume dos balões foi altera-

a) 1

do, porque o tamanho das partículas de gás foi modificado.

b) 3 c) 1/2

02. (Acafe SC) O gás hélio é incolor, inodoro e monoatômico e quando inspirado pela boca tem o poder de distorcer a voz

216

d) 2 e) 1/3

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

04. (Unifor CE) Em um sistema termodinâmico, um gás considerado perfeito encontra-se no estado A com pressão PA, volume VA e temperatura TA, conforme diagrama pressão x volume mostrado abaixo. É então levado para o estado indicado pelo ponto B (PB, VB, TB) e em seguida para o estado C (PC, VC, TC).

c) O produto Pressão x Volume (P.V) para este gás é uma constante. d) O gráfico representa uma isoterma, pois a temperatura não varia. e) O gráfico representa o comportamento de um gás real.

06. (UFJF MG) A lei dos gases ideais pode ser utilizada para determinar a massa molar de uma substância. Sabendo-se que a densidade (d) do enxofre na forma gasosa, na temperatura de 500 °C e pressão de 0,888 atm, é 3,710 g L–1, é CORRETO dizer que a fórmula da molécula de enxofre nessas condições é: Dados: R = 0,082 L atm K–1 mol–1; massa molar do S = 32 g mol–1 a) S2. b) S4.

Leia e analise os itens que se seguem: I. A temperatura do gás no ponto B é 50% maior que a temperatura no ponto A. II. A temperatura do gás no ponto C é três vezes maior que a temperatura no ponto A. III. A temperatura do gás no ponto B é metade da temperatura do gás no ponto C. IV. A temperatura do gás no ponto A é igual à temperatura no ponto B. É verdadeiro o que se afirma em: a) I e II apenas. b) II e III apenas. c) I, II e IV. d) II, III e IV. e) I, II e III. 05. (UFT TO) O gráfico abaixo representa o comportamento de uma massa fixa de um gás.

c) S6. d) S8. e) S9.

07. (Acafe SC) Qual o volume de gás cloro produzido pela reação entre 174 g de MnO2 com excesso de ácido clorídrico, sob temperatura de 27 °C e 1 atm?

HC + MnO2 → MnC2 + C2 + H2O Dado: Considere que todos os reagentes são puros e a reação química ocorra com rendimento de 100%. Considere um comportamento ideal para o gás cloro.

R: 0,082 atm.L.mol–1.K–1. Massa molar do MnO2 = 87g/mol. a) 12,3L b) 24,6L c) 49,2L d) 18,4L 08. (Puc ABC SP) Um cilindro de 82 L de capacidade armazena, inicialmente, 640 g de oxigênio a 27 °C. Um estudante abre a válvula do cilindro deixando escapar o gás até que a pressão seja reduzida para 1,5 atm, mantendo-se a temperatura. Considerando que o oxigênio se comporta como gás ideal nessas condições, a pressão na situação inicial e a massa de oxigênio que permanece no interior do cilindro na A18  Transformações Gasosas

situação final são, respectivamente, Dado: R = 0,082 atm L mol–1 K–1 a) 6,0 atm e 80 g. b) 12 atm e 80 g.

Observando o gráfico é INCORRETO afirmar que: a) O gráfico é uma descrição da lei de Boyle. b) Quando a pressão do gás cai de 4 atm para 2 atm seu volume aumenta proporcionalmente.

c) 0,54 atm e 1780 g. d) 6,0 atm e 160 g. e) 12 atm e 160 g.

217

Química

Exercícios Complementares 01. (UEFS BA) A equação que representa a Lei dos Gases Ideais se aplica a qualquer situação em que um gás se encontre, ocorrendo ou não uma transformação no sistema gasoso, mantendo-se a massa constante ou variável.

Assim, considerando-se que um recipiente de vidro aberto, inicialmente, contendo ar a 27 °C, é aquecido a 127 °C e mantido a essa temperatura, no ambiente em que está, pode-se corretamente afirmar: a) Após o aquecimento, todo o ar é retirado do recipiente. b) A massa de ar durante a transformação permanece constante. c) O volume de ar, no final da transformação, é menor que o inicial. d) A pressão do ar, após o aquecimento, é diferente da pressão inicial. e) A quantidade de matéria de ar existente no recipiente, após aquecimento, é 75% da inicial.

02. (Unifor CE) A respiração é um processo no qual ocorre a troca de gases no corpo humano. Na inspiração, o diafragma é contraído, ocasionando um aumento de volume da cavidade torácica. Essa mudança em volume faz com que a pressão interna diminua em relação à pressão atmosférica (pressão externa). Como a pressão externa está maior que a pressão interna (cavidade torácica), o ar é transportado aos pulmões. Na expiração, ocorre o processo inverso.

A18  Transformações Gasosas

De acordo com o texto, podemos inferir que: a) A relação envolvida representa a lei de Charles que afirma que o volume de uma quantidade fixa de gás mantido em uma temperatura constante varia inversamente com a pressão aplicada. b) A relação envolvida representa a lei de Boyle que afirma que o volume de uma quantidade fixa de gás mantido em uma temperatura constante varia inversamente com a pressão aplicada. c) A relação envolvida representa a lei de Charles que afirma que o volume de uma quantidade fixa de gás mantido em uma temperatura constante varia diretamente com a pressão aplicada. d) A relação envolvida representa a lei de Boyle que afirma que o volume de uma quantidade fixa de gás mantido em uma temperatura constante varia diretamente com a pressão aplicada. e) A relação envolvida representa a lei de Gay-Lussac que afirma que o volume de uma quantidade fixa de gás mantido em uma temperatura constante varia diretamente com a pressão aplicada.

218

03. (UCS RS) Para conseguir tossir, o organismo precisa de um mecanismo para expelir o ar de dentro do corpo para fora.

Sabe-se que o movimento provocado por uma força resultante é descrito pela segunda lei de Newton. Se esta força é aplicada sobre uma área, tem-se a definição de pressão.

Conclui-se, portanto, que, para conseguir tossir, os músculos respiratórios necessitam exercer pressão: a) igual à pressão atmosférica. b) menor que a pressão atmosférica. c) maior que a pressão atmosférica. d) maior que a pressão de sístole. e) menor que a pressão de diástole.

04. (UECE) No processo respiratório, na etapa da inalação, o diafragma se expande, deixando maior o volume do pulmão. Nesse caso, a pressão interna do pulmão fica menor que a pressão atmosférica permitindo a entrada de ar no pulmão até uniformizar as pressões. Quando a pressão aumenta o volume do pulmão diminui e o ar é expelido.

No processo respiratório é comprovada uma importante lei dos gases atribuída a a) Charles. b) Gay-Lussac. c) Avogadro. d) Boyle.

05. (UESPI) Um balão contendo gás metano, com volume igual a 4,9 L, foi retirado de um sistema de aquecimento, cuja temperatura era de 86 °C, e resfriado até a temperatura de 5 °C. Após esse procedimento, realizado a uma pressão constante, o volume do referido balão era de: a) 0,28 L b) 1,22 L c) 2,45 L d) 3,79 L e) 4,90 L 06. (UFJF MG) A calibração dos pneus de um automóvel deve ser feita periodicamente. Sabe-se que o pneu deve ser calibrado a uma pressão de 30 lb/pol2 em um dia quente, a uma temperatura de 27 °C. Supondo que o volume e o número de mol injetados são os mesmos, qual será a pressão de calibração (em atm) nos dias mais frios, em que a temperatura atinge 12 °C? Dado: Considere 1 atm ≅ 15 lb/pol2. a) 1,90 atm. b) 2,11 atm. c) 4,50 atm. d) 0,89 atm. e) 14,3 atm.

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A19

MISTURAS GASOSAS O paraquedas funciona graças à resistência do ar. Um objeto, quando puxado pela gravidade da Terra, abre caminho pelas moléculas do ar, que são deslocadas para fora da trajetória do objeto. O velame, parte integrante de um paraquedas, em contato com essas moléculas cria uma força de resistência de baixo para cima, que compensa parcialmente a força da gravidade no sentido contrário.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Misturas gasosas nn Lei das pressões parciais de Dalton nn Pressão parcial e fração molar

Com o paraquedas aberto, a velocidade de voo fica em torno de 30 km/h. Usando os equipamentos de voo como os batoques: tiras ligadas por linhas direcionais à cauda do velame, o paraquedista consegue navegar. Para fazer uma curva para a esquerda, por exemplo, é só puxar para baixo suavemente o batoque desse lado. No pouso, puxam-se ambos: isso empina o velame, criando uma espécie de freio. Tudo isso só é possível porque nossa atmosfera é uma mistura gasosa, cujos principais componentes são oxigênio (21%), nitrogênio (78%), argônio e demais gases (1%).

No começo do século XIX, John Dalton (1766 – 1844) estava entre os que buscavam compreender o fato de a atmosfera ser constituída por vários gases, de diferentes densidades, e ainda assim ser homogênea. A primeira explicação formulada por Dalton para essa questão foi a de que cada gás se comportaria como um fluido elástico newtoniano, atuando como se os outros gases não estivessem presentes na mistura. Assim, Dalton descreveu seu modelo: Quando dois fluidos elásticos, denotados por A e B, são misturados, não existe repulsão mútua entre suas partículas; isto é, as partículas de A não repelem as partículas de B, como se repelem entre si.

Esse enunciado corresponde ao que podemos chamar de a “primeira teoria das misturas gasosas” proposta por Dalton.

Com a aceitação dessa “primeira teoria das misturas gasosas”, e consequentemente da lei das pressões parciais, William Henry (1775 – 1836) conseguiu estabelecer relações entre as diversas solubilidades dos gases em líquidos e o aumento das pressões exercidas (lei de Henry). Dalton prosseguiu no detalhamento de sua teoria: especulando sobre a não interação entre átomos de gases diferentes, e suas diferentes solubilidades, Dalton imaginou que essas diferenças poderiam advir dos tamanhos e massas característicos dos átomos de cada gás.

Fonte: Danshutter-Shutterstock.com

De acordo com esse modelo, cada gás se comportaria como uma entidade independente, pelo fato de partículas de gases diferentes não sofrerem atração ou repulsão umas em relação às outras. Assim, a lei das pressões parciais – formulada em termos de grandezas mensuráveis macroscopicamente – obteve um suporte microscópico para sua compreensão e difusão no mundo científico do início do século XIX.

Recorrendo também a dados ponderais acerca da composição elementar das substâncias, Dalton pôde calcular os “pesos atômicos” relativos para os diversos elementos – abrindo então um caminho inteiramente novo para o desenvolvimento da química.

219

Química

SAIBA MAIS É possível que os experimentos de Dalton e Henry sobre a solubilidade dos gases em água tenham sido discutidos e encorajados por Thomas Percival (1740-1804). Uma razão para as pesquisas iniciais de Dalton e Henry destacarem o gás carbônico é o fato de este ser, até então, o único gás cuja solubilidade em água já havia sido estudada- Priestley, por exemplo, já havia mostrado como a água gaseificada efervescia em um recipiente com vácuo.

Para encontrar os valores de solubilidade dos gases em água, Henry utilizou o equipamento ilustrado na figura a seguir. O tubo graduado (A) admite uma determinada quantidade de água e do gás a ser analisado. Com as válvulas (a) e (b) fechadas, o tubo (A) é agitado de forma que o nível do mercúrio presente em (B) sofra uma diminuição (o mercúrio se desloca em direção a C).

Dessa maneira, a variação do nível da coluna de mercúrio indica a respectiva diminuição da pressão interna do gás originada pela sua solubilização em água. Assim, quanto maior a solubilidade de um determinado gás em água, mais a sua pressão interna vai diminuir e maior será a variação do nível da coluna de mercúrio.

A lei de Dalton permite concluir que cada componente gasoso se comporta de maneira independente um do outro. E como sabemos da equação dos gases ideais (PV = nRT), que a pressão é diretamente proporcional à quantidade de matéria (n), podemos determinar a pressão total da mistura gasosa.

Por exemplo, admita que o sistema a seguir represente uma mistura gasosa formada por nA mol de um gás e nB mol de outro gás.

Figura 02 - Mistura gasosa, cujos componentes são moléculas biatômicas.

Qual o valor da pressão total?

Como os dois gases se encontram no mesmo recipiente temos que V, R e T são iguais. Assim, podemos calcular a  RT  pressão do componente A por: PA =nA   e a pressão do  V  RT  componente B por: PB =nB   . A pressão total é dada pelo  V  somatório das pressões de A e B. PT= PA + PB  RT   RT  PT nA   + nB   =  V   V   RT  PT (nA + nB )   =  V   RT  PT = nT    V 

Pressão parcial e fração molar Figura 01 - Aparelhagem utilizada por Henry para medir a solubilidade dos gases em água

A19  Misturas Gasosas

Lei das pressões parciais de Dalton Denomina-se pressão parcial de um componente como sendo a pressão exercida por esse componente caso ele se encontre sozinho no recipiente em que havia a mistura gasosa. A pressão total exercida por uma mistura de gases A, B, C, ...N é dada pela soma das pressões parciais dos componentes A, B, C,...N. PT = PA + PB + PC + ...PN 220

Já que o comportamento de cada componente em uma mistura gasosa é independente do comportamento do outro, podemos estabelecer uma relação entre pressão parcial, pressão total e fração em quantidade de matéria (fração molar, X). Para isso, matematicamente, devemos dividir a pressão parcial pela pressão total.

PA = PT

 RT  nA   P nA P  V  ∴ A = ∴ A = X A ∴ PA = PT X A RT (nA + nB )   PT (nA + nB ) PT  V 

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

02. (Puc Campinas SP) Um balão de vidro de 60 L contém uma mistura gasosa exercendo a pressão de 0,82 atm a 300 K. O número total de mol dos gases contidos no recipiente é igual a: a) 2,0 b) 1,5 c) 1,0 d) 0,50 e) 0,25 03. (UEL PR) Essa questão relaciona-se com a mistura gasosa contendo igual número de moléculas de metano e hidrogênio e ocupando o volume de 22,4 L nas CNTP. A pressão parcial do metano, em atm, vale: a) 0,50 b) 1,0 c) 1,5 d) 2,0 e) 2,5 04. (FEI SP) Num recipiente de 44,8 L, mantido a 273 K, foram misturados 4 mol de gás hidrogênio e 6 mol de gás oxigênio em CNTP. As pressões parciais de H2 e O2, em atmosferas, são, respectivamente: a) 1,0 e 2,0 b) 3,0 e 4,5 c) 0,8 e 1,2 d) 1,0 e 1,5 e) 2,0 e 3,0 05. (UFF RJ) Dois frascos exatamente iguais, contendo gases que não reagem entre si, são colocados em contato, de modo que os gases possam fluir livremente de um frasco para o outro. Admitindo-se que não há variação de temperatura e que a pressão inicial do gás A é o triplo da pressão inicial do gás B, a pressão de equilíbrio é: a) 2/3 da pressão inicial de A b) o dobro da pressão inicial de A c) metade da pressão inicial de B d) metade da pressão inicial de A e) quatro vezes a pressão inicial de B

06. (FCM PB) Uma mistura de 3,0 mol de CO2(g), 3,0 × 1023 moléculas de CO(g) e 84,0 g de N2(g) contida em um balão fechado de 0,05 m3 de capacidade se encontra na temperatura de 27 °C. Com relação a esse sistema, assinale a alternativa correta. a) Dentro do recipiente, a pressão parcial do N2 é maior que a do CO2. b) A pressão parcial do CO(g) na mistura é de 0,12 atm. c) O número total de mol de gases no sistema é igual a 65. d) A pressão total da mistura no sistema é 3,2 atm. e) O número de átomos no sistema é igual 3,9 × 1024.

07. (UECE) Considere uma mistura dos gases nitrogênio, oxigênio e dióxido de carbono. Conhecem-se as pressões parciais do nitrogênio (0,40 atm), do oxigênio (0,20 atm) e a pressão total da mistura (0,80 atm). Quando a massa de nitrogênio for 7 g, a massa do oxigênio será a) 2,0 g. b) 4,0 g. c) 6,0 g. d) 8,0 g.

08. (Vunesp SP) Qual é a pressão, em atmosferas, exercida por uma mistura de 1,0 g de H2 e 8,0 g de He contida em um balão de aço de 5,0 L a 27oC? Dados: H = 1; He = 4. R = 0,082 atm. L/mol.K 12,3 atm 09. (Unimontes MG) O oxigênio gasoso gerado in vitro, em uma simulação de fotossíntese, é coletado sobre a água. O volume do gás coletado a 22°C e à pressão atmosférica de 1,0 atm é 186 mL. Considerando que a pressão de vapor da água a 22°C é 0,03 atm, a massa de oxigênio produzida é, aproximadamente, igual a a) 0,95 g. b) 0,24 g. c) 0,74 g. d) 0,01g.

10. (Unicamp SP) Um importante fator natural que contribui para a formação de óxidos de nitrogênio na atmosfera são os relâmpagos. Considere um espaço determinado da atmosfera em que haja 20 % em massa de oxigênio e 80 % de nitrogênio, e que, numa tempestade, haja apenas formação de dióxido de nitrogênio.

1 N2 + O2 → NO2 2 Massas molares em g mol-1: N2 = 28 , O2 = 32 e NO2 = 46 Supondo-se que a reação seja completa, consumindo todo o reagente limitante, pode-se concluir que, ao final do processo, a composição percentual em massa da atmosfera naquele espaço determinado será aproximadamente igual a a) 29 % de dióxido de nitrogênio e 71 % de nitrogênio. b) 40 % de dióxido de nitrogênio e 60 % de nitrogênio. c) 60 % de dióxido de nitrogênio e 40 % de nitrogênio. d) 71 % de dióxido de nitrogênio e 29 % de nitrogênio.

221

A19  Misturas Gasosas

01. (UEFS BA) Considere um recipiente que contém 0,5 mol de H2 e 1,0 mol de Ar, a determinada temperatura. Comparando a pressão parcial do hidrogênio com a do argônio, tem-se: a) PH2= PAr b) PH2= 2PAr c) PH2 = 3PAr d) PAr = 2PH2 e) PAr = 3PH2

Química

Exercícios Complementares 01. (UEFS BA) A análise de um sistema formado por substâncias gasosas deve levar em consideração as condições de pressão, de volume e de temperatura porque, no estado gasoso, as moléculas se encontram mais separadas umas das outras do que no estado líquido e sólido.

Considerando-se que, em um recipiente metálico fechado com capacidade para 20,0 L, coexistem, sem reagir, 56,0 g de nitrogênio, N2(g), e 12,0 g de hélio, He(g), à pressão de 7,2 atm, e que esses gases se comportam como ideais, é correto afirmar que: a) O aumento da temperatura ambiente não interfere na energia cinética das partículas dentro do recipiente. b) A um volume constante, a pressão exercida pelos gases é inversamente proporcional à temperatura. c) O valor da pressão parcial do nitrogênio, presente no recipiente, é de, aproximadamente, 2,0 atm. d) A quantidade de moléculas do nitrogênio na mistura é maior do que a de átomos de hélio. e) A temperatura do sistema é, aproximadamente, de 78 °C. 02. (Unitau SP) Uma mistura gasosa contendo 32 g de O2 e 44 g de CO2, contida em um volume de 22,4 L, na temperatura de 0 °C, exerce uma pressão total de Massas atômicas: O = 16 e C = 12 a) 0,5 atm b) 1 atm c) 1,5 atm d) 2,0 atm e) 2,5 atm 03. (Mackenzie SP) Três recipientes indeformáveis A, B e C, todos com volumes iguais, contêm, respectivamente, três diferentes gases de comportamento ideal, conforme a descrição contida na tabela abaixo.

Ao serem abertas as válvulas 1 e 2, a mistura gasosa formada teve sua temperatura estabilizada em 300 K. Desse modo, a pressão interna final do sistema é igual a a) 1,5 atm. b) 2,0 atm. c) 2,5 atm. d) 3,0 atm. e) 3,5 atm.

04. (UEFS BA) Um cilindro metálico com capacidade para 100,0 L contém 24 g de hidrogênio, H2(g), e 32 g de metano, CH4(g), a uma temperatura de 27°C. Considerando-se que os gases se comportam como ideais, é correto concluir: a) O aumento da temperatura ambiente reduz a pressão exercida pelos gases dentro do recipiente. b) O percentual de metano na mistura é de, aproximadamente, 57,1%, em volume. c) A pressão parcial do metano no recipiente é dobro da pressão do hidrogênio. d) O valor da fração molar do hidrogênio na mistura é, aproximadamente, 0,86. e) A pressão exercida pelos gases dentro do cilindro é de 6,8 atm.

05. (UEM PR) Considere uma mistura gasosa formada por 8 g de H2 e 32 g de O2 que exerce uma pressão total igual a 50 kPa em um recipiente de 40 litros e assinale o que for correto.

01. A fração, em mols, de hidrogênio é 0,8.

02. A pressão parcial do oxigênio é 10 kPa. 04. O volume parcial do hidrogênio é 32 litros.

08. A porcentagem, em volume, do oxigênio é 20 %.

16. A pressão parcial do hidrogênio é 45 kPa. 01-02-04-08

Recipiente

Gás armazenado

Temperatura

Pressão

A

Hélio (He)

400 K

3 atm

B

Nitrogênio (N2)

600 K

4,5 atm

C

Oxigênio (O2)

200 K

1 atm

A19  Misturas Gasosas

Os balões são interligados entre si por conexões de volumes desprezíveis, que se encontram fechadas pelas válvulas 1 e 2. O sistema completo encontra-se ilustrado na figura a seguir.

222

06. (UERJ) Uma das técnicas empregadas para separar uma mistura gasosa de CO2 e CH4 consiste em fazê-la passar por uma solução aquosa de Ba(OH)2.

Uma amostra dessa mistura gasosa, com volume total de 30 L, sob temperatura de 27 °C e pressão de 1 atm, ao reagir com a solução aquosa de Ba(OH)2, produz a precipitação de 98,5 g de BaCO3. A fração gasosa remanescente, nas mesmas condições de temperatura e pressão, contém apenas CH4.

O volume, em litros, de CH4 remanescente é igual a: a) 10 b) 12 c) 15 d) 18

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A20

LEI DE GRAHAM A maioria dos processos químicos depende do movimento das moléculas nos gases e nos líquidos. Uma das propriedades de transporte de matéria é a difusão, definida como a migração de matéria ao longo de um gradiente de concentração. Um tipo especial de difusão é a efusão, definida como a migração de moléculas gasosas de dentro de um recipiente por meio de um pequeno orifício.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Lei de Graham nn Densidade dos gases nn Difusão e efusão gasosas

Por exemplo, é comum em festas de aniversários parentes e amigos levarem para casa os balões que enfeitam a festa. Ao sair da festa, os balões encontram-se completamente preenchidos com gás. Contudo, com o passar do tempo, os balões vão se esvaziando. O gás escapa por pequenos furos existentes na borracha que forma a parede do balão. Esses poros são imperceptíveis ao olho humano, mas permitem a passagem de moléculas gasosas. Quanto menor a massa molar de um gás maior será a velocidade de escape do gás pelos poros.

Na ilustração a seguir, vemos a representação do mesmo balão em três estágios diferentes. Em (I), o balão recém-preenchido com ar atmosférico se apresenta completamente cheio. Em (II), decorrido algum tempo, o balão ainda se encontra bastante cheio, mas já apresenta um volume menor quando comparado com o estágio (I), indicando que houve escape de parte do gás que estava aprisionado no seu interior. Em (III), o balão se apresenta murcho, indicando que, praticamente, todo o gás de preenchimento do balão vazou. O escape de gás por meio de um orifício é denominado de efusão gasosa.

Os pneus fazem parte do cotidiano há mais de um século, e estão presentes em automóveis, aviões, bicicletas, carrinhos de bebê, brinquedos e em várias outras tecnologias que utilizam rodas. Considerados itens imprescindíveis para a sociedade contemporânea, tiveram origem no século XIX e passaram por muitas fases de desenvolvimento, antes de se apresentarem como os conhecemos hoje. Porém, o mecanismo de preenchimento de um pneu é o mesmo que utilizamos para preencher um balão de aniversário, ou seja, devemos introduzir uma mistura gasosa no seu interior até atingir a pressão adequada.

Fonte: wikipedia / Ildar Sagdejev (Specious)

Da mesma forma que os balões de aniversário esvaziam, os pneus de carros também o fazem segundo o princípio da efusão gasosa. Quando um carro permanece parado por muito tempo, os pneus esvaziam.

Figura 01 - Balões em estágios diferentes de uma efusão gasosa.

223

Química

Os pneus são feitos de borracha, e mesmo após anos de desenvolvimento, ainda não se encontrou uma forma de produzir borrachas isentas de microporos. Portanto, nas borrachas que compõem os pneus também existem poros, da mesma forma que existem poros nas câmaras de ar, que ainda entram na composição de alguns tipos de pneus. Como dito anteriormente, esses microporos permitem o escape de gases. É por isso que um pneu esvazia quando fica por muito tempo parado. O processo de escape de ar pelos poros de um pneu é chamado de efusão.

No início do século XIX, o interesse pelo movimento de massas gasosas já era bastante grande. Foi o cientista Thomas Graham quem melhor explicou esse fato.

Graham estudou o movimento da passagem de um gás por meio de orifício, fenômeno chamado de efusão gasosa.

O emprego da difusão e efusão gasosas é de grande importância tecnológica.

Ilustrativo disso é o processo de separação de isótopos de urânio em reatores nucleares, o qual utiliza o princípio da Lei de Graham. Nesse processo, o isótopo mais pesado difunde mais lentamente. Conforme a diferença de massas entre os isótopos, a separação é assim efetuada em maior ou menor número de estágios.

A20  Lei de Graham

Por exemplo, as plantas de enriquecimento de urânio para reatores nucleares utilizam difusão fracionada para separar o 235 U do 238 U a partir do hexafluoreto de urânio (UF6), que é um sólido volátil. O vapor de UF6 é submetido à efusão por meio de uma série de barreiras porosas. As moléculas de UF6 contendo 235 U são mais leves que aquelas contendo 238 U , portanto, sofrem efusão mais rapidamente, podendo ser separadas do resto. Entretanto, a razão entre o tempo requerido para a efusão de uma mesma quantidade de 235 UF6 e 238 UF6 é somente 1,004. Para melhorar a separação, o vapor é passado por meio de vários estágios de efusão, em alguns casos chegando a 4000 estágios.

