Coleção 10 V - Livro 6 - Química - Professor by Editora Elabore

FRENTE

QUÍMICA Por falar nisso Em nosso dia a dia, deparamo-nos com produtos caseiros como geleias, chantili, sorvetes, cremes de barbear, xampus e outros materiais que apresentam consistência aparentemente intermediária entre os estados sólido e líquido. Esses materiais são classificados como sistemas coloidais. Na foto de abertura desse módulo, vemos uma criança brincando com as chamadas bolhas de sabão. As bolhas de sabão também são sistemas coloidais formados pela dispersão de um gás em um líquido. Por outro lado, quando adicionamos, em água, materiais sólidos como sal e açúcar, e eles se dissolvem formando uma solução, temos a impressão de que ambos (açúcar e sal) passaram para o estado líquido, o que não é verdade. Mesmo dissolvidos em água, sal e açúcar continuam no estado sólido, porém dissociados em partículas muito pequenas, incapazes de ser visualizadas mesmo ao microscópio eletrônico. As soluções, assim como os coloides, são sistemas chamados de dispersão. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A01 A02 A03 A04

Introdução ao estudo das dispersões...........................................236 Introdução ao estudo das soluções.....................................................243 Expressão de concentração das soluções ....................................250 Expressões de concentrações químicas .......................................256

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A01

ASSUNTOS ABORDADOS n Introdução ao estudo das dis-

persões

n Sistema coloidal n Identificando um sistema coloidal n Coloides no corpo humano

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS DISPERSÕES Começaremos o estudo das dispersões enumerando vários produtos de uso diário. Na alimentação, por exemplo, é comum encontrar as geleias, doces, leite, manteigas, margarinas, cremes e temperos. Esses materiais são exemplos de dispersões coloidais. Mas os sistemas coloidais não ficam restritos a produtos alimentares. Os sabonetes, xampus, creme dental, creme de barbear, cosméticos e as maquiagens também são coloides. Em determinadas épocas do ano, em algumas regiões do país, é comum a formação de neblina. A neblina, assim como os particulados de pequenas dimensões suspensos no ar atmosférico, também são sistemas coloidais. Podemos, ainda, citar os sistemas coloidais empregados nos processos de tratamento de águas, além dos coloides envolvidos em processos vitais, como o sangue. Por outro lado, também é comum o uso do soro caseiro no combate à diarreia. Segundo dados da Organização das Nações Unidas (ONU), cerca de um milhão de crianças morrem devido à desidratação causada pela diareia, a qual, de certa forma, pode ser combatida com o uso do soro caseiro. Para preparar o soro caseiro, deve-se dissolver, em um copo de água filtrada, uma pitada de sal (1,5 g), um punhado de açúcar (12 g), agitar até que todos os componentes estejam dissolvidos e oferecer à criança com diarreia a cada meia hora. O sistema água, açúcar e sal (soro caseiro) forma uma dispersão chamada solução. Uma terceira forma de dispersão são as dispersões grosseiras. Um sistema constituído de água barrenta, por exemplo, é uma dispersão grosseira. Nesse tipo de sistema, podemos visualizar os componentes do sistema até mesmo sem o auxílio de instrumentos ópticos de aumento, e isso os diferenciam dos sistemas coloidais. Nos coloides, o componente disperso só pode ser visualizado na presença de luz. Quando comparamos as características de uma solução, um sistema coloidal e uma dispersão grosseira vê-se que as soluções propriamente ditas seguem uma regularidade de comportamento em relação aos outros dois materiais. A seguir, temos uma tabela comparativa dessas características e propriedades.

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Características

Solução verdadeira

Sistema coloidal

Dispersão grosseira

Homogeneidade do sistema

Homogênea

Heterogênea

Visibilidade do disperso

Não visível em nenhum aparelho

Visível em ultramicroscópio

Visível em microscópio comum

Sedimentação do disperso

Não sedimenta

Sedimenta apenas por meio de ultracentrífuga

Sedimenta espontaneamente ou por meio de centrífuga comum

Retenção do disperso em filtros

Não é retido por nenhum tipo de filtro

É retido somente por ultrafiltros

É retido por filtros comuns

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Sistema coloidal O estudo dos sistemas coloidais teve início no século XIX, e Thomas Graham foi um dos pesquisadores que contribuiram bastante para o entendimento das propriedades desses materiais. Além de estudar os fenômenos relacionados à difusão e efusão gasosas, Graham também atuou junto aos sistemas coloidais e introduziu, em 1861, para alguns desses processos, os termos coloide e diálise.

Espumas – As espumas são sistemas coloidais cuja fase dispersa são pequenas bolhas de gás em um meio de dispersão sólido ou líquido. Nos casos em que o meio de dispersão é um líquido, temos as espumas líquidas – espumas de sabões e de combate a incêndio, por exemplo. Mas se o meio de dispersão é um sólido, temos as espumas sólidas como o isopor (espumas de poliestireno), poliuretanas e pedra-pomes.

#Conceito

Dispersão coloidal são sistemas formados por partículas em suspensão com diâmetro compreendido entre 0,1 µm e 10 µm e, por isso, são ultramicroscópicas. Essas partículas podem ser retidas por ultrafiltros ou sedimentadas em ultracentrífugas.

Classificação dos Sistemas coloidais A classificação dos coloides depende do estado de agregação, da fase dispersa e do dispergente ou fase de dispersão. A fase dispersa são as partículas coloidais; já a fase de dispersão é o material cujas partículas coloidais estão dispersas (o meio). Essa fase também é chamada de fase contínua. Assim, com base nesses critérios, temos sistemas coloidais que podem ser classificados em aerossol, espumas, emulsão, gel e sol. Mas atenção! Só podemos distinguir o estado de agregação dos componentes de um sistema coloidal anteriormente à sua formação. Uma vez formados, não podemos fazê-lo.

Espuma em um líquido − a cerveja e outras bebidas efervescente são espumas em um líquido

As pedras-pomes são coloides do tipo espuma em um sólido

A estabilidade das bolhas em uma espuma depende basicamente do grau de coalescência: as bolhas podem colidir entre si e resultar em bolhas maiores o que produz instabilidade no coloide e causa a quebra da espuma. É por esse motivo que as espumas de combate a incêndio são estabilizadas com proteínas (sangue seco, gomas) ou substâncias tensoativas como os detergentes. Os estabilizadores de espumas evitam a coalescência das bolhas gasosas e garantem maior estabilidade ao sistema. Um bom exemplo cotidiano do uso de proteínas na estabilização dos coloides é a clara de ovo batida, marshmallow e creme chantili. Emulsão – As emulsões são dispersões coloidais de dois líquidos (“imiscíveis”), utilizando um componente tensoativo como estabilizador (emulsificante). Os sabões, detergentes, gelatinas (gomas) e proteínas (como a albumina e caseína) são bons exemplos de emulsificantes.

A01  Introdução ao estudo das dispersões

O termo coloide (do grego cola) foi atribuído ao sistema formado pela goma arábica, uma substância de natureza viscosa e sem estrutura definida. A goma arábica se difundia bem mais lentamente quando comparada às soluções de sais. Já o termo diálise foi atribuído à passagem de pequenas partículas através de uma membrana permeável, que retém partículas de maior tamanho, como os coloides. Aliás, o tamanho das partículas é o critério de diferenciação de um sistema coloidal de uma solução: os coloides são sistemas heterogêneos e neles um dos componentes apresenta partículas com tamanho entre 1 nm e 1000 nm ou 0,001 µm e 1 µm. Já as soluções são sistemas homogêneos cujo tamanho médio das partículas está entre 0 e 1 nm.

Quanto ao estado físico das fases dispersa e de dispersão Sol – Denominam-se sol os coloides em que o disperso é constituído por uma fase sólida finamente dividida e distribuído em um meio líquido (meio de dispersão). Os meios de dispersão podem ser a água ou um solvente orgânico, que formam, respectivamente, os hidrossóis e os organossóis. Aerossol – Os aerossóis se diferenciam dos coloides do tipo sol pelo estado físico de agregação da fase contínua (fase de dispersão), que se encontra no estado gasoso – normalmente o ar atmosférico.

Figura 01 - Gelatina, um sistema cololidal do tipo emulsão.

237

Química

O mecanismo de ação dos emulsificantes tem por base a diminuição da tensão superficial entre as duas fases. Por exemplo, podemos preparar maionese caseira a partir de óleo e vinagre, dois líquidos imiscíveis. Para isso, utilizamos como emulsificante a gema do ovo, que atua entre a superfície de separação dos líquidos aumentando a estabilidade do sistema. Classificação dos coloides de acordo com as fases dispersa e de dispersão Coloide

Fase dispersa

Fase de dispersão

Exemplos

Sol

Sólido

Sólido ou líquido

Pasta de dente, tintas

Sol sólido

Sólido

Vidro e plástico pigmentado

Aerossol líquido

Líquido

Gás

Neblina, desodorante

Aerossol sólido

Sólido

Gás

Fumaça, poeira

Espuma

Gás

Líquido

Espuma de sabão e de combate a incêndio

Espuma sólida

Gás

Sólido

Isopor, poliuretana

Emulsão

Líquido

Leite, maionese, manteiga

Tabela elaborada com base no artigo da Qnesc, disponível em: <http:// qnesc.sbq.org.br/online/qnesc09/quimsoc.pdf>. Acesso em 22 ago. 2016.

A01  Introdução ao estudo das dispersões

Quanto à dispersibilidade

do). Esse fenômeno é denominado de pectização (do grego, pektos = coágulo). As gelatinas caseiras se comportam dessa forma: se aquecidas em presença de água sofrem dissolução e se tornam líquidas (estado SOL). Mas quando em baixa temperatura, aglutinam-se e retornam ao estado sólido (estado GEL). Esses sistemas coloidais são ditos coloides reversíveis e se o dispersante for a água, tem-se um coloide hidrófilo.

Figura 02 - A gelatina é um exemplo de sistema coloidal reversível.

Os coloides liófobos não dispersam quando em presença do dispersante (solvente). Esses sistemas coloidais são ditos coloides irreversíveis e se o dispersante for a água, tem-se um coloide hidrófobo. Como exemplo, podemos citar a dispersão coloidal de enxofre em água.

Identificando um sistema coloidal

A estabilidade de um sistema coloidal depende das diferentes formas de interações que ocorrem entre as fases dispersa e de dispersão. Forças de Coulomb, Van der Waals e solvatação são algumas das interações que podem ser utilizadas para o entendimento do modelo explicativo dos coloides. Interações atrativas e de alta afinidade entre as partículas e o solvente aumentam a estabilidade. Nesse caso, temos um coloide liófilo (do grego lyein = solvente + philein = gostar de). No entanto, alguns coloides apresentam interações repulsivas entre as partículas dispersas e o solvente, sendo chamados de liófobos (do grego lyein = solvente + phobos = repelir).

Dissemos, anteriormente, que não é possível distinguir as partículas de disperso em um coloide sem a ajuda de um dispositivo óptico. Isso se deve ao pequeno tamanho das partículas de disperso – entre 1 e 100 nanômetros (1nm = 10-9m). Porém, em presença de luz, podemos visualizá-los.

Os coloides liófilos dispersam espontaneamente quando em presença do dispersante (solvente). Fenômeno denominado de peptização (do grego, pepsys = digestão). Porém, com a eliminação do dispersante, o coloide adquire novamente consistência pela formação de coágulos (estado sóli-

Por exemplo, quando a luz do Sol atravessa um ambiente como uma sala ou um farol de carro ilumina uma atmosfera com neblina, podemos verificar a trajetória da luz devido a sua dispersão nos particulados suspensos na atmosfera. Esse fenômeno é denominado de efeito Tyndall.

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Em 1766, Richard Tyndall utilizou a luz para identificar um sistema coloidal. O experimento se deu quando Tyndall percebeu que um feixe de luz sofre dispersão (espalhamento) ao atravessar um meio contendo partículas em suspensão.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Figura 05 - Desenho de pontos em movimento browniano.

Figura 03 - Espalhamento da luz devido à presença de partículas em suspensão no ar. Efeito Tyndall.

Fonte: Creative #: 139804378

Porém, ao iluminar uma dispersão de açúcar em água em um copo de vidro, não é possível identificar visualmente, em nenhum momento, a presença de partículas do sólido (açúcar). Desse modo, não vemos a trajetória do feixe de luz, pois se trata de uma solução e não de um coloide.

Figura 04 - O efeito Tyndall é muito utilizado para identificar e diferenciar um sistema coloidal de uma solução. À esquerda, solução. À direita, dispersão coloidal.

Outro comportamento interessante dos sistemas coloidais é em relação ao movimento das partículas do disperso. Em presença de aparelhos ópticos de alta resolução e iluminação especial, podemos visualizar os pontos de reflexão da luz (partículas de disperso). Esses pontos apresentam-se em movimentos cujas trajetórias são aleatórias, devido às constantes colisões entre as partículas do disperso e do dispersante. Em homenagem ao biólogo Robert Brown, primeiro a observar esse comportamento, o fenômeno é denominado de movimento browniano.

Coloides no corpo humano Os sistemas coloidais mais importantes são aqueles cujo dispersante é a água. Os coloides hidrofílicos têm afinidade pela água e mantêm boas interações eletrostáticas nesse meio. Já os hidrofóbicos, mantêm interações de repulsão com a água, necessitando de um agente estabilizador. Em nosso corpo, as enzimas e os anticorpos são formados por moléculas de grandes portes que interagem com moléculas de água, formando um sistema coloidal. Por outro lado diversas outras substâncias resultantes do metabolismo do sangue também estão dispersas no meio líquido na forma de sistemas coloidais. Essas substâncias devem ser filtradas, separadas e, se necessário, excretadas do corpo (substâncias residuais), processo que é realizado pelos rins. Mas há casos em que, por mau funcionamento, os rins deixam de realizar suas tarefas diárias de purificação do sangue, e, substâncias prejudiciais à nossa saúde não podem ser eliminadas. Nesse caso, é necessário realizar a purificação artificial do sangue em um processo de diálise: a hemodiálise. Em um aparelho de hemodiálise, o sangue circula no interior de um tubo dialisador imerso em uma solução lavadora. Essa solução tem concentração isotônica em relação aos íons que devem ser retidos pelo sangue, mas apresenta baixa concentração em substâncias residuais resultantes do metabolismo do sangue. Assim, os resíduos indesejáveis são dialisados do sangue, enquanto o íons, não. 239

A01  Introdução ao estudo das dispersões

Fonte: wikimedia commons / Jraytram

Quanto ao comportamento em presença de um campo elétrico, os coloides se comportam de forma eletricamente carregados. Por isso, eles se movimentam quando em presença de um gerador de cargas. Esse fenômeno é denominado de eletroforese e permite identificar o tipo de carga presente em um coloide. Se a movimentação das partículas conduz o coloide ao polo positivo (ânodo), podemos dizer que ele apresenta carga negativa. Mas se o movimento das partículas for no sentido do polo negativo (cátodo), dizemos que o coloide tem carga elétrica positiva.

Química

Exercícios de Fixação 01. (Centro Universitário São Camilo SP) A asma é uma das doenças crônicas mais comuns, afetando tanto crianças quanto adultos. A fumaça do cigarro é prejudicial aos asmáticos, mesmo se o doente não fumar. “Bombinha” é como as pessoas chamam os dispositivos que contêm medicações inalatórias na forma líquida, utilizadas no tratamento da asma.

Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I e II são corretas. b) Somente as afirmativas I e III são corretas. c) Somente as afirmativas III e IV são corretas. d) Somente as afirmativas I, II e IV são corretas. e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

(www.sbpt.org.br. Adaptado.)

A fumaça do cigarro e a medicação inalatória, na forma como é aplicada pelas bombinhas, são coloides que recebem as classificações, respectivamente, de a) aerossol e sol. b) aerossol e gel. c) sol e aerossol. d) aerossol e aerossol. e) sol e sol.

A01  Introdução ao estudo das dispersões

02. (Acafe SC) Sobre o sistema coloidal, analise as afirmações a seguir. I. O diâmetro médio das moléculas de glicose em uma solução aquosa é maior que as partículas dispersas em um sistema coloidal. II. Creme de leite e maionese são exemplos de sistemas coloidais. III. Micelas podem ser representadas por um agregado de moléculas anfipáticas dispersas em um líquido, constituindo uma das fases de um sistema coloidal. IV. O Efeito Tyndall pode ocorrer quando há a dispersão da luz pelas partículas dispersas em um sistema coloidal. Todas as afirmações corretas estão em: a) II - IV b) III - IV c) I - II – III d) II - III – IV 03. (UEL PR) A força e a exuberância das cores douradas do amanhecer desempenham um papel fundamental na produção de diversos significados culturais e científicos. Enquanto as atenções se voltam para as cores, um coadjuvante exerce um papel fundamental nesse espetáculo. Trata-se de um sistema coloidal formado por partículas presentes na atmosfera terrestre, que atuam no fenômeno de espalhamento da luz do Sol. Com base no enunciado e nos conhecimentos acerca de coloides, considere as afirmativas a seguir. I. São uma mistura com partículas que variam de 1 a 1 000 nm. II. Trata-se de um sistema emulsificante. III. Consistem em um sistema do tipo aerossol sólido. IV. Formam uma mistura homogênea monodispersa.

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04. (UFU MG) O grafitismo é um tipo de manifestação artística surgida nos Estados Unidos, na década de 1970. No Brasil, o grafite chegou ao final dos anos de 1970, em São Paulo. Hoje, o estilo desenvolvido pelos brasileiros é reconhecido entre os melhores do mundo. A tinta mais usada pelos grafiteiros é o spray em lata, que possuiu, até o final da década de 1980, o clorofluorcarboneto como propelente. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com.br/ artes/grafite.htm>. Acesso em: 14 jun. 2012.

O spray em lata, utilizado na arte do grafite, a) possuía, em sua formulação, CFC, que colaborava para prevenir a degradação da camada de ozônio. b) deve ser armazenado em ambientes com incidência direta da luz solar. c) é uma dispersão coloidal, mantida sob pressão, de um líquido em um gás liquefeito. d) possui probabilidade de explodir diretamente proporcional à redução da temperatura. 05. (Enem MEC) O efeito Tyndall é um efeito óptico de turbidez provocado pelas partículas de uma dispersão coloidal. Foi observado pela primeira vez por Michael Faraday em 1857 e, posteriormente, investigado pelo físico inglês John Tyndall. Esse efeito é o que torna possível, por exemplo, observar as partículas de poeiras suspensas no ar por meio de uma réstia de luz, observar gotículas de água que formam a neblina por meio do farol do carro ou, ainda, observar o feixe luminoso de uma lanterna por meio de um recipiente contendo gelatina. REIS, M. Completamente Química: Físico-Química. São Paulo: FTD, 2001 (adaptado).

Ao passar por um meio contendo partículas dispersas, um feixe de luz sofre o efeito Tyndall devido a) à absorção do feixe de luz por esse meio. b) à interferência do feixe de luz nesse meio. c) à transmissão do feixe de luz nesse meio. d) à polarização do feixe de luz por esse meio. e) ao espalhamento do feixe de luz nesse meio.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares

Fase Dispersa

Fase Dispersante

Gás

Líquido

III

Sólido

Gás

Líquido

Sólido

Gás

podem constituir dispersões coloidais apenas a) II e IV. b) I, II e III. c) I, IV e V. d) I, II, IV e V. e) II, III, IV e V.

04. (UECE) Alguns medicamentos apresentam em seus rótulos a expressão “Agite antes de usar”. Tal recomendação se faz necessária porque o conteúdo do frasco é uma dispersão classificada como a) gel. b) aerossol. c) solução. d) suspensão. 05. (UEL PR) Os sistemas coloidais estão presentes, no cotidiano, desde as primeiras horas do dia, na higiene pessoal (sabonete, xampu, pasta de dente e creme de barbear), na maquiagem (alguns cosméticos) e no café da manhã (manteiga, cremes vegetais e geleias de frutas). No caminho para o trabalho (neblina e fumaça), no almoço (alguns temperos e cremes) e no entardecer (cerveja, refrigerante ou sorvetes). Os coloides estão ainda presentes em diversos processos de produção de bens de consumo como, por exemplo, o da água potável. São também muito importantes os coloides biológicos tais como o sangue, o humor vítreo e o cristalino. Fonte: Adaptado de JAFELICI J., M., VARANDA, L. C. Química Nova Na Escola. O mundo dos coloides. n. 9, 1999, p. 9 a 13.

02. (UEL PR) As partículas dos solos são frequentemente arrastadas pelas águas fluviais. Quando a água de um rio, carregada de grande quantidade de partículas coloidais, encontra a água do mar, que tem elevada concentração de sais, ocorre a coagulação e forma-se um depósito aluvionar (formado de cascalho, areia e argila), que se observa na foz dos rios. Esse fato ocorre porque a água de um rio com partículas coloidais é um sistema que se instabiliza pela presença de grande quantidade de sais contidos na água do mar. A esse sistema dá-se o nome de a) hidrófobo. d) aerossol. b) hidrofílico. e) emulsão. c) anfótero.

Com base no texto e nos conhecimentos sobre coloides, é correto afirmar: a) A diálise é um processo de filtração no qual membranas especiais não permitem a passagem de solutos, mas sim de coloides que estão em uma mesma fase dispersa. b) As partículas dos sistemas coloidais são tão pequenas que a sua área superficial é quase desprezível. c) As partículas coloidais apresentam movimento contínuo e desordenado denominado movimento browniano. d) O efeito Tyndall é uma propriedade que se observa nos sistemas coloidais e nos sistemas de soluções, devido ao tamanho de suas partículas. e) Os plásticos pigmentados e as tintas são exemplos excluídos dos sistemas coloidais.

03. (Unificado RJ) O colágeno é a proteína mais abundante no corpo humano, fazendo parte da composição de órgãos e tecidos de sustentação. Apesar de não ser comestível, seu aquecimento em água produz uma mistura de outras proteínas comestíveis, denominadas gelatinas. Essas proteínas possuem diâmetros médios entre 1,0 nm e 1 000 nm e, quando em solução aquosa, formam sistemas caracterizados como a) soluções verdadeiras. b) dispersantes. c) coagulantes. d) homogêneos. e) coloides.

06. (UFMS) Na natureza, raramente são encontradas substâncias puras. O mundo que nos rodeia é geralmente constituído por sistemas formados por mais de uma substância pura, chamados misturas. A respeito das misturas, é correto afirmar que: 01. Soluções são misturas heterogêneas, sólidas, líquidas ou gasosas, constituídas por duas ou mais substâncias puras. 02. As misturas homogêneas podem ser quantificadas em função dos respectivos conteúdos de massa e de volume do disperso e do dispersante. 04. Qualquer mistura apresenta o efeito Tyndall e o movimento browniano, sendo caracterizada apenas pelo número de partículas dispersas.

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A01  Introdução ao estudo das dispersões

01. (UFTM MG) A nanotecnologia e as nanociências contemplam o universo nanométrico, no qual a dimensão física é representada por uma unidade igual a 10–9 m. O emprego da nanotecnologia tem trazido grandes avanços para a indústria farmacêutica e de cosmético. As nanopartículas são, contudo, velhas conhecidas, uma vez que nas dispersões coloidais elas são as fases dispersas. Analisando-se as combinações:

Química

08. Uma mistura, constituída por uma “pitada” de sal de cozinha, uma “pitada” de sacarose e 100,0 mL de água líquida que, após agitação, foi acrescida de três pequenos cubos de gelo, 1 g de limalha de ferro e 10 mL de óleo de soja refinado, sem que houvesse formação de bolhas, é formada por quatro fases. 16. A concentração, em quantidade de matéria, de uma mistura homogênea de água e cloreto de potássio, muito diluída, é numericamente igual à molalidade e à concentração comum, considerando-se a densidade da água pura igual a 1,00 g⋅mL−1. 07. (Unesp SP) Soluções ou dispersões coloidais são misturas heterogêneas cuja fase dispersa é denominada disperso ou coloide. Quando uma solução coloidal, constituída por coloides liófilos, é submetida a um campo elétrico, é correto afirmar que: a) As partículas coloidais não conduzem corrente elétrica. b) As partículas coloidais irão precipitar. c) As partículas coloidais não irão migrar para nenhum dos polos. d) Todas as partículas coloidais irão migrar para o mesmo polo. e) Ocorre a eliminação da camada de solvatação das partículas coloidais. 08. (UFTM MG) Uma solução coloidal é uma dispersão cujas partículas dispersas têm tamanho médio entre 0,1 a 10 micrômetros. Quanto aos sistemas coloidais, é correto afirmar que: a) As partículas dispersas nos coloides moleculares são agregadas de átomos e nos coloides iônicos são agregadas de íons. b) Pectização é o nome dado ao processo que ocorre quando se adiciona um dispersante na fase gel, resultando a fase sol. c) Adsorção é a retenção de moléculas e de íons na superfície

A01  Introdução ao estudo das dispersões

do dispersante. d) Movimento Tyndall é o movimento em zigue-zague das partículas coloidais observado em ultramicroscópio, que decorre dos choques entre partículas coloidais e moléculas do dispersante. e) Coloides liófilos apresentam propriedades físicas bastante diferentes quando comparadas com o dispersante puro; por exemplo, a goma-arábica torna a água mais densa. 09. (UEM PR) Assinale a alternativa correta. a) Nevoeiro, xampu e leite são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como aerossóis. b) Leite, maionese e pedra-pomes são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como emulsões. c) Geleia, xampu e chantili são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como espumas. d) Gelatina, queijo e geleia são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como géis. e) Ligas metálicas, fumaça e asfalto são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como sóis.

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10. (Unicid SP) O gás butano é utilizado como propelente em desodorantes e em cremes de barbear. O rótulo de um creme de barbear indica a composição de 4% em massa de butano numa embalagem de 145 g de produto. Considere as seguintes afirmações sobre as características da espuma do creme de barbear: I. é um coloide; II. pode ser classificada como suspensão; III. a fase dispersa é um gás; IV. os seus componentes não sofrem sedimentação. Está correto o contido em a) I, II, III e IV. b) I, II e III, apenas. c) I, II e IV, apenas. d) I, III e IV, apenas. e) II, III e IV, apenas. 11. (Fuvest SP) Uma embalagem de sopa instantânea apresenta, entre outras, as seguintes informações: “Ingredientes: tomate, sal, amido, óleo vegetal, emulsificante, conservante, flavorizante, corante, antioxidante”. Ao se misturar o conteúdo da embalagem com água quente, poderia ocorrer a separação dos componentes X e Y da mistura, formando duas fases, caso o ingrediente Z não estivesse presente. Assinale a alternativa em que X, Y e Z estão corretamente identificados.

Água

Amido

Antioxidante

Sal

Óleo Vegetal

Antioxidante

Água

Óleo Vegetal

Antioxidante

Água

Óleo Vegetal

Emulsificante

Sal

Água

Emulsificante

12. (Enem MEC) A obtenção de sistemas coloidais estáveis depende das interações entre as partículas dispersas e o meio onde se encontram. Em um sistema coloidal aquoso, cujas partículas são hidrofílicas, a adição de um solvente orgânico miscível em água, como etanol, desestabiliza o coloide, podendo ocorrer a agregação das partículas preliminarmente dispersas. A desestabilização provocada pelo etanol ocorre porque a) a polaridade da água no sistema coloidal é reduzida. b) as cargas superficiais das partículas coloidais são diminuídas. c) as camadas de solvatação de água nas partículas são diminuídas. d) o processo de miscibilidade da água e do solvente libera calor para o meio. e) a intensidade dos movimentos brownianos das partículas coloidais é reduzida.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A02

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS SOLUÇÕES

ASSUNTOS ABORDADOS

Você já experimentou adicionar uma pequena quantidade de açúcar em um copo com água? O que acontece? É possível distinguir cada um dos componentes depois de adicionados?

n Introdução ao estudo das soluções

Evidentemente, esse tipo de experimento já foi realizado por todos nós. A observação do experimento acima descrito, sistemas materiais constituídos pela água e por outra substância, é algo do nosso dia a dia: água e açúcar; água e sal; água e álcool. A água é de vital importância e está presente em praticamente todos os meios materiais. Por isso, devemos tratar a água como substância de extrema importância para a formação das soluções.

n A água como solvente nos seres vivos

A água é essencial para a existência de vida na Terra. Como bem vital, é fundamental nos mais variados meios, entre eles: indústria, agricultura, sociedade. Ter água em abundância é garantia de desenvolvimento em todos os setores da sociedade.

n Conceito de soluções n Estado de agregação de uma solução n Investigando a natureza das soluções n Classificação das soluções n Coeficiente de solubilidade n Curvas de solubilidade

Entretanto, com a crescente interferência do homem no ambiente, torna-se cada vez mais escasso o volume de água potável no Planeta. Essa interferência se dá, principalmente, por meio da poluição dos mananciais e do maior consumo. A poluição da água ocorre normalmente por meio de processos industriais, de esgotos domésticos, de fertilizantes e de pesticidas utilizados na agricultura. De acordo com as estimativas da ONU, a quantidade de água contaminada existente hoje no mundo já é maior que o volume total das dez maiores bacias hidrográficas do Planeta.

Fonte: Editora Opirus / Nathally Cortez

Quanto ao consumo mundial de água, podemos dizer que ele dobrou nas últimas cinco décadas. O crescimento da população, a urbanização, o elevado uso em indústrias e o grande gasto na irrigação contribuem ainda mais para o aumento da escassez de água. A crise da água afeta o mundo todo, ainda que em diferentes proporções e intensidades. O uso indiscriminado e a poluição desse recurso têm feito com que parcelas crescentes da população mundial não tenham acesso garantido à água doce de boa qualidade e em quantidade suficiente para atender as necessidades domésticas. Setores como a criação de animais e a agricultura também podem ser prejudicados pelo mau uso da água. Assim, fontes e reservas naturais de água potável devem ser preservadas. A água é um recurso vital para todos nós, e, por isso, devemos promover o seu uso inteligente e racional.

Figura 01 - O mau uso ou desperdício de água é um dos fatores que agrava a disponibilidade desse recurso mundialmente.

243

Química

–

Ligações de Hidrogênio

H O H

– + –

+ –

Figura 02 - Distribuição da água no Planeta.

n n

n n n n

A água é uma substância cujas moléculas apresentam geometria angular. O somatório dos vetores resultantes da diferença de eletronegatividade nas ligações é diferente de zero. Assim, trata-se de uma substância polar. As interações entre as moléculas de água são do tipo ligações de hidrogênio. O átomo central – oxigênio – apresenta dois pares de elétrons não ligantes. A água apresenta-se no estado líquido em uma faixa de temperatura extensa (de 0 oC a 100 oC, a 1 atm). É autoionizável e pode se comportar como ácido ou base pela teoria de Brönsted-Lowry.

Fonte: wikipedia / Picture taken by me -- Chris 73

A02  Introdução ao estudo das soluções

A água possui as propriedades adequadas para se comportar como solvente de muitos meios, podendo ser manipulada para as mais diversas finalidades.

244

Figura 03 - Na ilustração acima, temos a polaridade da molécula de água e o estabelecimento de ligações de hidrogênio. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

Conceito de soluções Os materiais que utilizamos diariamente são formados por duas ou mais espécies químicas, constituindo sistemas heterogêneos ou homogêneos. Os sistemas homogêneos são formados por espécies químicas em uma única fase, e por isso denominados soluções ou soluções verdadeiras. Os componentes de uma solução não podem ser diferenciados nem mesmo por aparelhos de alta resolução, como os microscópios. Os sistemas heterogêneos são aqueles que apresentam fases distintas. A seguir temos dois exemplos de materiais bastante comuns. O primeiro exemplo é a mistura de água com cloreto de sódio (principal componente do sal de cozinha). Dependendo da quantidade de sal que for adicionada ao sistema, teremos uma solução – sistema homogêneo. O segundo exemplo é o granito que, mesmo sem o auxílio de equipamentos ópticos de alta resolução, podem-se facilmente identificar fases distintas como o quartzo, o feldspato e a mica. Portanto, o granito é um material heterogêneo.

Figura 04 - À esquerda, dissolução de NaC em água formando uma solução. À direita, fragmento de granito. O granito é um material heterogêneo formado de quartzo, feldspato e mica.

Fonte: wikimedia commons / Rojinegro81

A água também é importante nos meios químicos reacionais. A maioria das reações químicas e das determinações das propriedades físico-químicas é efetuada por intermédio de um solvente. No estudo das soluções químicas, a água é o solvente mais importante, por isso, recordaremos algumas de suas principais propriedades.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Figura 05 - Processo de dissolução do NaC em água. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

No sistema NaC(aq) representado acima, vemos a água, o C− em cor azul e o Na+ em cor amarela. Na realidade, não é possível distinguir essas espécies químicas quando em solução. O exemplo é apenas ilustrativo e não condiz com a realidade visual do sistema. Contudo, utilizando esse tipo de modelo, podemos verificar que a água promove a dissociação do retículo cristalino do NaC, liberando íons positivos (cátion Na+) e íons negativos (anion C−). Dessa forma, em presença de água, o NaC conduz corrente elétrica. Portanto, solução aquosa de NaC é um meio eletrocondutor.

O estudo dos sistemas homogêneos constituído por duas ou mais substâncias, ou seja, as soluções, pode ser feito com base nos componentes do sistema. O componente que se encontra em menor quantidade é chamado de fase dispersa; e o outro componente, que se encontra em maior quantidade, é chamado de dispersante ou dispergente ou fase de dispersão. Por outro lado, a fase dispersa também é chamada de soluto. Já o dispersante ou dispergente é denominado solvente. n

Soluto é o componente de menor fração em uma solução.

Solvente é o componente de maior fração em uma solução.

Nas soluções diluídas, é comum o emprego dos termos soluto e solvente. Mas, em soluções muito concentradas de disperso (soluto), esses termos não são muito adequados. Por exemplo, em uma solução de ácido sulfúrico de concentração 98% de ácido e 2% de água, o soluto passa a ser a água, geralmente, considerada como solvente. Mas em soluções formadas por um sólido dissolvido em um líquido, independentemente da quantidade de matéria dos componentes, o sólido sempre será o soluto da solução. Exemplos de soluções Estado da solução

Estado do soluto

Estado do solvente

Exemplo

Gás

Ar atmosférico

Líquido

Gás Líquido Sólido

Líquido Líquido Líquido

Oxigênio na água Álcool e água Sal de cozinha e água

Sólido

Gás Líquido Sólido

Sólido Sólido Sólido

Hidrogênio e platina Mercúrio e platina Ligas metálicas

Estado de agregação de uma solução As soluções podem se apresentar nos três estados físicos da matéria: sólido, líquido ou gasoso. A seguir, listamos alguns exemplos de soluções representativas de cada um desses estados físicos: n

O ouro utilizado em joias é uma mistura de átomos dos metais ouro, cobre e prata e também constitui uma solução, porém na fase sólida. A mistura de água e álcool etílico comercializada em supermercados e armazéns é um exemplo de solução na fase líquida. O ar atmosférico livre de partículas de impurezas é um sistema homogêneo e constitui uma solução gasosa.

Nos três exemplos de soluções citados acima, só podemos distinguir uma única fase, ou seja, os sistemas, mesmo que levados ao microscópio eletrônico, se mostram homogêneo em toda sua extensão. Portanto, são sistemas monofásicos. Assim, podemos definir solução da seguinte maneira: Solução é qualquer dispersão monofásica de dois ou mais tipos de espécies químicas: moléculas, íons, átomos etc. Fase é toda porção de um sistema com propriedades distintas.

A água como solvente nos seres vivos Vimos que a água é o solvente de maior importância nos meios industriais, mas a presença dela nos meios biológicos também é imprescindível. As soluções aquosas presentes nos seres vivos são fundamentais para o funcionamento das células, pois atuam permitindo, na maioria das vezes, a absorção de íons e de outros nutrientes pelos organismos. A seguir listamos alguns processos que jamais ocorreriam sem a presença de água. n n

n n

A absorção de íons cálcio e potássio, responsáveis pela contração muscular do nosso corpo. O funcionamento das células nervosas que dependem de determinadas concentrações das soluções de íons sódio e potássio. A fotossíntese nas células vegetais e em algas. A respiração celular no interior das mitocôndrias. 245

A02  Introdução ao estudo das soluções

De maneira ilustrativa, podemos representar os materiais água e cloreto de sódio por meio de modelos explicativos. A seguir, temos essas representações.

Química

Investigando a natureza das soluções Uma solução é formada quando ocorre a dispersão uniforme de uma espécie química em outra, o que implica em ruptura das forças que mantêm as partículas unidas no estado sólido ou líquido. Mas como ocorre a separação e a disseminação das partículas? Para entender melhor esse processo, vamos investigar o comportamento de dois sólidos em água: o cloreto de sódio (NaC), principal componente do sal de cozinha, e o açúcar (C12H22O11). Quando acrescentamos NaC em água, as forças eletrostáticas são rompidas, liberando os íons para o meio aquoso (o NaC é um sólido iônico). Significa dizer que as forças de atração entre os íons e as moléculas de água são mais intensas que as forças de atração entre os íons no retículo de NaC. A disseminação do retículo é rápida e o processo é denominado dissociação aquosa.

Uma das maneiras de identificar se uma solução é molecular ou iônica é medindo a corrente elétrica do meio: soluções moleculares não conduzem a corrente elétrica, mas soluções iônicas conduzem.

SAIBA MAIS SORO CASEIRO O uso de soro caseiro é uma prática muito antiga. Utilizado para evitar a desidratação resultante de vômitos e diarreia, o soro caseiro é bem simples e relativamente fácil de ser preparado. Mas atenção! Se preparado erroneamente, a solução pode provocar convulsão em uma criança desidratada, por exemplo. Portanto, o melhor que se tem a fazer é procurar uma pessoa habilitada para essa tarefa. Por precaução, para evitar erros na concentração, o Unicef divulga a utilização de uma colher padrão que já apresenta as medidas para a preparação do soro. O soro caseiro é preparado dissolvendo-se uma medida rasa de sal (medida menor da colher padrão) e três medidas rasas de açúcar (medida maior da colher padrão) em um copo de água (ou 1 litro de água com 3,5 g de sal e 40 g de açúcar).

Fonte: solanginha

O mecanismo da dissociação pode ser explicado com base nos modelos de forças eletrostáticas e na polaridade do meio. A água é uma substância de alta polaridade e diminui imensamente as forças de atração entre íons Na+ e C−. Uma vez em contato, a água orienta-se na superfície dos cristais de NaC, interagindo a extremidade positiva do dipolo da molécula com o íon negativo (C−); já a extremidade negativa do dipolo da molécula interage com o íon positivo (Na+). Assim, os íons são separados do cristal e rodeados por moléculas de água em um processo denominado solvatação. Veja a ilustração abaixo.

las em presença do solvente. As moléculas de sacarose não apresentam nenhuma alteração química que forme íons e, portanto, constitui uma solução molecular.

Figura 07 - Colher padrão para o soro caseiro.

A02  Introdução ao estudo das soluções

Figura 06 - Solvatação dos íons C− e Na+ pela água. Imagem fora de escala de tamanho e em cores ilustrativas.