Figura 02 - Processo de enriquecimento do urânio a partir do urânio natural.

Para melhor entender o processo de determinação de velocidades de efusão dos componentes de uma mistura gasosa, propriamente dita, vamos fazer um breve estudo da densidade dos gases.

224

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Densidade dos gases

Densidade do ar atmosférico

Fonte: freestockphotos/Shaun Fisher

Quando uma criança enche de ar um balão de aniversário (com a boca) e o joga para cima, normalmente ela se decepciona com a altura que o balão atinge: bem inferior ao imaginado por ela. Contudo, quando o mesmo balão é enchido com gás hélio, ele sobe em alta velocidade atingindo alturas elevadas. Na ilustração ao lado (figura 03), temos balões preenchidos com gás hélio. Observe que os balões, quando livres, escapam e alcançam elevadas altitudes na atmosfera. A explicação para tal fato está na densidade dos gases dentro e fora do balão.

Figura 03 - Balões cheios de gás hélio. Quando soltos, sobem e atingem

A atmosfera é uma mistura gasosa em que os principais grandes altitudes na atmosfera. componentes são N2 (78%), O2 (21%), Argônio e demais gases(1%). Utilizando a equação de estado dos gases ideais PV = nRT, podemos calcular a densidade absoluta do ar atmosférico. Para isso, temos que admitir comportamento ideal para os gases atmosféricos.

PV =

m m P ⋅M RT ⇒ P = RT ⇒ P ⋅ M = d ⋅ R ⋅ T ⇒ d = M V ⋅M R⋅T

Da fórmula acima, deduzimos que a densidade dos gases, quando submetidos às mesmas condições de temperatura e pressão, é diretamente proporcional à massa molar (M), ou seja, quanto maior a massa molar de um gás, maior será a sua densidade.

A massa molar (M) do ar atmosférico pode ser calculada por média ponderada das massas molares dos componentes: Mar =

Mar =

(M

N2

) (

)

⋅ 78% + MO2 ⋅ 21% + (MAr ⋅ 1% ) 100%

(28 ⋅ 78% ) + (32 ⋅ 21% ) + (36 ⋅ 1% ) 100%

Mar = 28,92 g / mol É por isso que o balão cheio de gás hélio sobe em alta velocidade quando na atmosfera. A massa molar do hélio é 4 g/mol, e a massa molar do ar atmosférico é 28,92 g/mol.

Densidade relativa

A20  Lei de Graham

O cálculo da densidade relativa de um gás é determinado quando esta é comparada à densidade de outro gás. Por exemplo, para o gás hélio e o ar atmosférico, podemos calcular a densidade relativa do ar atmosférico em relação ao gás hélio estabelecendo o seguinte quociente:  P ⋅ MAR   P ⋅ 28,92    dAR  R ⋅ T  dAR  R ⋅ T  d 7,23 ⋅ dHe = = = AR dHe  P ⋅ MHe  dHe  P⋅4     R⋅T  R⋅T    De maneira genérica, para dois gases A e B, temos que a: dA MA = dB MB 225

Química

Difusão e efusão gasosas Quando, a certa distância, verificamos que uma pessoa usa um perfume de cheiro agradável, estamos, na verdade, verificando o fenômeno da difusão gasosa. A difusão gasosa ocorre todas as vezes que moléculas de um gás se misturam entre as moléculas de outra substância, ambas no estado gasoso. Esse movimento espontâneo de moléculas gasosas por meio de outro gás é chamado de difusão.

Vale enfatizar que tal movimento das partículas gasosas ocorre de forma espontânea. No início do século XIX, havia grande interesse pelo movimento dos gases, e foi o cientista Thomas Graham (1805-1869) quem melhor explicou esse fenômeno. Graham estudou os fenômenos de efusão e difusão.

Em seus experimentos, verificou que a velocidade com que um gás se espalha por outro gás (a velocidade da difusão) é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade.

Vdifusão =

constante d

E que, além disso, a velocidade de efusão de dois gases é dada por: MB VA = VB MA

Para chegar a essa conclusão, podemos partir do cálculo de energia cinética. Considere dois gases A e B (ver demonstração no quadro a seguir).  mA v2A   mB vB2   =   2   2 

Ec(A) = Ec(B)

Considerando a massa (mA e mB) como sendo a massa molar (M), temos MA v2A =MB vB2

v2A MB = vB2 MA

v A MB = vB MA Já vimos que a densidade de um gás é diretamente proporcional à massa molar. Desse modo, podemos expressar as velocidades de efusão dos gases em função das densidades.

v A MB v d = ∴ A= B vB MA vB dA

Exercícios de Fixação 01. (UFT) A figura abaixo mostra um garoto brincando com bexigas.

a) Criptônio e dióxido de carbono . b) Dióxido de carbono e hélio . c) Metano e hélio . d) Hélio e criptônio . e) Dióxido de carbono e metano .

Sabendo-se que o volume molar de um gás ao nível do mar a 25°C é 25 L mol–1 e a densidade do ar atmosférico é 1,2 g L–1, quais são os gases que as bexigas A e B podem conter, respectivamente:

226

Fonte: flickr / Felipe Ernesto

A20  Lei de Graham

02. (Unimontes MG) Em geral, as moléculas de um gás movimentam-se em grande velocidade no ambiente. Quando um frasco de perfume é aberto, percebe-se logo o odor da essência no ar. Essa percepção depende da composição e difusão do gás emitido pelo perfume.

Considere que, quando Paula utiliza diferentes perfumes, Maria, que está na outra extremidade da sala, perceberá, em tempos diferentes e alguns segundos depois, o odor do perfume.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

03. (Fuvest SP) A velocidade com que um gás atravessa uma membrana é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molar. Três bexigas idênticas, feitas com membrana permeável a gases, expostas ao ar e inicialmente vazias, foram preenchidas, cada uma, com um gás diferente. Os gases utilizados foram hélio, hidrogênio e metano, não necessariamente nessa ordem. As bexigas foram amarradas, com cordões idênticos, a um suporte.

Decorrido algum tempo, observou-se que as bexigas estavam como na figura. Conclui-se que as bexigas A, B e C foram preenchidas, respectivamente, com: a) hidrogênio, hélio e metano. b) hélio, metano e hidrogênio. c) metano, hidrogênio e hélio. d) hélio, hidrogênio e metano. e) metano, hélio e hidrogênio.

Dados: Massas molares (g/mol): H = 1,0 ; He = 4,0 ; C = 12.

Massa molar média do ar = 29 g/mol 04. (UFRN) A emissão de substâncias químicas na atmosfera, em níveis elevados de concentração, pode causar danos ao ambiente. Dentre os poluentes primários, destacam-se os gases CO2, CO, SO2 e CH4. Esses gases, quando confinados, escapam lentamente, por qualquer orifício, por meio de um processo chamado efusão.

Suponha que os gases citados, mantidos nas mesmas condições de temperatura e pressão, tenham sido colocados em balões de borracha de igual volume.

A ordem decrescente de velocidade de efusão das substâncias contidas nos balões é: a) CO; CH4; SO2; CO2 b) SO2; CO2; CO; CH4 c) CO2; SO2; CH4; CO d) CH4; CO; CO2; SO2 05. (UFRN) Um balão de ar quente é constituído por um saco de tecido sintético, chamado envelope, o qual é capaz de conter ar aquecido. Embaixo do envelope, há um cesto de vime, para o transporte de passageiros, e uma fonte de calor, conforme ilustra a figura a seguir.

Para que o balão suba, aquece-se o ar no interior do envelope e, com isso, inicia-se a flutuação do balão. Essa flutuação ocorre porque, com o aquecimento do ar no interior do envelope, a) a densidade do ar diminui, tornando o peso do balão menor que o empuxo. b) a pressão externa do ar sobre o balão aumenta, tornando seu peso menor que o empuxo. c) a densidade do ar diminui, tornando o peso do balão maior que o empuxo. d) a pressão externa do ar sobre o balão aumenta, tornando seu peso maior que o empuxo.

06. (UFTM MG) Em condições idênticas, as velocidades de difusão de dois gases são inversamente proporcionais às raízes quadradas de suas massas molares. Considerando-se os gases hélio e metano, pode-se afirmar que a velocidade de difusão do gás: Dados: massas molares (g/mol): H = 1; He = 4; C = 12 a) metano é o dobro da velocidade de difusão do gás hélio. b) metano é o triplo da velocidade de difusão do gás hélio. c) metano é o quádruplo da velocidade de difusão do gás hélio. d) hélio é o dobro da velocidade de difusão do gás metano. e) hélio é o quádruplo da velocidade de difusão do gás metano.

227

A20  Lei de Graham

Assim é correto afirmar que: a) A percepção ocorre porque o gás com maior densidade se difunde mais rapidamente. b) A percepção dos odores demora porque ocorrem colisões aleatórias entre o ar e o gás emitido. c) O perfume contendo gases com menor massa molar terá menor velocidade de difusão. d) A ordem em que Maria sentirá os odores é igual à ordem decrescente da massa molar dos gases emitidos.

Química

Exercícios Complementares 01. (FGV SP) O Brasil é um grande exportador de frutas frescas, que são enviadas por transporte marítimo para diversos países da Europa. Para que possam chegar com a qualidade adequada ao consumidor europeu, os frutos são colhidos prematuramente e sua completa maturação ocorre nos navios, numa câmara contendo um gás que funciona como um hormônio vegetal, acelerando seu amadurecimento.

Esse gás a 27 °C tem densidade 1,14 g ⋅ L–1 sob pressão de 1,00 atm. A fórmula molecular desse gás é Dado: R = 0,082 atm ⋅ L ⋅ mol–1K–1 a) Xe. b) O3. c) CH4. d) C2H4. e) N2O4.

02. (Fameca SP) Quatro balões de aniversário, nas condições ambientais, foram preenchidos com os gases indicados no quadro a seguir, até ficarem com o mesmo volume.

Balão

Gás

I

O2

II

He

III

H2

IV

CO2

Em seguida, esses balões foram amarrados com um barbante em um cabo de vassoura apoiado em duas banquetas, ficando nas posições indicadas na figura.

Os dois balões que ficaram em posição mais elevada devem ser apenas a) I e II. b) I e III. c) II e III. d) II e IV. e) III e IV. 03. (UECE) Na eletrólise de uma solução se obtém uma mistura de gases com a seguinte composição em peso: nitrogênio 87% e oxigênio 13%. A densidade absoluta da mistura a 27 °C e 1 atm, em g/L, é a) 1,78. b) 1,96. c) 1,28. d) 1,16.

04. (Unifor CE) O eucalipto é muito utilizado na fitoterapia.

O óleo de eucalipto possui propriedades antisséptica, expectorante, antiasmática, anti-inflamatória e desinfetante. O óleo produzido de folhas de eucalipto contém o composto orgânico volátil eucaliptol. A 190 °C e 60,0 Torr, uma amostra de vapor de eucaliptol tem densidade de 0,320 g/L. A massa molar do eucaliptol é: (Dados: R = 62,4 L.Torr.K–1. Mol–1) a) 80,3 g.mol–1 b) 5,2 g.mol–1 c) 54,1 g.mol–1 d) 4,1 g.mol–1 e) 8,7 g.mol–1

A20  Lei de Graham

05. (Unimontes MG) O volume molar, 22,4 L, nas condições normais de temperatura e pressão, é útil para se determinar a massa molar ou mesmo a densidade de um gás ou de substâncias que podem ser facilmente vaporizadas.

Se 2,0 L de um gás, medidos nas condições citadas acima, apresentam massa igual a 3,23 g, pode-se afirmar que a densidade desse gás (g/L) é, aproximadamente, a) 1,6. b) 3,6. c) 0,1. d) 3,2.

06. (Mackenzie SP) Quatro balões idênticos foram enchidos com um mol de gás e colocados em uma caixa fechada, conforme a figura a seguir. Todos os gases encontram-se à P = 1 atm e T = 25°C.

228

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

08. (Puc SP) Em decorações de festa de aniversário, ou em parques de diversões, é muito comum encontrarmos balões coloridos cheios de gás hélio.

Dados: massa molar (g/mol) H=1; He= 4; C= 12; N = 14; O = 16; massa Fonte: freestockphotos/Shaun Fisher

aparente do ar = 28,96 g/mol.

Se abrirmos a caixa, os balões que vão subir são a) I e III, apenas. b) II e III, apenas. c) I e IV, apenas. d) II e IV, apenas. e) I, II e III, apenas.

a uma mesma temperatura, possuem igual energia cinética média. Para ilustrar essa teoria, um professor montou o experimento abaixo esquematizado, no qual, em cada extremidade de um tubo de vidro com 1 m de comprimento, foram colocados dois chumaços de algodão embebidos, respectivamente, em uma solução de amônia e em uma solução de ácido clorídrico, ambas com a mesma concentração. Após determinado período de tempo, observou-se a formação do cloreto de amônio na região do tubo mais próxima à extremidade que contém o ácido.

Considere que os vapores formados no experimento se comportam como gases.

Decorridos 15 segundos do início da difusão dos vapores, verificou-se a formação do anel de cloreto de amônio a 59,4 cm da extremidade que contém o algodão com amônia e a 40,6 cm da extremidade que contém o algodão com ácido clorídrico.

A razão entre as velocidades médias de difusão das moléculas de NH3 e HC é: a) 1,75 b) 1,46 c) 0,96 d) 0,74

Uma empresa especializada em balões decorativos pretendia acrescentar em sua página na internet informações a respeito do comportamento desses balões.

Um dos sócios, lembrando-se de suas aulas de química, fez as seguintes afirmações: I. O balão flutua no ar, pois, apesar de sua pressão interna ser maior do que a pressão atmosférica, o gás hélio apresenta uma massa molar muito menor do que os gases nitrogênio e oxigênio, principais componentes do ar.

II. Se o balão escapar, o seu volume vai aumentando à medida que sobe, estourando em determinada altitude. Essa expansão ocorre devido à menor pressão atmosférica em altitudes maiores.

III. O balão de látex preenchido com hélio murcha mais rapidamente que o balão preenchido com ar, uma vez que a difusão do gás hélio pelos poros da borracha é mais rápida, devido à sua menor massa molar.

Sobre essas sentenças pode-se afirmar que a) apenas a I é verdadeira. b) apenas a II é verdadeira. c) apenas a I e a III são verdadeiras. d) apenas a II e a III são verdadeiras. e) todas são verdadeiras.

09. (UPF RS) Sabe-se que, nas mesmas condições de pressão e temperatura, as massas moleculares de gases são diretamente proporcionais às respectivas densidades.

Assim, quando a densidade de CH4 for igual a 0,80g/L, a do CO2, nas mesmas condições, será igual a: a) 1,1g/L b) 2,2g/L c) 3,3g/L d) 4,4g/L e) 5,5g/L 229

A20  Lei de Graham

07. (Uerj RJ) Estudos mostram que as moléculas de dois gases,

FRENTE

A

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (UFG GO) Analise o esquema a seguir.

03. (Unirio RJ) “Geralmente, os poluentes do ar que causam danos às plantas são gasosos, como os óxidos de nitrogênio, dióxido de enxofre, hidrocarbonetos e substâncias fotooxidantes. O efeito é direto ou indireto sobre as plantas e depende de sua concentração e período de exposição.” www.ambientebrasil.com.br

Ao se introduzir uma bolha de gás na base do cilindro, ela inicia sua ascensão ao longo da coluna de líquido, à temperatura constante. A pressão interna da bolha e a pressão a que ela está submetida, respectivamente, a) aumenta e diminui. b) diminui e diminui. c) aumenta e permanece a mesma. d) permanece a mesma e diminui. e) diminui e permanece a mesma.

A respeito do comportamento de um gás, podemos afirmar que: a) O zero absoluto é a temperatura onde o volume de um gás seria reduzido a zero e corresponde a 273 °C. b) O volume de uma determinada quantidade de um gás, à temperatura constante, é diretamente proporcional à sua pressão. c) O volume e a temperatura absoluta de um gás, à pressão constante, são inversamente proporcionais. d) O volume ocupado por um mol de um gás no estado padrão é igual a 22,414 litros. e) Para uma amostra de gás constituído de um certo número de mol de moléculas, existem três variáveis mensuráveis matematicamente relacionadas entre si: pressão, volume e temperatura.

04. (UFAM) Um gás perfeito encontra-se inicialmente em um estado A, sofre uma transformação isotérmica e atinge o estado B, que por sua vez sofre uma transformação isocórica e atinge o estado C, conforme o esquema abaixo:

02. (PUC PR) Relacione a primeira coluna com a segunda: 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Charles e Gay Lussac Dalton Graham Einstein Clapeyron Avogadro

( ) Relaciona massas de elementos químicos, que, ao se combinarem em compostos diferentes, estabelecem entre si uma proporção de números inteiros. ( ) PV = nRT. ( ) A pressão exercida por uma certa massa gasosa, a volume constante, é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. ( ) Volumes iguais de gases quaisquer contêm o mesmo número de moléculas, desde que estejam à mesma temperatura. a) 1, 5, 2, 6 b) 1, 2, 4, 3 230

c) 2, 5, 1, 6 d) 4, 3, 2, 1

e) 6, 1, 2, 5

Os valores de VB, TB, VC e TC, em relação ao estado A, são, respectivamente: a) ½VA, TA, ½VA, 4TA b) 2VB, TB, 2VA, ¼TB c) 2VA, TA, 2VA, ¼TA d) 2VA, TB, 2VA, ¼TB e) ½VA, TB, ½VB, 4TC 05. (UPE PE) Um recipiente aberto de volume “V”, contendo 1 mol de CO2(g) a 27 °C, foi aquecido a 327 °C. O gás expulso do recipiente foi convenientemente recolhido e insuflado sobre uma solução aquosa de hidróxido de sódio, suficiente para consumir todo gás. Em relação às transformações, é CORRETO afirmar que:

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Dados: ma(C) = 12u, ma(Na) = 23u, ma(0) = 16u, ma(H) = 1u a) Com a elevação da temperatura para 327 °C, foi expulso do 1 de mol do gás CO2. recipiente 4 b) Ao aquecer o recipiente até 327 °C, todo o gás carbônico contido no recipiente foi expulso. c) Após o término da reação do gás carbônico, expulso do recipiente, com a solução aquosa de NaOH, constatou-se que se formou 0,50 mol de um sal de sódio. d) Após o término da reação do gás carbônico expulso do recipiente, com a solução aquosa de NaOH, verifica-se que foram formados 2,0 mol de um sal de sódio. e) O gás carbônico não reage com o hidróxido de sódio, pois, sendo um óxido básico, só reagiria com ácidos em solução aquosa.

08. (FAAP SP) Em um recipiente indeformável, de capacidade igual a 4 L, são colocados 2 L de H2 medidos a CNTP, juntamente com 3 L de O2 medidos a 27 °C e 700mmHg. Calcule a pressão no interior do recipiente, sabendo que após a mistura dos gases a temperatura dele é 17 °C. 911 mmHg 09. (UEFS BA) O estudo dos gases proporciona excelentes exemplos de aplicação do método científico que mostra como a observação de regularidades da natureza, por meio da experimentação, conduz a leis e como essas poderiam ser explicadas por meio de teorias e de modelos. O comportamento de oxigênio, O2(g), contido em um recipiente de 6,0 L, a pressão de 5,0 atm, interligado por meio de uma válvula a outro de 15,0 L, em que há vácuo, de acordo com a figura, constitui exemplo de aplicação do método científico ao sistema gasoso.

06. (UFG GO) O gás hidrogênio pode ser produzido em laboratório a partir da reação química entre zinco metálico e ácido clorídrico, conforme esquema e equação química não balanceada apresentados a seguir.

Dados: dHC ≅ 1,2 g/mL; R = 0,082 atm ⋅ L ⋅ mol–1 ⋅ K–1 Admitindo-se que a temperatura do sistema formado pelos recipientes é igual a 27 °C, o volume de O2(g) no interior da ligação é desprezível e esse gás é considerado ideal, é correto afirmar que: a) O número de moléculas de O2(g) existente no interior do recipiente I, antes da abertura da válvula, é 6,02 × 1023. b) A pressão exercida pela massa de O2(g) no sistema, após aberta a válvula, é igual a 1,5 atm. c) A massa de oxigênio contida no sistema é, aproximadamente, 39,0 g. d) A pressão do oxigênio aumenta após a abertura da válvula com a expansão do volume do gás. e) A quantidade de matéria de O2(g), no interior do sistema, é 1,0 mol, de acordo com a hipótese de Lorenzo Avogrado.

07. (ITA SP) Num garrafão de 3,5 L de capacidade, contendo 1,5 L de solução 1,0 molar de ácido sulfúrico, introduzem-se 32,7 g de aparas de zinco; fecha-se rapidamente com rolha de borracha. Supondo que a temperatura do ambiente onde essa perigosa experiência está sendo feita seja de 20 °C, o incremento máximo de pressão interna (P) do frasco será de: a) 0,41 atm d) 6,0 atm b) 3,4 atm e) 12,0 atm c) 5,6 atm

10. (UERN) Um sistema de balões contendo gás hélio (He), nas quantidades e nos volumes apresentados, está ligado por uma torneira (T) que, inicialmente, está fechada. Observe.

Considerando que os gases apresentam comportamento ideal e que a temperatura permanece constante, é correto afirmar que: a) A pressão em A será a mesma em B. b) Ao abrir a torneira, se observará variação na pressão do sistema. c) Ao dobrar a pressão nos sistemas A e B, o volume ocupado pelos gases será 1/2 L e 1 L, respectivamente. d) As moléculas do sistema B colidem com mais frequência com a parede do recipiente do que as moléculas do sistema A. 231

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

Levando em consideração a presença de 5 mg de hidrogênio no interior do frasco coletor com capacidade de 100 mL, e que ele esteja fechado, conclui-se que a pressão resultante, em atm, no interior do frasco a 25 °C será, aproximadamente, igual a: a) 0,12 b) 0,24 c) 0,36 d) 0,60 e) 1,20

Química

11. (UECE) Dois gases, H2 e SO2, são colocados nas extremidades opostas de um tubo de 94,1 cm. O tubo é fechado, aquecido até 1200 °C, e os gases se difundem dentre do tubo. A reação que se processa no momento em que os gases se encontram é: 3H2(g) + SO2(g) → H2S(g) + 2H2O(g) O ponto do tubo em que se inicia a reação está a: a) 14,1 cm do local onde foi colocado o gás H2. b) 20 cm do local onde foi colocado o gás SO2. c) 18,6 cm do local onde foi colocado o gás SO2. d) 80 cm do local onde foi colocado o gás H2.

12. (Fesp PE) Em um recinto fechado, havia três frascos contendo respectivamente amônia (NH3), sulfeto de hidrogênio (H2S) e butano (C4H10) . Supondo que os três sejam abertos simultaneamente, uma pessoa situada à mesma distância dos três sentirá o odor dos gases na seguinte ordem: Dados: N = 14; H = 1; S = 32; C = 12. a) NH3, C4H10 e H2S b) H2S, NH3 e C4H10 c) C4H10, H2S e NH3 d) C4H10, NH3, e H2S e) NH3, H2S e C4H10 13. (Puc SP) Um gás tem densidade 0,50 g/L a 27 °C. se sua temperatura passar a 327 °C, à pressão constante, qual o valor de sua densidade? a) 6g/L d) 0,25g/L b) 1g/L e) 0,04 g/L c) 0,50g/L

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

14. (Fuvest SP) Uma estudante de Química realizou um experimento para investigar as velocidades de difusão dos gases HC e NH3. Para tanto, colocou, simultaneamente, dois chumaços de algodão nas extremidades de um tubo de vidro, como mostrado na figura abaixo. Um dos chumaços estava embebido de solução aquosa de HC (g), e o outro, de solução aquosa de NH3 (g). Cada um desses chumaços liberou o respectivo gás.

No ponto de encontro dos gases, dentro do tubo, formou-se, após 10 s, um anel de sólido branco (NH4C), distante 6,0 cm do chumaço que liberava HC (g).

a) Qual dos dois gases, desse experimento, tem maior velocidade de difusão? Explique. b) Quando o experimento foi repetido a uma temperatura mais alta, o anel de NH4C (s) se formou na mesma posição. O tempo necessário para a formação do anel, a essa nova temperatura, foi igual a, maior ou menor do que 10 s? Justifique.

232

c) Com os dados do experimento descrito, e sabendo-se a massa molar de um dos dois gases, pode-se determinar a massa molar do outro. Para isso, utiliza-se a expressão: velocidade de difusão do NH3 ( g )

velocidade de difusão do HC  ( g )

=

massa molar do HC  massa molar do NH3

Considere que se queira determinar a massa molar do HC.

Caso o algodão embebido de solução aquosa de NH3 (g) seja colocado no tubo um pouco antes do algodão que libera HC (g) (e não simultaneamente), como isso afetará o valor obtido para a massa molar do HC? Explique. Gabarito no final do livro.

15. (UEPG PR) Sobre algumas camadas da atmosfera terrestre e algumas das suas características físicas, assinale o que for correto.

01. Quanto mais nos elevamos em altitude dentro da troposfera mais aumentam a pressão atmosférica e a temperatura do ar.

02. A estratosfera chega a 50 km acima do nível do mar e é nela que se encontra a camada de ozônio (O3).

04. A termosfera possui uma região com átomos e moléculas eletricamente carregados (ionizados) denominada de ionosfera, capaz de refletir ondas de rádio.

08. A troposfera estende-se do nível do mar até uma altura máxima de 16 km e é aí que ocorrem os fenômenos meteorológicos e climáticos, e nela encontramos, dentre outros elementos, pólen, poeira, partículas expelidas pelos vulcões e fragmentos de meteoros que atingem a Terra. 02-04-08 16. (Uerj RJ) No mapa abaixo, está representada a variação média da temperatura dos oceanos em um determinado mês do ano.

Ao lado, encontra-se a escala, em graus Celsius, utilizada para a elaboração do mapa.

Determine, em graus Kelvin, o módulo da variação entre a maior e a menor temperatura da escala apresentada. ∆C = ∆K = 8

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

tC tF − 32 tK − 273 = = 5 9 5 em que tC é a temperatura em graus Celsius (°C), tF é a temperatura em graus Fahrenheit (°F) e tK é a temperatura em Kelvin (K). Com relação ao exposto, assinale o que for correto.

01. Existe um valor numérico para o qual a temperatura nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin é a mesma.

02. Considere um termômetro na escala Celsius e outro na escala Fahrenheit medindo simultaneamente a temperatura de um mesmo objeto. Se o termômetro na escala Celsius está marcando uma temperatura negativa, então o termômetro na escala Fahrenheit sempre marcará uma temperatura negativa.

04. Considere que uma pessoa está com febre quando sua temperatura corporal é maior que 37 °C. Assim, quando uma pessoa está com 96,8 °F, essa pessoa está com febre.

08. Se um objeto sofre uma variação de temperatura de 15 °C, então ele sofrerá uma variação de 27 °F. 16. 25 °C é equivalente a 77 °F. 08-16 18. (IF GO) O dispositivo mais usado para avaliar a temperatura é o termômetro. Ele pode ser usado para medir a temperatura ou suas variações. Em seu interior é colocada uma substância que possui a propriedade de dilatar facilmente com a variação da temperatura.

Na maioria das vezes, encontramos termômetros graduados em Celsius, Fahrenheit ou Kelvin. A escala mais comum no Brasil é a Celsius. Quando se mede a temperatura de determinado ambiente, dizemos, por exemplo, que está fazendo trinta e dois graus (32 °C), mas não falamos a escala que, nesse caso, é a Celsius.

A respeito dos termômetros e escalas termométricas, é correto afirmar que: a) As variações de diferentes temperaturas medidas em termômetros graduados nas escalas Celsius e Fahrenheit são iguais. b) Se um termômetro graduado em Celsius mede a temperatura ambiente em 15 °C, outro termômetro no mesmo ambiente graduado em Kelvin irá medir 298 K. c) A escala Kelvin é a mais utilizada pelos físicos. Chamada de absoluta, essa escala não admite valores negativos. d) Um termômetro mostra, na escala Fahrenheit, 45 °F. Se usássemos um termômetro graduado na escala Kelvin para medir a mesma temperatura, ele indicaria 300 K. e) A variação de temperatura positiva de um corpo representa uma diminuição de sua agitação térmica.

19. (Puc SP) Os mergulhadores conhecem os riscos do nitrogênio sob alta pressão, que pode causar narcose e a doença descompressiva. Para mergulhos profundos, em geral, são utilizadas misturas de hélio (He) e oxigênio (O2), consideradas mais seguras.

Considere um cilindro contendo 64 g de He e 32 g de O2. Os pulmões de um mergulhador que está sob pressão de 5,1 atm apresentarão pressão parcial de O2 de aproximadamente a) 0,3 atm b) 1,0 atm c) 1,7 atm d) 2,5 atm e) 5,1 atm 20. (UFG GO) Em um processo industrial, um reator de 250 L é preenchido com uma mistura gasosa composta de 50 kg de N2O; 37 kg de NO e 75 kg de CO2. Considerando-se a temperatura de 527 °C, a pressão interna, em atm, do reator, será, aproximadamente, Dado: R = 0,082 atm L mol–1 K–1 a) 1 b) 108 c) 350 d) 704 e) 1069 21. (Uerj RJ) Dois balões idênticos são confeccionados com o mesmo material e apresentam volumes iguais. As massas de seus respectivos conteúdos, gás hélio e gás metano, também são iguais. Quando os balões são soltos, eles alcançam, com temperaturas internas idênticas, a mesma altura na atmosfera.

Admitindo-se comportamento ideal para os dois gases, a razão entre a pressão no interior do balão contendo hélio e a do balão contendo metano é igual a: a) 1 b) 2 c) 4 d) 8 22. (Ufac AC) Considere o gráfico a seguir:

O gráfico anterior representa um comportamento típico de um gás submetido à lei de Boyle-Mariotte (P.V = K). Com relação à curva pode-se afirmar que: a) É uma isocórica e o valor de K é igual a 2,0. b) É uma isoterma e o valor de K é igual a 12,0. c) É uma isocórica e o valor de K é igual a 12,0. d) É uma isoterma e o valor de K é igual a 2,0. e) É uma isobárica e o valor de K é igual a 2,0.

233

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

17. (UEM PR) A relação entre as escalas termométricas Celsius, Fahrenheit e Kelvin pode ser expressa pela seguinte equação matemática:

FRENTE

B

Fonte: Shilova Ekaterina-Shutterstock.com

QUÍMICA Por falar nisso O uso de computadores nos laboratórios de pesquisas permitiu aos cientistas, por meio de modelos computacionais, criar imagens de moléculas e outras estruturas representativas das transformações químicas da matéria. Na imagem de abertura, produzida por modelagem computacional, temos um nanotubo. Isto é, uma molécula formada exclusivamente de átomos de carbono entrelaçados em uma rede tridimensional. Da mesma forma que a disposição dos átomos de carbono nos nanotubos foi determinada, os arranjos espaciais de átomos em outras moléculas também foram mais bem compreendidos. Sem dizer que as geometrias moleculares interferem na polaridade das substâncias. Por falar nisso, além da polaridade das ligações e das moléculas, sejam elas angulares, piramidais, tetraédricos, bipiramidais e outras, também existem as propriedades físicas, como ponto de fusão, ponto de ebulição e tipos de retículos cristalinos.

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

B17 B18 B19 B20

Geometria molecular..................................................................... 236 Polaridade das ligações e das moléculas....................................... 240 Forças Intermoleculares................................................................ 244 Propriedades físicas dos compostos.............................................. 249

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B17

ASSUNTOS ABORDADOS nn Geometria molecular nn A teoria da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência nn Domínios estereoativos

GEOMETRIA MOLECULAR Na Química, a busca por um arranjo geométrico eletrônico de grande estabilidade é um fator primordial para as substâncias. As nuvens eletrônicas são regiões de carga elétrica negativa, as quais exercem repulsão entre si, e influenciam as disposições dos átomos. Portanto, devemos ficar bastante atentos ao interpretá-las.

Uma boa analogia sobre a teoria das repulsões é o aprisionamento de certa quantidade de gases em balões. Entretanto, não esqueçamos que analogias são apenas comparações e não retratam de maneira fiel os processos.

Podemos observar o fenômeno de repulsão quando enchemos com ar dois balões, ou bexigas de festas de aniversários, e os amarramos. Imediatamente, os balões assumem a disposição linear. Se amarramos três balões, a forma assumida é triangular plana. Quando o número de balões aumenta para quatro, vemos que a forma geométrica é a de um tetraedro regular.

A teoria da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência A explicação do processo descrito acima recai na teoria da repulsão eletrônica, que foi inicialmente explorada pelos químicos britânicos Nevil Sidgwick (1873-1952) e Herbert Powell (1906-1991) e, posteriormente, desenvolvida pelo químico canadense Ronald J. Gillespie. De maneira análoga aos balões, a repulsão entre as nuvens de elétrons de uma molécula também altera as disposições dos átomos. Por isso, estudamos o comportamento das nuvens eletrônicas nas moléculas.

Domínios estereoativos Denominamos domínios estereoativos as nuvens de elétrons (um ou mais elétrons) que exercem influência na disposição espacial dos átomos na molécula. Uma nuvem estereoativa pode ser um único elétron, um par de elétrons ligantes ou não ligantes, uma ligação simples, uma ligação dupla ou uma ligação tripla.

SAIBA MAIS Domínios de elétrons não ligantes também são denominados par de elétrons livres ou par de elétrons não compartilhados.

As ligações dupla e tripla são denominadas, atualmente, ligações múltiplas.

236

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Disposições espaciais dos domínios de elétrons estereoativos Domínios estereoativos

2 pares

Disposição dos domínios estereoativos

Domínios ligantes

Domínios não ligantes

2

0

3

0

2

1

4

4

3

1

2

2

Geometria da molécula

4 pares

B17  Geometria Molecular

3 pares

237

Química

A tabela anterior traz as disposições dos domínios de elétrons estereoativos em torno de um átomo central. Observe que esses elétrons guardam entre si a maior distância possível, pois só assim garantem a menor repulsão e o máximo de estabilidade.

Uma molécula que possui domínios de elétrons estereoativos iguais ao representado na tabela também assume o mesmo tipo de geometria. Note que, em alguns casos, há pares de elétrons estereoativos não ligantes. Por exemplo: nn O CO2 é uma molécula cujo átomo central possui dois

domínios de elétrons estereoativos e os dois são ligantes. Portanto, tem geometria linear. nn O BF3 é uma molécula cujo átomo central possui três pares de elétrons estereoativos. Os três são domínios ligantes. Portanto, tem geometria trigonal. Já o íon nitrito (NO2−) também apresenta três pares de elétrons estereoativos, mas somente dois deles são ligantes. O domínio eletrônico não ligante influencia fortemente a disposição espacial dos átomos. Por conseguinte, influenciam a geometria da molécula. Logo, o nitrito tem geometria angular, e não triangular.

nn O

metano (CH4) é um bom exemplo de geometria tetraédrica, pois todos os pares de elétrons são ligantes. nn Já na molécula de NH 3, a geometria é alterada de triangular para piramidal pela presença de um par de elétrons livres (domínio não ligante). nn No caso da água (H2O), a geometria angular se deve à presença de dois pares de elétrons estereoativos não ligantes. Esses elétrons exercem forte repulsão entre si e entre os pares de elétrons ligantes.

No quadro a seguir, temos quatro pares de elétrons estereoativos e as suas disposições espaciais. Note que, nas moléculas da amônia e da água, temos respectivamente um e dois pares de elétrons estereoativos não ligantes.

Moléculas que apresentam quatro domínios estereoativos podem assumir três formas geométricas distintas: tetraédrica, piramidal ou angular.

Exercícios de Fixação

B17  Geometria Molecular

01. (UECE) A geometria molecular é o arranjo tridimensional dos átomos, que afeta muitas de suas propriedades físicas e químicas tais como os pontos de fusão e de ebulição, a densidade e o tipo de reações nas quais as moléculas se envolvem. Um composto binário de enxofre, incolor, não inflamável, altamente tóxico e polar é considerado apenas com ligações simples do ponto de vista da teoria da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência (RPECV).

Assinale a opção que completa corretamente as lacunas da seguinte afirmação: O composto é o _______________________1 e a geometria de sua molécula é _______________2. a) dióxido de enxofre1 / angular2 b) sulfeto de hidrogênio1 / linear2 c) sulfeto de sódio1 / tetraédrica2 d) trióxido de enxofre1/ trigonal plana2 02. (UEG GO) A atmosfera é uma camada gasosa que possui função essencial para a manutenção da vida na Terra, sendo uma mistura gasosa composta por vários tipos de moléculas de origem natural e antrópica, como o CH4, O3, N2 e SO3.

As moléculas apresentadas, respectivamente, apresentam as seguintes geometrias moleculares: a) Tetraédrica, Trigonal, Linear, Trigonal. b) Trigonal, Angular, Angular, Tetraédrica. c) Trigonal, Linear, Tetraédrica, Angular. d) Tetraédrica, Angular, Linear, Trigonal.

238

03. (UFG GO) Considerando-se o modelo de repulsão dos pares de elétrons da camada de valência (do inglês, VSEPR), as moléculas que apresentam geometria linear, trigonal plana, piramidal e tetraédrica são, respectivamente, a) SO2, PF3, NH3 e CH4. d) CO2, PF3, NH3 e CC4. b) BeH2, BF3, PF3 e SiH4. e) BeH2, BF3, NH3 e SF4. c) SO2, BF3, PF3 e CH4.

04. (FATEC SP) A geometria molecular descreve a maneira pela qual os núcleos atômicos que constituem uma molécula estão posicionados uns em relação aos outros. Assim, numere a coluna B, que contém certas substâncias químicas, associando-as com a coluna A, de acordo com o tipo de geometria molecular que cada substância apresenta.

Coluna A

Coluna B

1. Angular

( ) SO2

2. Piramidal

( ) CH2O

3. Tetraédrica

( ) PF3

4. Trigonal Plana

( ) SiH4

Dados: H (Z = 1); C (Z = 6); O (Z = 8); F (Z = 9); Si (Z = 14); P (Z = 15) e S (Z = 16).

A sequência correta dos números da coluna B, de cima para baixo, é a) 1 - 4 - 3 - 2. c) 1 - 2 - 4 - 3. e) 1 - 4 - 2 - 3. b) 2 - 1 - 4 - 3. d) 3 - 4 - 1 - 2.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. (FMJ SP) A queima de combustíveis fósseis é responsável pelo lançamento de gases poluentes na atmosfera, que dão origem à chuva ácida e também contribuem para o aquecimento global. Dentre esses gases, estão SO2 e CO2.

Sobre as geometrias das moléculas desses óxidos, é correto afirmar que: a) Ambas são lineares. b) Ambas são angulares. c) SO2 é angular, e CO2 é linear. d) SO2 é linear, e CO2 é angular. e) SO2 é trigonal planar, e CO2 é linear.

02. (UFV MG) Em relação à geometria das moléculas de água, amônia, metano e etino, assinale a alternativa CORRETA: a) H2O, angular; NH3, piramidal; CH4, tetraédrica; C2H2, quadrática plana. b) H2O, angular; NH3, trigonal plana; CH4, quadrática plana; C2H2, linear. c) H2O, linear; NH3, trigonal plana; CH4, tetraédrica; C2H2, linear. d) H2O, angular; NH3, piramidal; CH4, tetraédrica; C2H2, linear.

03. (UNIFESP SP) Na figura, são apresentados os desenhos de algumas geometrias moleculares.

a) trigonal e é um isótopo do gás oxigênio. b) trigonal e é um alótropo do gás oxigênio. c) linear e é um alótropo do gás oxigênio. d) angular e é um isótopo do gás oxigênio. e) angular e é um alótropo do gás oxigênio.

05. (UFRN) A emissão de substâncias químicas na atmosfera, em níveis elevados de concentração, pode causar danos ao ambiente. Dentre os poluentes primários, destacam-se os gases CO2, CO, SO2 e CH4. Esses gases, quando confinados, escapam lentamente, por qualquer orifício, por meio de um processo chamado efusão.

A molécula que apresenta geometria tetraédrica é: a) CO2 b) SO2 c) CO d) CH4 06. (Puc PR) Observe as moléculas a seguir: NH3, CHC3, SO3 Sua geometria molecular e polaridade são respectivamente: a) tetraédrica/polar; tetraédrica/polar; trigonal plana/polar. b) piramidal/ polar; tetraédrica/polar; trigonal plana/ apolar. c) trigonal plana/apolar; angular/polar; tetraédrica/apolar. d) linear/polar; trigonal plana/polar; angular/polar. e) piramidal/apolar; piramidal/ apolar; linear/apolar.

07. (Puc SP) Qual das substâncias a seguir tem molécula linear e apresenta ligações duplas? a) HC b) H2O c) N2 d) CO2 e) NH3

04. (Unicid) A desinfecção de águas residuárias de uso agrícola é um processo indispensável à proteção da saúde pública. O ozônio, O3, pode ser utilizado para esse fim, já que é bastante eficiente na destruição de organismos patogênicos.

Sobre as propriedades do ozônio, pode-se afirmar que é constituído por moléculas com geometria

09. (ITA SP) Assinale a opção que contém, respectivamente, a geometria das moléculas NH3 e SiC4 no estado gasoso: a) Plana; plana. b) Piramidal; plana. c) Plana; tetragonal. d) Piramidal; piramidal. e) Piramidal; tetragonal.

239

B17  Geometria Molecular

SO3, H2S e BeC2 apresentam, respectivamente, as geometrias moleculares a) III, I e II. b) III, I e IV. c) III, II e I. d) IV, I e II. e) IV, II e I.

08. (UFG GO) A substância BC3 quanto à sua estrutura e polaridade é: Números atômicos: B = 5; C = 17 a) angular e apolar b) plana e apolar c) piramidal e apolar d) linear e polar e) tetraédrica e polar

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B18

ASSUNTOS ABORDADOS nn Polaridade nn Polaridade das ligações nn Polaridade das moléculas nn O vetor momento dipolo elétrico resultante

POLARIDADE A aproximação de moléculas, átomos ou íons permite a ocorrência de dois fenômenos, ou seja, reação ou interação entre essas espécies químicas. Por definição, uma reação química requer que ligações químicas sejam quebradas e/ou formadas, envolvendo energias que variam entre 50 e 100 kcal ⋅ mol-1.

Uma interação química significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de novas ligações químicas. Essas interações são frequentemente chamadas de interações não covalentes ou interações intermoleculares. As energias envolvidas em tais tipos de interações são muito menores que aquelas envolvidas em processos reativos, variando usualmente entre 0,5 a 10 kcal ⋅ mol-1.

As interações intermoleculares estão intimamente relacionadas com as propriedades termodinâmicas de líquidos, sólidos e gases. Logo, o entendimento de tais forças intermoleculares é de extrema relevância se quisermos conhecer o comportamento de sistemas químicos em nível molecular. Como exemplo, a temperatura de ebulição, temperatura de fusão, solubilidade e outras.

As interações intermoleculares dependem de diversos fatores, como polaridade das ligações químicas, polaridade das moléculas, superfície de contato etc. Nesta aula, estudaremos as polaridades das ligações e das moléculas.

Polaridade das ligações A polaridade das ligações químicas decorre da diferença de eletronegatividade entre os átomos que participam da ligação. Uma ligação é dita polar quando há diferença de eletronegatividade, e apolar, quando a diferença de eletronegatividade é igual a zero.

Moléculas como o H2, F2 e N2 são exemplos de moléculas apolares, com ligações apolares. A molécula de HC tem geometria linear e apresenta ligação química e molécula polares. Já a molécula de CO2 tem geometria linear e ligações químicas polares, porém é uma molécula apolar.

Figura 01 - Fórmulas eletrônicas mostrando o compartilhamento de elétrons entre átomos de mesma eletronegatividade (H2, F2 e N2) e átomos de eletronegatividade diferentes, caso do CO2 e do HC.

Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

A eletronegatividade é uma propriedade periódica que varia de maneira regular na tabela periódica à medida que o número atômico aumenta.

240

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Para efeito de comparação, temos a seguinte ordem de eletronegatividade: F > O > N > C > Br > I ≅ S ≅ C > P ≅ H > metais

Polaridade das moléculas Vimos, em aulas anteriores, que uma molécula pode se apresentar com diferentes formas geométricas em função da repulsão das nuvens eletrônicas. Essa é a geometria molecular. Dependendo da maneira com que os átomos se organizam, as forças resultantes da diferença de eletronegatividade entre eles podem ser iguais ou diferentes de zero. Para se chegar a essa conclusão, devemos associar a geometria molecular a um comportamento vetorial.

Quando estabelecemos uma representação gráfica da molécula do HC, temos: Em moléculas poliatômicas Como o átomo de hidrogênio é eletropositivo ( δ ) e o átomo de cloro é eletronegativo ( δ− ), temos uma separação de cargas. O par de elétrons está mais próximo do átomo de cloro que do átomo de hidrogênio. De acordo com a Física, podemos representar essa separação de cargas por um vetor.

Para as moléculas, utilizamos a seguinte convenção: os vetores são representados por flechas (setas) que partem do átomo eletropositivo em sentido ao átomo eletronegativo.

Se a molécula apresenta dois ou mais vetores, o vetor resultante depende de um somatório de todos os vetores.

No caso do HC, temos uma ligação polar e uma molécula polar. Isso porque o somatório vetorial é diferente de zero.

O vetor momento dipolo elétrico resultante Em moléculas biatômicas Moléculas biatômicas (formadas por dois átomos) e com átomos diferentes são polares, pois a ligação química é polar.

Moléculas poliatômicas têm a polaridade determinada por uma soma de vetores. No caso do dióxido de carbono (CO2), por exemplo, temos uma molécula com três átomos.

A geometria molecular do CO2 é linear plana. As ligações químicas entre os átomos de carbono e oxigênio são polares. O oxigênio é o átomo de maior eletronegatividade, logo, o par de elétrons está mais próximo do oxigênio. O vetor indicativo da diferença de eletronegatividade é representado com origem no carbono e a seta apontada no sentido do átomo de oxigênio. Uma vez que existam dois vetores de mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos, a soma vetorial na molécula de CO2 será igual a zero. Portanto, o dióxido de carbono tem ligação polar, mas é uma molécula apolar.

B18  Polaridade

+

Figura 02 - Fórmula estrutural do CO2 indicando o sentido dos vetores nas ligações. O somatório vetorial é igual a zero. Portanto, trata-se de uma molécula apolar.

241

Química

Moléculas que apresentam total simetria em relação a todos os átomos ligantes têm somatório vetorial igual a zero.

Vejamos o metano (CH4) na figura abaixo. Entretanto, em função da geometria molecular, algumas moléculas apresentam átomos ligantes iguais em relação ao átomo central, porém o somatório vetorial é diferente de zero. Observe as moléculas de amônia (NH3) e da água (H2O), na figura a seguir.

Em moléculas poliatômicas sem átomo central Na molécula do etano, representada a seguir, o somatório vetorial é zero. Note que essa substância não apresenta um átomo central. Mesmo assim, os vetores se anulam. De maneira geral, os hidrocarbonetos, compostos formados apenas por átomos de carbono e hidrogênio, têm polaridade zero ou muito próxima de zero. Portanto, são moléculas apolares.

Exercícios de Fixação 01. (Univag MT) Alguns animais aquáticos, como protozoários e esponjas, excretam, pela parede do corpo, o “lixo celular”

03. (Fuvest SP) A figura mostra modelos de algumas moléculas com ligações covalentes entre seus átomos.

resultante do metabolismo, que é constituído por amônia e por dióxido de carbono.

Comparando-se as moléculas dessas substâncias, é correto afirmar que ambas a) são triatômicas. b) apresentam ligações iônicas entre seus átomos. c) apresentam ligações covalentes polares entre seus átomos. d) apresentam ligações covalentes apolares entre seus átomos. e) são diatômicas.

02. (UFRR) O modelo da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência ou VSEPR (sigla de origem inglesa, valenceshell electron-pair repulsion) é utilizado com frequência para prever a geometria de moléculas. Tal modelo baseia-se no princípio de que os pares de elétrons ao redor de um átomo tendem a se posicionar o mais afastado possível uns dos outros de modo a minimizar as repulsões eletrônicas.

Sabendo que a polaridade das moléculas está relacionada também à sua geometria, assinale a opção que contém, respectivamente, a polaridade das moléculas: CH2Cl2, BF3, H2S e BeCl2.

B18  Polaridade

a) todas são polares. b) polar, apolar, polar e apolar. c) todas são apolares. d) apolar, polar, apolar e polar. e) apolar, polar, apolar e apolar.

242

Analise a polaridade dessas moléculas, sabendo que tal propriedade depende da Diferença de eletronegatividade entre os átomos que estão diretamente ligados. (Nas moléculas apresentadas, átomos de elementos diferentes têm eletronegatividades diferentes.)

Forma geométrica das moléculas.

Dentre essas moléculas, pode-se afirmar que são polares apenas a) A e B. d) B, C e D. b) A e C. e) C e D. c) A, C e D. 04. (Uespi PI) Em relação aos compostos apresentados a seguir, quais não apresentam momento dipolar permanente, e são, portanto, moléculas apolares?

1) H2O 2) NH3 3) CO2 4) BF3 5) BeCl2 Estão corretas apenas: a) 1 e 2 b) 3 e 5 c) 1, 2 e 3 d) 2, 3 e 4 e) 3, 4 e 5

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (UFTM MG) Os gases amônia, dióxido de carbono e trióxido de enxofre são insumos importantes na indústria química.

Em relação à polaridade de suas moléculas, é correto afirmar que NH3, CO2 e SO3 são, respectivamente, a) polar, polar e apolar. b) polar, apolar e polar. c) polar, apolar e apolar. d) apolar, polar e apolar. e) apolar, apolar e polar.

03. (FGV SP) O uso dos combustíveis fósseis, gasolina e diesel, para fins veiculares resulta em emissão de gases para a atmosfera, que geram os seguintes prejuízos ambientais: aquecimento global e chuva ácida. Como resultado da combustão, detecta-se na atmosfera aumento da concentração dos gases CO2, NO2 e SO2.

Sobre as moléculas desses gases, é correto afirmar que: a) CO2 é apolar e NO2 e SO2 são polares. b) CO2 é polar e NO2 e SO2 são apolares. c) CO2 e NO2 são apolares e SO2 é polar. d) CO2 e NO2 são polares e SO2 é apolar. e) CO2 e SO2 são apolares e NO2 é polar.

04. (Fatec SP) As propriedades específicas da água a tornam uma substância química indispensável à vida na Terra. Essas propriedades decorrem das características de sua molécula H2O, na qual os dois átomos de hidrogênio estão unidos ao átomo de oxigênio por ligações: a) iônicas, resultando em um arranjo linear e apolar. b) iônicas, resultando em um arranjo angular e polar. c) covalentes, resultando em um arranjo linear e apolar. d) covalentes, resultando em um arranjo angular e apolar. e) covalentes, resultando em um arranjo angular e polar.

05. (Udesc SC) Assinale a alternativa correta em relação às características da molécula de amônia (NH3) e da de tetracloreto de carbono (CC4), respectivamente: a) polar e solúvel em água; polar e solúvel em água. b) polar e pouco solúvel em água; apolar e muito solúvel em água. c) apolar e solúvel em água; polar e solúvel em água. d) polar e solúvel em água; apolar e pouco solúvel em água. e) apolar e pouco solúvel em água; apolar e pouco solúvel em água.

06. (Uespi PI) Em relação às estruturas químicas apresentadas a seguir, qual apresenta um momento dipolar resultante nulo, caracterizando-se assim como uma molécula apolar? a) NH3 b) H2O c) H2CO d) CO2 e) CH3Cl 07. (Escs DF) O selênio é um micronutriente antioxidante encontrado no pão, nos cereais, nos pescados, nas carnes e nos ovos. Esse elemento estimula o sistema imunológico e intervém no funcionamento da glândula tireoide. A tabela a seguir apresenta alguns compostos formados pelo selênio e algumas de suas aplicações:

Composto

Aplicação

Na2SeO4

Inseticida

Na2SeO3

Fabricação de vidros

(NH4)2SeO3

Fabricação de esmaltes vermelhos

SeS2

Xampus anticaspa

SeO2

Catalisador

Considerando os compostos apresentados na tabela, o de menor polaridade é o: a) Na2SeO4; b) Na2SeO3; c) (NH4)2SeO3; d) SeS2; e) SeO2.