Quando dissolvemos um soluto iônico em um solvente, temos a ruptura das forças interiônicas presentes no soluto em função da interação dos íons com as moléculas do solvente. Contudo, íons e moléculas do solvente se unem por forças de atração elétrica. Ao processo de união íon-solvente, damos no nome de solvatação.

Classificação das soluções As soluções podem ser classificadas em dois grupos: as iônicas e as moleculares. As soluções iônicas ou eletrolíticas são aquelas que geram íons em presença do solvente. O NaC em água é uma solução iônica. Já a sacarose em água constitui uma solução molecular (não eletrolítica). Nesse caso, o soluto permanece disperso como discretas molécu246

Coeficiente de solubilidade No preparo do soro caseiro, observamos que as quantidades em massa de sal e açúcar são relativamente pequenas em comparação ao volume de água (1 L de água com 3,5 g de sal e 40 g de açúcar). O sistema apresenta dissolução completa dos dois solutos. A presença do sal não interfere na dissolução do açúcar. No entanto, se aumentarmos a quantidade de um deles de maneira gradual, chega-se a um ponto de saturação, momento em que não se pode dissolver nenhuma quantidade a mais do soluto que foi saturado. O excesso de sal adicionado mantém-se no estado sólido no fundo do recipiente, formando um sistema heterogêneo com a fase aquosa (o sólido precipitado é chamado de corpo de fundo). Nesse instante, dizemos que o sistema atingiu a saturação e podemos determinar um coeficiente de solubilidade.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

O coeficiente de solubilidade do NaC, a 0 oC, é de 357 g de NaC em 1 000 g de água. Essa é a maior massa possível de se dissolver (357 g) nessa condição (0 oC). Solubilidade de algumas substâncias

160 140 120 100

NaNO3

Na2SO4

Substância

Fórmula

Solubilidade (g/1 000 g de H2O, 20 oC)

Dicromato de potássio

K2Cr2O7

125

Na2SO4 10H2O

Nitrato de potássio

KNO3

318

Cloreto de potássio

KC

342

Cloreto de sódio

NaC

360

Nitrato de sódio

NaNO3

880

Grau de saturação Dependendo da quantidade de soluto dissolvido em uma quantidade padrão de solvente, podemos classificar as soluções em soluções saturadas, insaturadas e supersaturadas. Mas lembre-se de que o coeficiente de solubilidade depende da temperatura, e, portanto, o grau de saturação também. n

Soluções saturadas são aquelas em que a massa de soluto dissolvida é igual ao permitido pelo coeficiente de solubilidade.

Soluções insaturadas são aquelas em que a massa de soluto dissolvida é menor que o permitido pelo coeficiente de solubilidade.

Soluções supersaturadas são aquelas em que a massa de soluto dissolvida é maior que o permitido pelo coeficiente de solubilidade; as soluções supersaturadas são instáveis e, por isso, só existem em condições especiais.

Curvas de solubilidade Curvas de solubilidade são gráficos que expressam o coeficiente de solubilidade em função da temperatura, mostrando a influência dela na dissolução do soluto. No caso das soluções, podemos utilizar dois princípios: o da dissolução endotérmica e o da dissolução exotérmica. As dissoluções cujo coeficiente de solubilidade aumenta à medida que aumenta a temperatura são ditas dissoluções endotérmicas. Porém, se o coeficiente de solubilidade diminuir

40 20

NaC

40 Temperatura (°C)

Gráfico 01 - Curvas de solubilidade de alguns sais em água mostrando a influência da temperatura.

A maioria das soluções apresenta aumento de solubilidade quando a temperatura aumenta, mas há exceções. Os gases, por exemplo, escapam facilmente do líquido em que se encontram dissolvidos se a temperatura for aumentada. Esse efeito pode ser facilmente notado quando aquecemos água. A formação de bolhas no fundo do recipiente durante o aquecimento é resultado da diminuição da solubilidade dos gases. Outro exemplo são as bebidas gaseificadas, que comumente são consumidas geladas, pois em baixa temperatura, a solubilidade do CO2 é maior. Efeito da pressão na solubilidade de gases – lei de Henry O fator pressão tem papel fundamental na solubilidade dos gases em líquidos. Em certa temperatura, a solubilidade de um gás aumenta com o aumento da pressão. De fato, a baixas pressões, ou até mesmo em pressões moderadas, a solubilidade de um gás é diretamente proporcional à pressão. É o que diz a lei de Henry: S = kP, em que S = solubilidade P = pressão parcial do gás sobre a solução k = constante de proporcionalidade – característica do sistema gás-líquido em particular A influência da pressão parcial na solubilidade de um gás é utilizada em processos como engarrafamento de bebidas, sejam bebidas alcoólicas ou não, em que utilizam-se valores de pressão da ordem de até 4 atm. 247

A02  Introdução ao estudo das soluções

CS NaC = 357 g NaC /1 000 g de H2O, 0 oC

com o aumento da temperatura, a dissolução é exotérmica. Contudo, algumas substâncias apresentam curva de solubilidade pouco influenciada pela variação da temperatura. O preparo do soro caseiro é um desses casos. Por isso, não nos preocupamos com a temperatura durante o seu preparo.

Solubilidade (g de sal anidro/100g de água)

O coeficiente de solubilidade, ou simplesmente solubilidade, mede a quantidade máxima de massa de soluto que pode ser dissolvido em uma determinada massa padrão de solução ou de solvente, em temperatura e pressão constantes.

Outra situação em que se faz uso da pressão parcial de um gás é o fenômeno de descompressão, que ocorre quando os mergulhadores estão subindo à tona. A descompressão, quando o mergulhador sobe rapidamente de águas profundas (alta pressão) para regiões da superfície (baixa pressão), provoca a formação de bolhas no sangue e em outros fluidos corporais, em virtude da saída do ar dissolvido. Isso impede a circulação sanguínea e afeta o sistema nervoso. Para diminuir os efeitos da descompressão, os mergulhadores utilizam uma mistura de gases hélio e oxigênio em vez de ar comprimido (nitrogênio e oxigênio). O gás hélio apresenta solubilidade três vezes menor no sangue que a do nitrogênio e, portanto, muito menos gás é retirado da solução durante a subida ou descompressão.

Fonte: wikimedia commons / Tadeu Pereira (Ted)

Química

Figura 08 - A descompressão durante a subida de um mergulhador à superfície é fator de risco e por isso deve ser feita sob velocidade adequada.

Exercícios de Fixação 01. (IF GO) Em uma churrascaria, o churrasqueiro preparou uma mistura de água e sal para temperar a carne. Ele utilizou 58,5 g de cloreto de sódio e 36 g de água para preparar a mistura. Diante disso, analise as afirmativas a seguir: I. A água é o solvente, e o sal o soluto. II. O sal é o solvente, uma vez que sua massa é maior que a da água. III. À temperatura ambiente, o sal não pode ser considerado solvente por ser um composto sólido. Assinale a alternativa correta: a) Apenas a afirmativa I está correta. b) Apenas a afirmativa II está correta. c) Apenas a afirmativa III está correta. d) Apenas as afirmativas I e III estão corretas. e) Todas as afirmativas estão corretas. 02. (Puc SP) A uma solução de cloreto de sódio foi adicionado um cristal desse sal e verificou-se que não se dissolveu, provocando, ainda, a formação de um precipitado. Pode-se inferir que a solução original era: a) estável d) concentrada b) diluída e) supersaturada c) saturada 03. (Feevale RS) O gráfico representa as curvas de solubilidade das substâncias A, B, C e D.

Todas as afirmativas a respeito do gráfico estão corretas, exceto, a) a solubilidade da substância A diminui com a elevação da temperatura. b) o coeficiente de solubilidade da substância A a 20°C é 60 g de A em 100 g de água. c) entre C e D, a substância C é a mais solúvel em qualquer temperatura. d) A e C apresentam a mesma solubilidade a 40°C. e) para temperaturas inferiores a 40°C, a solubilidade de A é menor que a de C. 04. (IF RS) O soro caseiro, excelente para evitar a desidratação causada por vômitos e diarreia, é preparado com 20 g de açúcar refinado; 3,5 g de sal refinado e 1 litro de água filtrada ou fervida. Com relação à solução de soro caseiro, é correto afirmar que: a) A reação química entre o açúcar e o sal é o que produz o princípio ativo do soro caseiro. b) As moléculas de açúcar e sal se dissociam em seus cátions e ânions. c) Ao evaporar toda a água, num recipiente adequado, teremos aproximadamente 23,5 g de sólido no final. d) O sal é uma função orgânica, e o açúcar, uma substância inorgânica. e) Para prepararmos 2 500 mL de solução, precisaremos de 50 g de açúcar refinado e 7,5 g de sal refinado.

A02  Introdução ao estudo das soluções

05. (UEG GO) Uma solução foi preparada a 30 °C pela dissolução de 80 g de um sal inorgânico hipotético em 180 g de água. A solubilidade dessa substância se modifica com a variação da temperatura conforme a tabela a seguir. Temperatura (°C)

Solubilidade (g/100g de água)

Se a solução for resfriada para 20 °C, a massa, em gramas, do sal que irá precipitar será igual a a) 48,0 b) 28,0 c) 22,4 d) 13,8

248

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares 01. (IF SC) Quando você agita e, em seguida, abre uma garrafa de refrigerante, observa que parte do líquido sai imediatamente da garrafa. Isso ocorre por quê? a) A mistura do refrigerante é uma substância pura e, ao agi-

04. (Fuvest SP) Entre as figuras abaixo, a que melhor representa a distribuição das partículas de soluto e de solvente, numa solução aquosa diluída de cloreto de sódio, é:

tá-la em sistema fechado, há aumento da pressão interna.

b) –

b) Há aumento da pressão interna, provocado pela agitação

–

de um gás na mistura ali contida. c) O refrigerante é uma mistura e, ao agitá-lo em sistema fechado, sempre haverá diminuição da pressão interna,

independente da sua constituição. d) A pressão interna da garrafa é menor que a pressão

d) +

externa.

–

––

e) Há aumento da pressão interna, provocado pela agitação do gás metano ali contido.

Legenda

02. (UFRGS RS) Quais as soluções aquosas, contendo uma única substância dissolvida, que podem apresentar corpo de fun-

do dessa substância?

–

a) Saturadas e supersaturadas

–

b) Somente as saturadas

+ +

Na C

– H2O

c) Insaturadas diluídas d) Somente as supersaturadas

03. (UCB BA) O gráfico a seguir apresenta os coeficientes de solubilidade, em gramas/100 mL de água, de algumas substâncias A, B, C, D em função da temperatura. Coeficiente de solubilidade (g/100 mL água) A

100

D 80 60 C 40 20

B 20

100 temperatura (°C)

a) D é a substância mais solúvel, em gramas, a 20 oC. b) B é mais solúvel a quente. c) a 40 oC a substância A é mais solúvel, em gramas, que a substância D. d) a concentração de C duplica a cada 20 oC. e) todas as substâncias têm o mesmo coeficiente de solubilidade a 45 oC.

05. (Unifesp SP) Uma solução contendo 14 g de cloreto de sódio dissolvidos em 200 mL de água foi deixada em um frasco aberto, a 30 °C. Após algum tempo, começou a cristalizar o soluto. Qual volume mínimo e aproximado, em mL, de água deve ter evaporado quando se iniciou a cristalização? Dados: Solubilidade, a 30 °C, do cloreto de sódio = 35 g/100 g de água Densidade da água a 30 °C = 1,0 g/mL a) 20. b) 40. c) 80. d) 100. e) 160. 06. (UFRN) O cloreto de sódio (NaC), em solução aquosa, tem múltiplas aplicações, como o soro fisiológico, que consiste em uma solução aquosa de cloreto de sódio (NaC) a 0,092% (m/v) . O soluto do soro fisiológico (NaC) é solúvel em água porque é uma substância a) iônica, com estrutura cristalina. b) iônica, com estrutura molecular. c) molecular, com estrutura cristalina. d) molecular, com estrutura molecular.

249

A02  Introdução ao estudo das soluções

e) Insaturadas concentradas

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A03

ASSUNTOS ABORDADOS n Expressão de concentração das

soluções

n Expressões de concentrações físicas

EXPRESSÃO DE CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES A química das concentrações está presente em nosso dia a dia de diversas maneiras. Desde preparar um café, um refresco, até escolher um produto nos supermercados envolve a química das concentrações. Para quem segue dieta rígida no controle dos açúcares ou consome produtos light, por exemplo, é fundamental saber qual a concentração ideal de carboidratos para o consumo. Os rótulos dos produtos passam por rigorosas especificações dos órgãos reguladores. Os dados neles contidos usam uma linguagem química – que envolve o estudo das concentrações das soluções. Valores como prazo de validade, concentração das espécies químicas – como sódio, potássio e cloreto –, taxa de carboidratos, gorduras (trans), valor calórico e muitos outros dados podem ser verificados nos rótulos. É nesse contexto que o estudo das concentrações nos ajudará a entender os meios materiais com os quais nos deparamos diariamente. Contudo, para o estudo das concentrações das soluções faz-se necessário o estabelecimento de convenção de índices para o soluto e para o solvente, que será feita da seguinte forma: n

Qualquer grandeza que for relacionada ao soluto terá índice 1. Por exemplo: n1 refere-se à quantidade de matéria do soluto.

Qualquer grandeza que for relacionada ao solvente terá índice 2. Por exemplo: m2 refere-se à massa do solvente.

Qualquer grandeza que for relacionada à solução não terá índice. Por exemplo: V refere-se ao volume da solução.

Fonte: Shutterstock

Figura 01 - O gosto do café, em parte, depende da concentração de açúcar utilizado.

250

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Expressões de concentrações físicas Densidade (d) Como vimos em aulas anteriores, a densidade é uma grandeza específica para cada substância, permitindo identificar cada uma delas em função do seu valor. Mas a densidade é uma grandeza que varia com a temperatura. Por isso, quando executamos um cálculo de densidade, devemos citar o valor de temperatura em que ele foi realizado. Na tabela abaixo, temos os valores de densidade da água em diversas temperaturas. Tabela/oC

Densidade/(g/cm3)

0,99999

0,99913

0,99707

0,99406

Para outros sistemas, o cálculo de densidade é feito da mesma maneira que no exemplo da água, na tabela acima. Mas, em uma solução existem duas ou mais substâncias, e, ao determinar a densidade, estamos determinando um valor referencial a um meio, e não a uma única substância. d=

m V

As unidades mais utilizadas para a densidade são: g/cm3 = g/mL, g/dm3 = g/L, kg/dm3 = kg/L. As equivalências para essas unidades são: 1 mL = 1 cm3 ; 1 L = 1 dm3; 1 L = 1 000 mL; 1 dm3 = 1 000 cm3

Concentração comum (C) A concentração comum é uma grandeza que estabelece o quociente entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros.

m1 V

Observe que apesar dessa expressão matemática ser muito semelhante com a da densidade, há diferenças: n n

A da densidade da solução expressa a massa do meio considerado (solução) pelo volume desse meio (solução). A da concentração comum expressa a massa de um soluto pelo volume da solução.

Título em massa (τ) O título em massa pode ser entendido como a quantidade em massa de um soluto existente em 100 unidades de uma solução. O título em massa é geralmente expresso em porcentagem. Por exemplo, num rótulo de soro glicosado, pode-se ler que a solução contém 5% em massa de glicose (C6H12O6) em água destilada; assim, cada 100 mL de soro glicosado contém 5 g de glicose. = τ

m1 m1 = m m1 + m2

O título em massa não apresenta unidade, pois trata-se de um número adimensional.

O título apresenta valores entre ]0; 1[, pois a massa de soluto é sempre menor que a massa da solução:

0 < τ < 1 ou 0% < τ% < 100%.

SAIBA MAIS SORO GLICOSADO A glicose é uma fonte de energia facilmente absorvida pelas células do corpo humano, por isso é largamente usada em medicina como nutriente energético, com aplicação endovenosa. O soro glicosado é uma solução que contém 5% em massa de glicose. Existem também soros glicosados com concentrações de 2,5% e 10% em massa de glicose. O soro glicosado é considerado um medicamento, portanto, só deve ser usado sob prescrição médica.

Título em volume (τV) A concentração de uma solução também pode ser expressa pela relação de volumes, que é o título em volume. O título em volume expressa o quociente entre a quantidade em volume do soluto (V1) e o volume da solução (V). 251

A03  Expressão de concentração das soluções

O estudo do comportamento das soluções envolve a temperatura, a natureza do soluto, a polaridade do solvente e a concentração do soluto em solução. A concentração de uma solução é a relação entre a quantidade de soluto dissolvida e a quantidade de solvente presente no sistema. Assim, quanto mais soluto dissolvido (ao misturar, por exemplo, açúcar) em uma quantidade padrão de solvente (água), maior será a concentração da solução (açúcar + água). Dependendo do tipo de grandeza utilizada no cálculo de concentração, temos expressão de concentração física e química. As concentrações físicas são aquelas que não dependem da massa molar do soluto. Já as expressões de concentrações químicas dependem da massa molar do soluto dissolvido.

Química

O título em volume é utilizado para expressar a concentração de soluções, cujos componentes estejam no estado líquido ou gasoso. Por exemplo: no estado líquido, temos o álcool etílico hidratado, utilizado como combustível automotivo, que contém 96% de álcool etílico e 4% de água – porcentagens em volume. No estado gasoso, o ar atmosférico limpo e seco apresenta aproximadamente 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases – porcentagens em volume. = τ

V1 V1 = V V1 + V2

Na solução, nem sempre o volume da solução é a soma dos volumes do soluto e do solvente.

O título em volume apresenta valores entre ]0; 1[, pois o volume de soluto é sempre menor que o volume da solução: 0 < τ < 1 ou 0% < τV% < 100%.

EXEMPLO 01. Uma solução encerra 15 g de carbonato de sódio em 135 g de água. Vamos calcular a porcentagem em massa do soluto (título porcentual) numa solução que encerra 15 g de carbonato de sódio (Na2CO3) em 135 g de água. Podemos resolver esse problema com uma regra de três: a massa da solução (soluto + solvente) é de 150 g, que corresponde a 100% da massa total. Assim, calculamos a participação do soluto em relação à massa total.

150 g --------------------------------- 100% 15 g --------------------------------- x x = 10% ou 0,1 Outra maneira de resolver esse problema é utilizando a fórmula a seguir. τ% =

15 g 15 = = 0,1 = 10% 15 g + 135 g 150

Concentração em partes por milhão – ppm A concentração em massa por massa (título em massa) é a relação entre a massa do soluto e a massa da solução. A concentração em volume por volume (título em volume) é a relação entre o volume do soluto e o volume da solução. Nos casos em que a quantidade de soluto é muito pequena, utiliza-se a relação parte por milhão (ppm). E se a quantidade de soluto for menor ainda, utiliza-se a relação parte por bilhão (ppb). Por exemplo, se uma solução tem concentração de 1 ppm, significa que para cada parte do soluto (em massa ou em volume), existe um milhão de partes de solução (também em massa ou em volume). As concentrações que equivalem à relação 1 ppm, cujo numerador mede o soluto e o denominador mede a solução, podem ser representadas pelas formas a seguir.

A03  Expressão de concentração das soluções

Concentração em massa por massa n Miligramas por quilograma (mg/kg) n Gramas por tonelada (g/t) Concentração em volume por volume n Microlitros por litro (µL/L) n Mililitros por metro cúbico (mL/m3)

EXEMPLO 02. O rótulo de determinado creme dental apresenta teor de flúor na forma do composto monofluorfosfato de 1 500 ppm. Isso significa que em 106 partes do creme dental, que é um sistema coloidal, há 1 500 partes de flúor. A quantidade de creme dental contida no tubo é de 120 g. Vamos calcular a quantidade de monofluorfosfato, em miligramas, contida no tubo.