08. (UEL PR) Assinale a alternativa correta. a) O CC4 apresenta um momento de dipolo em sua molécula. b) O BF3 apresenta dipolo resultante nulo em sua molécula. c) O CO2 apresenta um momento de dipolo em sua molécula. d) O H2O apresenta dipolo resultante nulo em sua molécula. e) O NH3 apresenta dipolo resultante nulo em sua molécula.

243

B18  Polaridade

01. (Ufam AM) O aquecimento global é um fenômeno climático de aumento da temperatura média dos oceanos e do ar próximo à superfície do planeta Terra. O aumento das emissões de dióxido de carbono (CO2) é apontado como um dos principais responsáveis por esse fenômeno.

Sobre o dióxido de carbono é INCORRETO afirmar que: a) Os átomos de carbono e oxigênio, na molécula de dióxido de carbono, estão unidos por ligações covalentes polares. b) A molécula de dióxido de carbono possui geometria angular. c) A molécula de dióxido de carbono é apolar. d) No estado sólido, as moléculas de dióxido de carbono estão unidas por ligações do tipo dipolo instantâneo- dipolo induzido. e) Na molécula de dióxido de carbono, o átomo de carbono não apresenta pares de elétrons não ligantes na sua camada de valência.

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B19

ASSUNTOS ABORDADOS nn Interações intermoleculares nn Dipolo induzidos ou forças de van der Waals nn Interações dipolo-dipolo nn Ligações de hidrogênio

INTERAÇÕES INTERMOLECULARES Sob um ponto de vista histórico, o efeito das interações intermoleculares e sua manifestação sobre o comportamento de sistemas químicos começaram há mais de dois séculos com os experimentos pioneiros em sistemas gasosos realizados por cientistas como Robert Boyle, Jacques Charles, Joseph-Louis, Gay-Lussac e Johannes van der Waals.

A combinação das relações obtidas por Boyle, Charles e Gay-Lussac levou à conhecida equação de estado dos gases ideais. Um gás ideal é, por definição, um sistema gasoso constituído por partículas pontuais e não interagentes, isto é, não existe nenhuma interação entre as partículas constituintes do gás, quer sejam átomos, quer sejam moléculas.

Fonte: pixabay /

Contudo, nos sistemas moleculares não ideais, as partículas interagem entre si. Existem, portanto, diversas interações intermoleculares. Nesta aula, faremos o estudo de três tipos de forças ou interações intermoleculares que listamos a seguir: nn interações dipolo induzidos nn interações dipolo permanentes nn ligações de hidrogênio Para início do estudo das interações intermoleculares, devemos deixar bem claro que não é o modelo de ligação química presente na molécula que define as propriedades físicas das substâncias, mas, sim, as interações estabelecidas pelas moléculas da substância. Caso isso não fosse verdade, as substâncias que estabelecem ligações covalentes deveriam apresentar altos pontos de fusão e ebulição. O diamante, que tem ligações covalentes, por exemplo, tem pontos de ebulição e fusão muito altos. Entretanto, essas propriedades físicas são relativamente baixas em moléculas com esse modelo de ligação, o que demonstra que as interações são de natureza elétrica e não química.

#Curiosidade

COMO AS LAGARTIXAS CORREM NO TETO DA CASA

Esqueça essa história de ventosa. O que permite às lagartixas desafiar a lei da gravidade e correr no teto da casa são as mesmas forças que atuam em ligações químicas. Chamadas forças de van der Waals, elas são responsáveis pela atração entre certas moléculas, como as do carbono, no grafite, e as dos gases em geral. Sob certas condições essas moléculas trocam elétrons e se atraem. Um grupo de pesquisadores americanos descobriu que o animal é capaz de criar uma interação atômica temporária com a parede graças a estruturas microscópicas , conhecidas como setas, existentes na sua pata.

Cada seta tem uma ponta em forma de brócolis onde se localizam entre 400 e 1 000 espátulas de meio milésimo de milímetro cada uma. São essas pontas que trocam elétrons com paredes ou outras superfícies lisas. A força criada pelo contato é equivalente a dez vezes a pressão do ar – o suficiente para entortar um arame.

Disponível em:< http://super.abril.com.br/ideias/como-as-lagartixa-corre-no-teto-da-casa>. Acesso em 25 jul. 2016.

244

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Dipolo induzidos ou forças de van der Waals A polaridade de uma molécula depende de sua geometria e da diferença de eletronegatividade das ligações químicas. Moléculas cujas ligações químicas não apresentam diferença de eletronegatividade são ditas apolares, ou seja, o somatório vetorial é igual a zero.

Em substâncias desse tipo, a nuvem eletrônica está simetricamente distribuída em volta da molécula. Portanto, não há região de maior nem de menor densidade eletrônica. Mesmo assim, as moléculas apolares interagem. Vamos ver agora como elas fazem essa interação.

Novamente, devemos recorrer à física para explicar tal fenômeno. Moléculas apolares estabelecem interações pela movimentação instantânea de nuvens eletrônicas. Quando a distância entre essas moléculas é muito pequena, o núcleo dos átomos de uma das moléculas exerce atração sobre a eletrosfera da outra e, consequentemente, consegue polarizá-la. Nesse momento, o movimento instantâneo dos elétrons cria regiões de alta e de baixa densidade eletrônica, permitindo a atração entre elas. Essa polarização é chamada força dipolar induzida, pois só existe a uma distância muito pequena entre as duas espécies e é resultante da movimentação temporária de elétrons. As forças de dipolo induzido, forças de dispersão ou forças de London são chamadas forças de van der Waals.

Figura 01 - Forças de dispersão atrativas são causadas pelos momentos de dipolos elétricos temporários na molécula.

Mas, lembre-se, essas forças são fracas e fáceis de serem rompidas. Por isso, essas substâncias, quando sólidas, sofrem facilmente mudança de estado. Quando no estado líquido, apresentam alta volatilidade. Isso significa que seu ponto de ebulição é muito baixo e a maioria vaporiza com muita facilidade.

Interações dipolo-dipolo

B19  Interações Intermoleculares

As forças intermoleculares do tipo dipolo-dipolo ocorrem em moléculas polares. O cloreto de hidrogênio (HC), por exemplo, possui uma molécula polar, pois os dois átomos têm eletronegatividades diferentes e a geometria da molécula é linear. Isso faz com que o momento dipolo elétrico seja diferente de zero. Observe no desenho abaixo que o polo positivo é atraído pelo polo negativo, o que mantém as moléculas de HC coesas entre si nos estados sólido e líquido. No estado gasoso, considera-se que não há interação entre as moléculas.

245

Química

Ligações de hidrogênio Quando átomos de hidrogênio são envolvidos em interações dipolo-dipolo, o valor da intensidade de interação pode em alguns casos sair do valor normal esperado. A força de interação é um fenômeno eletrostático e, portanto, depende da intensidade de carga positiva e negativa dos átomos envolvidos. Quanto maior é a intensidade de carga positiva e menor a distância entre os átomos, maior é a intensidade da força eletrostática. Por isso, o átomo de hidrogênio é exceção em algumas situações. Vejamos o caso da molécula de água (H2O). O oxigênio é um átomo de alta eletronegatividade e, quando ligado ao átomo de hidrogênio, este o torna extremamente positivo. Como o átomo de hidrogênio é muito pequeno, em comparação aos demais átomos, temos aí uma situação de alta intensidade de força. A interação dipolo-dipolo é tão intensa que foge aos valores esperados para esse tipo de interação. Ocorre, então, um caso de força do tipo ligação de hidrogênio, antigamente chamado ponte de hidrogênio. É preciso notar, porém, que a ligação de hidrogênio não é covalente, pois não ocorre sobreposição de orbitais. Trata-se apenas de uma interação física eletrostática.

muito pequena se apresentam no estado gasoso ou são muito voláteis. Além disso, as forças intermoleculares e a superfície de contato alteram grandemente essas propriedades físicas.

Substâncias como o CH4, SiH4, GeH4 e SnH4 têm pontos de ebulição menor que zero ou muito próximo de zero, como mostra o gráfico abaixo. Já a água (H2O = 18 g/mol; PE = 100 °C) tem massa molar de apenas duas unidades a mais que o metano (CH4 = 16 g/mol; PE = −164 °C), mas apresenta um ponto de ebulição 264 °C acima do ponto de ebulição do metano, isso a 1 atm. Esse valor é esperado somente para substâncias com massas molares muito maiores que 18 g/mol e com um sistema de interação muito forte.

Gráfico 01 - Ponto de ebulição das substâncias.

B19  Interações Intermoleculares

Mas por que a água se comporta assim?

Figura 02 - Ligações de hidrogênio na água.

O comportamento anômalo da água: o alto ponto de ebulição Ao analisarmos as propriedades físicas de diversas substâncias, concluímos que, de maneira geral, o ponto de ebulição das substâncias aumenta à medida que aumenta a massa molar. Substâncias que possuem massa molar

246

A explicação mais aceita é feita com base nas propriedades das forças intermoleculares. Na água, as ligações de hidrogênio ocorrem em número maior e com uma alta intensidade. Como o átomo de oxigênio apresenta dois pares de elétron não ligantes, facilita-se o estabelecimento de um número muito grande de ligações de hidrogênio.

Assim, ao se aquecer uma massa de água até a ebulição, ocorrerá uma absorção muito grande de calor para romper essas forças intermoleculares. Daí, a água ter um ponto de ebulição tão elevado.

Mas a ligação de hidrogênio não é uma propriedade exclusiva da água. Moléculas que apresentam átomo de hidrogênio ligado a átomos pequenos e muito eletronegativos (N, O e F) também formam ligações de hidrogênio, mas não apresentam comportamento anormal das propriedades físicas, como a água. São exemplos disso, HF, NH3 e CH3OH.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação 01. (UEFS BA) No hidrogênio líquido, as moléculas estão unidas por:

04. (PUC MG) Considere os pontos de ebulição (°C) dos hidretos: HC HBr HI HF

a) ligações covalentes b) ponte de hidrogênio c) forças de Van der Waals d) ligações iônicas e) ligações metálicas 02. (UFMG) Um sólido A tem cheiro. Seus pontos de fusão e ebulição são baixos. É isolante elétrico em estado sólido ou fundido. É insolúvel em água.

As interações que mantêm a substância A no estado sólido devem ser do tipo. a) Interação de van de Waals b) Ligação covalente c) ligação iônica d) ligação metálica e) ponte de hidrogênio 03. (Enem Mec) A pele humana, quando está bem hidratada, adquire boa elasticidade e aspecto macio e suave. Em contrapartida, quando está ressecada, perde sua elasticidade e se apresenta opaca e áspera. Para evitar o ressecamento da pele é necessário, sempre que possível, utilizar hidratantes umectantes, feitos geralmente à base de glicerina e polietilenoglicol:

–––––––––– –––––––––– –––––––––– ––––––––––

-85 -67 -35 +20

O comportamento do HF, bastante diferente dos demais compostos, justifica-se porque, entre suas moléculas, ocorrem: a) ligações iônicas. b) ligações covalentes. c) interações dipolo-dipolo. d) interações pontes de hidrogênio. e) interações por forças de Van der Waals.

05. (UFMG) Misturando-se 50 mL de água com 50 mL de álcool, forma-se uma solução com volume um pouco menor do que 100 mL. De acordo com a teoria atômico-molecular, a explicação mais plausível para o fenômeno é: a) As moléculas do produto são muito menores do que as da água ou do álcool, isoladas. b) As moléculas de água e de álcool estão mais próximas entre si na solução. c) As moléculas de água tornam-se menores, ao serem misturadas com as de álcool. d) A dissolução do álcool provoca uma diminuição do tamanho de suas moléculas. e) O número total de moléculas é diminuído após a mistura.

Substância

P.E. (°C)

H2O

+100,0

H2S

-60,3

Acesso em: 23 abr. 2010 (adaptado).

H2Se

-41,3

A retenção de água na superfície da pele promovida pelos

H2Te

-2,2

Disponível em: http://www.brasilescola.com.

hidratantes é consequência da interação dos grupos hidroxila dos agentes umectantes com a umidade contida no ambiente por meio de a) ligações iônicas. b) forças de London. c) ligações covalentes. d) forças dipolo-dipolo. e) ligações de hidrogênio.

O ponto de ebulição da água é anômalo em relação aos demais compostos da família do oxigênio porque: a) as moléculas da água são mais leves. b) existem pontes de hidrogênio entre as moléculas da água. c) existem Forças de Van der Waals entre as moléculas da água. d) somente a molécula da água é apolar. e) as demais substâncias decompõem-se termicamente.

247

B19  Interações Intermoleculares

06. (Unificado RJ) Observe a tabela de pontos de ebulição:

Química

Exercícios Complementares 01. (Unitau SP) Na coluna da esquerda da tabela abaixo estão descritas algumas substâncias e seus estados físicos. A coluna da direita contém tipos de ligação entre átomos, íons ou moléculas.

Assinale a alternativa que apresenta as associações CORRETAS:

Substância

Ligação

1 – O2 (gasosa)

A – Covalente polar

2 – Água (líquida)

B – Covalente apolar

3 – Argônio (gasosa)

C – Van der Waals

4 – HF (Solução líquida)

D – Iônica

5 – BaSO4 (sólida)

E – Ponte de Hidrogênio

6 – Álcool (líquida) 7 – Diamante (sólida) a) 1-B; 2-E; 3-A; 4-B; 5-D; 6-A; 7-B. b) 1-D; 2-B; 3-E; 4-A; 5-B; 6-B; 7-C. c) 1-B; 2-E; 3-C; 4-E; 5-D; 6-E; 7-B. d) 1-C; 2-D; 3-B; 4-D; 5-A; 6-C; 7-E. e) 1-B; 2-E; 3-D; 4-C; 5-E; 6-E; 7-B. 02. (UFBA) Dos compostos abaixo, o que apresenta ponte de hidrogênio com maior intensidade é: a) HF c) HCl e) NH3 b) H3C – OH d) CH4

B19  Interações Intermoleculares

03. (IF GO) O tipo de interação intermolecular e a massa molar influenciam na determinação de algumas propriedades das substâncias, como o ponto de ebulição.

De posse dessas informações, analise as afirmações a seguir: I. F2 possui ponto de ebulição maior que o do Cl2; II. O ácido fluorídrico possui menor ponto de ebulição do que o ácido clorídrico; III. Em condições ambientais, com temperatura de 25 °C e pressão de 1 atm, o gelo seco (CO2 sólido) sublima devido ao rompimento das interações do tipo dipolo induzido; IV. Quando a água no estado líquido evapora, ocorre uma ruptura das ligações de hidrogênio. É correto afirmar que: a) Todos os itens estão corretos. b) Apenas os itens I e II estão corretos. c) Apenas os itens III e IV estão corretos. d) Apenas os itens I e IV estão corretos. e) Todos os itens estão incorretos.

04. (Uepa PA) ma das substâncias mais estudadas e presente no nosso dia a dia é a água. Baseado nas suas propriedades, é correto afirmar que: a) A água é uma substância simples. b) A água é formada por 2 (dois) átomos de oxigênio e 1 (um) de hidrogênio.

248

c) A água possui alto ponto de ebulição devido às ligações de hidrogênio. d) A água é uma molécula apolar. e) A água apresenta ângulo de ligação de 180º entre seus átomos.

05. (UERN) Os ácidos em maior ou menor grau são prejudiciais quando manuseados ou podem causar danos só de chegarmos perto. Alguns deles em temperatura ambiente são gases (isso se deve ao fato de apresentarem baixas temperaturas de ebulição) e a sua inalação pode provocar irritação das vias respiratórias.

(Sardella, Antônio. Química. Volume único.

Série novo ensino médio. São Paulo: Ática, 2005. p. 74.)

De acordo com a tabela a seguir, determine a ordem crescente das temperaturas de ebulição dos ácidos.

Composto

Massa molecular

H2S

34

H2Se

81

H2Te

129

a) H2S < H2Se < H2Te b) H2S < H2Te < H2Se

c) H2Te < H2Se < H2S d) H2Te < H2S < H2Se

06. (Udesc SC) As principais forças intermoleculares presentes na mistura de NaC em água; na substância acetona(CH3COCH3) e na mistura de etanol (CH3CH2OH) em água são, respectivamente: a) dipolo-dipolo; dipolo-dipolo; ligação de hidrogênio. b) dipolo-dipolo; íon-dipolo; ligação de hidrogênio. c) ligação de hidrogênio; íon-dipolo; dipolo-dipolo. d) íon-dipolo; dipolo-dipolo; ligação de hidrogênio. e) íon-dipolo; ligação de hidrogênio; dipolo-dipolo.

07. (Mogi SP) Correlacione os termos correspondentes nas duas colunas: Coluna A I. interação dipolo-dipolo II. ligação metálica III. ligação iônica V. força de Van der Waals Coluna B a) atração entre cátions e ânions b) atração entre moléculas apolares c) atração entre moléculas polares d) atração cátions elétrons A opção que apresenta somente associações corretas é: a) I-c; II-d; III-a; IV-b b) I-d; II-a; III-b; IV-c c) I-c; II-d; III-b; IV-a d) I-a; II-b; III-c; IV-d e) I-c; II-a; III-d; IV-a

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B20

PROPRIEDADES FÍSICAS As interações intermoleculares estão intimamente relacionadas com as propriedades pontos de fusão e ponto de ebulição de líquidos, sólidos e gases. Logo, o entendimento de tais forças intermoleculares é de extrema relevância se quisermos conhecer o comportamento de sistemas químicos em nível molecular.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Propriedades físicas nn Tipos de retículos sólidos nn Pontos de fusão e ebulição

Durante a reação de caramelização, os açúcares submetem-se à desidratação seguida de polimerização, ocorrendo a formação de estruturas complexas de massas moleculares diferentes. Levemente colorido e de gosto agradável, o caramelo começa a ser produzido durante os estágios iniciais, mas à medida que a reação continua, ocorre a formação de estruturas de massa molecular mais elevada, o que influi no sabor, o qual se torna gradativamente mais amargo com a elevação da temperatura, ou seja, o açúcar irá queimar de acordo com uma relação diretamente proporcional ao tempo de aquecimento.

Figura 01 - Fusão do açúcar caseiro formando um material viscoso chamado caramelo.

Fonte: pixabay / Olivia_Myplanner

Por exemplo, produto de grande uso doméstico são o cloreto de sódio, o açúcar e o café. Esses três produtos encontram-se em condições ambientes no estado sólido. O cloreto de sódio e o café, ao serem submetidos ao aquecimento em um fogão de uso doméstico, dificilmente atingem a temperatura de fusão, ou seja, não conseguiríamos mudá-los do estado sólido para o estado líquido aquecendo-os na chama de um fogão.

Contudo, o açúcar, sobre a chama de um fogão, sofre fusão e ainda reage formando novos compostos. Basta aquecê-lo em temperatura de 160 °C a 190 °C. Isso porque o açúcar caseiro é uma mistura de sacarose e aditivos químicos. Por isso, o ponto de fusão é variável. O resultado do aquecimento do açúcar é um material viscoso e de cor escura, chamado caramelo.

249

Química

A sacarose, principal componente do açúcar caseiro, é formada de moléculas polares que interagem por ligações de hidrogênio. Durante o aquecimento, parte das ligações de hidrogênio é rompida, afastando as moléculas. Esse afastamento desorganiza o retículo cristalino sólido, dando mobilidade as moléculas durante o processo de fusão.

Figura 01 - Ligações de hidrogênio presentes na sacarose. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

No caso do cloreto de sódio, temos um retículo em que as espécies químicas constituintes são íons: o íon cátion (positivo) e o sódio (Na+). O íon ânion (negativo) é o cloreto (C-). Entre íons temos interação eletrostática, que são interações fortes e podem ser de atração ou de repulsão. As interações eletrostáticas de atração ocorrem entre íons negativos e positivos, caso do cloreto de sódio.

Geralmente os compostos em que esse tipo de interação é predominante são conhecidos como compostos iônicos. A força eletrostática associada com esse tipo de interação é descrita matematicamente como (Lei de Coulomb): F = ko

em que

Q ⋅q d2

,

nn Q

e q são as cargas das partículas (cátions ou ânions) interagentes. é a distância que separa essas cargas nn Ko = constante eletrostática do meio nn d

Para separar esses íons do retículo cristalino é necessário um grande aumento de temperatura. No caso do cloreto de sódio, o valor de temperatura de fusão é de 801 °C. Ao se atingir essa temperatura, o retículo iônico é desmanchado e o sólido se converte em líquido. No caso dos fogões domésticos, não se alcança esse valor de temperatura.

Por isso, não conseguimos fundir o NaC no fogão caseiro.

Tipos de retículos sólidos Em função do tipo de ligação química que ocorre entre as espécies químicas que constituem o agregado sólido, temos quatro tipos de retículos: covalentes, metálicos, iônicos e moleculares.

B20  Propriedades Físicas

Nos retículos covalentes, como o diamante, grafite e sílica, os átomos estão interligados uns aos outros por ligações covalentes. Nos retículos iônicos, os íons se ligam por forças eletrostáticas (como o NaC). Nos retículos metálicos, as ligações metálicas são as responsáveis por manter as espécies constituintes (átomos e íons) ligadas entre si no mar de elétrons. E, finalmente, nos retículos moleculares, as espécies constituintes do sólido são as moléculas que se mantêm unidas umas as outras por interações que podem ser: ligações de hidrogênio, dipolos permanentes ou dipolos induzidos. Na figura a seguir, temos representações desses quatro retículos.

250

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Pontos de fusão e ebulição

B20  Propriedades Físicas

A figura a seguir mostra como a temperatura de ebulição de hidrocarbonetos (compostos contendo somente carbono e hidrogênio) varia com o número de átomos de carbono presentes na molécula. A temperatura de ebulição de um composto é a temperatura na qual um sistema líquido passa para a fase gasosa, que tem uma relação direta com as forças entre as moléculas constituintes do líquido. Pode-se ver na figura que a temperatura de ebulição varia linearmente com o número de átomos de carbono.

Figura 02 - Variação da temperatura de ebulição de hidrocarbonetos.

É interessante perceber na figura que o único fator diferenciador entre uma molécula e outra é a quantidade de átomos de carbono presentes. Entretanto, essas moléculas possuem um comportamento macroscópico completamente diferente. CH4 é um gás à temperatura ambiente e C8H18 é um líquido. Esta e outras características, como será 251

Química

mostrado adiante, estão intimamente relacionadas com a natureza das interações existentes entre as moléculas.

Para os hidrocarbonetos representados na figura anterior, o principal fator que interfere na temperatura de ebulição dos compostos é o tamanho da molécula. Observe que, à medida que o número de átomos de carbono aumenta, a massa molar também aumenta, e consequentemente a temperatura de ebulição se eleva. Isso ocorre porque o aumento de átomos na molécula implica em ampliação da nuvem eletrônica. Mesmo a molécula sendo apolar, o aumento de nuvem eletrônica eleva a intensidade das interações intermoleculares, que, por sua vez, aumenta o ponto de ebulição.

Isso também ocorre em compostos inorgânicos.

B20  Propriedades Físicas

A seguir, temos uma tabela com os valores dos pontos de ebulição dos hidretos de halogênios em função dos valores de massa molar.

Hidreto

Massa molar (g ⋅ mol-1)

Interação intermolecular

Ponto de ebulição em (°C)

HF

20

Ligação de hidrogênio

+20

HCl

36,5

Dipolo permanente

-85

HBr

80

Dipolo permanente

-67

HI

128

Dipolo permanente

-35

Analisando os dados da tabela, vê-se que o aumento de massa molar produz aumento na temperatura de ebulição.

Contudo, um único fator não é capaz de explicar a propriedade ponto de ebulição. Note que o HF, mesmo tendo a menor massa molar, apresenta o maior valor de temperatura de ebulição. Isso ocorre devido o tipo de interações intermoleculares. As moléculas de HF interagem por ligações de hidrogênio, que são interações bem mais fortes que os dipolo permanentes existentes no HC, HBr e HI. De maneira geral, podemos comparar as intensidades das interações intermoleculares da seguinte forma:

Figura 03 - Comparação entre as intensidades de forças das interações intermoleculares.

Sabemos que é necessário fornecermos energia para transformarmos um sólido em um líquido e um líquido em um gás. Essas energias estão diretamente relacionadas com a força de atração entre as moléculas nas fases condensadas (líquida e sólida). À medida que a intensidade das interações intermoleculares aumenta, fica mais difícil afastar uma molécula da outra. Para que isso ocorra, é necessário aumentar a temperatura de aquecimento. Logo, os pontos de fusão e de ebulição aumentam com a ampliação da intensidade das forças intermoleculares. Assim, fica mais difícil fundir ou vaporizar ou até mesmo sublimar uma substância à medida que as interações intermoleculares aumentam de intensidade.

Figura 04 - Nesse infográfico, temos os pontos de ebulição de diversas substâncias. É importante observar que o aumento de massa molar aumenta o ponto de ebulição. Outro fator importante a se destacar é o tipo de interação. Moléculas que realizam ligações de hidrogênio têm pontos de ebulição bem maior.

252

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação 01. (UEFS BA) Quando uma substância molecular passa do estado líquido ou sólido para o estado gasoso, ocorre o rompimento de ligações intermoleculares. Desse modo, é possível perceber que o ponto de ebulição de uma substância molecular depende de dois fatores, o tamanho da molécula e a intensidade das forças entre elas.

02. (UEPG PR) Abaixo estão relacionados os haletos de hidrogênio e seus respectivos valores de ponto de ebulição (P.E.).

Composto

HF

HCl

HBr

HI

P.E. (°C)

+20

-85

-67

-3

Dados: H = 1,00 g/mol; I = 126,9 g/mol; Br = 79,9 g/mol; C = 35,5 g/mol.

Com relação a estes haletos e suas propriedades, assinale o que for correto.

01. Todas os haletos mostrados acima são gases a temperaturas abaixo de 10 °C. 02. As moléculas de HF, HC, HBr, e HI são unidas por forças dipolo permanente e somente as moléculas de HF são unidas também por pontes de hidrogênio.

04. Todos os haletos apresentam ligações covalentes polares.

08. A ordem no P.E.: HI > HBr > HC é devido à diferença na massa molar de cada composto.

16. O HF apresenta maior P.E., pois esse tem na sua estrutura o haleto de menor tamanho, que torna a interação entre as moléculas mais fortes. 02-04-08

04. (FPS PE) Duas substâncias cristalinas A e B foram enviadas para análise. As seguintes propriedades foram determinadas: i) a dissolução de A em água forneceu solução que conduz corrente elétrica, enquanto a solução aquosa de B não conduz corrente elétrica; ii) a substância A tem ponto de fusão maior que B; iii) o aquecimento de A fornece um líquido fundido que conduz corrente elétrica, enquanto o aquecimento de B leva à sua decomposição.

A partir dessas informações, podemos afirmar que os cristais A e B são, respectivamente: a) iônico e iônico. b) iônico e molecular (covalente). c) molecular (covalente) e iônico. d) metálico e iônico. e) molecular (covalente) e molecular (covalente).

253

B20  Propriedades Físicas

De posse das informações da tabela e do gráfico, que representam os pontos de ebulição, respectivamente, das substâncias simples halogênicas e dos haletos de hidrogênio, em função da massa molar, é correto afirmar que: a) As interações entre moléculas das substâncias simples halogênicas ficam mais fracas à medida que há aumento de tamanho entre elas e, consequentemente, nos pontos de ebulição. b) O aumento do tamanho das moléculas das substâncias simples halogênicas e dos haletos de hidrogênio, HC, HBr e HI, é responsável pelo ponto de ebulição crescente dessas substâncias. c) As moléculas de HF, embora pequenas, quando comparadas às dos demais haletos de hidrogênio, estão unidas por fracas ligações de hidrogênio e, por essa razão, o ponto de ebulição de HF(l) é 20 °C. d) As moléculas de HC(g), HBr(g) e HI(g) são apolares, e as interações entre elas são do tipo dipolo instantâneo-dipolo induzido. e) A interação entre as moléculas das substâncias simples halogênicas são de natureza dipolo induzido.

03. (UFC CE) Sabendo-se que a temperatura de ebulição de uma substância depende da intensidade das forças intermoleculares presentes, assinale a alternativa que corretamente apresenta as substâncias em ordem crescente de temperatura de ebulição. a) H2, N2, O2, Br2 b) N2, Br2, O2, Br2 c) Br2, O2, N2, H2 d) Br2, N2, H2, O2 e) O2, Br2, N2, H2

Química

Exercícios Complementares 01. (UECE) O vidro comum, descoberto pelos fenícios em tempos imemoriais, é constituído basicamente de dióxido de silício, óxido de cálcio e óxido de sódio. O cristal é obtido quando se substitui o óxido de cálcio pelo óxido de chumbo.

No que diz respeito a vidros e a cristais, assinale a afirmação verdadeira. a) Vidros e cristais são materiais anisotrópicos cujas propriedades independem da direção da medida. b) O cristal, acima mencionado, possui uma estrutura de rede cristalina bem definida. c) Os vidros são sólidos amorfos e não estão organizados em rede cristalina regular. d) Os vidros Pyrex são utilizados em laboratório, por apresentarem grande resistência a impactos.

02. (Uncisal AL) Um eletricista, ao consertar um chuveiro elétrico, corre o risco de levar um choque, pois a água que usamos em casa contém uma série de substâncias dissolvidas que a tornam condutora de eletricidade. Algumas substâncias, quando dissolvidas em água, têm a propriedade de conduzir corrente elétrica e outras não. Essa condução ou não de eletricidade pode ser explicada pelos modelos de ligações químicas existentes. Com base nesses modelos, analise as afirmações a seguir e marque a opção incorreta. a) Substâncias iônicas são formadas pela união de átomos ou grupos de átomos que ganharam ou perderam elétrons. b) Um sal é um composto iônico que pode ser formado pela reação de neutralização entre um ácido e uma base. c) As substâncias que não conduzem corrente elétrica são formadas pela união de cátions e ânions. d) Na ligação covalente, não há transferência de elétrons, e sim um compartilhamento de um par de elétrons. e) A substância água, H2O, é formada pela união de átomos de hidrogênio e oxigênio por meio de ligações covalentes.

b) Nas condições normais de temperatura e pressão, o C2 é gasoso, o IC é líquido e o I2 é sólido. c) Na molécula do IC, a nuvem eletrônica da ligação covalente está mais deslocada para o átomo de cloro. d) No IC, as interações intermoleculares são, exclusivamente, do tipo dipolo instantâneo – dipolo induzido. e) O ponto de fusão da molécula de I2 é o maior das três substâncias em função das suas interações intermoleculares serem mais intensas.

04. (Fuvest SP) A figura abaixo traz um modelo da estrutura microscópica de determinada substância no estado sólido, estendendo-se pelas três dimensões do espaço.

Nesse modelo, cada esfera representa um átomo e cada bastão, uma ligação química entre dois átomos.

A substância representada por esse modelo tridimensional pode ser: a) sílica, (SiO2)n. d) zinco metálico, Zn. b) diamante, C. e) celulose, (C6H10O5)n. c) cloreto de sódio, NaC.

05. (UFOP MG) No gráfico apresentado a seguir, estão os pontos de ebulição dos haletos de hidrogênio.

B20  Propriedades Físicas

03. (IF GO) Considere o quadro a seguir. Ele apresenta as temperaturas de fusão e de ebulição das substâncias C2, IC e I2:

Substância

Temperatura de fusão/°C

Temperatura de ebulição/°C

C

-102

-35

I C

27

97

I2

113

184

Considerando-se essas substâncias e suas propriedades, é correto afirmar que: a) No C2, as interações intermoleculares são mais fortes que no I2 .

254

Com base na análise desse gráfico e em seus conhecimentos sobre tabela periódica e forças intermoleculares, é correto afirmar que, dentre esses haletos: a) Todos são gases nas condições normais de temperatura e pressão.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

06. (UFPR) Num experimento demonstrativo, foi realizada a queima de um fio de magnésio, reação que libera grande quantidade de calor e luz. Um aluno tomou nota de alguns dados.

Examinou o fio de magnésio utilizado, constatando que pesava 2,43 g. Além disso, procurou numa tabela e anotou a densidade do magnésio (d = 1,74 g.cm–3). Após a queima do fio de magnésio, sobraram cinzas que o aluno recolheu e pesou, obtendo o valor de 4,03 g. Compactando-as em um canudo, o volume das cinzas foi estimado em 1,1 cm3.

A partir dos dados anotados pelo aluno, é correto concluir: a) A densidade do óxido de magnésio é menor que a densidade do metal. b) A densidade do óxido de magnésio é aproximadamente o dobro da densidade do metal. c) A densidade do óxido de magnésio é igual à densidade do metal. d) Na queima do fio, a soma das massas dos reagentes não é igual à dos produtos. e) A densidade do óxido de magnésio é quatro vezes maior que a do metal.

07. (UEPG PR) Os elementos químicos aqui designados A, B, C e D apresentam os seguintes números e massas atômicas: 19 9 A

,

35,5 17 B

,

79 126,9 35 C , 53 D

Com base na tabela abaixo, que apresenta as temperaturas de fusão e de ebulição dos compostos A2, B2, C2 e D2, assinale o que for correto.

Compostos

Temperatura de fusão (°C)

Temperatura de ebulição (°C)

A2

-220

-188

B2

-101

-35

C2

-7

59

D2

114

184

01. Os quatro elementos pertencem ao mesmo grupo ou família da tabela periódica.

02. O número de massa representado por algarismo decimal indica que nem todos os átomos desse elemento químico apresentam o mesmo número de nêutrons.

04. Os elementos citados são ametais.

08. O composto C2 é um sólido de baixo ponto de fusão.

16. O composto A2 encontra-se no estado gasoso. 01-02-04-16

08. (Unimontes MG) O gráfico abaixo apresenta a variação da densidade da água líquida em função da temperatura, à pressão de 1atm.

Analisando-se esse gráfico, pode-se afirmar que: a) O volume da água é menor em temperaturas acima de 4ºC. b) A água tem volume máximo ao atingir a temperatura de 4ºC. c) A massa (g) correspondente a 1 cm3 de água é maior a 30ºC. d) A água se contrai, à medida que a temperatura diminui até 4ºC. 09. (Unesp SP) A um frasco graduado contendo 50 mL de álcool etílico foram adicionados 50 mL de água, sendo o frasco imediatamente lacrado para evitar perdas por evaporação. O volume da mistura foi determinado, verificando-se que era menor do que 100 mL. Todo o processo foi realizado à temperatura constante.

Com base nessas informações, é correto afirmar que: a) Os volumes das moléculas de ambas as substâncias diminuíram após a mistura. b) Os volumes de todos os átomos de ambas as substâncias diminuíram após a mistura. c) A distância média entre moléculas vizinhas diminuiu após a mistura. d) Ocorreu reação química entre a água e o álcool. e) Nas condições descritas, mesmo que fossem misturados 50 mL de água a outros 50 mL de água, o volume final seria inferior a 100 mL. 10. (Unifor CE) Considere os seguintes materiais: I. Flúor II. Zinco III. Brometo de potássio IV. Naftaleno V. Óxido de alumínio VI. Platina A opção que contém a correlação correta entre o material e o tipo de ligação envolvido é: a) Iônica – covalente – iônica – metálica – covalente e metálica. b) Metálica – iônica – covalente – iônica – metálica e iônica. c) Covalente – iônica – metálica – iônica – metálica e covalente. d) Iônica – iônica – covalente – covalente – metálica e metálica. e) Covalente – metálica – iônica – covalente – iônica e metálica.

255

B20  Propriedades Físicas

b) Apenas um é gás nas condições normais de temperatura e pressão. c) O mais volátil apresenta a ligação hidrogênio-halogênio mais longa. d) O menos volátil apresenta a ligação hidrogênio-halogênio mais curta.

FRENTE

B

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (UFMT) A teoria da repulsão dos pares eletrônicos sustenta: ao redor do átomo central, pares eletrônicos ligantes e não ligantes se repelem, tendendo a ficar tão afastados quanto possível.

De acordo com essa teoria, quais estruturas podem ser previstas para as moléculas de SF6, PC5, CH4, respectivamente? a) Tetraédrica, bipirâmide trigonal e octaédrica b) Octaédrica, bipirâmide trigonal e tetraédrica c) Bipirâmide trigonal, tetraédrica e tetraédrica d) Tetraédrica, tetraédrica e octaédrica e) Octaédrica, tetraédrica e bipirâmide trigonal 02. (IF GO) A geometria molecular descreve a maneira como os átomos estão distribuídos espacialmente em uma molécula. As moléculas podem assumir várias formas espaciais, dependendo dos tipos de átomos que as compõem.

Em relação à geometria molecular, é correto afirmar que: a) Trifluoreto de boro e amônia apresentam geometria trigonal plana. b) Ácido cianídrico apresenta geometria angular. c) Tetracloreto de carbono e metano apresentam geometria tetraédrica. d) Em moléculas formadas por seis átomos, sendo um deles central, a geometria será octédrica. e) Em moléculas formadas por quatro átomos, sendo um deles central, a geometria será tetraédrica.

03. (UFG GO) As substâncias poliatômicas podem ser representadas por estruturas geométricas, as quais são definidas de acordo com as propriedades químicas dos elementos. Em uma estrutura octaédrica formada pelos elementos genéricos X e Y, onde o comprimento da ligação X – Y é igual a 5 nm (1 nm = 1 × 10–9 m), a seção que a divide em duas pirâmides regulares está representada na figura a seguir.

Desprezando-se os efeitos de atração e repulsão, a distância aproximada entre os elementos Y e um exemplo de fórmula molecular que apresente a estrutura geométrica abordada são, respectivamente, a) 5 nm e SF6 d) 7 nm e NH3 b) 5 nm e CH4 e) 7 nm e CH4 c) 7 nm e SF6 256

04. (UFG GO) Observe o seguinte esquema de um experimento no qual utilizam-se princípios do eletromagnetismo para observar a polaridade de moléculas.

Experimento

Carga do bastão

Líquido

1

+

C6H14

2

+

CC4

3

+

CHC3

4

-

CHC3

5

-

CC4

De acordo com o exposto, ocorrerá a atração do filete líquido pelo bastão em quais experimentos? a) 1 e 3 c) 3 e 4 e) 2 e 4 b) 2 e 5 d) 1 e 5 05. (UFPA) Os elementos oxigênio e enxofre pertencem ao mesmo grupo da tabela periódica e, juntamente com átomos de hidrogênio, podem formar a água, H2O, e o sulfeto de hidrogênio, H2S, respectivamente. Apesar da similaridade das fórmulas químicas dessas substâncias, a água é liquida à temperatura ambiente, enquanto o sulfeto de hidrogênio é um gás (ponto de ebulição normal igual a –63 °C).

A explicação para isso está relacionada ao fato de que a) a molécula de H2O é angular, enquanto a de H2S é linear. b) o ângulo de ligação da molécula de H2O é menor que o da molécula de H2S. c) o vetor momento dipolar da molécula de água é maior que o da molécula de H2S. d) as ligações químicas S-H na molécula de H2S são covalentes apolares. e) a carga elétrica parcial positiva dos átomos de H na molécula de H2O é menor do que na molécula de H2S.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias Gabarito 08: Letra a) A diferença nos pontos de fusão está relacionada com as forças intermoleculares da substâncias apresentadas. No cloreto de sódio, existem interações eletrostáticas entre os íons Na+ e Cl–. Na molécula de glicose, existem interações de Van der Waals e ligações de hidrogênio, além de interações dipolo-dipolo. Já a naftalina é um hidrocarboneto, no qual existem apenas interações de Van der Waals.

2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) Com relação às moléculas citadas no texto, é correto afirmar que: a) As soluções formadas pela dissolução das moléculas de SO2, SO3 e H2SO4 em água conduzem a corrente elétrica. b) A molécula de SO2 é apolar, a molécula de SO3 é polar e a molécula de O2 é polar. c) A molécula de SO2 é linear, a molécula de SO3 é angular e a molécula de H2SO4 é piramidal. d) As moléculas de SO2, SO3 e H2SO4 apresentam 30, 38 e 48 elétrons, respectivamente. e) As ligações entre o átomo de enxofre e os átomos de oxigênio nas moléculas de SO2, SO3 e H2SO4 são covalentes apolares.

07. (ITA SP) Em qual dos pares de substâncias puras abaixo, ambas no estado sólido, são encontradas em cada um delas, simultaneamente, ligações covalentes e ligações de Van der Waals? a) Iodo e dióxido de carbono. b) Dióxido de silício e naftaleno. c) Iodo e óxido de magnésio. d) Magnésio e dióxido de carbono. e) Cloreto de amônio e sulfato de chumbo.

08. (UFG GO) Analise o quadro a seguir.

Substâncias

Tfusão (°C)

Cloreto de Sódio

801

Glicose

186

Naftalina

80

Solubilidade em Água Solúvel

?

Solúvel ou pouco ? solúvel Insolúvel

?

Considerando-se as informações apresentadas, responda ao que se pede: a) Explique as diferenças de ponto de fusão das substâncias em relação às suas forças intermoleculares. b) Classifique as substâncias apresentadas como solúvel, pouco solúvel ou insolúvel. Justifique sua resposta a partir da polaridade das moléculas.

09. (UFPA) Os insetos mostrados na figura não afundam na água devido ao (à)

Questão 08: Letra b) Como a molécula de água é polar tem-se: Para o NaC, ocorre interação eletrostática entre os íons e a água.

Para a glicose, ocorre ligações de hidrogênio entre o grupo hidroxila da glicose e a molécula de água.

Para a naftalina, não há interações com a molécula de água pois a naftalina é um hidrocarboneto apolar.

a) presença de pontes de hidrogênio, em função da elevada polaridade da molécula de água. b) fato de os insetos apresentarem uma densidade menor que a da água. c) elevada intensidade das forças de dispersão de London, em consequência da polaridade das moléculas de água. d) interação íon – dipolo permanente, originada pela presença de substâncias iônicas dissolvidas na água. e) imiscibilidade entre a substância orgânica que recobre as patas dos insetos e a água.

10. (Unifesp SP) A geometria molecular e a polaridade das moléculas são conceitos importantes para predizer o tipo de força de interação entre elas. Dentre os compostos moleculares nitrogênio, dióxido de enxofre, amônia, sulfeto de hidrogênio e água, aqueles que apresentam o menor e o maior ponto de ebulição são, respectivamente, a) SO2 e H2S. d) N2 e H2S. b) N2 e H2O. e) SO2 e NH3. c) NH3 e H2O. 11. (Unificado RJ) Um estudante de química do segundo grau resolveu comparar experimentalmente as diferenças dos pontos de ebulição de quatro ácidos inorgânicos: HF, HC, HBr e HI. Os resultados desse experimento encontram-se listados na tabela abaixo.

Composto

Ponto de ebulição (°C)

HF

19,5

HC

-85,0

HBr

-66,8

H

-35,1

O valor acentuadamente mais elevado do ponto de ebulição do HF ocorre em virtude da a) menor eletronegatividade do flúor b) ausência de polaridade da substância c) maior massa molecular do HF comparada aos demais d) formação de ligações de hidrogênio por esta substância e) capacidade do HF de formar ligação do tipo iônica intermolecular 12. (Unesp SP) Além do iodeto de prata, outras substâncias podem ser utilizadas como agentes aglutinadores para a formação de gotas de água, tais como o cloreto de sódio, o gás carbônico e a própria água.

Considerando o tipo de força interatômica que mantém unidas as espécies de cada agente aglutinador, é correto classificar como substância molecular: a) o gás carbônico e o iodeto de prata. b) apenas o gás carbônico. c) o gás carbônico e a água. d) apenas a água. e) a água e o cloreto de sódio.

257

FRENTE B  Exercícios de Aprofundamento

06. (UEL PR) A chuva ácida é um fenômeno causado pela poluição da atmosfera. Ela pode acarretar problemas ao solo, à água, às construções e aos seres vivos. Um dos responsáveis por esse fenômeno é o gás SO3 que reage com a água da chuva originando ácido sulfúrico. O SO3 não é um poluente produzido diretamente pelas fontes poluidoras, mas é formado quando o SO2, liberado pela queima de combustíveis fósseis, reage com o oxigênio do ar. Essa reação é representada pela equação mostrada a seguir.

FRENTE

C

Fonte: Pressmaster-Shutterstock.com

QUÍMICA Por falar nisso As evidências de uma reação química nem sempre são grandes modificações visíveis. Para um químico, a ocorrência de reação química pode ser confirmada pela liberação de substâncias gasosas, formação de sólido (precipitado), mudança de cor, alteração da condutividade elétrica do meio, variação de temperatura etc. Entender esses processos reacionais no laboratório exige o alinhamento de conhecimento teórico aplicado à experimentação.

Existem diversas reações químicas que podem ser realizadas em laboratórios, como as reações de combustão, as reações de dupla troca e outras. Algumas dessas reações podem ser evidenciadas pela formação de precipitado e liberação de gases.

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C17 C18 C19 C20

Reações químicas........................................................................... 260 Reação de formação de precipitado.............................................. 264 Reação de dupla troca com liberação de gás................................ 268 Reatividade dos metais.................................................................. 273

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C17

ASSUNTOS ABORDADOS nn Reações Químicas nn Reações de neutralização nn Neutralização parcial

REAÇÕES QUÍMICAS Há vários séculos o homem convive com uma grande variedade de materiais encontrados na natureza, podendo estes sofrer transformações físicas e/ou químicas. Em aulas anteriores, vimos que um material sofre uma transformação química, quando há alteração na constituição química de seus componentes. Caso contrário, trata-se de uma transformação física.

Em geral, reconhecemos a ocorrência de uma transformação química por meio de alterações no sistema, tais como mudança de cor, liberação de gás (efervescência), formação de um sólido (precipitado), aparecimento de chama ou luminosidade e alteração de temperatura. No entanto, vale ressaltar que nem sempre podemos afirmar que ocorreu uma reação química embasando-se nas alterações ocorridas no sistema. Por exemplo, a mistura de água e álcool leva a um aquecimento do sistema, porém não se trata de uma reação química e, sim, de um fenômeno de dissolução exotérmica. Existem, também, transformações químicas em que nada é observado, sendo, às vezes, necessário dispor de técnicas mais avançadas para identificá-las.

Reações de neutralização

Fonte: wikipedia/Photogravure Meisenbach Riffarth & Co. Leipzig.

O comportamento ácido-base é conhecido de longa data. Os termos ácido e sal datam da Idade Antiga; álcali, da Idade Média e base, da Idade Moderna. Boyle, no século XVII, estudou os indicadores, inclusive o corante vermelho do pau-brasil. Os indicadores começaram a ser utilizados em titulações no século XVIII. As teorias ácido-base, ou seja, as teorias que procuram explicar o comportamento dessas substâncias baseando-se em algum princípio mais geral, são também bastante antigas, porém vamos considerar apenas as do século XX. Nesse contexto, devemos lembrar de que os conceitos de ácidos e base, segundo Arrhenius e Bronsted-Lowry, já foram vistos em aulas anteriores.

Por exemplo, nas duas reações a seguir, temos a neutralização do HC por espécies químicas diferentes: o hidróxido de sódio (NaOH) e o óxido de sódio (Na2O). Mas, atenção! Mesmo não havendo nenhuma semelhança estrutural entre essas duas substâncias, elas apresentam o mesmo comportamento em meio aquoso – caráter básico.

NaOH(aq) Na2O(s)

neutralização  → NaC(aq)

+

HC(aq)

+

H2O()

+

2 HC(aq) → 2 NaC(aq) +

H2O()

neutralização

O produto das reações de neutralização ácido-base em meio aquoso são íons e moléculas (água). A separação desses produtos se dá por processo de destilação (vaporização da água). Só então, obteremos um sólido iônico, na forma de cristais, comumente chamado de sal. destilação NaC(aq) + H2O()  → NaC(s)

Ácidos e bases de Arrhenius

Figura 01 - Svante August Arrhenius (1859 - 1927) foi um químico sueco. Recebeu o Nobel de Química de 1903, por desenvolver a teoria eletrolítica da dissociação. Arrhenius também foi pioneiro no desenvolvimento do conceito de acidez e basicidade das espécies químicas em meio aquoso.

260

Nas quatro reações a seguir, temos uma base e um ácido de Arrhenius reagindo em um processo de neutralização para formar sal e água. Os sais solúveis serão representados por indicativos que se encontram em meio aquoso (aq). Sais insolúveis serão representados de maneira que no meio aquoso se encontrem no estado sólido (s).

KOH(aq) + HBr(aq) → KBr(aq) + H2O() Ca(OH)2(aq) + 2 HNO3(aq) → Ca(NO3)2(aq) + 2 H2O() A(OH)3(aq) + 3 HC(aq) → AC3(aq) + 3 H2O() 3 NaOH(aq) + H3PO4(aq) → Na3PO4(aq) + 3 H2O()

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Nas três reações a seguir, temos uma base de Arrhenius reagindo com óxidos ácidos em meio aquoso. O processo químico se dá por meio de neutralização, formando sal e água.

2 NaOH(aq) + CO2(aq) → Na2CO3(aq) + H2O() 2 KOH(aq) + SO2(aq) → K2SO3(aq) + H2O() Ca(OH)2(aq) + SO3(aq) → CaSO4(aq) + H2O() Óxidos básicos e ácidos de Arrhenius Nas três reações a seguir, temos um óxido básico reagindo com ácidos de Arrhenius em meio aquoso. As reações se completam por meio de neutralização, formando sal e água.

K2O(s) + 2 HC(aq) → 2 KC(aq) + H2O() CaO(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(aq) + H2O() ZnO(s) + 2 HNO3(aq) → Zn(NO3)2(aq) + H2O() As evidências de que houve reação química nos casos de neutralização, acima representados, são constatadas por meio da liberação de calor e da formação de água. A formação de água diminui a condutividade elétrica do meio.

Neutralização parcial Para monoácidos e monobases, as reações de neutralização ocorrem de maneira completa, ou seja, a quantidade de íons H+ e OH- obedecem ao exigido pela estequiometria da reação.

Para reações entre um diácido e uma monobase, é necessário se fazer o balanceamento da equação para que a reação de neutralização dos íons H+ e OH- seja completa. Do contrário, a reação de neutralização será parcial para um dos componentes.

Por exemplo, na reação de 2 mol de NaOH com 1 mol de H2SO4, temos uma reação de neutralização total. A seguir, temos uma equação representativa do processo.

neutralização total seria de 2 mol do ácido para 1 mol de base.

Portanto, nas condições reacionais de 1 mol de base para 1 mol de ácido, a reação de neutralização será parcial para base.

A equação a seguir é representativa do processo de neutralização parcial.

1 Ca(OH)2(aq) + 2 HC(aq) → 1 Ca(OH)C(aq) + 1 H2O() A nomenclatura de sais resultantes da neutralização parcial deve ser feita da seguinte forma.

mono-hidrogenossufato de sódio  NaHSO4 sulfato ácido de sódio bissulfato de sódio  hidróxi cloreto de cálcio  Ca( OH) C  cloreto monobásico de cálcio  Neutralização parcial de biácidos Um dos produtos de maior uso doméstico na fabricação de bolos é o bicarbonato de sódio. Esse composto pode ser obtido em laboratório por meio da reação do hidróxido de sódio (NaOH) com ácido carbônico em um processo de neutralização parcial do ácido carbônico pela base. Mas por que o uso do prefixo bi?

Todas as vezes em que um ácido classificado como biácido (dois hidrogênios ionizáveis) for neutralizado parcialmente, poderemos utilizar o prefixo bi para o ânion resultante.

A seguir, listamos alguns biácidos e seus respectivos ânions resultantes da ionização parcial. A terminação (sufixo) do nome do ânion depende do sufixo do nome do ácido.

H2CO3 (aq)  →H+ (aq) + ácido carbônico

2 NaOH(aq) + 1 H2SO4(aq) → 1 Na2SO4(aq) + 2 H2O() Contudo, se a proporção estequiométrica for de 1 mol de NaOH com 1 mol de H2SO4, temos uma reação de neutralização parcial para o ácido, e total para a base. A seguir, temos a representação desse processo por uma equação química.

1 NaOH(aq) + 1 H2SO4(aq) → 1NaHSO4(aq) + 1 H2O() Para esse tipo de reação, o sal formado deve receber classificação em função da presença de átomo de hidrogênio. No exemplo anterior, o sal formado foi o NaHSO4. Verifique que, na fórmula do sal, há um átomo de hidrogênio do ácido que não foi neutralizado.