252

Como o teor de monofluorfosfato é de 1 500 ppm, para determinar a quantidade desse composto presente em 120 g de creme, será feito o seguinte cálculo: 1 000 g creme --------------------------------- 1 500 mg monofluorfosfato 120 g creme --------------------------------- x x = 180 mg monofluorfosfato

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios de Fixação

Substância

Estado físico

Sólido

Líquido

Sabendo que A flutua apenas em C e D, e que B flutua apenas em C, a ordem crescente de densidade dessas cinco substâncias é: a) E < A < D < B < C. b) B < D < C < A < E. c) E < D < B < A < C. d) C < B < E < D < A. e) D < C < B < E < A. 02. (UFRN) A figura 1, abaixo, mostra a posição do gelo (H2O(s)) na limonada, e a figura 2 mostra o que acontece com o gelo quando a água (H2O()) da limonada é substituída por etanol.

04. (UFU MG) Em um laboratório há dois frascos A e B, contendo soluções aquosas, em cujos rótulos podem-se ler: concentração 110 g ⋅ L−1 e densidade de 1,10 g ⋅ cm−3, respectivamente. Comparando as duas soluções dos frascos A e B pode-se afirmar que a) A solução do frasco A é mais concentrada que a solução do frasco B. b) As massas de solutos dissolvidas nos dois frascos A e b são iguais. c) O mesmo soluto está dissolvido nos frascos A e B. d) A solução do frasco B é 100 vezes mais concentrada do que a do frasco A. e) As concentrações dos frascos A e B podem ser iguais. 05. (Fuvest SP) Considere duas latas do mesmo refrigerante, uma na versão “diet” e outra na versão comum. Ambas contêm o mesmo volume de líquido (300 mL) e têm a mesma massa quando vazias. A composição do refrigerante é a mesma em ambas, exceto por uma diferença: a versão comum contém certa quantidade de açúcar, enquanto a versão “diet” não contém açúcar (apenas massa desprezível de um adoçante artificial). Pesando-se duas latas fechadas do refrigerante, foram obtidos os seguintes resultados: Amostra

massa (g)

lata com refrigerante comum

331,2

lata com refrigerante “diet”

316,2

Por esses dados, pode-se concluir que a concentração, em g/L, de açúcar no refrigerante comum é de, aproximadamente, a) 0,020. c) 1,100. e) 500. b) 0,050. d) 200.

O fato de o gelo flutuar no copo da Figura 1 e afundar no copo da Figura 2 se explica porque, comparativamente, a densidade a) do gelo > da água > do etanol. b) da água > do gelo > do etanol. c) da água > do etanol > do gelo. d) do etanol > do gelo > da água.

06. (UFAC) Em um recipiente A temos 40 g de NaOH, em 2L (L = litros) de solvente. No recipiente B temos 60 g de NaOH, em 2L de solvente. Qual a concentração da solução final? a) 20g/L c) 10g/L e) 15g/L b) 30g/L d) 25g/L

03. (Faap SP) Calcule a concentração, em g/L, de uma solução aquosa de nitrato de sódio que contém 30 g de sal em 400 mL de solução. a) 25 b) 50 c) 75 d) 100 e) 125

07. (FMPouso Alegre MG) O aumento da produção de café numa fazenda pode ser obtido pela adubação foliar no cafezal, usando uma solução de ácido bórico a 0,3% em massa. Sabendo-se que para se adubar todo o cafezal se necessitará 10 000 L de solução, o agricultor deverá comprar de ácido bórico a quantidade correspondente a a) 3 000 kg. d) 300 kg. b) 620 kg. e) 30 kg. c) 60 kg.

253

A03  Expressão de concentração das soluções

01. (Efoa MG) O quadro abaixo mostra os estados físicos de cinco substâncias representadas pelas letras de A até E:

Química

Exercícios C om p l em en t ares 01. (Fatec SP) O uso de flúor é eficaz no combate à cárie dentária. Por isso, foram estabelecidos protocolos de utilização do flúor na área de saúde bucal como a adição de flúor na água de abastecimento público e em pastas dentais. A escovação dental é considerada um dos métodos mais eficazes na prevenção da cárie, ao aliar a remoção da placa à exposição constante ao flúor. Todavia, a exposição excessiva pode causar alguns malefícios à saúde. Para isso, foram estabelecidos níveis seguros de consumo do flúor, quando este oferece o máximo benefício sem risco à saúde. As pastas de dente apresentam uma concentração de flúor que varia entre 1 100 e 1 500 ppm. É importante ressaltar que as pastas de dente com flúor devem ser utilizadas durante a escovação e não ingeridas.

03. (UFG GO) Em um recipiente contendo 100 mL (1,37 kg) de mercúrio líquido, são colocados dois cubos (A e B), com volumes de 2 cm3 cada, de um material inerte diante do mercúrio. Os cubos têm massas de 14 g e 20 g, respectivamente. Ao serem colocados no recipiente, a) os cubos vão para o fundo. b) o cubo A afunda e o B flutua. c) o cubo B afunda e o A flutua. d) os cubos flutuam a meio caminho do fundo. e) os cubos ficam na superfície do líquido. 04. (UPE PE) O gráfico abaixo expressa a relação entre a densidade e a percentagem em água de uma solução de álcool hidratado.

(http://tinyurl.com/ovrxl8b. Acesso em: 29.08.2014. Adaptado)

A concentração máxima de flúor presente nas pastas de dente mencionadas no texto, em porcentagem em massa, corresponde a a) 0,0015%. b) 0,015%. c) 0,15%. d) 1,5%. e) 15%.

A03  Expressão de concentração das soluções

02. (Enem MEC) A utilização de processos de biorremediação de resíduos gerados pela combustão incompleta de compostos orgânicos tem se tornado crescente, visando minimizar a poluição ambiental. Para a ocorrência de resíduos de naftaleno, algumas legislações limitam sua concentração em até 30 mg/kg para solo agrícola e 0,14 mg/L para água subterrânea. A quantificação desse resíduo foi realizada em diferentes ambientes, utilizando-se amostras de 500 g de solo e 100 mL de água, conforme apresentado no quadro.

Ambiente

Resíduo de naftaleno (g)

Solo I

1,0 x 10-2

Solo II

2,0 x 10-2

Água I

7,0 x 10-6

Água II

8,0 x 10-6

Água III

9,0 x 10-6

O ambiente que necessita de biorremediação é o(a) a) solo I. b) solo II. c) água I. d) água II. e) água III.

254

Em relação à solução de álcool hidratado, é correto afirmar que: a) À medida que diluímos a solução, sua densidade diminui proporcionalmente ao volume de água adicionado. b) O álcool anidro constituinte dessa solução tem densidade igual a 0,90 g/mL. c) Quando a densidade da solução for igual a 0,90 g/mL, a percentagem de álcool é igual a 25%. d) A densidade da solução será igual a 0,84 g/mL, quando a percentagem de álcool for igual a 75%. e) A densidade da solução é constante, independente da adição ou da remoção de álcool ou de água da solução. 05. (FGV SP) A cachaça é um produto genuinamente brasileiro reconhecido internacionalmente e registrado na Organização Mundial de Comércio. A produção artesanal, com a utilização de alambiques de cobre, atinge 300 milhões de litros por ano. Os apreciadores avaliam que o produto artesanal tem melhor qualidade e sabor do que o produzido em alambiques de aço inoxidável; entretanto a cachaça artesanal apresenta o teor de cobre residual que deve obedecer ao limite máximo de 5 mg/L. (http://www.scielo.br/pdf/qn/v32n4/v32n4a04.pdf. Adaptado)

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

06. (Unicamp SP) Prazeres, benefícios, malefícios, lucros cercam o mundo dos refrigerantes. Recentemente, um grande fabricante nacional anunciou que havia reduzido em 13 mil toneladas o uso de açúcar na fabricação de seus refrigerantes, mas não informou em quanto tempo isso ocorreu. O rótulo atual de um de seus refrigerantes informa que 200 mL do produto contêm 21 g de açúcar. Utilizando apenas o açúcar “economizado” pelo referido fabricante seria possível fabricar, aproximadamente, a) 124 milhões de litros de refrigerante. b) 2,60 bilhões de litros de refrigerante. c) 1.365 milhões de litros de refrigerante. d) 273 milhões de litros de refrigerante. 07. (Puc Campinas SP) A decomposição da matéria orgânica em águas naturais devolve ao ambiente nutrientes como o fósforo em sua condição mineral, que se apresenta na forma de fosfato, PO43–. Esse nutriente, para que não cause eutrofização, deve estar na concentração máxima de 2,5 × 10−2 mg/L em fósforo, P. Isso corresponde a uma concentração de fosfato, PO43– em mol/L, de aproximadamente, Dados: O = 16; P = 31 a) 5 × 10–6. d) 5 × 10–7. –6 b) 1 × 10 . e) 1 × 10–7. –7 c) 8 × 10 . 08. (FPS PE) “Alcoolismo nunca foi problema exclusivo dos adultos. Pode também acometer os adolescentes. Hoje, no Brasil, causa grande preocupação o fato de os jovens começarem a beber cada vez mais cedo e as meninas, a beber tanto ou mais que os meninos. Pior, ainda, é que certamente parte deles conviverá com a dependência do álcool no futuro.” (Disponível em http://drauziovarella.com.br/ dependencia-quimica/alcoolismo-na-adolescencia/).

Durante uma festa, um indivíduo bebeu três latas de cerveja (350 mL cada) e duas doses de uísque (40 mL cada). Ele sentiu-se alterado e, em respeito às regras da Lei Seca, foi para casa de táxi. Considerando que a taxa de absorção do álcool no indivíduo é de 10%, a massa de álcool presente no seu sangue é de aproximadamente: Dados: a densidade do álcool etílico é 0,8 g/mL, o teor alcoólico da cerveja consumida é 5% (v/v), e o teor alcoólico do uísque consumido é 40% (v/v). a) 6,8 g b) 4,2 g c) 2,6 g

d) 68 g e) 42 g

09. (Unesp SP) O soro fisiológico é uma das soluções mais utilizadas na área de saúde. Consiste em uma solução aquosa de cloreto de sódio NaC 0,9% em massa por volume, que equivale à concentração 0,15 mol ⋅ L–1. Dispondo de uma solução estoque de NaC 0,50 mol ⋅ L–1, o volume necessário dessa solução, em mL, para preparar 250 mL de soro fisiológico será igual a a) 15. c) 25. e) 50. b) 100. d) 75. 10. (Fac. Odon. Diamantina MG) Nos meses de junho e julho, várias manifestações ocorreram na cidade de São Paulo. Nessas manifestações, algumas pessoas levaram vinagre para diminuir a sensação de ardor nos olhos e na garganta, provocada pelas bombas de gás lacrimogêneo. O vinagre é comercializado em frascos de 750 mL na forma de uma solução aquosa, que possui densidade 1 g/mL, e contém 4% em massa de ácido acético (CH3COOH). A quantidade de matéria, em mol, de ácido acético contida em um frasco de vinagre é igual a a) 0,5. c) 1,0. e) 5,0. b) 2,0. d) 4,0. 11. (Fac. Odon. Diamantina MG) Quantos gramas de água são necessários, a fim de se preparar uma solução, a 20%, em peso, usando 80 g de soluto? a) 400 c) 180 e) 480 b) 500 d) 320 12. (Enem MEC) A varfarina é um fármaco que diminui a agregação plaquetária, e por isso é utilizada como anticoagulante, desde que esteja presente no plasma, com uma concentração superior a 1,0 mg/L. Entretanto, concentrações plasmáticas superiores a 4,0 mg/L podem desencadear hemorragias. As moléculas desse fármaco ficam retidas no espaço intravascular e dissolvidas exclusivamente no plasma, que representa aproximadamente 60% do sangue em volume. Em um medicamento, a varfarina é administrada por via intravenosa na forma de solução aquosa, com concentração de 3,0 mg/mL. Um indivíduo adulto, com volume sanguíneo total de 5,0 L, será submetido a um tratamento com solução injetável desse medicamento. Qual é o máximo volume da solução do medicamento que pode ser administrado a esse indivíduo, pela via intravenosa, de maneira que não ocorram hemorragias causadas pelo anticoagulante? a) 1,0 mL d) 4,0 mL b) 1,7 mL e) 6,7 mL c) 2,7 mL 13. (Uesc BA) Em um volume de 1,5 L de uma mistura bicombustível álcool/gasolina, contendo 240g de álcool etílico com d = 0,8 g/cm3, a percentagem em volume do álcool corresponde a a) 48,0%. b) 30,0%. c) 20,0%. d) 16,0%. e) 13,0%. 255

A03  Expressão de concentração das soluções

A quantidade máxima de cobre, em quilogramas, que pode ser encontrada no volume considerado de cachaça artesanal produzida durante um ano no Brasil e que respeita o limite máximo de cobre nessa bebida é a) 1,5 × 102. d) 1,5 × 105. 3 b) 1,5 × 10 . e) 1,5 × 106. 4 c) 1,5 × 10 .

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A04

ASSUNTOS ABORDADOS n Expressões de concentrações

químicas

n Concentração em quantidade de matéria n Fração em quantidade de matéria n Quantidade de matéria do soluto por quilograma do solvente (molalidade) n Relação entre as concentrações

EXPRESSÕES DE CONCENTRAÇÕES QUÍMICAS Na aula anterior, estudamos as expressões de concentrações físicas, ou seja, aquelas que não dependem da massa molar do soluto. Nesta aula, estudaremos as expressões de concentrações químicas, ou seja, aquelas que dependem da massa molar do soluto. As principais expressões de concentrações químicas são a concentração em quantidade de matéria (antigamente chamada de molaridade), a concentração fração em quantidade de matéria (antigamente chamada de fração molar) e a concentração em quantidade de matéria do soluto por quilograma do solvente (antigamente chamada de molalidade).

Concentração em quantidade de matéria A concentração em quantidade de matéria é a mais conhecida dessas concentrações e também a mais empregada nos processos laboratoriais. Ela expressa a relação entre a quantidade de matéria do soluto pelo volume de solução em litros. O aluno pode encontrar em alguns livros e questões de vestibulares os termos que se usavam antigamente para concentração em quantidade de matéria e quantidade de matéria, que eram, respectivamente, molaridade e número de mol. n1

1= V

1 = M1 ⋅ V

em que V é dado em litros, obrigatoriamente. Por definição, a concentração em quantidade de matéria relaciona três grandezas: a concentração, a quantidade de matéria e o volume da solução em litros. Assim, conhecendo-se duas delas, podemos determinar a terceira.

EXEMPLO 01. Uma solução de concentração 1,1 mol L−1 significa 1,1 mol do soluto em um L de solução. Vamos determinar qual o volume de solução, sabendo que sua concentração é 2,2 mol L−1.

1 L ------------------------- 1,1 mol x ------------------------- 2,2 mol x=2L

Concentração em quantidade de matéria dos íons Algumas substâncias, quando dissolvidas em água, sofrem dissociação iônica (ou ionização), e em consequência originam íons. Com base na estequiometria de suas fórmulas, podemos determinar as concentrações em quantidades de matéria para os íons. Para isso, devemos equacionar a dissociação ou ionização do soluto e observar a proporção estequiométrica. A seguir vamos ver dois exemplos. A xBy → x Ay+ (aq) 11 256

y Bx− (aq) a y1

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

EXEMPLO 02. Supondo o soluto totalmente dissociado, vamos calcular a concentração em quantidade de matéria para os íons em uma solução de 0,5 mol/L de Na2CO3. →

Dissociação:

1 Na2CO3(aq)

Proporção:

1 mol

2 mol

1 mol

Solução:

1 × 0,5

2 × 0,5

1 × 0,5

Concentrações:

0,5 mol/L

1,0 mol/L

0,5 mol/L

2 Na+(aq)

1 CO3−2(aq)

Se o soluto não estiver totalmente dissociado (ionizado), deve-se corrigir a concentração dos íons, multiplicando a concentração pelo valor do grau de dissociação (ionização) do soluto. α A xBy  → x Ay+ (aq) + y Bx− (aq)

1α

Fração em quantidade de matéria A concentração fração em quantidade de matéria relaciona a quantidade de matéria do soluto ou do solvente pela quantidade de matéria da solução. Podemos representá-las pelas fórmulas abaixo. X1 =

n1 n1 + n2

X2 =

n2 n1 + n2

Quantidade de matéria do soluto por quilograma do solvente (molalidade) A molalidade indica a quantidade de matéria do soluto que existe em um quilograma de solvente. Obrigatoriamente, para expressar a molalidade, a massa do solvente deve ser fornecida em quilogramas.

ϖ=

n1  mol    m2  kg 

A04  Expressão de concentração químicas

Relação entre as concentrações Relação entre concentração comum e concentração em quantidade de matéria = C

m1 m1 C ;= ⇒= 1 1 V M1 ⋅ V M1

Concentração comum, densidade e título Quando relacionamos a concentração comum, também chamada de concentração em massa do soluto pelo volume da solução, a densidade da solução e o título em massa, chegamos à formula descrita a seguir: C = 1 000 d τ

257

Química

Exercícios de Fixação 01. (UFMA) O dióxido de enxofre é considerado um dos maiores poluentes industriais, e é adicionado frequentemente em sucos de frutas naturais, com a finalidade de eliminar micro-organismos e prevenir oxidações. Assumindo que uma garrafa comum contém 500 mL de suco com um teor de 2,0 x 10−3 mol/L de SO2, qual a massa de dióxido de enxofre no suco? Dados: O = 16; S = 32 a) 64 mg d) 4,0 g b) 1,0 g e) 4,0 mg c) 1,0 mg 02. (Efoa MG) A concentração de íons fluoreto determinada em uma amostra de água para uso doméstico foi de 5,0 x 10–5 mol L–1. Se uma pessoa tomou 2,0 L dessa água em um dia, a massa de fluoreto, em gramas, que essa pessoa ingeriu é igual a: a) 1,9 × 10–3 b) 9,5 × 10–4 c) 5,0 × 10–5 d) 1,0 × 10–4 e) 2,5 × 10–5

A04  Expressão de concentração químicas

03. (ITA SP) Uma determinada solução contém apenas concentrações apreciáveis das seguintes espécies iônicas: 0,10 mol/L de H+ (aq), 0,15 mol/L de Mg2+ (aq), 0,20 mol/L de Fe3+ (aq), 0,20 mol/L de SO24− (aq) e x mol/L de C− (aq). Pode-se afirmar que o valor de x é igual a: a) 0,15 mol/L b) 0,20 mol/L c) 0,30 mol/L d) 0,40 mol/L e) 0,60 mol/L 04. (UFPel RS) Segundo algumas orientações nutricionais, a dose diária recomendada de vitamina C (C6H8O6), a ser ingerida por uma pessoa adulta, é de 2,5 ⋅ 10–4 mol. Se uma pessoa consome, diariamente, uma cápsula de 440 mg dessa vitamina, a dose consumida por esse paciente é X vezes maior do que a recomendada. Nesse caso, X equivale a a) 8 vezes. b) 3 vezes. c) 10 vezes. d) 20 vezes. e) 7 vezes. 05. (UFF RJ) A glicose, com fórmula estrutural C6H12O6, é um açúcar simples e é também a principal fonte de energia para os seres humanos e outros vertebrados. Açúçares mais