Da mesma forma que a neutralização pode ser parcial para o ácido, ela também pode ser parcial para a base.

Na reação a seguir, temos 1 mol de Ca(OH)2 reagindo com 1 mol de HC. Verique que a proporção correta para uma

HCO3- (aq) bicarbonato carbonato ácido mono-hidrogencarbonato

H2 SO3 (aq)  →H+ (aq) + ácido sulfuroso

bissulfito sulfito ácido mono-hidrogensulfito

H2 SO4 (aq)  →H+ (aq) + ácido sulfúrico

HSO3- (aq)

HSO-4 (aq) bissulfato sulfato ácido mono-hidrogensulfato

H2 S(aq)  →H+ (aq) + ácido sulfídrico

C17  Reações Químicas

Óxidos ácidos e bases de Arrhenius

HS− (aq) bissulfeto sulfeto ácido mono-hidrogensulfeto 261

Química

Exercícios de Fixação 01. (Furg RS) A quantidade de água produzida quando reagem 3 mol de hidróxido de alumínio com ácido sulfúrico em quantidade suficiente para completar a reação é: a) 6 mol b) 7 mol c) 8 mol d) 9 mol e) 10 mol 02. (Unesp SP) A reação de 1 mol de ácido fosfórico com dois mol de hidróxido de sódio produz: a) 2 mol de Na3PO4 b) 1 mol de Na2HPO4 c) 3 mol de NaH2PO4 d) 2 mol de Na3PO3 e) 1 mol de NaH2PO2 e 1 mol de Na2HPO3 03. (Puc MG) Uma carreta carregada de ácido nítrico provocou um congestionamento de, pelo menos, 15 quilômetros, na BR 381, que liga Belo Horizonte a São Paulo. Desgovernada, bateu na mureta e capotou contaminando a pista da BR com o ácido. Os bombeiros, chamados, agiram rapidamente, adicionando na pista cal para neutralizar o ácido, evitando a contaminação do local.

(Texto adaptado do jornal Estado de Minas, de 9 de maio de 2000)

A equação da reação que representa a neutralização total do ácido nítrico pela cal está CORRETAMENTE representada em: a) 2 HNO3 + CaO → Ca(NO3)2 + H2O b) H2NO3 + CaO → CaNO3 + H2O c) HNO3 + CaOH → CaNO3 + H2O d) H2NO3 + Ca(OH)2 → CaNO3 + 2 H2O

C17  Reações Químicas

04. (Puc RS) O ácido sulfúrico e o hidróxido de sódio têm várias aplicações industriais. Na reação entre hidróxido de sódio e ácido sulfúrico em sistema aquoso diluído, as espécies químicas que se combinam dão origem a: a) Na2SO4 (s) b) H2O () c) SO32- (aq) d) H+ (aq) e) OH– (aq) 05. (UFSE SE) O gás carbônico, CO2, é absorvido por soluções básicas. Para isso, pode-se utilizar uma solução aquosa de: a) NH4Cl b) C3H7OH c) HCl d) KOH e) Na2SO4

262

06. (UFPI) A reação do ácido crômico, H2CrO4, com o hidróxido de níquel, Ni(OH)3, origina um sal e seis moléculas de água. A classificação correta desse sal, quanto ao número de elementos constituintes, à presença de oxigênio e à natureza, será: a) ternário, oxigenado, hidroxissal b) ternário, oxigenado normal c) binário, não oxigenado, ácido d) ternário, não oxigenado, ácido e) quaternário, não oxigenado, ácido 07. (Unesp SP SP) Quando 1 mol de ácido sulfúrico reage exatamente com 1 mol de hidróxido de cálcio, obtêm-se: a) 1 mol de CaHSO4 e 1 mol de água b) 2 mol de CaSO4 e 2 molde água c) 1 mol de CaO, 1 mol de SO2 e 2 mol de água d) 1 mol de CaSO4 e 2 mol de água e) 1 mol de CaS, 1 mol de CaO e 1 mol de O2 08. (Unisinos RS) Na neutralização parcial de um monoácido por uma dibase, resultam moléculas de água em número de: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 09. A reação de 1 mol de ácido fosfórico com 2 mol de hidróxido de potássio produz: a) 2 mol de K3PO4 b) 1 mol de K2HPO4 c) 3 mol de KH2PO4 d) 2 mol de K3PO3 e) 1 mol de KH2PO2 e 1 mol de K2HPO3 10. (Unirio RJ) As reações entre os ácidos e as bases produzem sal e água. Tendo em vista que essas reações são de neutralização parcial, indique a única opção que representa a equação da reação em que não é obtido um sal ácido ou sal básico, pois não se trata de reação de neutralização parcial. a) H2SO4 + NaOH → NaHSO4 + H2O b) HNO3 + Ca(OH)2 → Ca(OH)NO3 + H2O c) H3PO4 + 2 LiOH → Li2HPO4 + 2 H2O d) HC + Mg(OH)2 → Mg(OH)C + H2O e) H3PO3 + 2 KOH → K2HPO3 + 2 H2O 11. (Mackenzie SP) Na reação entre ácido hipofosforoso e hidróxido de potássio forma-se: a) K3PO2 ou K2HPO2 ou KH2PO2, dependendo da proporção entre os reagentes. b) K2HPO2 ou KH2PO2, dependendo da proporção entre os reagentes. c) KH2PO2, independentemente da proporção entre os reagentes, mas nunca se formará K2HPO2 nem K3PO2. d) K3PO4 ou K3PO3 ou K3PO2, dependendo da proporção entre os reagentes. e) Nada se pode afirmar.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (Mackenzie SP) A substância que, ao ser adicionada em proporção adequada, neutraliza uma solução de ácido clorídrico é: a) H2O b) SO2 c) CO d) H3PO4 e) Na2O 03. (UFSC) Dada a reação química expressa pela equação: a H3PO4 + b Na2O → c Na3PO4 + d H2O e, sendo: (A) + (B) → (C) + (D) os reagentes e produtos, respectivamente, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S). 01-02-04-08 Os coeficientes a, b, c e d devem estar na sua proporção mínima de números inteiros.

01. A dissociação iônica do ácido (A) é feita em três etapas.

02. O Na3PO4 é um sal neutro.

04. O coeficiente do reagente (B) é 3.

08. A soma de todos os coeficientes da equação (a + b + c + d) é 10.

16. As substâncias reagentes (A) e (B) são, respectivamente, um ácido triprotônico e uma monobase.

32. O produto (D) é um óxido ácido.

64. A soma dos coeficientes dos reagentes da equação (a + b) é 4.

04. (UFV MG) Um estudante abre, simultaneamente, um frasco contendo solução aquosa de ácido clorídrico (HC) concentrado (36% m/m) e um frasco de solução aquosa de hidróxido de amônio (NH4OH) concentrada (30% m/m). Ao aproximá-los, o estudante irá observar a formação de uma “fumaça” de coloração branca, que contém o sal: a) nitrato de amônio. b) perclorato de amônio. c) cloreto de amônio. d) cloreto de sódio. e) hipoclorito de amônio.

05. (Uerj RJ) Estudos mostram que as moléculas de dois gases, a uma mesma temperatura, possuem igual energia cinética média. Para ilustrar essa teoria, um professor montou o experimento abaixo esquematizado, no qual, em cada ex-

tremidade de um tubo de vidro com 1 m de comprimento, foram colocados dois chumaços de algodão embebidos, respectivamente, em uma solução de amônia e em uma solução de ácido clorídrico, ambas com a mesma concentração.

Após determinado período de tempo, observou-se a formação do cloreto de amônio na região do tubo mais próxima à extremidade que contém o ácido.

Considere que os vapores formados no experimento se comportam como gases.

Admita que a reação entre os vapores das substâncias contidas nos dois chumaços de algodão ocorra em meio aquoso, formando dois produtos.

A alternativa que indica o tipo de reação ocorrida e as funções químicas correspondentes aos produtos formados é: a) dupla troca ; sal - hidróxido b) redução ; ácido - hidróxido c) neutralização ; sal - óxido d) oxidação ; óxido - ácido 06. (Ufac AC) O hidróxido de magnésio é pouco solúvel em água, mas forma uma solução coloidal branca, que é usada como antiácido estomacal – o conhecido leite de magnésia. Bicarbonatos também são utilizados como antiácido. As equações que melhor mostram as reações entre o leite de magnésia e um bicarbonato qualquer com o ácido presente no estômago são: a) Mn(OH)2 + 2 HC → MnC 2 + 2 H2O HCO3− + HC → H2O + CO2 + C − b) MgOH + HCO → MgCO + H2O CO23− + 2 HCO → H2O + CO2 + 2 CO− c) Mg(OH)2 + 2 HNO3 → Mg(NO3 )2 + 2 H2O HCO3− + HNO3 → H2CO3 + NO3−

C17  Reações Químicas

01. (Puc PR) Na neutralização parcial do ácido sulfuroso com hidróxido de cálcio, será formado um sal cuja fórmula é: a) CaSO3 b) CaSO4 c) Ca(HSO3) 2 d) CaHSO3 e) Ca(HS)2

d) MgC 2 + 2 H3O+ → Mg2+ + 2 HC + 2 H2O HCO3- + H3O+ → H2O + CO2 e) Mg(OH)2 + 2 HC → MgC 2 + 2 H2O HCO3− + HC → H2O + CO2 + C −

263

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C18

ASSUNTOS ABORDADOS nn Reação de formação de precipitado nn Solubilidade dos sais em água

REAÇÃO DE FORMAÇÃO DE PRECIPITADO Contrastes radiológicos são substâncias utilizadas em exames de diagnóstico por raios X, radiografias ou ressonância magnética. Essas substâncias são capazes de absorver os raios X, de modo que órgãos internos preenchidos pelo contraste tornam-se brancos no filme de raios X, realçando a imagem da estrutura do órgão. Isso cria a necessária distinção (contraste) entre o órgão examinado e os tecidos vizinhos. O contraste auxilia o médico a visualizar qualquer anomalia no órgão sob exame.

#TÁ NA MÍDIA ENTENDA O CASO DA INTOXICAÇÃO POR CELOBAR Luís Fernando Pereira* Especial para a Folha de S. Paulo

Junho de 2003. Um erro, em uma indústria farmacêutica, provoca intoxicação em dezenas de pessoas. Há uma morte confirmada e outras 15 suspeitas. A causa: um veneno chamado carbonato de bário (BaCO3). O Celobar, medicamento que causou a tragédia, deveria conter somente sulfato de bário (BaSO4). Mas, na tentativa de transformar o carbonato em sulfato, algum erro fez com que quase 15% da massa do Celobar comercializado fosse de BaCO3.

Pacientes tomam sulfato de bário para que os órgãos de seu sistema digestório fiquem visíveis nas radiografias. É o chamado contraste. O problema é que os íons Ba2+ são muito tóxicos. Quando absorvidos, causam vômito, cólicas, diarreia, tremores, convulsões e até a morte. Cerca de 0,5 g é dose fatal. Mas, se a toxicidade é do bário, por que o BaSO4 não é perigoso e o BaCO3, sim? É que o BaSO4 praticamente não se dissolve na água. Sua solubilidade é de apenas 1,0 x 10-5 mol/L. Isso significa que só há 0,00137 grama de íons Ba2+ dissolvidos em um litro do medicamento. É muito pouco. O que os pacientes ingerem é uma suspensão aquosa desse sal em que a maior parte dele não está dissolvida.

Sem dissolução, não há, praticamente, dissociação do sal. É por isso que os íons Ba2+ não são liberados para serem absorvidos pelo organismo. Não há perigo. Ainda assim, só para garantir, essa suspensão costuma ser preparada em uma solução de sulfato de potássio (K2SO4), um sal bastante solúvel em água. A função desse sal é aumentar a concentração de íons SO42-. Desse modo, o equilíbrio da dissociação do sal é bem deslocado para a esquerda, diminuindo ainda mais a presença de Ba2+ (aq) na suspensão.

Com o BaCO3 é diferente. Apesar de pouco solúvel em água, ele reage com o ácido clorídrico do nosso estômago (o que não acontece com o BaSO4) formando um sal solúvel, o cloreto de bário. Ao se dissolver, esse sal se dissocia, liberando íons bário para o organismo. O corpo absorve esses íons, e a intoxicação acontece. Triste é saber que uma simples gota de HC, misturada ao Celobar, teria evitado a tragédia. Como você pode perceber pela reação acima, essa gota produziria bolhas de gás carbônico (CO2), o que evidenciaria a presença do veneno no medicamento.

Disponível em: < http://www2.unifesp.br/reitoria/residuos/curiosidades/caso-celobar>. Acesso em 27 jul. 2016.

Estudar as reações químicas é estudar as propriedades comportamentais das espécies químicas em função do meio reacional. É entender por que o uso do carbonato de bário (BaCO3) no lugar do sulfato de bário (BaSO4), mesmo em pequenas proporções, causou intoxicação e morte de diversas pessoas.

Diante dessas situações constantemente presentes na sociedade moderna, tornam-se evidentes a importância do estudo e o entendimento das transformações da matéria. E, nesse contexto, as reações de dupla troca com formação de precipitados são de grande importância para todos nós.

Vimos, na aula anterior, as reações de neutralização entre um ácido e uma base. A partir de agora, estudaremos as reações de dupla troca. De maneira geral, podemos representar esse tipo de reação da seguinte forma:

→ A+D- + C+BA+B- + C+D-  264

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

nn Ácidos

de Arrhenius + sais; nn Bases de Arrhenius + sais; nn Sal de Arrhenius + sal de Arrhenius.

Contudo, para que o processo ocorra, deve-se formar um composto de baixa solubilidade. Para isso, é de fundamental importância se utilizar a tabela de solubilidade de sais em água.

Solubilidade dos sais em água Ao adicionar um sal à água, observamos o processo de dissolução. Isso significa que os íons que compõem o retículo cristalino se desprendem e dispersam pela água, formando um sistema homogêneo (solução).

No caso de sais solúveis, o número de íons que se desprendem do retículo é grande. No caso de sais insolúveis, o número de íons que se desprendem do retículo é muito pequeno, não havendo total dissolução do retículo cristalino. A solubilidade de um sal é determinada de forma experimental.

Solubilidade de sais Sais de metais alcalinos e amônio.

São solúveis

Os sais de nitratos (NO3-), cloratos (CO3-) e acetatos (H3CCOO-).

São solúveis, exceto o acetato de prata.

Os cloretos (C-), os brometos (Br−) e os iodetos (I–).

São solúveis em sua maioria, exceto os de prata (Ag+), mercúrio (Hg+) e chumbo (Pb2+).

Os sulfatos (SO42-).

São solúveis em sua maioria, exceto os de cálcio (Ca2+), estrôncio (Sr2+), bário (Ba2+) e chumbo (Pb2+).

Os sais de sulfetos (S )

São insolúveis em sua maioria, exceto os sulfetos de metais alcalinos, alcalinos terrosos e amônio (NH4+).

Os carbonatos (CO32-) e os fosfatos (PO43-).

São insolúveis em sua maioria, exceto os de metais alcalinos e amônio (NH4+).

2–

Uma vez que as reações de dupla troca envolvem ácidos e bases, é muito importante recordar as principais características dos ácidos em termos de força, estabilidade e volatilidade.

Força dos ácidos Quanto ao grau de ionização (a), os ácidos podem ser classificados em fortes, moderados e fracos.

nn Ácidos fortes: são aqueles cujo grau (a) de ionização

é superior a 50%.

nn Ácidos

moderados: são aqueles cujo grau (a) de ionização está entre 5% e 50%.

nn Ácidos fortes: são aqueles cujo grau (a) de ionização

é inferior 5%.

Volatilidade dos ácidos Quanto à volatilidade, os ácidos podem ser classificados em fixos ou voláteis. nn Ácidos fixos: são aqueles cuja temperatura de ebulição é elevada. Por exemplo, podemos citar o ácido sulfúrico (H2SO4), o ácido bórico (H3BO3), ácido fosfórico (H3PO4). nn Ácidos voláteis: são aqueles cuja temperatura de ebulição é relativamente baixa. Por exemplo, podemos citar os hidrácidos (HF, HC, HBr, HI, HCN), o ácido nítrico (HNO3), ácido nitroso (HNO2).

Força e solubilidade das bases Para as bases de Arrhenius, devemos lembrar das principais características de força e solubilidade em água. nn As bases de metais alcalinos e alcalinoterrosos (exceto

Be e Mg) são bases relativamente fortes, ou seja, em água apresentam boa dissociação. nn Da mesma forma, as bases de metais alcalinos e alcalinoterrosos (exceto Be e Mg) e amônio (NH4OH) são relativamente solúveis em água. nn Quanto à volatilidade, devemos lembrar de que apenas o hidróxido de amônio (NH4OH) é uma base volátil, além de instável, ou seja, se decompõe em NH3 e H2O. Reações de dupla troca entre ácidos de Arrhenius e sais Dizemos que uma reação química ocorreu por meio de evidências. Por exemplo, quando uma barra de ferro é exposta ao meio ambiente, ocorre a formação de ferrugem.

Portanto, a ferrugem é a evidência de que uma transformação química da matéria ocorreu.

Nas reações de dupla troca, também procuramos evidências para afirmar que a reação ocorreu. No caso de reações entre ácidos e sais de Arrhenius e bases e sais de Arrhenius, as principais evidências que confirmam a ocorrência de reações são: nn a formação de um sal ou uma base insolúveis (precipitado); nn a formação de um ácido ou uma base mais fraca que o ácido ou a base reagente; nn liberação de gás.

As reações com liberação de gás serão estudadas na próxima aula. Portanto, nesta aula, focaremos nosso estudo nas duas primeiras evidências (formação de precipitado e formação de um ácido fraco).

265

C18  Reação de Formação de Precipitado

Verifique que, numa reação de dupla troca, as espécies químicas permutam íons entre si. Outro fato importante é que nesse tipo de reação não há variação do número de oxidação. As principais reações de dupla troca que produzem precipitado podem ocorrer entre:

Química

Exercícios de Fixação 01. (UFPA) Na reação química representada por BaCl2(aq) + K2SO4(aq) → 2 KC(aq) + BaSO4(s), o precipitado formado é denominado de a) sulfato de bário b) clorato de potássio c) sulfeto de bário d) cloreto de potássio e) sulfito de bário 02. (Puc SP) Qual das soluções a seguir relacionadas fornece um precipitado, quando adicionada a uma solução de sulfato de sódio? a) HBr b) BaCl2 c) AgNO3 d) KI e) CsF

06. (UFGD MS) Para distinguir uma solução aquosa de ácido sulfúrico de outra de ácido clorídrico, basta adicionar a cada uma delas a) um pouco de solução aquosa de hidróxido de sódio. b) um pouco de solução aquosa de nitrato de bário. c) raspas de magnésio. d) uma porção de carbonato de sódio. e) gotas de fenolftaleína.

07. (Puc SP) Considere o sistema abaixo:

03. (Fesp PE) Dadas as reações: 1. Ba(OH)2 + Na2SO4 → BaSO4 + 2 NaOH 2. KBr + AgNO3 → AgBr + KNO3 3. 2NaC + H2SO4 → Na2SO4 + 2HC 4. Ca(OH)2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2 NaOH Indique quais formam precipitado: a) as reações 1, 2 e 4. b) as reações 2, 3 e 4. c) as reações 1, 3 e 4. d) todas as reações. e) apenas as reações 1 e 3.

C18  Reação de Formação de Precipitado

04. (Mackenzie SP) Dispondo-se de soluções aquosas de: (I) nitrato de sódio; (II) nitrato plumboso; (III) cloreto de potássio e (IV) nitrato de prata e sabendo-se que os cloretos de prata e plumboso são insolúveis em água, assinale a alternativa que contém um par de reagentes em que ocorra a reação com formação de precipitado. a) I com II. b) I com IV. c) I com III. d) II com IV. e) III com IV. 05. (Puc SP) De gosto desagradável (salobra) e não faz espuma quando colocada em contato com sabão. Essas são as duas características da água dura, água que contém sulfato de cálcio. Essa dureza pode ser eliminada pela adição de carbonato de sódio, formando-se um precipitado e um sal solúvel. O tipo de reação e as fórmulas dos produtos formados são, respectivamente: a) deslocamento; Ca(CO3)2 e NaSO4 b) dupla troca; CaCO3 e Na2SO4 c) síntese; CaC2 e Ma2S d) simples troca; Ca2CO3 e NaSO4 e) dupla troca; CaCO3 e NaSO3

266

Adicionando-se HC, observa-se, após a reação ter-se completado em A, o aparecimento de um precipitado branco em B. A substância sólida em A e a solução em B podem ser, respectivamente: Questão 08 a) Com a adição do iodeto irá a) NaC e KOH(aq); ocorrer a precipitação do Pb2+ na forma de b) Na2CO3 e Ba(OH)2(aq); PbI2, o qual poderá ser separado por uma filtração. A seguir, com a adição de sulfato, c) KNO3 e Ca(OH)2(aq); irá ocorrer a precipitação do irá, com a adid) KMnO4 e KOH(aq); ção de sulfato, bário na forma de BaSO4 que também poderá ser separado por filtração. e) K2CO3 e NaOH(aq).

08. (Unicamp SP) Uma solução contém cátions bário, Ba2+, chumbo, Pb2+ e sódio, Na+. Os cátions bário e chumbo formam sais insolúveis com ânions, sulfato, SO42-. Dentre esses cátions, apenas o chumbo forma sal insolúvel com o ânion iodeto, I-. a) Com base nessas informações, indique um procedimento para separar os três tipos de cátions presentes na solução. b) Escreva as equações das reações de precipitação envolvidas nessa separação. b) Pb2+(aq) + 2I-(aq) → PbI2(s) Ba2+(aq) + SO42-(aq) → BaSO4(s)

09. (Vunesp SP) Quando se adiciona uma solução aquosa de carbonato de sódio a uma solução aquosa de mesma concentração, em mol/L, de cloreto de bário, forma-se um precipitado branco. Adicionando-se ácido nítrico, ocorre a dissolução do precipitado. a) Escreva a equação química da reação de formação do precipitado, identificando-o. b) Escreva a equação química da reação de dissolução do precipitado. a) Na2CO3(aq) + BaCl2(aq) → 2 NaC(aq) + BaCO3(s)

b) BaCO3(s) + 2 HNO3(aq) → Ba(NO3)2(aq) + H2O() + CO2(g)

Ciências da Natureza e suas Tecnologias Questão 01 Ca2+ + Na2CO3 → CaCO3 + 2 Na+; Na água: CaO + H2O → Ca(OH)2; Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + Ca2+.

Questão 06 A solução de nitrato de prata, pois ocorre precipitação do cloreto de prata (AgC) resultando na impressão escura que vemos acima.

Reação: NaC(aq) + AgNO3(aq) → AgC (s) + NaNO3(aq)

Exercícios Complementares

02. (UFRJ) Na reação representada a seguir: Pb(NO3)2 + x Cl2 → PbCl2 + x (NO3)2 em que X representa um elemento químico, são consumidos 11,1 g de XCl2 para precipitar 27,8 g de cloreto de chumbo II a) Classifique essa reação. a) Dupla troca b) Qual o nome do composto XCl2? Justifique sua resposta. b) CaCl2 Cloreto de Cálcio

03. (Fuvest SP) Nitrato de bário pode ser preparado em meio aquoso, por meio das transformações químicas abaixo: etapa 1

BaC2 + Na2CO3 → BaCO3 + NaCl etapa 2

BaCO3 + HNO3 → Ba(NO3)2 + ....

Nas etapas 1 e 2, ocorrem, respectivamente, a) precipitação de carbonato de bário e desprendimento de dióxido de carbono. b) precipitação de carbonato de bário e desprendimento de hidrogênio. c) desprendimento de cloro e desprendimento de dióxido de carbono. d) desprendimento e dióxido de carbono e precipitação de nitrato de bário. e) desprendimento de cloro e neutralização do carbonato de bário.

04. (Puc RJ) De acordo com os símbolos e códigos da química, é possível identificar quais são os íons espectadores numa reação química em meio aquoso; ou seja, aqueles que não sofrem qualquer tipo de alteração no processo reacional.

Assim, na representação da reação química abaixo, 2AgNO3(aq) + K2CrO4(aq) → Ag2CrO4(s) + 2KNO3(aq) são íons espectadores as espécies: a) K+ e NO3– b) Ag+ e O2– c) K+ e CrO42– d) N5+ e O2– e) Ag+ e Cr6+ 05. (Unievangélica GO) A adição de cloro à água tem sido a principal forma de desinfecção praticada nas estações de tratamento e contribui para a redução da incidência de doenças de veiculação hídrica. Um método simples de verificação da presença do cloro na água consiste na adição de gotas de uma solução de nitrato de prata a uma amostra da água.

O resultado esperado com esse procedimento consiste em: a) mudança de cor. b) desprendimento de gás. c) formação de um precipitado. d) aumento da temperatura.

06. (UNESP SP) A imagem é a fotografia de uma impressão digital coletada na superfície de um pedaço de madeira. Para obtê-la, foi utilizada uma técnica baseada na reação entre o sal do suor (NaC), presente na impressão digital, com solução aquosa diluída de um reagente específico. Depois de secar em uma câmara escura, a madeira é exposta à luz solar.

Considere soluções aquosas diluídas de AgNO3 e de KNO3.

Indique qual delas produziria um registro fotográfico de impressão digital ao reagir com o sal do suor, nas condições descritas, e justifique sua resposta descrevendo as reações químicas envolvidas.

07. (Puc RJ) Quando ocorre uma reação química, é possível que, no meio aquoso, haja espécies químicas que não participam da reação sem sofrer qualquer alteração. Essas espécies são conhecidas como íons espectadores. Na reação, em meio aquoso, do acido sulfúrico com hidróxido de rubídio representada pela equação H2SO4(aq) + 2 RbOH(aq) → 2 H2O() + Rb2SO4(aq) ou pela equação 2H+(aq) + SO42– (aq) + 2Rb+(aq) + 2OH–(aq) → 2H2O() + 2 Rb+(aq) + SO42–(aq) os íons espectadores são: a) H+ e OH– b) SO42– e H+ c) SO42– e OH– d) Rb+ e SO42– e) Rb+ e OH– 08. (Enem Mec) A formação frequente de grandes volumes de pirita (FeS2) em uma variedade de depósitos minerais favorece a formação de soluções ácidas ferruginosas, conhecidas como “drenagem ácida de minas”. Esse fenômeno tem sido bastante pesquisado pelos cientistas e representa uma grande preocupação entre os impactos da mineração no ambiente. Em contato com oxigênio, a 25 °C, a pirita sofre reação, de acordo com a equação química: 4 FeS2(s) + 15 O2(g) + 2 H2O(l) → 2 Fe2(SO4)3 (aq) + 2 H2SO4 (aq) FIGUEIREDO. B. R. Minérios e Ambientes. Campinas. Unicamp. 2000.