258

complexos podem ser convertidos em glicose. Numa série de reações, a glicose combina-se com o oxigênio que respiramos e produz, após muitos compostos intermediários, dióxido de carbono e água com liberação de energia. A alimentação intravenosa hospitalar consiste usualmente em uma solução de glicose em água com adição de sais minerais. Considere que 1,50 g de glicose sejam dissolvidos em 64,0 g de água. Para essa solução, calcule a molalidade e as frações molares da glicose e da água. Em seguida, some os valores obtidos. Como resposta, temos a) 1,10. d) 1,13. b) 1,11. e) 1,14. c) 1,12. 06. (UFRGS RS) Soluções formadas por constituintes líquidos costumam ter sua concentração expressa em porcentagem de volume. Em soluções alcoólicas, essa porcentagem é indicada em °GL (graus Gay-Lussac). No rótulo de um vinho produzido na serra gaúcha, lê-se que o teor de álcool (etanol) é de 13 °GL. Isso significa que, a) em 130 mL desse vinho, existem 100 mL de etanol. b) em 870 mL desse vinho, existem 100 mL de etanol. c) em 870 mL desse vinho, existem 130 mL de etanol. d) em 1 000 mL desse vinho, existem 130 mL de etanol. e) em 1 000 mL desse vinho, existem 870 mL de etanol. 07. (Mackenzie SP) Uma solução aquosa de ácido sulfúrico, com densidade igual a 1,400 g ⋅ mL–1, apresenta 70% em massa de soluto. A concentração, expressa em mol por litro, para essa solução será igual a Dado: H = 1, O = 16 e S = 32. a) 8 mol ⋅ L–1. b) 9 mol ⋅ L–1. c) 10 mol ⋅ L–1. d) 11 mol ⋅ L–1. e) 12 mol ⋅ L–1. 08. (UECE) O brometo de hidrogênio é um gás tóxico, causador de queimaduras, pneumonia química e edema pulmonar, mas é matéria-prima para a fabricação de outros brometos de larga aplicação na indústria farmacêutica. Ele é obtido industrialmente por meio de uma reação de brometo de sódio com ácido fosfórico. Se em uma reação forem utilizados 1 750 g de ácido, cujo grau de pureza é 30% e a massa específica é 1,20 g/mL, o volume de ácido fosfórico a ser empregado será, aproximadamente, a) 0,44 L. b) 1,32 L. c) 2,64 L. d) 4,86 L.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares

02. (UFRN) O cloreto de sódio (NaC), em solução aquosa, tem múltiplas aplicações, como, por exemplo, o soro fisiológico, que consiste em uma solução aquosa de cloreto de sódio (NaC) a 0,092% (m/v) . Considerando-se a densidade da solução de soro fisiológico igual a 1,0g/mL, a quantidade de cloreto de sódio presente em um litro de soro fisiológico é: a) 0,0092 g b) 9,2 g c) 0,092 g d) 0,92 g 03. (FPS PE) O carbonato de sódio, Na2CO3, é um composto sólido, de cor branca, também conhecido como soda ou barrilha que pode ser utilizado na produção de vidro, na fabricação de sabões, detergentes, corantes, papéis, etc. Se 21,2 g de Na2CO3 forem dissolvidos em água suficiente para dar 1 000 mL de solução, quais serão as concentrações, em mol.L–1, de Na2CO3 e dos íons sódio e carbonato em solução, respectivamente? Considere as seguintes massas atômicas molares (g.mol–1): Na = 23; O = 16; H = 1 e C = 12. a) 0,20; 0,40; 0,20 b) 0,40; 0,20; 0,20 c) 0,25; 0,125; 0,125 d) 0,25; 0,25; 0,25 e) 0,35; 0,35; 0,175 04. (UFMS) Existe no mercado um produto denominado “casco de cavalo”, utilizado para tornar as unhas mais duras e resistentes; um de seus componentes é o aldeído de menor massa molar. A respeito desse aldeído, é correto afirmar que: 01. Sua fórmula molecular é CH4O. 02. A massa de meio mol desse aldeído é igual a 15 g. 04. Sua redução pode produzir uma cetona, enquanto que sua oxidação pode produzir um ácido carboxílico.

08. Sua fórmula estrutural é trigonal planar, devido à presença de carbono com hibridação sp2. 16. Esse aldeído apresenta alto ponto de ebulição, devido à presença de ligações de hidrogênio entre suas moléculas. 05. (Udesc SC) Uma solução contém 15,0 g de cloreto de sódio dissolvidos em 145 g de água. A fração molar do cloreto de sódio é: a) 0,20 b) 0,80 c) 0,048 d) 0,97 e) 0,031 06. (Univag MT) Devido à sua propriedade germicida, o permanganato de potássio (KMnO4) pode ser empregado no tratamento de feridas. A massa necessária desse germicida para preparar 2,5 L de solução 0,02 mol/L é, em gramas, igual a a) 1,3. b) 9,2. c) 22,4. d) 39,5. e) 7,9. 07. (UFRGS RS) O trióxido de arsênio, As2O3, é utilizado como quimioterápico no tratamento de alguns tipos de leucemia mieloide aguda. O protocolo de um determinado paciente indica que ele deva receber uma infusão intravenosa com 4,95 mg de trióxido de arsênio, diluídos em soro fisiológico até o volume final de 250 mL. A concentração em mol/L de trióxido de arsênio na solução utilizada nessa infusão é a) 1,0 × 10–1 b) 2,5 × 10–2 c) 1,0 × 10–4 d) 2,5 × 10–5 e) 1,0 × 10–6 08. (Fameca SP) A concentração de etanol no álcool diluído para uso doméstico é de 46º INPM que correspondem a 46 % (em massa). Logo, a quantidade, em mol, de etanol existente em 1 kg desse álcool diluído, é a) 46. b) 23. c) 18. d) 10. e) 1.

259

A04  Expressão de concentração químicas

01. (Unitau SP) A água potável consumida em vários municípios brasileiros é tratada com fluoreto 1ppm. Isso significa que a concentração molar aproximada desse fluoreto na água é Dados: massa atômica do flúor = 19 a) 100 m mol.L–1. b) 50 m mol.L–1. c) 50 µ mol.L–1. d) 100 µ mol.L–1. e) 150 µ mol.L–1.

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de A p rof u n dam en t o 01. (IME RJ) Sobre um sol, também chamado por muitos de solução coloidal, pode-se afirmar que: a) Como toda solução, possui uma única fase, sendo, portanto, homogêneo. b) Possui, no mínimo, três fases. c) Assemelha-se a uma suspensão, diferindo pelo fato de necessitar um tempo mais longo para precipitar suas partículas. d) É ao mesmo tempo uma solução e uma suspensão, porque, embora forme uma fase única, deixado tempo suficientemente longo, formam-se duas fases, precipitando-se uma delas. e) Possui duas fases, sendo, portanto, heterogêneo. 02. (ITA SP) Durante a utilização de um extintor de incêndio de dióxido de carbono, verifica-se formação de um aerossol esbranquiçado e também que a temperatura do gás ejetado é consideravelmente menor do que a temperatura ambiente. Considerando que o dióxido de carbono seja puro, assinale a opção que indica a(s) substância(s) que torna(m) o aerossol visível a olho nu. a) Água no estado líquido. b) Dióxido de carbono no estado líquido. c) Dióxido de carbono no estado gasoso. d) Dióxido de carbono no estado gasoso e água no estado líquido. e) Dióxido de carbono no estado gasoso e água no estado gasoso. 03. (Uerj RJ) Um laboratorista precisa preparar 1,1 kg de solução aquosa saturada de um sal de dissolução exotérmica, utilizando como soluto um dos três sais disponíveis em seu laboratório: X, Y e Z. A temperatura final da solução deverá ser igual a 20 °C. Observe as curvas de solubilidade dos sais, em gramas de soluto por 100 g de água: Z

solubilidade

50 40 Y 30 20 10 Y 0

260

30 40 temperatura (°C)

A massa de soluto necessária, em gramas, para o preparo da solução equivale a: a) 100 b) 110 c) 300 d) 330 04. (UFV MG) O gráfico a seguir mostra a solubilidade de alguns sais, em gramas do soluto/100mL de água, em função da temperatura: solubilidade (g/100 mL) 120

Pb(NO3)2

100 80

60 40 NaC

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

t° C

Baseando-se nesse gráfico, responda às questões a seguir: a) Qual o sal cuja solubilidade sofre um maior efeito da temperatura, no intervalo de 60 °C a 100 °C? a) Pb(NO3)2 b) Qual o sal cuja solubilidade sofre um menor efeito da temperatura, no intervalo de 60 °C a 100 °C? b) NaC c) Qual a temperatura em que o NaC e o KC apresentam a mesma solubilidade? c) 30 °C d) Qual a menor quantidade de água, a 60 °C, necessária para dissolver completamente 200 g de Pb(NO3)2? d) 500mL de água 05. (UCS RS) O “Mal de Minamata”, uma síndrome neurológica associada à contaminação por mercúrio, foi observada pela primeira vez em 1956, em moradores das vizinhanças da baía de Minamata (Japão) cuja dieta alimentar era baseada em peixes e frutos do mar. Em uma investigação conduzida pelo governo japonês, foram encontrados resíduos de uma substância à base de mercúrio(II) presente nos efluentes de uma indústria química da Região. Esse efluente contaminado com essa substância altamente tóxica era despejado em um rio que desaguava no mar, o que acabou provocando a contaminação da fauna marinha e, consequentemente, da população local. No total, mais de 900 pessoas morreram, devido ao envenenamento.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Supondo que uma amostra de 500 mL de um efluente de uma indústria química contenha 27 microgramas (µg) de mercúrio (II), a concentração de mercúrio(II) em partes por bilhão (ppb) será igual a

Considere que o suco gástrico é uma solução de ácido clorídri-

Dado: defluente = 1,08 g/mL

a) 0,1 mL

b) 5. c) 27. d) 50. e) 270. 06. (Unimontes MG) A falta de oxigênio pode causar danos irreversíveis para os tecidos, principalmente ao cérebro. Em casos de hipoxia, são utilizadas várias técnicas, por exemplo, o uso de uma máscara especial ou cânula nasal que fornece 4 litros de ar por minuto. Sabendo-se que o ar possui 21% V/V de oxigênio, O2, a quantidade de matéria, mols, desse gás, nas condições

Dados: Massas molares (em g mol-1): H = 1, C = 35,4 b) 1,0 mL c) 10,0 mL d) 100,0 mL e) 1000,0 mL 09. (Unifesp SP) Em intervenções cirúrgicas, é comum aplicar uma tintura de iodo na região do corpo onde será feita a incisão. A utilização desse produto deve-se à sua ação antisséptica e bactericida. Para 5 litros de etanol, densidade 0,8 g/mL, a massa de iodo sólido, em gramas, que deverá ser utilizada para obter uma solução que contém 0,50 mol de I2 para cada quilograma de álcool, será de

normais de temperatura e pressão, quando administrado a um

a) 635.

paciente durante 10 minutos, corresponde a

b) 508.

a) 0,038.

c) 381.

c) 0,066. d) 0,380. 07. (Unifor CE) A dipirona é a droga anti-inflamatória com indicação analgésica e antipirética mais utilizada no Brasil, comercializada principalmente na forma sódica em diferentes formulações farmacêuticas (solução oral, injetável, comprimidos e supositórios). Em algumas situações, a recomendação de uso é de 10 mg por quilo de peso corporal (10 mg/kg). Marque a opção que indica o volume de uma solução oral de dipirona a 50 % (m/v) que deve ser usada para atender à indicação solicitada para um peso corporal de 30 kg. a) 0,6 mL b) 1,0 mL c) 1,6 mL d) 2,5 mL e) 3,0 mL 08. (Unifor CE) Depois de deliciar-se com a culinária típica cearense: sarapatel, sarrabulho, panelada, buchada, paçoca, baião de dois, galinha à cabidela e a famosa carne de sol, sem esquecer do caranguejo, você começa a sentir uma sensação de acidez e uma leve dor no estômago; o estômago produziu mais suco gástrico ocasionando uma sensação de desconforto. Para aliviar essa sensação, pode-se tomar um antiácido, um comprimido contendo hidróxido de alumínio. Sabendo que cada comprimido neutraliza 10,9 x 10-3 mol do suco gástrico, qual será o volume de suco gástrico neutralizado pela ingestão de um comprimido?

d) 254. e) 127. 10. (Enem MEC) Analise a figura. Concentração de álcool no sangue (mg%)

b) 0,665.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

3 4 5 6 Tempo (horas)

Disponível em: http//www.alcoologia.net. Acesso em: 15 jul. 2009 (adaptado).

Supondo que seja necessário dar um título para essa figura, a alternativa que melhor traduziria o processo representado seria: a) Concentração média de álcool no sangue ao longo do dia. b) Variação da frequência da ingestão de álcool ao longo das horas. c) Concentração mínima de álcool no sangue a partir de diferentes dosagens. d) Estimativa de tempo necessário para metabolizar diferentes quantidades de álcool. e) Representação gráfica da distribuição de frequência de álcool em determinada hora do dia.

261

FRENTE A  Exercícios de A prof undamento

a) 0,5.

co a 0,4% (m/v).

FRENTE

O carvão é resultado da decomposição de matéria orgânica de origem vegetal. É um combustível fóssil amplamente utilizado na indústria.

QUÍMICA Por falar nisso Quando queimamos um combustível (gasolina, gás de cozinha...), há, além de formação de gás carbônico e de vapor de água, liberação de energia, e sua quantidade é expressa em calorias ou, usualmente, em kcal (1 000 calorias). Assim como os combustíveis, os alimentos que consumimos liberam energia durante sua queima (oxidação) no organismo (metabolismo), cuja quantidade é expressa em calorias. Nesse sentido, podemos nos referir à caloria como sendo a energia que um alimento (sólido ou líquido) possui acumulada, a qual é liberada durante a sua queima no organismo. De maneira técnica, a energia presente nos alimentos pode ser entendida como a variação de entalpia dos reagentes e produtos. Os conceitos de caloria, calor, entalpia e outros são de fundamental importância para a compreensão de assuntos ligados ao dia a dia de todos nós. Nesse contexto, o estudo da termoquímica vem ao encontro desses conceitos contribuindo para uma tomada de decisão cidadã para os consumidores. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

B01 B02 B03 B04

Introdução à termoquímica ......................................................... 264 Equações termoquímicas ............................................................. 271 Lei de Hess .................................................................................... 277 Entalpia de ligação ........................................................................ 282

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B01

ASSUNTOS ABORDADOS n Introdução à termoquímica n Energia, calor e temperatura n Definição de termoquímica n Conceitos de calor, quente e frio n Calor nas transformações químicas n Representação de reações n Calor nas transformações físicas

INTRODUÇÃO À TERMOQUÍMICA Praticamente todas as formas de energia que conhecemos dependem, direta ou indiretamente, da energia luminosa que recebemos do Sol. A fotossíntese é o processo fundamental pelo qual as plantas usam energia solar para transformar gás carbônico e água em alimentos e combustíveis. Nosso corpo depende da energia dos alimentos para executar suas funções vitais. Mesmo a energia usada nos transportes e na produção da maioria dos materiais provém de combustíveis fósseis, que, em última análise, originaram-se também por fotossíntese. A obtenção de tanta energia para consumo humano tem causado muitos problemas ambientais — a poluição nas grandes cidades, o aumento do efeito estufa e a chuva ácida, entre tantos outros.

Energia, calor e temperatura Mas o que é, afinal, a energia? O termo é de origem grega (energeia) e significa força ou trabalho. Em 1807, o físico inglês Thomas Young propôs que a energia fosse definida como capacidade para realizar trabalho, conceito que é, até hoje, amplamente utilizado. Contudo, o conceito de trabalho aqui não é o mesmo empregado em nosso cotidiano. Entendemos por trabalho a energia requerida para mover um objeto contra uma força oposta. Ao longo dessa aula, veremos também que outros conceitos, como o de calor e o de temperatura, são diferentes dos vistos em nosso dia a dia. O uso da energia para produzir trabalho só aconteceu bem mais tarde, em 1769. Foi nesse ano que o escocês James Watt (1736-1819) patenteou a primeira máquina a vapor. A conversão de calor em trabalho só foi efetivamente empregada no século XVIII. Fonte: Andy Lidstone / Shutterstock.com

Estudaremos ainda a relação direta que existe entre energia, calor e temperatura e as transformações químicas. Para isso, utilizaremos temas relacionados ao nosso cotidiano para facilitar o entendimento desses conceitos e, ao mesmo tempo, empregaremos o rigor científico que eles exigem. O desenvolvimento tecnológico exigido pela Revolução Industrial acarretou o surgimento da Termodinâmica, que tinha por objetivo o estudo dos fenômenos térmicos. A partir da Termodinâmica, os conceitos de temperatura, calor e energia passaram a ser mais bem entendidos. Atualmente, definimos esses conceitos da seguinte forma: n n

n Figura 01 - Primeira máquina a vapor construída por James Watt

264

Temperatura – grandeza que mede o grau de agitação de um corpo. Calor – é o fluxo de energia entre dois corpos ou entre duas partes de um mesmo corpo motivado pela diferença de temperaturas. Energia – é a capacidade de realizar trabalho.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Definição de termoquímica A termoquímica é a parte da química que estuda as transformações dos materiais e a quantidade de calor envolvido nessas transformações. Já definimos que, calor é a energia em trânsito entre dois corpos motivada por diferença de temperatura. Temperatura, por sua vez, é a medida do grau de agitação das partículas. E energia é a capacidade de realizar trabalho.

Conceitos de calor, quente e frio A noção cotidiana que as pessoas têm de calor, quente e frio, não segue de maneira sistemática o rigor científico. Encontrar uma pessoa que relaciona um dia de alta temperatura como um dia de muito calor, é bastante comum. A priori, um objeto, o ar atmosférico e até mesmo nosso corpo não possuem calor. Portanto, não podemos medir o calor de um objeto. Mas podemos medir o fluxo de energia que ocorre entre dois corpos em contato, ambos em temperaturas diferentes. Quanto maior a diferença de temperatura, maior o fluxo de calor. Essa medida de fluxo de energia é o que chamamos de calor. Assim, podemos dizer que calor não é um atributo da matéria, e, sim, um fluxo de energia motivado pela diferença de temperaturas. Por exemplo, quando estamos em um ambiente que se encontra a uma temperatura menor que a do nosso corpo, temos um fluxo de energia que flui do nosso corpo para o meio ambiente. Nesse caso, podemos dizer que estamos perdendo calor para o meio ambiente e percebemos isso por meio da sensação de frio. Mas isso não significa que o nosso corpo esteja mais frio ou que esteja a uma temperatura menor. Até porque nossa temperatura corpórea é constante. Houve apenas transferência de energia do nosso corpo para o meio ambiente. O contrário ocorre quando estamos em um ambiente cuja temperatura é superior à temperatura do nosso corpo. Nesse caso, temos a sensação de que está muito quente, pois a transferência de calor ocorre em sentido inverso, do meio ambiente para o nosso corpo.

Figura 02 - O fluxo de calor depende da diferença de temperatura entre nosso corpo e o meio ambiente.

Outro fato cotidiano que também gera grande confusão é a noção de quente e frio. De início, podemos dizer que quente e frio não são atributos da matéria, mas sensações. Por exemplo, experimente colocar em suas mãos dois objetos de constituição química diferentes, como um pedaço de alumínio e uma rolha de cortiça. As sensações que temos são diferentes para cada um deles. Mas por que isso ocorre? Por que temos a sensação de que o metal está frio e a rolha de cortiça não? Ou o metal está realmente mais frio que a rolha de cortiça?

Fonte: wikimedia commons / Dave Minogue Fonte: Wikimediacoomns

265

B01  Introdução à termoquímica

Figura 03 - Dependendo da condutividade térmica dos matérias, temos diferentes sensações ao tocá-los.

Química

A explicação a essas duas sensações nos reporta ao estudo da condutibilidade térmica dos materiais. Tanto a rolha de cortiça, quanto a folha de alumínio estão à mesma temperatura – temperatura ambiente - e inferior à temperatura do nosso corpo, mas as sensações de quente e frio são diferentes. A condutibilidade térmica dos materiais depende de diversos fatores como área, comprimento, diferença de temperatura e constituição química do material. No nosso modelo explicativo, vamos utilizar apenas a constituição do material, pois admitiremos as demais grandezas como sendo iguais para os dois. Essas grandezas podem ser relacionadas em uma fórmula matemática como a apresentada abaixo.

φ =k

A . ∆θ L

Nessa fórmula, a constante de condutibilidade térmica do material está representada por k e quanto maior for o seu valor (caso dos metais) maior será a condutibilidade térmica do material. Por isso, os metais são chamados de bons condutores de calor, enquanto que outros materiais são ditos de maus condutores de calor. No caso da cortiça, a condutibilidade térmica é tão pequena que podemos dizer que se trata de um material do tipo isolante térmico. Calor sensível A água possui calor específico igual a 1 cal.g−1.oC−1. Isso significa que para aumentar a temperatura de agitação molecular da água em 1 oC, de 14,5 oC para 15,5 oC, devemos fornecer uma quantidade de calor igual a 1 caloria (1 cal). Dessa definição, podemos chegar à equação que permite o cálculo da quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo: Q = m ⋅ c ⋅ ∆θ, em que: Q = quantidade de calor trocado m = massa do material considerado

∆θ = variação de temperatura Como o ∆θ corresponde a uma variação de temperatura, podemos encontrar valores positivos e negativos. Valores de Q > 0 significam que o material recebeu calor – transformação endotérmica. Valores de Q < 0 significam que o material perdeu calor para – transformação exotérmica. Calor latente.

B01  Introdução à termoquímica

Calor latente é uma forma de energia térmica que se transforma em energia potencial de agregação. Por isso, altera o arranjo físico das partículas do sistema e produz mudança de estado, por exemplo, a passagem do estado sólido para o estado líquido. Experimentalmente, temos que o calor latente é diretamente proporcional à massa do material que sofre a transformação, sendo a constante de proporcionalidade chamada de calor específico latente (L). Matematicamente, podemos representar esse processo pela equação: Q= m ⋅ L A grandeza L é denominada de calor latente. É função do material de que é feito o corpo, da temperatura em que ocorre a transformação e da mudança de estado pela qual passa o material. 266

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Vimos que calor é uma forma de energia térmica em trânsito. Durante uma reação química, também podemos verificar a presença de calor. Uma reação de combustão, por exemplo, libera calor para o meio ambiente. Mas a dissolução de alguns sais em água ocorre com absorção de calor do meio ambiente. Para transformações à pressão constante, tem-se que o calor envolvido é dado pela variação de entalpia. Com base na absorção ou liberação de calor, podemos classificar as reações químicas em endotérmicas ou exotérmicas. As reações químicas endotérmicas são aquelas que absorvem calor do meio ambiente, já as reações químicas exotérmicas liberam calor para o meio ambiente. A representação do calor que foi absorvido ou liberado por uma reação química é feita pela variação de entalpia, que é determinada por:

∆H = H(p) - H(r) , em que

∆H = Variação de entalpia H(p) = entalpia dos produtos

Em termos de representação gráfica, devemos lembrar que uma reação endotérmica absorve calor. Para isso, os produtos devem apresentar maior conteúdo energético que os reagentes. Entalpia

2N0(g)

Produtos

Reagentes

N2(g) + 02(g)

Gráfico 01 - Representação gráfica de reação endotérmica.

Nos processos exotérmicos, temos liberação de calor. A queima do carvão mineral, foto de abertura dessa aula, libera grande quantidade de calor. Representaremos o carvão mineral por C(s). Assim, na queima haverá produção de dióxido de carbono (combustão completa). A equação a seguir, descreve o processo. C(s) + O2(g) → CO2(g)

H(r) = entalpia dos reagentes Definimos entalpia como a quantidade de energia de um sistema que pode ser transformada em calor à pressão constante. É normalmente expressa em unidade de energia (joule ou caloria) por quantidade de matéria (mol). ∆H < 0 Significa que a reação liberou calor para o meio ambiente (processo exotérmico). ∆H > 0 Significa que a reação absorveu calor do meio ambiente (processo endotérmico).

Observe que a variação de entalpia é menor que zero (∆H < 0). Portanto, o processo libera calor. Para esse tipo de processo, a representação gráfica é feita de forma que a entalpia dos produtos seja menor que a entalpia dos reagentes (ilustração a seguir). Entalpia

Reagentes

C(s) + 02(g)

Representação de reações De maneira geral, podemos dizer que as transformações químicas absorvem ou liberam calor. As reações que absorvem calor são ditas endotérmicas. Por exemplo, quando colocamos gás nitrogênio para reagir com gás oxigênio e formar monóxido de nitrogênio, a reação se processa com absorção de calor. Em termos de equação química, podemos escrever: N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) A indicação de que a transformação química absorveu calor pode ser feita pela variação de entalpia na equação química (nos reagentes ou produtos) e por meio de representação gráfica. Para uma reação endotérmica, a variação de entalpia é positiva (∆H > 0). Assim, na equação química, indicamos que ela absorveu calor utilizando a variação de entalpia nos produtos da reação. N2(g) + O2(g) → 2 NO(g)

∆H > 0

∆H < 0

C02(g)

Produtos

Gráfico 02 - Representação gráfica de reação exotérmica.

Calor nas transformações físicas Toda transformação da matéria, seja ela química ou física, envolve algum tipo de calor. Nas mudanças de estado, por exemplo, também temos calores envolvidos. Durante a transformação de um sólido em um líquido, o calor envolvido é chamado de calor de fusão. Na transformação de um líquido em vapor, temos o calor de vaporização. Essas transformações absorvem calor e são ditas endotérmicas. fusão ( ∆H > 0)

 →H2O (l) H2O ( s ) ← solidificação ( ∆H < 0)

vaporizção ( ∆H > 0) → H2O (l) ← H2O ( v ) condensação ( ∆H < 0)

267

B01  Introdução à termoquímica

Calor nas transformações químicas

Química

Exercícios de Fixação 01. (Famerp SP) Analise o esquema, que representa o processo de fotossíntese.

c) o calor de vaporização da água é o calor necessário para fazer 1 kg de água líquida se transformar em 1 kg de vapor de água a 100 graus Celsius. d) um líquido pode ser superaquecido acima de sua temperatura de ebulição normal, mas de forma nenhuma nesse líquido haverá formação de bolhas. e) a água em uma panela pode atingir a temperatura de ebulição em alguns minutos, e é necessário muito menos tempo para fazer a água vaporizar completamente. 03. (UFRRJ) Desde a pré-história, quando aprendeu a manipular o fogo para cozinhar seus alimentos e se aquecer, o homem vem percebendo sua dependência cada vez maior das várias formas de energia. A energia é importante para uso

(http://portaldoprofessor.mec.gov.br)

É correto afirmar que a fotossíntese é uma reação: a) Endotérmica, que produz 2 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. b) Endotérmica, que produz 6 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. c) Endotérmica, que produz 1 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. d) Exotérmica, que produz 1 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. e) Exotérmica, que produz 2 mol de moléculas de oxigênio para cada mol de moléculas de gás carbônico consumido. 02. (Enem MEC) A Constelação Vulpécula (Raposa) encontra-se a 63 anos-luz da Terra, fora do sistema solar. Ali, o planeta gigante HD 189733b, 15% maior que Júpiter, concentra vapor de água na atmosfera. A temperatura do vapor atinge 900 graus Celsius. “A água sempre está lá, de alguma forma, mas às vezes é possível que seja escondida por outros tipos de nuvens”, afirmaram os astrônomos do Spitzer Science Center (SSC), com sede em Pasadena, Califórnia, responsável pela descoberta. A água foi detectada pelo espectrógrafo infravermelho, um aparelho do telescópio espacial Spitzer. B01  Introdução à termoquímica

Correio Braziliense, 11 dez. 2008 (adaptado).

De acordo com o texto, o planeta concentra vapor de água em sua atmosfera a 900 graus Celsius. Sobre a vaporização infere-se que a) se há vapor de água no planeta, é certo que existe água no estado líquido também. b) a temperatura de ebulição da água independe da pressão, em um local elevado ou ao nível do mar, ela ferve sempre a 100 graus Celsius.

268

industrial e doméstico, nos transportes etc. Existem reações químicas que ocorrem com liberação ou absorção de energia, sob a forma de calor, denominadas, respectivamente, como exotérmicas e endotérmicas. Observe o gráfico a seguir e assinale a alternativa correta:

a) O gráfico representa uma reação endotérmica. b) O gráfico representa uma reação exotérmica. c) A entalpia dos reagentes é igual à dos produtos. d) A entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes. e) A variação de entalpia é maior que zero. 04. (UEM PR) Quando uma amostra sólida de hidróxido de sódio é dissolvida em água formando 100,0 g de solução, a temperatura dessa solução aumenta de 26 °C para 49 °C. O ∆H (em kJ) para essa dissolução, assumindo que o calor específico da solução seja igual a 1 cal g–1 °C–1 será, aproximadamente: (Obs.: considere que 1 cal = 4,18 J e que a dissolução ocorre à pressão constante.) a) 9 615 b) 9 600 c) 38 450 d) 0,0384 e) 3 840

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares 01. (IFGO) O acetileno, conhecido pela nomenclatura IUPAC por etino, apresenta uma queima extremamente exotérmica, o qual é bastante utilizado em processos de soldagem, corte de metais por maçarico e em diversos processos que requeiram alta temperatura. Sua reação de decomposição pode ser representada pela seguinte equação balanceada: C2H2(g) → 2C(s) + H2(g)

∆H = –226 kJ.mol–1

Em relação a essa equação, é correto afirmar que: a) Há uma liberação de calor, constituindo-se uma reação endotérmica. b) 2 mol de acetileno produzem 226 kJ.mol–1 de calor.

Analise, quanto à veracidade (V) ou falsidade (F), as proposi-

c) A entalpia dos produtos é igual à dos reagentes. d) Ocorre a liberação de calor, constituindo-se uma reação

ções abaixo, com base na reação química de combustão do gás hidrogênio.

exotérmica. e) Invertendo-se a equação, a quantidade de calor envolvida na reação e o sinal da entalpia não se alteram.

( ) Ocorre liberação de calor, ou seja, o processo é exotérmico. ( ) Ocorre absorção de calor, ou seja, o processo é endotérmico. ( ) Os reagentes ganham calor ao se converter em água.

02. (UEG GO) O gráfico a seguir representa a variação de entalpia para uma reação genérica que pode levar à formação dos produtos P1 e P2 a partir do reagente R.

Fonte: USBERCO, J.; SALVADOR, J. Química, 2: físico-química. 9. ed. São Paulo: Saraiva, 2005. p. 146.

( ) O calor envolvido na formação de 180 g de água é de 2416 kJ. Assinale a alternativa que preenche corretamente os parênteses, de cima para baixo. a) V – F – V – F b) F – V – V – V c) F – V – F – V d) F – V – V – F e) V – F – F – V

A análise do gráfico permite concluir que a a) reação libera energia para produção de P1. b) produção de P2 é um processo endotérmico. c) variação de entalpia para formação de P1 é y. d) reação que leva a P2 ocorre com maior rendimento. 03. (UCS RS) Atualmente, a indústria automobilística busca o desenvolvimento de motores que utilizam combustíveis alternativos (GNV, álcool, biodiesel, gás hidrogênio). Dentre esses, o H2 é considerado o combustível que não causa poluição. O gráfico a seguir representa a combustão do gás hidrogênio.

Disponível em: <www1.folha.uol.com.br/ciencia/1082301-mudanca-climatica-acelera-ciclo-da-chuva.shtml>. Acesso em: 29 abr. 2012.

Durante o processo de evaporação da água, ocorre a diminuição da temperatura do ar, embora isso não seja suficiente para restaurar a temperatura atmosférica superaquecida.

269

B01  Introdução à termoquímica

04. (FM Petrópolis RJ)

Química

A evaporação da água promove isso, pois o calor latente de a) fusão promove a mudança para a fase líquida, numa reação exotérmica. b) ebulição promove a mudança para a fase sólida, numa reação exotérmica. c) solidificação promove a mudança para a fase sólida, numa reação endotérmica. d) vaporização promove a mudança para a fase gasosa, numa reação endotérmica. e) liquefação promove a mudança para a fase gasosa, numa reação exotérmica. 05. (Unicastelo SP) Analise o diagrama de entalpia abaixo. +

–

Na (g) + C (g)

a) A desidratação é endotérmica e ocorre com formação de ligações de hidrogênio. b) O congelamento é exotérmico e ocorre com ruptura e formação de ligações de hidrogênio. c) O congelamento é endotérmico e ocorre com ruptura e formação de ligações de hidrogênio. d) Ambas são isotérmicas e ocorrem com ruptura e formação de ligações de hidrogênio. e) A desidratação é exotérmica e ocorre com ruptura de ligações de hidrogênio. 07. (UEAM) Sob o chão, câmaras eram usadas para armazenar gelo que, com o vento que vinha por meio de tubos do lado de fora, saía por debaixo das cadeiras e servia como o ar-condicionado da época. Segundo os administradores do local, o gelo, na verdade, era neve que vinha de navio da Europa. (www.gazetaonline.globo.com)

H2 Na(g) + 1/2C 2(g)

entalpia

H1 H5

Na(s) + 1/2C 2(g) H3 Na(s) + 1/2C 2( )

H4 NaC (s)

B01  Introdução à termoquímica

São transformações endotérmicas: a) vaporização do cloro líquido e formação do cloreto de sódio sólido. b) liquefação do cloro gasoso e vaporização do cloreto de sódio sólido. c) liquefação do cloro gasoso e ionização do sódio sólido. d) ionização do sódio gasoso e vaporização do cloreto de sódio sólido. e) solidificação do sódio gasoso e ionização do cloro gasoso. 06. (UEAM) Nos processos de congelamento e desidratação da polpa do açaí, ocorrem, respectivamente, as seguintes transformações: Congelamento: H2O () → H2O (s); ∆H < 0 Desidratação: H2O () → H2O (g); ∆H > 0 Analisando as duas transformações, pode-se concluir corretamente que:

270

O princípio de funcionamento dessa espécie de ar-condicionado baseia-se no fato de o gelo sofrer uma a) decomposição exotérmica, que libera energia para o ambiente. b) decomposição endotérmica, que absorve energia do ambiente. c) mudança de estado exotérmica, que absorve energia do ambiente. d) mudança de estado endotérmica, que libera energia para o ambiente. e) mudança de estado endotérmica, que absorve energia do ambiente. 08. (Unicamp SP) Hot pack e cold pack são dispositivos que permitem, respectivamente, aquecer ou resfriar objetos rapidamente e nas mais diversas situações. Esses dispositivos geralmente contêm substâncias que sofrem algum processo quando eles são acionados. Dois processos bastante utilizados nesses dispositivos e suas respectivas energias estão esquematizados nas equações 1 e 2 apresentadas a seguir. NH4NO3(s) + H2O() → NH4+(aq) + NO3–(aq) ∆Η = 26 kJ mol–1 1 CaC2(s) + H2O() → Ca2+(aq) + 2 C– (aq) ∆Η = –82 kJ mol–1

De acordo com a notação química, pode-se afirmar que as equações 1 e 2 representam processos de a) dissolução, sendo a equação 1 para um hot pack e a equação 2 para um cold pack. b) dissolução, sendo a equação 1 para um cold pack e a equação 2 para um hot pack. c) diluição, sendo a equação 1 para um cold pack e a equação 2 para um hot pack. d) diluição, sendo a equação 1 para um hot pack e a equação 2 para um cold pack.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B02

EQUAÇÕES TERMOQUÍMICAS

ASSUNTOS ABORDADOS

Conhecido entre os jogadores como "spray mágico", o aerossol gelado, utilizado nos primeiros socorros em gramados e quadras, tem se tornado cada vez mais popular não apenas entre profissionais, mas também entre os atletas de fim de semana. E isso, segundo médicos, requer cuidado. "Nesse tipo de dispositivo, há elementos tóxicos", diz especialistas no assunto. Enquanto há alguns relativamente "naturais" no mercado, à base de cânfora e mentol, muitos outros contêm cloroetano, substância muito utilizada como aditivo químico na gasolina e que pode ser intoxicante quando aplicada incorretamente. Por segurança, é preciso segurar o spray pelo menos 30 centímetros longe do local aplicado e não colocar o produto em contusões abertas.

n Equações termoquímicas n Representação de equações termoquímicas n Equações termoquímicas exotérmicas n Equações termoquímicas endotérmicas n Tipos de entalpia de reação

A maioria dos sprays é utilizada para combater a dor oriunda de lesões que têm relação com a atividade física. O "congelamento" da lesão permite que os jogadores voltem à partida o mais rápido possível. E esse é outro grande problema, dizem os médicos. "Você pode obter o efeito refrescante com uma bolsa de gelo, mas o spray é mais frio e, por isso, mais perigoso. E o que você quer é curar a lesão". O resfriamento extra não apenas ajuda os atletas a retornarem mais rapidamente ao jogo, mas também tem uma logística mais conveniente em relação ao saco de gelo. Dessa forma (com o spray), o jogador não precisa sentar e ficar um tempo parado, fora de ação. Vimos que os "Sprays mágicos" requerem grandes cuidados na aplicação. Há, também, no mercado dispositivos chamados de bolsas térmicas que podem ser utilizadas nas contusões. Essas bolsas são dispositivos capazes de “liberar calor sozinho”. Basta o usuário acionar uma pequena placa metálica flexível que existe no interior da bolsa para dar início ao processo de aquecimento. Feito isso, o líquido que preenche a bolsa vai se cristalizando e a temperatura aumenta até atingir 50 °C. No rótulo do produto leem-se as informações: n n n

Contém acetato de sódio. Pressione o disco metálico, antes de usar. Para usar novamente, aqueça a bolsa em água fervente.

Figura 01 - À esquerda, spray mágico sendo aplicado em jogador de futebol; à direita, modelos de bolsas térmicas disponíveis no mercado para comercialização.

271

Química

Como podemos representar por uma equação química o processo de liberação de calor pela bolsa térmica? Trata-se de um processo químico ou físico? Para facilitar o entendimento desses questionamentos, faremos o estudo das equações termoquímicas.

Representação de equações termoquímicas A representação de uma transformação química é feita por meio de equações. No caso do acetato de sódio em água, temos um processo de dissolução seguido de solvatação dos íons.