Para corrigir os problemas ambientais causados por essa drenagem, a substância mais recomendada a ser adicionada ao meio é o: a) sulfeto de sódio. b) cloreto de amônio. c) dióxido de enxofre. d) dióxido de carbono. e) carbonato de cálcio

267

C18  Reação de Formação de Precipitado

01. (UFMT) A dureza da água, causada pela presença de íons Ca2+ e Mg2+, é removida pelo tratamento com carbonato de sódio e óxido de cálcio que precipitam o carbonato de cálcio e o hidróxido de magnésio. Escreva as duas equações balanceadas que representam os processos citados,

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C19

ASSUNTOS ABORDADOS nn Reação de dupla troca com libe-

ração de gás

nn Reações de dupla troca entre ácido e sal nn Reações de dupla troca entre base e sal

REAÇÃO DE DUPLA TROCA COM LIBERAÇÃO DE GÁS É bastante comum o uso de substâncias denominadas fermentos químicos no preparo de alimentos. Quando adicionados à massa e submetidos à temperatura ideal, diversas reações químicas ocorrem no fermento, liberando substâncias gasosas que produzem pequenos buracos no interior da massa, tornando-a macia. A formação de substâncias gasosas é uma boa evidência da ocorrência de reações químicas.

Mas o que é fermento químico?

De maneira simples, podemos dizer que os fermentos químicos mais comuns são misturas de substâncias à base de bicarbonatos, que, por influência do calor e/ou umidade, produzem desprendimento gasoso.

Por exemplo, considere um fermento à base de bicarbonato de sódio (NaHCO3), um sólido branco; considere, também, o ácido muriático, uma solução aquosa de ácido clorídrico (HC). Ao colocar o ácido clorídrico em contato com o bicarbonato de sódio, temos:

Fonte: pixabay/Jill Wellington

HC(aq) + NaHCO3(s) → NaC(aq) + H2O() + CO2(g) A produção do CO2(g) pode ser observada pela formação de bolhas, uma boa evidência de que a reação química se processou.

A formação de substâncias gasosas é uma das evidências de que houve reação de dupla troca entre um sal e um ácido. Contudo, não é a única evidência. De maneira geral, podemos dizer que há reação entre um sal e um ácido de Arrhenius quando forem formados: nn Substâncias

268

gasosas ou voláteis (representadas por ↑);

nn Um

precipitado (sal insolúvel; ver tabela de solubilidade dos sais);

nn Um

ácido mais fraco (menor grau de ionização em relação ao ácido inicial).

Figura 01 - Em 1830, padeiros começaram a adicionar bicarbonato de sódio e leite azedo a massas. O ácido lático do leite reage com o bicarbonato produzindo dióxido de carbono. Isso marcou um avanço significativo para padeiros na aplicação em bolos, biscoitos e pães rápidos. O método, porém, não era confiável, pois a acidez do leite azedo era variável.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Fortes – apresentam grau de ionização superior a 50%; Exemplos: H2SO4, HCO4, HCO3, HI, HBr, HC, HNO3 ,etc

Grau de ionização de ácidos

Moderados – apresentam grau de ionização (a) entre 5% e 50%; Exemplos: HF, HCN, H2SO3, H3PO4 Fracos – apresentam grau de ionização inferior a 5%; Exemplos: H2CO3, HCN, HCO, H3BO3

O grau de ionização é calculado como sendo a relação entre a quantidade de moléculas ionizáveis e a quantidade de moléculas inicialmente dissolvidas. a=

moléculas ionizadas moléculas dissolvidas

Reações de dupla troca entre ácido e sal A seguir, temos exemplos de reações de dupla troca entre ácidos e sais. Nesse tipo de reação, serão formados um ácido e um sal. As evidências de que houve reação são a formação de um precipitado (sal insolúvel) e/ou a formação de um gás (ácido volátil). No caso do ácido carbônico (H2CO3), devemos lembrar de que se trata de um ácido instável, ou seja, ao ser formado, decompõe-se em H2O e CO2.

No primeiro exemplo, utilizaremos o ácido sulfúrico (H2SO4) e o nitrato de sódio (NaNO3). A reação se processa em meio aquoso e seus produtos são o sulfato de sódio (Na2SO4), um sal solúvel, e o ácido nítrico (HNO3). A evidência de que houve reação decorre da volatilidade do ácido nítrico. Na reação abaixo, a volatilidade do ácido nítrico está indicada pela presença da seta voltada para cima (↑).

A volatilidade também pode ser representada pelo símbolo de estado gasoso (g) H2SO4(aq) + 2 NaNO3(aq) → Na2SO4(aq) + 2 HNO3(aq)↑ Como segundo exemplo, utilizaremos o ácido clorídrico (HC) e cianeto de sódio (NaCN). A reação se processa e a evidência de que ela ocorreu se dá pela liberação do gás HCN. Além do cianeto de hidrogênio (HCN), o cloreto de sódio (NaC) também é produzido na reação.

HC(aq) + NaCN(aq) → NaC(aq) + HCN(g)↑

Para o terceiro exemplo de reação de dupla troca entre ácido e sal, vamos utilizar o ácido sulfúrico (H2SO4) e o nitrato de bário (Ba(NO3)2). Em meio aquoso, eles reagem formando um sal e um ácido. O sal formado é o sulfato de bário (BaSO4), um sólido. Portanto, temos a primeira evidência de que a reação ocorre, pois houve formação de precipitado.

Por outro lado, o ácido nítrico (HNO3) formado na reação também pode ser utilizado como evidência de que a reação ocorreu. Isso porque o HNO3 é um ácido volátil.

H2SO4(aq) + Ba(NO3)2 (aq) → BaSO4(s) + 2 HNO3(aq)↑ Finalizando nossos exemplos de reações de dupla troca entre ácido e sal, vamos utilizar o ácido carbônico (H2CO3) e o clorato de cálcio (Ca(CO3)2). A evidência de que a reação se processou está na formação do carbonato de cálcio sólido (CaCO3), ou seja, houve formação de um precipitado.

H2CO3(aq) + Ca(ClO3)2 (aq) → CaCO3(s) + 2 HClO3(aq)

Reações de dupla troca entre base e sal A seguir, temos exemplos de reações de dupla troca entre uma base de Arrhenius e um sal. Nesse tipo de reação, serão formados uma base e um sal. As evidências de que houve reação são a formação de um precipitado (sal insolúvel) e/ou a formação de uma base insolúvel ou mais fraca que a base reagente. Se houver formação de hidróxido de amônio (NH4OH), haverá decomposição deste em amônia (NH3) e água (H2O).

Formação de uma base insolúvel No primeiro exemplo, utilizaremos a base hidróxido de sódio (NaOH) e o sal nitrato ferroso ((Fe(NO3)2). A reação se processa em meio aquoso e seus produtos são o nitrato de sódio (NaNO3), um sal solúvel e a base hidróxido de ferro(II) ou hidróxido ferroso ((Fe(OH)2). A evidência de que houve reação decorre da insolubilidade da base, ou seja, o Fe(OH)2 é insolúvel.

2 NaOH(aq) + Fe(NO3)2(aq) → 2 NaNO3(aq) + Fe(OH)2(s) Formação de substância gasosa Como segundo exemplo, o hidróxido de potássio (KOH) e cloreto de amônio (NH4C). A reação se processa e a evidência de que ela ocorreu se dá pela liberação de gás (NH3).

A formação de gás NH3 decorre da decomposição da base produzida, o hidróxido de amônio.

KOH(aq) + NH4C(aq) → KC (aq) + NH4OH(aq) decomposição NH4OH(aq)  → H2O() + NH3(g)

269

C19  Reação de Dupla Troca com Liberação de Gás

Assim, a partir de agora, é necessário utilizar, além da tabela de solubilidade dos sais em água, nosso principal solvente, a relação de ionização dos principais ácidos.

Química

Exercícios de Fixação 01. (Udesc SC) Assinale a alternativa que representa o gás liberado da reação entre ácido clorídrico e carbonato de sódio. a) O2 c) CO2 e) NaCl b) Cl2 d) H2 02. (Fatec SP) Uma transformação química evidenciada pela formação de precipitado ocorre quando são misturados a) comprimido efervescente e água. b) vinagre e bicarbonato de sódio. c) gás carbônico e água de cal. d) água oxigenada e sangue. e) álcool comum e água.

03. (Mackenzie SP) Ao elaborar um resumo sobre a ocorrência das reações químicas de dupla troca, um estudante afirmou que essas reações somente ocorrem se: I. reagentes solúveis formarem pelo menos um produto insolúvel; II. reagentes voláteis formarem pelo menos um produto não volátil; III. reagentes muito dissociados/ionizados formarem pelo menos um produto menos dissociado/ionizado.

De acordo com as informações acima, a única reação química de dupla troca que não ocorrera é a) AgNO3 + NaC → NaNO3 + AgC b) H2SO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + H2CO3 c) HC + Na(CH3COO) → NaC + CH3COOH d) KNO3 + NaC → NaNO3 + KC e) H2SO4 + 2 KCN → K2SO4 + 2 HCN

C19  Reação de Dupla Troca com Liberação de Gás

04. (Univag MT) O carbonato de lítio, Li2CO3, é empregado na produção de fármacos indicados para o tratamento de transtornos bipolares.

Uma amostra dessa substância, quando em contato com o reagente X, produz efervescência.

O reagente X é o a) cloreto de potássio. d) ácido clorídrico. b) magnésio metálico. e) carbonato de sódio. c) cloreto de cálcio.

05. (Udesc SC) O uso do calcário é importante para a correção da acidez do solo. Assinale a alternativa que representa a reação de neutralização da acidez do solo pelo calcário. a) CaCO3 (s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + H2O() + CO2 (g) b) CaCO3 (s) + H+(aq) → Ca2+(aq) + H2O() + CO2 (g) c) CaCO3 (s) + OH-(aq) → Ca(OH)2 + CO2 (g) d) CaCO3 (s) + 2 OH-(aq) → Ca(OH)2 + CO2 (g) e) CaCO3 (s) + 2 H+(aq) → CaO(s) + H2O() + CO2 (g) 06. (Unesp SP) Um sistema montado com um funil de adição (A), um kitassato (B) e um béquer (C), este último contendo, inicialmente, apenas água destilada, pode ser utilizado para a produção de uma substância de uso muito comum em laboratórios e em indústrias químicas.

270

Assinale a alternativa que estabelece a correta correspondência entre os equipamentos e as substâncias neles presentes durante o processo.

Funil de adição

Kitassato

Béquer

a)

H2SO4(aq)

NaC (s)

HC (aq)

b)

HC (aq)

Na2SO4(s)

H2SO4(aq)

c)

NaC (aq)

AgNO3(s)

AgC(aq)

d)

Na2CO3(aq)

CaC2(s)

CaCO3(aq)

e)

HC (aq)

FeS(s)

FeC3(aq)

07. (Fuvest SP) A aparelhagem esquematizada na figura abaixo pode ser utilizada para identificar gases ou vapores produzidos em transformações químicas. No frasco 1, cristais azuis de CoCl2 anidro adquirem coloração rosa em contato com vapor d’água. No frasco 2, a solução aquosa saturada de Ca(OH)2 turva-se em contato com CO2(g).

Utilizando essa aparelhagem em três experimentos distintos, um estudante de Química investigou os produtos obtidos em três diferentes processos: I. aquecimento de CaCO3 puro; II. combustão de uma vela; III. reação de raspas de Mg (s) com HC(aq).

O aparecimento de coloração rosa nos cristais de CoCl2 anidro e a turvação da solução aquosa de Ca(OH)2 foram observados, simultaneamente, em a) I, apenas. d) I e III, apenas. b) II, apenas. e) I, II e III. c) III, apenas.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (UFG GO) Analise as equações químicas a seguir, que ocorrem em meio aquoso.

HC (A) + AgNO3 (B) → AgC (C) + H+(aq) + NO3-(aq) NaHCO3 (D) + HC(aq) → Na+(aq) + H2O() + CO2 (E) Os compostos, cujos estados de agregação estão representados pelas letras A, B, C, D e E, são, respectivamente, a) um eletrólito forte, um composto solúvel, um composto insolúvel, um sólido iônico e um gás. b) um eletrólito fraco, um composto solúvel, um sólido iônico, um gás e um composto insolúvel. c) um eletrólito forte, um composto insolúvel, um composto insolúvel, um sólido iônico e um gás. d) um eletrólito fraco, um composto insolúvel, um sólido iônico, um composto solúvel e um gás. e) um eletrólito fraco, um composto insolúvel, um composto solúvel, um sólido iônico e um gás.

03. (FMABC SP) O gás carbônico ou dióxido de carbono (CO2) é gerado na combustão dos combustíveis fósseis e dos biocombustíveis. O gás carbônico é um óxido ácido, pois sua reação com a água gera uma solução de pH <7.

O gás sulfídrico (H2S) é muito tóxico e apresenta um odor muito forte e desagradável, sendo o principal responsável pelo cheiro do ovo podre. O gás sulfídrico é classificado como ácido fraco e volátil.

Assinale a alternativa que somente apresenta reações adequadas para obtenção desses gases em laboratório. a) Reação de carbonato de sódio e solução aquosa de ácido sulfúrico e reação entre o sulfeto de potássio e solução aquosa de ácido clorídrico. b) Reação de carbonato de sódio e solução aquosa de ácido sulfúrico e reação entre o sulfeto de potássio e solução aquosa de hidróxido de sódio. c) Reação de carbonato de sódio e solução aquosa de hidróxido de potássio e reação entre o sulfeto de potássio e solução aquosa de ácido clorídrico. d) Reação de carbonato de sódio e solução aquosa de hidróxido de potássio e reação entre sulfato de sódio e solução aquosa de ácido sulfúrico. e) Decomposição do carbonato de cálcio e reação entre sulfato de sódio e solução aquosa de ácido clorídrico.

04. (Enem Mec) Os tubos de PVC, material organoclorado sintético, são normalmente utilizados como encanamento na construção civil. Ao final da sua vida útil, uma das formas de descarte desses tubos pode ser a incineração. Nesse processo, libera-se HC(g), cloreto de hidrogênio, dentre outras substâncias. Assim, é necessário um tratamento para evitar o problema da emissão desse poluente.

Entre as alternativas possíveis para o tratamento, é apropriado canalizar e borbulhar os gases provenientes da incineração em a) água dura. d) água destilada. b) água de cal. e) água desmineralizada. c) água salobra.

05. (UFPR) Muitas reações químicas podem ser evidenciadas por uma observação experimental a olho nu. A respeito disso, numere a coluna da direita, relacionando as situações em que são misturadas espécies químicas com as respectivas reações químicas.

1. Carbonato de cálcio (CaCO3) sólido e solução concentrada de ácido clorídrico (HC).

2. Solução concentrada de ácido sulfúrico (H2SO4) e solução concentrada de hidróxido de bário (Ba(OH)2).

3. Magnésio (Mg) metálico e oxigênio (O2) gasoso.

4. Solução concentrada de ácido nítrico (HNO3) e raspas finas de cobre (Cu) metálico.

5. Solução diluída de ácido clorídrico (HC) e solução diluída de hidróxido de potássio (KOH). ( ) Reação evidenciada pela mudança de cor do meio. ( ) Reação evidenciada por uma efervescência devida à liberação de gás incolor e inodoro. ( ) Reação evidenciada pela precipitação de um sólido branco. ( ) Reação não evidenciada a olho nu, pois não há alteração na cor ou estado físico na mistura. ( ) Reação evidenciada pela emissão de luz.

Assinale a alternativa que apresenta a numeração correta da coluna da direita, de cima para baixo. a) 5 – 1 – 2 – 3 – 4. d) 4 – 3 – 5 – 1 – 2. b) 4 – 1 – 2 – 5 – 3. e) 2 – 1 – 4 – 5 – 3. c) 5 – 3 – 2 – 4 – 1.

06. (Unisc RS) A partir dos reagentes dispostos na coluna da esquerda relacione-os com os fenômenos descritos na coluna da direita.

(1) Mg(s) + H2SO4 (2) CH3COONa(s) + H2O (3) NaC (s) + NaOH (4) NaC + AgNO3 ( ( ( (

) formação de precipitado ) liberação de gás ) o pH da solução torna-se alcalino ) não há formação de novos compostos

271

C19  Reação de Dupla Troca com Liberação de Gás

01. (UEM PR) A reação de neutralização do ácido perclórico com bicarbonato de sódio e seus produtos pode ser representada pela equação química a) HClO4 + NaHCO3  → NaClO4 + H2O + CO2. b) HClO3 + NaHCO3  → NaClO3 + H2O + CO2. c) 2HClO4 + Na2CO3  → 2NaClO4 + H2O + CO2. d) 2HClO3 + Na2CO3  → 2NaClO3 + H2O + CO2. e) HClO2 + NaHCO3  → NaClO2 + H2O + CO2.

Química

A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é a) 1 – 2 – 3 – 4. d) 4 – 2 – 1 – 3. b) 4 – 3 – 2 – 1. e) 2 – 1 – 3 – 4. c) 4 – 1 – 2 – 3.

07. (UECE) O desconforto estomacal pode ser ocasionado por alimentação incorreta que estimula o estômago a produzir mais ácido clorídrico para auxiliar na digestão, ou ainda por ansiedade e nervosismo. Essas duas situações ocasionam o desequilíbrio de acidez estomacal que pode ser minimizada com o uso de antiácidos. O bicarbonato de sódio age no estômago de acordo com a reação: NaHCO3 + HC → NaC + H2O + CO2.

C19  Reação de Dupla Troca com Liberação de Gás

Sobre o suco gástrico e antiácidos estomacais, assinale o correto. a) O bicarbonato de sódio pode ser usado como antiácido, mas quando em excesso pode causar desconforto devido à grande produção de cloreto de sódio e água. b) Na reação acima, o bicarbonato de sódio funciona como uma base neutralizando o ácido clorídrico. c) Qualquer hidróxido pode ser usado para neutralizar a ação do ácido clorídrico. d) O bicarbonato de sódio é classificado como um sal básico, de pOH elevado, utilizado para neutralizar o pH do HC do estômago que varia de 0,9 a 2,0.

08. (UFOP MG) Considere as seguintes reações ácido-base, incompletas e não balanceadas: H2S + Cu(OH)2  → HClO3 + NH4OH  → HNO2 + KOH  → H2SO4 + Cd(OH)2  → Os nomes dos sais formados em cada reação, na ordem apresentada, são: a) sulfato de cobre (II), cloreto de amônio, nitrato de potássio, sulfito de cádmio (II). b) sulfeto de cobre (II), clorato de amônio, nitrito de potássio, sulfato de cádmio (II). c) sulfito de cobre (II), perclorato de amônio, nitreto de potássio, sulfeto de cádmio (II). d) sulfeto de cobre (II), clorito de amônio, nitreto de potássio, sulfato de cádmio (II).

09. (Udesc SC) O uso de água com altos teores de íons Ca , HCO e CO32– em caldeiras, nas indústrias, pode gerar incrustações nas tubulações, devido à formação do carbonato de cálcio, CaCO3. A remoção das incrustações é realizada com ácido clorídrico, HC.

Os produtos resultantes da reação do CaCO3 com o HC são: a) CaCl2, CO2 e H2O b) CaHCO3, CO2 e H2O c) CaCl2 e CO2 d) NaC2, CO2 e H2O e) CaO, CO2 e H2O 2+

272

– 3

Questão 11 2 NaOH (aq) + MgSO4 (aq) → Mg(OH)2 (s) + Na2SO4 (aq) A mesma imagem pode ser usada, pois o Mg(OH)2 é uma base insolúvel e também forma um precipitado (ppt) branco.

10. (UEG GO) Alguns países adotam a pena de morte. Uma das formas de execução ocorre com a utilização de câmaras de gás e se dá pela produção de HCN. 2 NaCN(s) + H2SO4 () → Na2SO4 () + 2 HCN (g) 1

2

3

4

Sobre a reação representada acima, que demonstra o processo de produção do HCN, é CORRETO afirmar: a) As substâncias 1, 2, 3 e 4 são, respectivamente, cianato de sódio, ácido sulfúrico, sulfato de sódio e cianato de hidrogênio. b) Há na estrutura da substância 4 a presença de uma ligação sigma e três ligações pi. c) O HCN é um ácido volátil e, por isso, ao aspirá-lo, o indivíduo fica inconsciente, vindo a óbito em poucos minutos. d) Reagindo-se a substância 2 com o NaC, obtém-se um sal básico.

11. (Unesp SP) A imagem mostra uma transformação química que ocorre com formação de precipitado. Foram adicionadas a uma solução de íons (Ba2+), contida em um tubo de ensaio, gotas de uma solução que contém íons sulfato (SO42-).

Escreva a equação completa dessa transformação química quando o cloreto de bário e o sulfato de magnésio, devidamente dissolvidos em água, são colocados em contato, e explique se a mesma imagem pode ser utilizada para ilustrar a transformação que ocorre se a solução de cloreto de bário for substituída por NaOH (aq).

12. (Fuvest SP) Uma jovem estudante quis demonstrar para sua mãe o que é uma reação química. Para tanto, preparou, em cinco copos, as seguintes soluções:

Copo

Solução

1

vinagre

2

sal de cozinha + água

3

fermento químico (NaHCO3) + água

4

açúcar + água

5

suco de limão

Em seguida, começou a fazer misturas aleatórias de amostras das soluções contidas nos copos, juntando duas amostras diferentes a cada vez. Qual é a probabilidade de que ocorra uma reação química ao misturar amostras dos conteúdos de dois dos cinco copos? a) 1/10 c) 1/5 e) 1/2 b) 1/8 d) 1/3

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C20

REATIVIDADE DOS METAIS

ASSUNTOS ABORDADOS

Aspectos históricos

nn Reatividade dos metais

A Idade dos Metais iniciou-se há cerca de 8000 a.C. e foi um período que mudou radicalmente a civilização, colocando fim ao que chamamos de Idade da Pedra. A Idade dos Metais começou com a exploração do cobre, o primeiro metal a ser transformado pelo ser humano. Porém, logo se descobriu que o estanho adicionado ao cobre originava uma liga metálica mais tenaz e duradoura, o bronze (Sn-Cu). Essa liga metálica foi usada extensivamente para fazer ferramentas e armas na Ásia e África desde 4500 a.C. e na Europa Ocidental desde 2000 a.C.

nn Aspectos históricos nn Reatividade dos metais nn Reagem violentamente com água líquida. nn Reagem com água vapor. nn Não reagem com água.

A justificativa para o uso inicial dos minérios à base de cobre e estanho recai na facilidade de obtenção desses materias. E isso deve ter acontecido acidentalmente, pois cobre (Cu) e estanho (Sn) reagem facilmente com carbono (carvão) quando aquecidos.

Como as pessoas faziam fogueiras com madeiras em locais onde havia esses minérios, possivelmente, da reação do carbono presente na madeira com os minerais presentes no solo, houve a produção do bronze.

A Idade do Ferro começou na Ásia e África em 1100 a.C. e chegou à Europa em 500 a.C. Rapidamente se descobriu que era possível endurecer o ferro aquecendo-o em contato com o carvão e mergulhando-o ainda quente em água: o aço fez assim a sua primeira aparição. Atualmente, não se pode falar de aço como um único material, já que existem várias ligas de ferro e carbono com uma grande variedade de outras substâncias incorporadas.

Fonte: wikipedia / H005

Fonte: wikipedia / [show]Viktor Vasnetsov (1848–1926)

Depois da Idade do Bronze veio a Idade do Ferro. O homem descobriu que o carvão aquecido a altas temperaturas podia ser usado para a extração do ferro do seu minério.

Hoje, a extração do ferro é feita num alto-forno.

Figura 01 - À esquerda, vemos a confecção de ferramentas pelo homem na Idade dos Metais. À direita, vemos a obtenção do ferro pelo processo de ustulação.

273

Química

O alumínio tem sido extraído em larga escala desde 1870, 3 000 anos depois da descoberta do ferro e cerca de 6 000 anos depois da descoberta do bronze. Para os metais comuns, em geral, quanto maior for a reatividade do metal, mais difícil é sua extração, por isso o alumínio foi descoberto mais tarde.

O ouro e a prata, metais pouco reativos (metais nobres), foram encontrados na sua forma nativa e utilizados em joalharia e cunhagem de moeda, além, é claro, de terem uso relacionado ao seu status simbólico relevante. Esses metais eram conhecidos na Idade da Pedra, mas o ouro e a prata são demasiadamente macios para serem usados como ferramentas.

Os metais foram assim progressivamente extraídos da crosta terrestre, transformados e utilizados, e hoje é impossível pensar na vida quotidiana sem metais, quer sejam aproveitados na sua forma pura, em ligas ou na constituição de sais. De acordo com as propriedades de cada um desses materiais, os seus usos são incomensuráveis e, portanto, são empregados na áreas mais diversificadas: na condução de corrente elétrica, em joalharia, no fabrico de utensílios domésticos, de armas, na aeronáutica, na construção civil, como supercondutores, em computadores e na comunicação, nos transportes, em células fotoelétricas, em aplicações biomédicas e cirúrgicas.

Reatividade dos metais Até o momento, citamos os metais cobre (Cu), estanho (Sn), ferro (Fe), alumínio (A), ouro (Au) e prata (Ag). Contudo esses não são os únicos. Ainda podemos citar os metais alcalinos, alcalinoterrosos e outros.

Mas de que forma esses metais reagem?

Os metais potássio (K), sódio (Na), lítio (Li), cálcio (Ca) e magnésio (Mg) reagem violentamente com o oxigênio quando expostos ao ar atmosférico. Do potássio ao magnésio a reatividade diminui, ou seja, o potássio é o metal mais reativo de todos. Em termos de representação química, podemos escrever: Reações de metais com o oxigênio 4 K(s) + O2(g) → 2 K2O(s) 2 Ca(s) + O2 (g) → 2 CaO(s) 4 Na(s) + O2 (g) → 2 Na2O(s) 2 Mg(s) + O2 (g) → 2 MgO(s)

C20  Reatividade dos Metais

Metais como o alumínio (A), manganês (Mn), zinco (Zn), ferro (Fe), cobre (Cu), e outros, também reagem com o oxigênio do ar e formam o óxido metálico.

274

Al

Mn

Zn

Cr

Fe

Alumínio

Manganês

Zinco

Cromo

Ferro

Co

Ni

Sn

Pb

Cobalto

Níquel

Estanho

Chumbo

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O alumínio reage rapidamente e forma uma camada superficial de óxido de alumínio. Essa camada impede a progressão da oxidação para as camadas interiores. A velocidade da reação diminui ao longo da série reativa (do A para o Pb), mas não ocorre o efeito protetor da camada de óxido.

O ferro reage lentamente à temperatura ambiente, e mais rapidamente se for aquecido. Os metais posteriores ao ferro (Co, Ni, Sn e Pb) reagem com o oxigênio quando aquecidos ao ar. A prata, ouro e platina não reagem com o oxigênio do ar.

Em termos de representação, temos

Não reagem com água Os metais estanho, chumbo, cobre, prata, ouro e platina não reagem com a água líquida e nem com água no estado de vapor.

Ag(s) + H2O()  → não reage Ag(s) + H2O(v)  → não reage Au(s) + H2O(v)  → não reage Com ácidos diluídos

4 A(s) + 3 O2(g)  → 2 A2O3(s)

O potássio, sódio, lítio e cálcio reagem violentamente em soluções aquosas de ácidos diluídos, tais como ácido sulfúrico e clorídrico. É perigoso colocar esses metais em ácido. A reação é similar à reação com a água.

2 Zn(s) + O2(g)  → 2 ZnO(s) 2 Pb(s) + O2(g)  → 2 PbO(s) ∆

K(s) + HC(aq)  → KC(aq) +

Reações com água Alguns metais como o potássio, sódio, lítio e cálcio reagem violentamente com água, formando hidróxidos metálicos e gás hidrogênio (H2). Já os metais como o magnésio, alumínio, manganês, zinco, cromo e o ferro reagem com água na forma de vapor, mas não como água líquida. Nessa reação, forma-se óxido de metal e hidrogênio gasoso. O estanho, chumbo, cobre, prata, ouro e platina não reagem com água líquida ou vapor de água.

Reagem violentamente com água líquida Os metais potássio, sódio, lítio e cálcio reagem violentamente com a água líquida formando base de Arrhenius e gás hidrogênio.

K(s) + H2O()  → KOH(aq) +

1 2

Na(s) + H2O()  → NaOH(aq) +

H2(g) 1 2

H2 (g)

Ca(s) + 2 H2O()  → Ca(OH)2(aq) + H2 (g) Reagem com água vapor Os metais magnésio, alumínio, manganês, zinco, cromo e ferro reagem com a água vapor formando base de Arrhenius e gás hidrogênio.

Mg(s) + H2O(v)  → MgO(s) + H2(g)

1 2

H2(g) 1 2

Na(s) + HC(aq)  → NaC(aq) + Li(s) + HC(aq)  → LiC(aq) +

1 2

H2(g)

H2(g)

Ca(s) + 2 HC(aq)  → CaC2(aq) + H2 (g) Já o magnésio, alumínio, zinco, ferro, estanho e chumbo reagem com ácidos diluídos, porém de forma branda. O magnésio é o mais rápido e o chumbo é o mais lento dos seis.

A reação do zinco com íons H+ em solução aquosa ácida é frequentemente usada para produzir uma pequena porção de hidrogênio no laboratório. A reação é lenta à temperatura ambiente, mas a velocidade pode ser aumentada por adição de um pouco de sulfato de cúprico (CuSO4). O cobre na forma de cátion atua como catalisador da reação.

O estudo da catálise será visto em capítulo posterior. Os metais abaixo do hidrogênio (cobre, prata, ouro e platina) não reagem com o ácido diluído.

Mg(s) + 2 HC(aq)  → MgC2(aq) + H2(g) Cu(s) + 2 HC(aq)  → não reage Ag(s) + 3 HC(aq)  → não reage

2A(s) + 3H2O(v)  → Al2O3(s) + 3 H2(g)

Au(s) + 2 HC(aq)  → não reage

Fe(s) + H2O(v)  → FeO(s) + H2 (g)

Pt(s) + 2 HC(aq)  → não reage

De maneira geral, podemos dizer que a reatividade dos metais decresce na seguinte ordem Metais alcalinos

<

Alcalinos terrosos

<

A < Mn < Zn < Cr < Fe < Co < Ni < Sn < Pb

<

< Cu < Ag < Au < Pt

275

C20  Reatividade dos Metais

2 Zn(s) + O2(g)  → 2 ZnO(s)

Química

Exercícios de Fixação 01. (Puc RJ) Sobre a reação: Zn(s) + 2HC(aq) → ZnC2(aq) + H2(g), assinale a alternativa correta. a) O zinco sofre redução. b) O cátion H+(aq) sofre oxidação. c) O zinco doa elétrons para o cátion H+(aq). d) O zinco recebe elétrons formando o cátion Zn2+(aq). e) O íon cloreto se reduz formando ZnC2(aq).

02. (Uespi PI) De acordo com a ordem de reatividade, assinale a alternativa na qual a reação não ocorre. a) Zn + 2 HC → H2 + ZnC2 b) Fe + 2 HC → H2 + FeC2 c) Mg + H2SO4 → H2 + MgSO4 3 d) Au + 3 HC → H2 + AuC3 2 e) Zn + 2 AgNO3 → 2 Ag + Zn(NO3)2 03. (Fuvest SP) Quando começaram a ser produzidos em larga escala, em meados do século XX, objetos de plástico eram considerados substitutos de qualidade inferior para objetos feitos de outros materiais. Com o tempo, essa concepção mudou bastante. Por exemplo, canecas eram feitas de folha de flandres, uma liga metálica, mas, hoje, também são feitas de louça ou de plástico. Esses materiais podem apresentar vantagens e desvantagens para sua utilização em canecas, como as listadas a seguir: I. ter boa resistência a impactos, mas não poder ser levado diretamente ao fogo; II. poder ser levado diretamente ao fogo, mas estar sujeito a corrosão; III. apresentar pouca reatividade química, mas ter pouca resistência a impactos.

C20  Reatividade dos Metais

Os materiais utilizados na confecção de canecas os quais apresentam as propriedades I, II e III são, respectivamente, a) metal, plástico, louça. b) metal, louça, plástico. c) louça, metal, plástico. d) plástico, louça, metal. e) plástico, metal, louça.

04. (Udesc SC) Analise a série de reatividade dos metais abaixo.

a) Fe(s) + Ca(NO3)2(aq) → b) Ni(s) + 2 KC(aq) → c) Mg(s) + CuSO4(aq) → d) 2Ag(s) + NiSO4(aq) → e) Cu(s) + ZnSO4(aq) → 05. (Unioeste PR) Na recuperação de contatos de cobre banhados a ouro, um procedimento viável para isolar ambos os metais seria a) fusão e filtração a quente. b) ataque com hidróxido de sódio, neutralização e filtração. c) fusão, reação com zinco a quente, resfriamento e filtração. d) ataque com ácido nítrico concentrado, reação com zinco metálico e filtração. e) ataque com ácido nítrico concentrado, filtração e reação com zinco metálico.

06. (Unir RO) Considere o seguinte experimento: Em um tubo de ensaio contendo certa quantidade de zinco em pó, colocou-se uma quantidade suficiente de solução aquosa de sulfato de cobre II. Na sequência, o tubo foi agitado.

Depois de certo tempo de repouso, o que é possível observar? a) O sistema libera gás e torna-se incolor. b) O sistema absorve energia deixando o tubo congelado. c) O zinco em pó volta a se depositar no fundo do tubo. d) Deposita-se cobre metálico no fundo do tubo e a solução torna-se incolor. e) Não ocorre qualquer reação química e o sistema permanece inalterado.

07. (Puc RS) Adicionou-se uma porção de magnésio a uma solução de ácido clorídrico em um frasco de erlenmeyer. Na boca do frasco adaptou-se um balão de borracha bastante flexível.

Após algum tempo, o balão encheu-se de gás. O balão ascendeu após ter sua ponta amarrada e ser solto no ar. Ao se aproximar dele um palito de fósforo aceso, o balão explodiu.

Com base nessas informações, é correto afirmar que: a) O gás formado na primeira reação é o óxido de magnésio. b) O produto gasoso formado na reação de combustão é mais denso que o ar, em idênticas condições. c) A reação da combustão do gás é representada por H2(g) + 12 O2(g) → H2O(g).

d) Na reação com o ácido, o metal sofre redução do seu estado de oxidação.

Assinale a alternativa que contém a reação que irá ocorrer espontaneamente.

276

e) A necessidade da chama indica que a reação de combustão não é espontânea.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (Cefet PR) O alumínio se dissolve em ácido clorídrico aquoso, mas não em ácido nítrico. O ácido nítrico é um poderoso oxidante e fonte de oxigênio, de modo que oxida rapidamente a superfície do alumínio, formando uma película que protege o metal contra ataque ácido. A proteção é tão eficiente que o ácido nítrico pode ser transportado em veículos com tanque de alumínio.

Indique a alternativa que apresenta a equação equilibrada do alumínio com ácido clorídrico. a) 3 HC(aq) + A(s) → AC3(aq) + H2O() b) 3 HC(aq) + A(s) → AC3(aq) + 3 H2(g) c) 6 HC(aq) + 2 A(s) → 2 AC3(aq) + 3 H2(g) d) 6 HC(aq) + 2 A(s) → 2 AC3(aq) + H2O() e) 6 HC(aq) + A2O3(s) → 2 AC3(aq) + 3 H2O() 03. (FGV SP) A soma dos coeficientes estequiométricos da equação balanceada da reação que ocorre na dissolução do Mg com HC é igual a a) 5. c) 8. e) 10. b) 7. d) 9.

04. (UFTM MG) Uma lâmina de zinco desgasta-se, com efervescência, se for mergulhada em uma solução aquosa 1,0 mol/L a 25 °C de a) NaC. d) CuSO4. b) HC. e) NH4CH3COO. c) KNO3.

05. (UFMG) Num laboratório, foram feitos testes para avaliar a reatividade de três metais • cobre, Cu, • magnésio, Mg, • zinco, Zn. Para tanto, cada um desses metais foi mergulhado em três soluções diferentes  uma de nitrato de cobre, Cu(NO3)2, uma de nitrato de magnésio, Mg(NO3)2, e uma de nitrato de zinco, Zn(NO3)2.

Neste quadro, estão resumidas as observações feitas ao longo dos testes: Metais

Cu

Mg

Zn

Cu(NO3)2

Não reage

Reage

Reage

Mg(NO3)2

Não reage

Não reage

Não reage

Zn(NO3)2

Não reage

Reage

Não reage

Soluções

Considerando-se essas informações, é correto afirmar que a disposição dos três metais testados, segundo a ordem crescente de reatividade de cada um deles, é a) Cu / Mg / Zn. c) Mg / Zn / Cu. b) Cu / Zn / Mg. d) Zn / Cu / Mg. 06. (UFSCAR SP) Na Classificação Periódica, a coluna 1 refere-se aos elementos alcalinos e a coluna 17 refere-se aos halogênios. Metais alcalinos como Lítio, Sódio e Césio reagem com gases halogênios como Cl2. Os produtos das reações dos metais Lítio, Sódio e Césio com o gás Cl2 são sólidos iônicos cujas fórmulas são, respectivamente, a) LiC2, NaC, CsC. b) LiC, NaC2, CsC. c) LiC2, NaC2, CsC2. d) LiC3, NaC3, CsC3. e) LiC, NaC, CsC.

07. (Mackenzie SP) Analisando a fila de eletropositividade em ordem decrescente,

verifica-se que a única reação que não ocorre é a) Hg + A(NO3)3 → d) Mg + FeSO4 → b) Fe + H2SO4 → e) Zn + HC → c) Cu + AgNO3 → 08. (Mackenzie SP) Sabe-se que: I. O sódio reage com água, formando uma solução alcalina e gás hidrogênio.

II. O gás hidrogênio reage com gás cloro, produzindo uma substância composta.

Pode-se afirmar que a substância dissociada presente na solução alcalina e o composto produzido em II, são, respectivamente, a) H2SO4 e HCO3. d) H2O e C2. b) Na2O e C2. e) NaOH e HCO2. c) NaOH(aq) e HC.

277

C20  Reatividade dos Metais

01. (Fatec SP) Considere as seguintes misturas que resultam em transformações químicas: I. bicarbonato de sódio e vinagre; II. ácido clorídrico e hidróxido de sódio; III. zinco em pó e ácido clorídrico; IV. gás carbônico e água de cal (solução aquosa saturada de hidróxido de cálcio).

Dentre essas transformações, as duas que são evidenciadas pela evolução de gás são a) I e II. d) II e III. b) I e III. e) III e IV. c) I e IV.

FRENTE

C

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (Uerj RJ) Um caminhão transportando ácido sulfúrico capotou, derramando o ácido na estrada. O ácido foi totalmente neutralizado por uma solução aquosa de hidróxido de sódio. Essa neutralização pode ser corretamente representada pelas equações abaixo.

H2SO4 + 2 NaOH → X + 2 H2O H2SO4 + NaOH → Y + H2O As substâncias X e Y são, respectivamente: a) Na2SO4 / NaHSO4 b) NaHSO4 / Na2SO3 c) NaSO3 / Na2SO4 d) Na2SO4 / NaHSO3 e) NaHSO3 / Na2SO4 02. (ITA SP) Em quatro tubos de ensaio foram colocados os reagentes especificados abaixo em quantidades suficientes para completar qualquer reação química que pudesse ocorrer: Tubo I: Ba(OH)2(s) + H2SO4(aq) Tubo II: Ba(OH)2(s) + NaOH(aq) Tubo III: A(OH)3(s) + H2SO4(aq) Tubo IV: A(OH)3(s) + NaOH(aq) Examinando, em seguida, o conteúdo de cada tubo, deve-se verificar que ele se apresenta da seguinte forma:

Tubo I

Tubo II

Tubo III

Tubo IV

a)

Transparente, incolor

Transparente, incolor

Transparente, incolor

Transparente, incolor

b)

Turvo, branco

Turvo, branco

Transparente, incolor

Transparente, incolor

c)

Transparente, incolor

Turvo, branco

Transparente, incolor

Turvo, branco

d)

Transparente, incolor

Transparente, incolor

Turvo, branco

Turvo, branco

e)

Turvo, branco

Transparente, incolor

Turvo, branco

Transparente, incolor

03. (ITA SP) São misturados volumes iguais de soluções aquosas de duas substâncias distintas, ambas as soluções com concentração 5,00 ⋅ 10-3 molar. Dentre os pares abaixo, assinale aquele para o qual não irá ocorrer reação perceptível. a) Na2SO3 + HC b) KC + MgSO4 c) KC + Pb(NO3)2 d) CaC2 + K2CO3 e) CO2 + Ba(OH)2 278

04. (ITA SP) Num mesmo copo, juntam-se volumes iguais das três soluções seguintes, todas a 0,10 molar: nitrato de prata, nitrato cúprico e ácido sulfúrico. Nota-se que nessa mistura ocorre uma reação. A equação química que representa essa reação é: a) Cu2+(aq) + SO42-(aq) → CuSO4(c) b) 2 Ag+(aq) + SO42-(aq) → 2 AgO(c) + SO2(g) c) 2 Cu+(aq) + 2 H+(aq) → 2 Cu(c) + H2(g) d) 2SO42-(aq) + 2NO3-(aq) + 4 H+(aq) → SO2O82-(aq) + 2NO2(g) + 2H2O() e) 2 Ag+(aq) + SO42+(aq) → Ag2SO4(c) 05. (Vunesp SP) Duas fitas idênticas de magnésio metálico são colocadas, separadamente, em dois recipientes. No primeiro recipiente, adicionou-se solução aquosa de HC e, no segundo, solução aquosa de CH3COOH , ambas de concentração 0,1 mol/L. Foram feitas as seguintes afirmações: I. As reações se completarão ao mesmo tempo nos dois recipientes, uma vez que os ácidos estão presentes na mesma concentração.

II. O magnésio metálico é o agente oxidante nos dois casos.

III. Um dos produtos formados em ambos os casos é o hidrogênio molecular.

IV. As velocidades das reações serão afetadas se as fitas de magnésio forem substituídas por igual quantidade desse metal finamente dividido.

São verdadeiras as afirmações: a) I e II, apenas. b) II e III, apenas. c) I e III, apenas. d) III e IV, apenas. e) II, III e IV, apenas.

06. (Fuvest SP) Em três balanças aferidas, A, B e C, foram colocados três béqueres de mesma massa, um em cada balança. Nos três béqueres, foram colocados volumes iguais da mesma solução aquosa de ácido sulfúrico. Foram separadas três amostras, de massas idênticas, dos metais magnésio, ouro e zinco, tal que, havendo reação com o ácido, o metal fosse o reagente limitante. Em cada um dos béqueres, foi colocada uma dessas amostras, ficando cada béquer com um metal diferente. Depois de algum tempo, não se observando mais nenhuma transformação nos béqueres, foram feitas as leituras de massa nas balanças, obtendo-se os seguintes resultados finais: balança A: 327,92 g balança B: 327,61 g balança C: 327,10 g

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

10. (Fatec SP) Relatos históricos contam que, durante a Segunda Guerra Mundial, espiões mandavam mensagens com uma “tinta invisível”, que era essencialmente uma solução de nitrato de chumbo. Para tornar a escrita com nitrato de chumbo visível o receptor da mensagem colocava sobre a “tinta invisível” uma solução de sulfeto de sódio, Na2S, bastante solúvel em água e esperava pela reação:

Metal

Massa molar g mol-1

Mg

24,3

Au

197,0

Pb(NO3)2 + Na2S → PbS + 2 NaNO3

Zn

65,4

Com base nas informações, afirma-se que I. Essa reação formava o nitrato de sódio e sulfeto de chumbo.

II. O sulfeto de chumbo PbS, que precipitava e possibilitava a leitura da mensagem.

III. O sulfeto de chumbo por ser muito solúvel em água possibilitava a leitura da mensagem.

IV. O nitrato de sódio, que precipitava e possibilitava a leitura da mensagem. É correto o que se afirma em apenas a) I e II. b) II e III. c) III e IV. d) I e III. e) II e IV.

a) A, B e C b) A, C e B c) B, A e C

d) B, C e A e) C, A e B

07. (ITA SP) Na temperatura ambiente, hidróxido de potássio sólido reage com o cloreto de amônio sólido, com a liberação de um gás.

Assinale a alternativa correta para o gás liberado nessa reação. a) Cl2 b) H2 c) HCl d) NH3 e) O2 08. (UFG GO) Na despensa de uma casa, há quatro potes no armário com seus respectivos conteúdos, conforme descrito na tabela a seguir.

Pote

Conteúdo

A

Solução de ácido clorídrico

B

Bicarbonato de sódio sólido

C

Solução de ácido etanoico

D

Bicarbonato de sódio sólido

a) Aproximadamente, há 66% de chance de se acertar na primeira tentativa.

Suponha que sejam misturados os conteúdos de dois desses quatro potes. Nesse sentido, a) qual seria a probabilidade de se formar gás carbônico na primeira tentativa, caso não se conhecesse o conteúdo de cada b) HC (aq) + NaHCO3(s) → CO2(g) + H2O() + Na+(aq) + C–(aq) pote? CH COOH(aq) + NaHCO (s) → CO2(g) + H2O() + CH3COO-(aq) + Na+(aq) 3 3 b) escreva as equações balanceadas de formação de gás carbônico possíveis a partir do conteúdo dos quatro potes.

09. (Unifor CE) Objetos de prata escurecidos, devido à formação de Ag2S (preto), podem ser limpos esfregando-se uma mistura, umedecida, de alumínio com bicarbonato de sódio (NaHCO3).

A reação que deve ocorrer é representada, corretamente, por: a) 3 Ag+ + A → A3+ + 3 Ag b) Ag+ + A → A3+ + Ag c) Ag + A3+ → A + Ag2+ d) Ag + H3O+ → H2O + 2 H2 + Ag+ e) 2 Ag + H2O → Ag2O + H2

11. (Integrado RJ) Nas câmaras de gás utilizadas nos países qu adotam a pena de morte, a execução se dá pela produção de HCN, através da reação do H2SO4 com o NaCN. Após 30 segundos de aspiração do gás, o condenado fica inconsiente e morre em poucos minutos. O ácido cianídrico (HCN) é produzido de acordo com a reação abaixo: 2 NaCN(s) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + 2 HCN(g) Marque a alternativa correta: a) a equação exemplifica a reação entre um ácido fraco e uma base volátil; b) a equação exemplifica a reação entre uma base e um ácido fraco; c) a equação exemplifica a formação de uma base volátil; d) a equação exemplifica a formação de um ácido volátil; e) no ácido cianídrico (HCN) a hibridação do átomo de carbono é do tipo sp3.

12. O ácido sulfúrico, comumente encontrado nas baterias de carro, reage com o hidróxido de sódio, conhecido como soda cáustica, na proporção de 1:1.

O precipitado formado será o a) sulfito de sódio. b) sulfato de sódio. c) sulfeto de sódio. d) hidrogenossulfato de sódio.

279

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

As massas lidas nas balanças permitem concluir que os metais magnésio, ouro e zinco foram colocados, respectivamente, nos béqueres das balanças Dados

Química

13. (Unesp SP) Analise o quadro 1, que apresenta diferentes soluções aquosas com a mesma concentração em mol/L e à mesma temperatura.

Quadro 1 Solução

Nome

Fórmula

1

nitrato de bário

Ba(NO3)2

2

cromato de sódio

Na2CrO4

3

nitrato de prata

AgNO3

4

nitrato de sódio

NaNO3

O quadro 2 apresenta o resultado das misturas, de volumes iguais, de cada duas dessas soluções.

Quadro 2 Mistura

Resultado

1+2

Formação de precipitado (ppt 1)

1+3

Não ocorre reação formação de precipitado

1+4

Não ocorre reação formação de precipitado

2+3

Formação de precipitado (ppt 1)

2+4

Não ocorre reação formação de precipitado

3+4

Não ocorre reação formação de precipitado

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

De acordo com essas informações, os precipitados formados, ppt 1 e ppt 2, são, respectivamente, a) BaCrO4 e NaNO3 b) BaCrO4 e Ag2CrO4 c) Ba(NO3)2 e AgNO3 d) Na2CrO4 e Ag2CrO4 e) NaNO3 e Ag2CrO4 14. (UECE) No laboratório de Química, foi realizada uma experiência cujo procedimento foi o seguinte: 1. Em um frasco longo e transparente, adicionou-se 50 mL de água e algumas gotas de corante alimentício azul.

2. Logo após, agitou-se a mistura com um bastão de vidro, homogeneizando-a, fazendo com que apresentasse somente uma fase de cor azul.

3. Com ajuda de um bastão de vidro, adicionou-se, à mistura, 400 mL de óleo de cozinha, o que fez com que ela passasse a ter duas fases.

4. Em seguida, adicionou-se sal de frutas (fármaco utilizado para problemas de azia e má digestão) ao conteúdo do frasco.

5. Observou-se, em seguida, que o pó caiu aglutinado e dissolveu lentamente, reagindo e formando bolhas azuladas, que subiram à superfície da mistura e depois retornaram ao fundo do frasco.

280

Com relação a essa experiência, é correto afirmar que a) na reação química do sal de frutas, o gás carbônico liberado sobe até a superfície, carrega as bolhas coloridas de água e, quando atinge a superfície, vai para a atmosfera e, com isso, as bolhas de água retornam ao fundo do frasco. b) mesmo sendo as bolhas de água azuis mais densas que o óleo, sobem até a superfície, porque são impulsionadas pelo efeito da tensão superficial. c) a equação química da reação que ocorre nesta experiência é: 3 NaHCO3(s) + C6H8O7(aq) → Na3C9H5O7(aq) + 3 H2O(l) + 3 O2(g). d) as bolhas coloridas sobem e descem e não tingem o óleo porque a água colorida é apolar e não se mistura com o óleo que é polar.

15. (Puc RS) Em 2500 a.C., os egípcios já utilizavam métodos para fazer o pão crescer. As massas velhas, azedas, eram adicionadas às novas, tornando o pão mais saboroso e leve. O fermento químico, por sua vez, teve origem em 1830 d.C., quando padeiros começaram a adicionar bicarbonato de sódio e leite azedo a massas. A mistura do ácido lático e do bicarbonato produz dióxido de carbono. O método, porém, não era confiável, pois a acidez do leite azedo era variável. Mesmo assim, foi um avanço significativo para padeiros na preparação de bolos, biscoitos e pães rápidos.

A partir do texto, é correto afirmar que a equação que representa a reação do principal componente do fermento químico em presença de meio ácido aquoso da massa em um bolo é a) 2 NaCO3(s) → Na2O(s) + CO2(g) b) NaHCO3(g) + HC(aq) → NaC(s) + H2O(l) + CO2(g) c) 2 NaHCO3(s) → Na2O(s) + 2 CO2(g) + H2O(l) d) HCO3–(aq) + H+(aq) → H2O(l) + CO2(g) e) H2CO3(aq) + NaOH(aq) → NaHCO3(aq) + H2O(l) 16. (UFRR) A camada protetora mais externa do dente é o esmalte, que é composto de aproximadamente 95% de hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2, e 5% de colágeno. Sobre a solubilidade para os compostos iônicos em água, analise: I. Generalizando, todos os sais de fosfatos (PO43–) são insolúveis; II. III. IV. V.

O di-hidrogenofosfato de sódio, NaH2PO4, é insolúvel; O di-hidrogenofosfato de amônio, (NH4)3PO4, é solúvel; Generalizando, todos os sais de hidróxidos (OH–) são insolúveis; O hidróxido de sódio, NaOH, é solúvel.

Destas afirmações, estão CORRETAS: a) I e IV; b) III e V; c) I, II e IV; d) I e V; e) II, III e IV.