A dissolução do acetato de sódio em água e solvatação dos íons estão representados a seguir: água H3C − COO−(aq) + Na+(aq) ∆H < 0 H3C − COONa(s) →

Uma equação química passa a ser denominada de equação termoquímica quando se acrescenta a ela fatores como: coeficientes estequiométricos, estado físico dos reagentes e dos produtos, meio reacional (aquoso ou gasoso) fase alotrópica utilizada, pressão e temperatura em que a transformação foi realizada, além, é claro, da variação de energia. No caso do acetato de sódio, podemos representar sua equação termoquímica da seguinte forma: água H3C − COONa(s) → H3C − COO−(aq) + Na+(aq) ∆H < 0

Equações termoquímicas exotérmicas Dizemos que uma transformação é exotérmica quando ela libera calor. Por exemplo, a combustão do etanol é um processo exotérmico.

se trata de uma equação termoquímica, é importante deixar claro o tipo de variação de entalpia, se essa variação foi de formação, de neutralização ou de combustão etc. Nesta aula, faremos o estudo das entalpias-padrão de neutralização e de formação. Em aulas posteriores, estudaremos outros casos de entalpias-padrão. Entalpia-padrão de neutralização Chamamos de entalpia-padrão de neutralização a variação de entalpia (∆Ho) desenvolvida na neutralização de um mol de íons H+ por um mol de íons OH− em condições padrão e diluição máxima. O fato de se utilizar o maior grau de diluição se faz necessário para que ocorra o máximo de ionização do ácido e o máximo de dissociação da base. Para eletrólitos fortes, o calor de neutralização é máximo e tem valor próximo de 13,8 kcal/mol de íons H+ e OH− neutralizados. Na equação a seguir, temos a neutralização do ácido clorídrico (HC) pelo hidróxido de sódio (NaOH). Uma vez que se trata de eletrólitos fortes, o calor de neutralização é de 13,8 kcal/mol. HC(aq) + NaOH(aq)  → NaC(aq) + H2O() ∆Ho = −13,8 kcal / mol Da mesma forma, podemos representar a reação de neutralização do ácido sulfúrico (H2SO4) pelo hidróxido de sódio (NaOH). Contudo, devemos lembrar que são necessários dois mol de base (2 NaOH) para neutralizar os dois mol de íons H+ produzidos na ionização do ácido sulfúrico. Lembre-se de que o ácido sulfúrico é um diácido. Por isso, o calor liberado no processo de neutralização é o dobro da reação de neutralização do ácido clorídrico pelo hidróxido de sódio. H2SO4(aq) + 2 NaOH(aq)  → Na2SO4(aq) + 2 H2O() ∆Ho = −27,6 kcal / mol

1 C2H5OH() + 3 O2(g)  → 2 CO2(g) + 3 H2O() ∆H < 0

Equações termoquímicas endotérmicas

B02  Equações termoquímicas

Dizemos que uma transformação é endotérmica quando ela absorve calor. Por exemplo, a formação do trióxido de dinitrogênio é um processo endotérmico. 2 N2(g) + 3 O2(g)  → 2 N2O3(g)

∆H > 0

Figura 02 - O ácido sulfúrico é um ácido mineral altamente corrosivo forte com a fórmula molecular H2SO4. O nome histórico desse ácido é o óleo de vitríolo.

Tipos de entalpia de reação

Entalpia-padrão de formação

Quando estabelecemos uma equação química, podemos fazê-la para diversos tipos de reações químicas. Por exemplo, a equação de formação de uma substância, ou a equação de neutralização de um ácido por uma base. Contudo, quando

Chamamos de entalpia-padrão de formação a variação de entalpia ( ∆Hof ) desenvolvida na formação de um mol de uma substância a partir das substâncias simples em condições padrão.

272

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Condições padrão: n Trata-se de uma condição arbitrária em que o valor referencial de entalpia-padrão de formação dos elementos químicos é igual a zero. Os valores referenciais são: n Pressão de 1 atm; n Temperatura de 25 oC; n Forma alotrópica mais estável para a substância. A seguir, temos alguns casos de entalpia-padrão de formação. No primeiro exemplo, temos a formação gás metano; no segundo, a formação do sulfeto de carbono e no terceiro exemplo, temos a formação do etanol. C(grafite) + 2H2(g)  → CH4(g)

∆Hof = −17,9 kcal / mol

C(grafite) + S(rômbico)  → CS2() 1 C(grafite) + H2(g) + O2(g)  → C2H5OH() 2

∆Hof = +21,0 kcal / mol ∆Hof = −277,7 kcal / mol

Entalpias-padrão de formação (25 oC, 1 atm) em kJ⋅mol−1 (valores aproximados) Substância

∆Hof

Substância

∆Hof

A2O3(s)

−1675

H2O(g)

-242

CO2(g)

−393

NH3(g)

-46

CaO(s)

−635

C2H6O()

-278

HC(g)

−93

C2H4(g)

+53

H2O()

−286

Fe2O3(s)

-824

Fonte externa: Universo da Química; Bianchi, Albrecht e Daltamir. Coleção Delta, Vol Único, FTD, pág 388

Cálculo de ∆H a partir das entalpias de formação Numa transformação química, podemos identificar dois tipos de substâncias: os reagentes e os produtos. Tendo por base a variação de entalpia-padrão de formação dessas substâncias, podemos determinar a variação de entalpia da reação. Como exemplo, vamos determinar a entalpia de combustão do metano em condições-padrão a partir das entalpias de formação das substâncias. Para isso, o primeiro passo é estabelecer a equação química devidamente balanceada, no caso a combustão do metano: 1 CH4(g) + 2 O2(g) → 1 CO2(g) + 2 H2O(v)

∆H = ?

Dados : Entalpia de formação em kcal.mol-1 -74,8; ∆H0f ( CH4 ) = zero; ∆H0f ( O2 ) = ∆H0f ( CO )2 = −393,5; B02  Equações termoquímicas

∆H0f (H2O ) = −285,8

∆HReação = HProdutos − HReagentes

∆HReação = ( ∆H0f ( CO )2 + ∆H0f (H2O ) ) − ( ∆H0f ( CH4 ) + ∆H0f ( O2 ) ) ∆HReação = ( −393,5 - 571,6 ) − ( -74,8 + zero ) ∆HReação = −890,3 kcal / mol CH4

273

Química

Exercícios de Fixação 01. (IF GO) A entalpia-padrão de uma substância é definida para

Dados:

certas condições de temperatura e pressão constante. Nes-

∆H1 = –393,1 kJ/mol

sas condições, para substâncias simples como o O2 e N2, a

∆H2 = –395,0 kJ/mol

entalpia apresenta sempre um valor a) menor que 100.

Ante o exposto, conclui-se que a conversão de diamante em

b) igual a 100.

grafite envolve

c) igual a zero.

a) absorção de 1,9 kJ/mol.

d) maior que zero.

b) liberação de 1,9 kJ/mol.

e) diferente para cada substância.

c) absorção de 788 kJ/mol. d) liberação de 788 kJ/mol.

02. (GF RJ) Considere a afirmativa: “A combustão de 1 mol de álcool etílico, produzindo CO2 e

e) absorção de 395 kJ/mol. 05. (Unirio RJ) A quantidade de calor em kcal formado pela

H2O, libera 325 kcal.”

combustão de 221,0 g de etino, a 25 °C, conhecendo-se as A equação química que corresponde a essa afirmativa é:

entalpias (∆H) de formação do CO2(g), H2O(), e etino(g), é

a) C6H6() + 15/2 O2(g) → 6 CO2(g) + 3 H2O() ∆H = -325kcal

aproximadamente:

b) C6H6O() + 3 O2(g) → 3 CO2(g) + 2 H2O()

∆H = -325kcal

c) C6H6O2() + 5/2 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O() ∆H = +325kcal

Dados:

d) C6H6() + 15/2 O2(g) → 6 CO2(g) + 3 H2O(g) ∆H = +325kcal

Entalpia-padrão de formação

e) C2H4() + 5/2 O2(g) → 2 CO2(g) + 2 H2O(g) ∆H = -325kcal

CO2(g)............................. -94,1 kcal/mol

03. (Puc RS) O suor é necessário para manter a temperatura do corpo humano estável. Considerando que a entalpia de formação da água líquida é –68,3 kcal/mol e a de formação do vapor de água é de –57,8 kcal/mol e desconsiderando os íons presentes no suor, é correto afirmar que na eliminação de 180 mL de água pela transpiração são a) liberadas 10,5 kcal. b) absorvidas 105 kcal.

H2O()............................. -68,30kcal/mol C2H2(g)........................... +54,20kcal/mol a) – 2640,95 kcal b) – 1320,47 kcal c) – 880,31 kcal d) – 660,23 kcal e) – 528,19 kcal

c) liberadas 126,10 kcal.

06. (Mackenzie SP) O cicloexano (C6H12) é um hidrocarboneto

d) absorvidas 12,61 kcal.

líquido à temperatura ambiente, insolúvel em água, que

e) absorvidas 1050 kcal.

pode ser obtido pela redução com hidrogênio, na presença

04. (UFG GO) A alotropia dos elementos químicos afeta a entalpia da reação. Duas das formas alotrópicas do carbono são o grafite e o diamante. Observe o diagrama de entalpia a seguir.

de um catalisador e pressão adequados, a partir do benzeno, apresentando valor de entalpia-padrão de formação igual a –156 kJ.mol–1. Sabendo-se que as entalpias-padrão de formação, da água líquida e do dióxido de carbono gasoso são, respectivamen-

B02  Equações termoquímicas

te, –286 kJ.mol–1 e –394 kJ.mol–1, pode-se afirmar que a entalpia-padrão de combustão do cicloexano é de a) – 524 kJ.mol–1. b) – 836 kJ.mol–1. c) – 3924 kJ.mol–1. d) – 4236 kJ.mol–1. e) – 6000 kJ.mol–1.

274

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares 01. (Udesc SC) A indústria siderúrgica utiliza-se da redução de minério de ferro para obter o ferro fundido, que é empregado na obtenção de aço. A reação de obtenção do ferro fundido é representada pela reação: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 Dados: Entalpia de formação ( ∆H of ) a 25 °C, kJ/mol. Fe2O3

CO2

-824,2

-110,5

-393,5

A entalpia de reação ( ∆H ro ) a 25 °C é: a) 24,8 kJ/mol b) –24,8 kJ/mol c) 541,2 kJ/mol d) –541,2 kJ/mol e) 1328,2 kJ/mol

tros materiais, o óxido de zinco, um composto químico de cor branca, pouco solúvel em água e utilizado como inibidor do crescimento de fungos em pinturas, e como pomada antisséptica na medicina. É dada a equação não balanceada: ZnS(s) + O2(g) → ZnO(s) + SO2(g) e conhecem-se os valores do calor de combustão do zinco = – 108,85 kcal/mol, e dos calores de formação do ZnS = – 44,04 kcal/mol, e do SO2 = – 71,00 kcal/mol. Com essas informações, pode-se afirmar corretamente que o calor de formação do óxido de zinco será, em kcal/mol,

02. (Unificado RJ) Sejam os dados abaixo: I. Entalpia de formação da H2O() = − 68 kcal/mol II. Entalpia de formação do CO2(g) = −94 kcal/mol III. Entalpia de combustão do C2H5OH() = −327 kcal/mol A entalpia de formação do etanol será: a) 15,5 kcal/mol b) 3,5 kcal/mol c) -28 kcal/mol d) -45 kcal/mol e) -65 kcal/mol 03. (Unimontes MG) O bicarbonato pode ser utilizado para apagar pequenos incêndios, em função da liberação de gás carbônico, conforme a equação: 2 NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O() + CO2(g) Utilizando os dados de entalpia-padrão de formação dessas substâncias,

aproximadamente a) – 83,56. b) – 41,78. c) – 62,67. d) – 167,12. 05. (Unimontes MG) O pentaborano-9, B5H9, é um líquido inflamável e, quando exposto ao oxigênio, pode explodir. A reação de combustão do pentaborano-9 segue representada pela equação: 2 B5H9() + 12 O2(g) → 5 B2O3(s) + 9 H2O(). Utilizando os valores de entalpia-padrão de formação ( ∆H ro ), kJ/mol, B2O3 (–1263,6), H2O (–285,8), B5H9 (73,2), pode-se afirmar que o calor liberado por grama de pentaborano-9 é de, aproximadamente: a) 71,6 kJ/g. b) 90,37 kJ/g. c) 63,12 kJ/g. d) 78,2 kJ/g. 06. (UESPI) Na produção de álcool combustível, uma das etapas importantes é a chamada fermentação. Para isso, qualquer produto que contenha uma boa quantidade de carboidratos pode ser considerado como matériaprima para obtenção de álcool pela via fermentativa.

Substâncias

∆H of (kJ / mol)

NaHCO3(s)

-947,0

Na2CO3(s)

-1130,0

H2O()

-286,0

carbônico e do álcool, são respectivamente, – 302, – 94 e –

CO2(g)

-394,0

66 kcal/mol, essa fermentação (C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2)

pode-se afirmar que a reação é a) exotérmica e apresenta valor de ∆Ho = – 84 kJ. b) endotérmica e apresenta valor de ∆Ho = 84 kJ. c) endotérmica e apresenta valor de ∆Ho = 680 kJ. d) exotérmica e apresenta valor de ∆Ho = – 680 kJ.

Considerando que os calores de formação da glicose, do gás

ocorre com: a) absorção de 13 kcal/mol de glicose. b) liberação de 13 kcal/mol de glicose. c) absorção de 18 kcal/mol de glicose. d) liberação de 18 kcal/mol de glicose. e) liberação de 26 kcal/mol de glicose.

275

B02  Equações termoquímicas

∆H 0f (kJ / mol)

04. (UECE) A combustão do sulfeto de zinco produz, entre ou-

Química

07. (UEPB) O acetileno (etino) é um gás que, ao ser queimado, atinge altas temperaturas e, por isso, tem aplicação em processos de soldas de metais. Esse gás pode ser produzido industrialmente a partir do etano, conforme a equação: C2H6(g) → C2H2(g) + 2 H2(g) A tabela a seguir apresenta alguns valores de entalpias-padrão de formação:

Substância

∆H 0f (kJ / mol)

H2 (g)

0,0

C2H6 (g)

-84,0

10. (UFT TO) A manutenção da vida dos animais depende da energia que é obtida do consumo de alimentos como carboidratos, gorduras e proteínas. No entanto, carboidratos são as principais fontes de energia dos animais, esses sofrem combustão durante a respiração celular. Deve-se observar que cada mol de glicose em processo de combustão libera 720 kcal, conforme equação abaixo:

C2H2 (g)

+228,0

C6H12O6 + 6 O2(g) → 6 CO2(g) + 6 H2O() + energia

A partir da equação e dos valores apresentados na tabela, é correto afirmar que a variação de entalpia dessa reação é: a) –312,0 kJ/mol b) +312,0 kJ/mol c) +144,0 kJ/mol d) –144,0 kJ/mol e) 228 kJ/mol 08. (IF GO) A quantidade de calor em kcal formado pela combustão de 156,0 g de etino, a 25 °C, conhecendo-se as entalpias (∆H) de formação do CO2(g), H2O(), e etino(g), é aproximadamente: Dados: Entalpias-padrão de formação CO2(g)............................. –94,1kcal.mol–1 H2O()............................. –68,30kcal.mol–1 C2H2(g)............................ +54,20kcal.mol–1

B02  Equações termoquímicas

a) –1864,20 kcal. b) –1320,47 kcal. c) –2640,95 kcal. d) + 2640,95 kcal. e) + 528,19 kcal. 09. (Ibmec RJ) Para se conhecer a energia liberada ou absorvida por uma reação química, pode-se manipular equações de modo que o resultado da soma das mesmas represente a reação que se deseja. Assim, a partir de valores de ∆H já estabelecidos, pode-se obter o valor do ∆H da reação que se procura. Conhecendo os valores de ∆ of das equações seguintes, encontre o valor do ΔH da reação de combustão do etano representada pela equação: 2 C2H6(g) + 7 O2(g) → 4 CO2(g) + 6 H2O(g) ∆Hof (C2H6 ) = −314,4kJ / mol ∆Hof (H2O) = −296,8kJ / mol ∆Hof (CO2 ) = −415,9kJ / mol

276

a) ∆H = –3444,4 kJ/mol b) ∆H = –2815,6 kJ/mol c) ∆H = 1027,1 kJ/mol d) ∆H = 2683,6 kJ/mol e) ∆H = 2815,6 kJ/mol

Determine a variação de entalpia de formação (∆Hf) do monômero glicose (C6H12O6), a partir dos valores de ∆Hf do CO2 e da H2O que são produtos da combustão desse açúcar. C(s) + O2(g) → CO2(g) H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O()

∆Hf = –95 kcal/mol ∆Hf = –70 Kcal/mol

a) ∆Hf = – 165 kcal/mol b) ∆Hf = – 25 kcal/mol c) ∆Hf = – 660 kcal/mol d) ∆Hf = – 720 kcal/mol e) ∆Hf = – 270 kcal/mol 11. (Fac. Israelita de C. da Saúde Albert Einstein SP) Dados: Entalpia de formação (∆Hθf): ∆Hθf do CO2 = –394 kJ ⋅ mol–1; ∆Hθf do C2H5OH = –278 kJ ⋅ mol–1; ∆Hθf do C3H6O3 = –678 kJ ⋅ mol–1; ∆Hθf do C6H12O6 = –1268 kJ ⋅ mol–1; A fermentação é um processo anaeróbico de síntese de ATP, fornecendo energia para o metabolismo celular. Dois dos processos de fermentação mais comuns a partir da glicose são a fermentação alcoólica e a fermentação láctica. C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH (fermentação alcoólica) C6H12O6 → 2 C3H6O3 (fermentação láctica) Sobre a energia envolvida nesses processos de fermentação, é possível afirmar que a) a fermentação láctica absorve energia enquanto que a fermentação alcoólica libera energia. b) os dois processos são endotérmicos, absorvendo a mesma quantidade de energia para uma mesma massa de glicose fermentada. c) a fermentação alcoólica libera uma quantidade de energia maior do que a fermentação láctica para uma mesma massa de glicose envolvida. d) a fermentação láctica libera uma quantidade de energia maior do que a fermentação alcoólica para uma mesma massa de glicose envolvida.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B03

LEI DE HESS

ASSUNTOS ABORDADOS

Diversas reações químicas de combustão estão presentes em nosso dia a dia. A queima dos combustíveis fósseis, por exemplo, é um tema de grande discussão em todo o mundo. Esse processo tem sido alvo de debates sobre um possível aumento da temperatura do Planeta Terra (efeito estufa). Nesse contexto, é de fundamental importância o desenvolvimento de fontes alternativas de combustíveis. Por exemplo, o etanol (álcool combustível), fonte renovável de energia.

n Lei de Hess n Entalpia-padrão de combustão n Lei de Hess

Comparando a energia liberada na combustão da gasolina (combustível fóssil) e do etanol (biocombustível), podemos fazer algumas previsões sobre qual dos dois produz mais energia e menos impactos ambientais em termos de gás de efeito estufa (CO2). Combustível

Calor de combustão (kJ.mol-1)

Gasolina (C8H18)

− 5400

Álcool (C2H6O)

− 1340

A gasolina não é uma única substância e sim uma mistura de hidrocarbonetos. Aqui, para efeito ilustrativo, adotamos um único hidrocarboneto como representante da gasolina.

1 C8H18() + 12,5 O2(g) → 8 CO2(g) + 9 H2O(v) + 5400 kJ 1 C2H6O() + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(v) + 1400 kJ Considerando que para a gasolina são produzidos 8 mol de CO2, e para o etanol apenas 2 mol, temos que a energia liberada por mol de CO2, é: 5 400 = = 675 kJ ⋅ mol−1 CO2 Gasolina: Impacto 8 = Etanol: Impacto

1 340 = 670 kJ ⋅ mol−1 CO2 2

Entalpia-padrão de combustão A entalpia-padrão de combustão ( ∆H ) de uma substância mede a quantidade de o c

calor liberado na queima de 1 mol da substância a 25 oC e pressão de 1 atm. C2H6O() + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(v)

∆Hoc = −1 339,47 kJ ⋅ mol-1

Entalpias-padrão de combustão (25oC, 1 atm) em kJ.mol-1 (valores aproximados) Substância

∆Hoc

C(grafite)

−393,5

CO(g)

−283,0

CH4(s)

−890,0

C2H6(g)

−1561

C2H8(g)

−2219

C2H10(g)

−2877

277

Química

Lei de Hess Contudo, nem sempre é possível se determinar a entalpia de uma reação química. Até porque na maioria das vezes, as reações químicas ocorrem muito rapidamente, ou muito lentamente, o que dificulta a determinação dos calores envolvidos nas transformações. Nesses casos, a saída é utilizar um método que chamaremos a partir de agora de Lei de Hess. Lei de Hess: a variação de entalpia de uma reação química depende apenas dos estados inicial e final não interessando as etapas intermediárias. Cálculo de ∆H pela Lei de Hess Por exemplo: 1 C(gr) + 2 H2(g) → CH4(g)

∆Hof = ?

Essa reação não ocorre de forma direta como escrita acima. Entretanto, podemos determinar o seu ∆Hof utilizando uma série de outras reações químicas em que os ∆Hof foram, rigorosamente, determinados. Reação − I

C(gr) + O2 (g) → CO2 (g)

∆Hof = −393,5 kJ

Reação − II

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O()

∆Hof = −571,6 kJ

Reação − III CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O() ∆Hof = −890,3 kJ

Utilizando-se da Lei de Hess e, portanto, tratando-se as equações químicas como equações matemáticas, temos: n

Conserve as equações I e II; Inverta o sentido da equação III; nesse caso, não devemos nos esquecer de que o sinal do ∆H também deve ser invertido.

Adicione todas as equações.

Reação − I

C(gr) + O2 (g) → CO2 (g)

∆Hof = −393,5 kJ

Reação − II

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O()

∆Hof = −571,6 kJ

Reação − III CO2 (g) + 2 H2O() → CH4 (g) + 2 O2 (g) ∆Hof = +890,3 kJ

Reação global: C ( gr ) + 2H( g ) → CH4 ( g )

∆H =−74,8kJ

B03  Leis de Hess

BIOGRAFIA DE germain henri hess

Fonte: wikimedia commons

278

Germain Henri Hess nasceu em Genebra, na Suíça, em agosto de 1802. Seu pai era um artista e mudou-se para Rússia em busca de trabalho quando Germain tinha apenas três anos. Naturalizado russo, aos vinte anos iniciou o curso de medicina, formando-se em 1825. Após um encontro com o famoso químico sueco Jöns Jakob Berzelius, Hess decidiu estudar também química e partiu para Estocolmo para ser aprendiz de Berzelius. De volta à Rússia, ainda encontrou tempo para juntar-se a uma expedição e estudar geologia. Finalizados os estudos, aceitou um emprego como médico em Irkutsk. Hess não teve tempo suficiente para ver o reconhecimento do seu trabalho. Uma década depois da sua mais importante pesquisa, faleceu em São Petersburgo, mais precisamente no dia 30 de novembro de 1850. Além de ter sido um dos pioneiros da Físico-Química e de ter contribuído significativamente para a termodinâmica, Hess foi também um grande professor de química na Rússia. Em 1834, portanto quatro anos após sua chegada ao Instituto de Tecnologia de São Petersburgo, escreveu e publicou um livro chamado “Fundamentos de Química”, tão importante que foi adotado durante muitos anos em escolas e faculdades de todo o país.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios de Fixação

Na(s) + 1/2C2(g) → Na(g) + C(g) Na(g) + C(g) → Na+(g) + C–(g) Na(s) + 1/2C2(g) → NaC(s)

∆H = + 230kJ ∆H = + 147kJ ∆H = – 411kJ

Calcule o valor de ∆H para a reação de síntese do NaC mostrada abaixo e assinale a alternativa correta. Na+(g) + C–(g) → NaC(s) a) –328 kJ b) –34 kJ

c) –494 kJ d) –788 kJ

02. (UFGD MS) A queima de combustíveis fósseis está associada à liberação de gases SOX que, por sua vez, estão relacionados à formação de chuva ácida em determinadas regiões do Planeta. Segundo a lei de Hess, a variação de entalpia de uma transformação química depende somente dos estados iniciais e finais de uma determinada reação. Calcule com base nas equações químicas a seguir, a variação de entalpia da reação de produção de gás SO3(g) liberado na atmosfera pela queima do enxofre contido em um combustível fóssil. S(s) + 3/2 O2(g) → SO3(g) ∆H = ? S(s) + O2(g) → SO2(g) ∆H =−296,8kJ SO3(g) → SO2(g) + 1/2 O2(g) ∆H =+97,8 kJ a) – 394,6 kJ b) +394,6 kJ c) –199 kJ d) +199 kJ e) –195,6 kJ 03. (UEL PR) Um dos maiores problemas do homem, desde os tempos pré-históricos, é encontrar uma maneira de obter energia para aquecê-lo nos rigores do inverno, acionar e desenvolver seus artefatos, transportá-lo de um canto a outro e para a manutenção de sua vida e lazer. A reação de combustão é uma maneira simples de se obter energia na forma de calor. Sobre a obtenção de calor, considere as equações a seguir. C(grafite)+ O2(g) → CO2(g) 1 H2O() → H2(g) + O2(g) 2 C(grafite)+ 2H2(g) → CH4(g)

∆H = –94,1 kcal ∆H = +68,3 kcal ∆H = –17,9 kcal

Assinale a alternativa que apresenta, corretamente, o valor do calor de combustão (∆H) do metano (CH4) na equação a seguir.

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O() a) –212,8 kcal b) –144,5 kcal c) –43,7 kcal d) +144,5 kcal e) +212,8 kcal 04. (Puc MG) Considere as reações: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O() ∆H0 = –571,6 kJ ∆H0 = 226,7 kJ 2C(s) + H2(g) → C2H2(g) 2C2H2(g) + 5 O2→ 4 CO2(g) + 2 H2O() ∆H0 = –2599,2 kJ Assinale a entalpia-padrão de formação do dióxido de carbono em kJ mol–1. a) +393,5 b) –797 c) –393,5 d) +797 05. (UEAM) O estanho, metal utilizado em ligas de solda e no revestimento interno de latas de folha de flandres, é obtido pelo aquecimento do mineral cassiterita, SnO2, com carbono, em fornos a temperaturas de 1 200 °C a 1 300 °C. A reação que ocorre nesse processo é: SnO2 (s) + C(s) → Sn() + CO2(g) Considere os dados: Sn (s) + O2 (g) → SnO2 (s) ; C (s) + O2 (g) → CO2 (g) ; Sn (s) → Sn () ; '

∆H = –578 kJ/mol ∆H = –394 kJ/mol ∆H = 7 kJ/mol

A partir desses dados, é correto afirmar que a obtenção de 1 mol de Sn (), a partir da cassiterita, a) absorve 191 kJ. b) absorve 965 kJ. c) libera 177 kJ. d) libera 191 kJ. e) libera 965 kJ. 06. (Udesc SC) Considere as seguintes reações e suas variações de entalpia, em kJ/mol. CO(g) + H2(g) → C(s) + H2O(g) CO(g) + ½ O2(g) → CO2(g) H2(g) + ½ O2(g) → H2O(g)

∆H = –150 kJ/mol ∆H = –273 kJ/mol ∆H = –231 kJ/mol

Pode-se afirmar que a variação de entalpia, para a combustão completa de 1 mol de C(s), formando CO2(g), é: a) – 654 kJ/mol b) – 504 kJ/mol c) + 504 kJ/mol d) + 654 kJ/mol e) – 354 kJ/mol

279

B03  Leis de Hess

01. (Acafe SC) O cloreto de sódio pode ser usado na cozinha, na salga de alimentos e conservação de carnes. Na indústria, pode ser usado como matéria-prima na produção de gás cloro e este pode ser usado no tratamento de água potável. Considere as reações químicas abaixo.

Química

Exercícios C om p l em en t ares 01. (Enem MEC) No Japão, um movimento nacional para a promoção da luta contra o aquecimento global leva o slogan: 1 pessoa, 1 dia, 1 kg de CO2 a menos! A ideia é cada pessoa reduzir em 1 kg a quantidade de CO2 emitida todo dia, por meio de pequenos gestos ecológicos, como diminuir a queima de gás de cozinha. Um hambúrguer ecológico? È pra já! Disponível em: http://lqes.iqm. unicamp.br. Acesso em: 24 fev. 2012 (adaptado).

Considerando um processo de combustão completa de um gás de cozinha composto exclusivamente por butano (C4H10), a mínima quantidade desse gás que um japonês deve deixar de queimar para atender à meta diária, apenas com esse gesto, é de Dados: CO2(44 g/mol); C4H10(58 g/mol) a) 0,25 kg. b) 0,33 kg c)1,0 kg. d)1,3 kg. e)3,0 kg. 02. (Enem MEC) Um dos problemas dos combustíveis que contêm carbono é que sua queima produz dióxido de carbono. Portanto, uma característica importante, ao se escolher um combustível, é analisar seu calor de combus0 tão ( ∆Hc ) , definido como a energia liberada na queima completa de um mol de combustível no estado padrão. O quadro seguinte relaciona algumas substâncias que contêm carbono e seu ∆H0c . Substância

Fórmula

(kJ/mol)

benzeno

C6H6()

–3 268

etanol

C2H5OH()

–1 368

glicose

C6H12O6(s)

–2 808

metano

CH4(g)

–890

octano

C8H18()

–5 471

B03  Leis de Hess

Nesse contexto, qual dos combustíveis, quando queimado completamente, libera mais dióxido de carbono no ambiente pela mesma quantidade de energia produzida? a) Benzeno b) Metano c) Glicose d) Octano e) Etanol

280

03. (UEPA PA) Nos carros atuais o isooctano, que é o componente principal da gasolina, pode sofrer combustão parcial quando quantidades restritas de oxigênio estão disponíveis. Nessas condições, a combustão produz monóxido de carbono e água, segundo as reações abaixo: 2 C8H18() + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O() ∆H° = –10.942 kJ 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) ∆H° = -556,0 kJ 2 C8H18() + 17 O2(g) → 16 CO(g) + 18 H2O(g) ∆H° = ? A alternativa que representa a entalpia-padrão de reação para combustão incompleta do isooctano, a partir das entalpias-padrão de reação para a combustão do isooctano e monóxido de carbono é: a) ∆H° = –6 414 kJ b) ∆H° = –11 508 kJ c) ∆H° = +6 414 kJ d) ∆H° = –10 376 kJ e) ∆H° = +11 508 kJ 04. (Udesc SC) A reação de redução óxido de cobre II (CuO(s)) pelo grafite (C(s)) pode ser representada pela equação (1): (1) 2 CuO(s) + C(s) → 2Cu(s) + CO2 (g) Dados: A equação (2) e (3) mostram os ∆H de outras reações: ∆H = –39 kcal (2) Cu(s) + 1/2O2(g) → CuO(s) ∆H = –93 kcal (3) C(s) + O2(g) → CO2 (g) Com base nesses dados, pode-se afirmar que a reação (1) tem ∆H (em kcal) igual a: a) +171 (reação endotérmica) b) –15 (reação exotérmica) c) +132 (reação endotérmica) d) –54 (reação exotérmica) e) +15 (reação endotérmica) 05. (Uncisal AL) Termoquímica é a parte da química que estuda a energia envolvida nas reações químicas. Dadas as seguintes reações termoquímicas a 25 °C e 1,0 atmosfera I. C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ∆H = –94,0 kcal.mol–1 II. H2(g) + ½ O2(g) → H2O() ∆H = –68,0 kcal.mol–1 III. 4 C(grafite) + 5 H2(g) → C4H10(g) ∆H = –29,0 kcal.mol–1 A quantidade de calor liberada (em kcal) na combustão de 464,0 g de gás butano, hidrocarboneto encontrado no gás de cozinha juntamente com o propano, a 25 °C e 1,0 atmosfera é Dados: C = 12; H = 1 a) 5496. b) 1064. c) 5960. d) 5416. e) 5387.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

uso comum devido a suas propriedades alvejantes e antissépticas. Esse composto, cuja solução aquosa é conhecida no comércio como “água oxigenada”, é preparado por um processo cuja equação global é: H2 (g) + O2 (g) → H2O2 ()

09. (Unifor CE) Dadas as equações termoquímicas: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O (); N2O5(g) + H2O () →2 HNO3 (); ½ N2(g) + 3/2 O2 (g) + ½ H2 (g) → HNO3();

Assinale a alternativa com o valor da variação de entalpia, ∆H, para a reação: 2 N2(g) + 5 O2(g) → 2 N2O5(g)

Considere os valores de entalpias fornecidos para as seguintes reações: H2O () + ½ O2 (g) → H2O2 () H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O ()

∆H° = + 98,0 kJ mol–1 ∆H° = –572,0 kJ mol–1

O valor da entalpia-padrão de formação do peróxido de hidrogênio líquido é: a) –474 kJ mol–1 b) –376 kJ mol–1 c) –188 kJ mol–1 d) +188 kJ mol–1 07. (Unimontes MG) O esquema a seguir ilustra a formação do gás metano (CH4) por meio da combinação direta dos elementos, nos seus estados normais, e combinação dos gases monoatômicos dos elementos.

a) ∆Ho4 = ∆H1o + ∆H2o b) ∆H3o = ∆H1o + ∆H2o c) ∆Ho4 = ∆H1o + ∆H2o + ∆H3o ∆Ho4 d) ∆H3o = 08. (Udesc SC) O gás metano pode ser utilizado como combustível, como mostra a equação 1: Equação 1: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) Utilizando as equações termoquímicas abaixo, que julgar necessário, e os conceitos da Lei de Hess, obtenha o valor de entalpia da equação 1. ∆H = 131,3 kJ mol–1 C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) CO(g) + ½ O2(g) → CO2(g) ∆H = –283,0 kJ mol–1 H2(g) + ½ O2(g) → H2O(g) ∆H = –241,8 kJ mol–1 C(s) + 2 H2(g) → CH4(g) ∆H = –74,8 kJ mol–1 O valor da entalpia da equação 1, em kJ, é: a) – 704,6 b) – 725,4 c) – 802,3 d) – 524,8 e) – 110,5

∆H = –571,5 kJ ∆H = –76,6 kJ ∆H = –174 kJ

a) – 36,7 kJ b) – 28,7 kJ c) + 36,7 kJ d) + 28,7 kJ e) + 38,3 kJ 10. (Unisa SP) Para evitar infecções, soluções diluídas de água oxigenada (H2O2) são utilizadas no tratamento de ferimentos da pele. Em um dos processos de preparação da água oxigenada utiliza-se a reação entre hidrogênio gasoso e oxigênio gasoso, segundo a equação: H2 (g) + O2 (g) → H2O2 ()

Considere as equações e suas respectivas entalpias. 1 H2O2 () → H2O() + O2 (g) ∆H =−98 kJ ⋅ mol−1 2 1 ∆H =−286 kJ ⋅ mol-1 O2 (g) + H2 (g) → H2O() 2 O valor da entalpia de formação, em kJ·mol–1, da água oxigenada no estado líquido é a) –376. b) –572. c) –188. d) –384. e) –474. 11. (Unifor CE) O metano, CH4, é a molécula mais leve que contém carbono. É um gás incolor, inodoro, inflamável sob condições comuns e o principal constituinte de gás natural. Também é conhecido como gás do brejo ou gás do pântano porque é produzido por bactérias que atuam sobre a matéria orgânica sob condições anaeróbicas. A equação da reação de formação do metano é: C (s) + 2 H2(g) → CH4(g) São dadas as seguintes equações termoquímicas: C (s) + O2(g) → CO2(g); ∆H = –393,5 kJ H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O (); ∆H = 285,8 kJ A variação de entalpia para a reação de formação de metano é: a) + 149,6 kJ b) – 148,6 kJ c) + 74,8 kJ d) – 74,8 kJ e) +72,8 kJ

281

B03  Leis de Hess

06. (UFV MG) O peróxido de hidrogênio (H2O2) é um composto de

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B04

ASSUNTOS ABORDADOS n Entalpia de ligação n Cálculo de ∆H a partir das entalpias de ligação

ENTALPIA DE LIGAÇÃO A entalpia de ligação mede a variação de energia absorvida quando se quebra um mol de ligações químicas (simples, dupla ou tripla), considerando todas as substâncias no estado gasoso, 25 oC e 1 atm. Mas atenção! Se por um lado na quebra de ligações químicas se absorve energia, podemos dizer que na formação de um mol de ligações químicas há liberação de igual valor de energia. H2(g) → 2 H(g)

∆H = + 435 kJ

H(g) + H(g) → H2(g)

∆H = - 435 kJ

Observe que os dois processos acima representados envolvem o mesmo valor de variação entalpia, ou seja, 435 kJ. A única diferença é que um dos processos é exotérmico enquanto que o outro é endotérmico. A quebra de qualquer ligação química é um processo endotérmico; a formação de qualquer ligação química é um processo exotérmico. Na tabela a seguir, listamos alguns valores de variação de entalpia ou energia de ligação. Observe que, em todos os casos, temos apenas a variação, mas não há indicação de sinal positivo (endotérmico) ou negativo (exotérmico). Energia de ligação em kJ.mol-1 (valores aproximados)

282

Ligação

Energia

H–H

435

O=O

493

F–F

155

C – C

242

Br – Br

193

I–I

151

N ≡ N

944

H–O

462

N–H

390

C – C

339

H–F

564

H – C

431

H – Br

365

H–I

298

C–C

345

C=C

609

C ≡ C

838

C–H

413

C=O

803

C – O

205

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Cálculo de ∆H a partir das entalpias de ligação O cálculo da variação de entalpia de uma reação química pode ser determinada com base nas energias de ligação das substâncias químicas envolvidas no processo. Para isso, devemos lembrar que: n n

A quebra de uma ligação química é um processo endotérmico. Portanto, absorve calor. A formação de uma ligação química é um processo exotérmico. Portanto, libera calor.

Uma reação química se processa quando substâncias reagentes são convetidas em novas substâncias, chamadas produtos. Para isso, os reagentes terão suas ligações químicas rompidas; e novas ligações químicas serão formadas nas substâncias produtos. Assim, a variação de entalpia pode ser determinada comparando os valores de energias absorvidas para quebrar as ligações químicas dos reagentes e os valores de energia liberadas na formação dos produtos. Para exemplificar os cálculos, vamos utilizar a reação de combustão do metano em condições padrão a partir das entalpias de ligação das substâncias. 1 CH4(g) + 2 O2(g) → 1 CO2(g) + 2 H2O(v)

∆H = ?

Dados: Ligação kJ.mol-1 C − H ................ 413,4 O = O ............... 497,8 C = O ............... 804,3 H − O ............... 463,5 Entalpia para romper Ligação 4x(C − H)

kJ.mol-1 + 1 653,6

= 2(O O)

+ 995,6 -----------HRomper = +2 649,2kJ

Entalpia para formar Ligação 4x(H − O) = 2(C O)

kJ.mol-1 − 1 854,0 − 1 608,6 -----------HFormar = −3 462,6kJ

B04  Entalpia de ligação

Como o ∆H depende da variação de energia e a energia liberada foi maior que a energia absorvida, o ∆H será negativo. ∆H =−3 462,6 + 2 649,2 ∆H = -813,4kJ / mol CH4 Logo, trata-se de um processo exotérmico.

283

Química

Exercícios de Fixação 01. (Unifesp SP) Com base nos dados da tabela:

Os valores médios de entalpias de ligação, a exemplo dos mencionados na tabela, podem ser utilizados para estimar a entalpia de uma reação química envolvendo substâncias gasosas, a exemplo da reação de hidrogenação do eteno que leva à obtenção do etano.

Ligação

Energia média de ligação (kJ/mol)

O–H

460

H–H

436

Considerando-se as informações do texto e da tabela e que o valor da entalpia-padrão de formação do etano, ∆Hof , é

O=O

490

–84 kJ.mol–1, é correto concluir:

pode-se estimar que o ∆H da reação representada por: 2 H2O(g) → 2 H2(g) + O2(g), dado em kJ por mol de H2O(g), é igual a:

a) A energia absorvida na formação de 1,0 mol de ligações covalentes entre átomos de hidrogênio é + 436kJ. b) A formação de 60,0 g de etano, a partir das substâncias simples mais estáveis, libera 84 kJ de energia para o ambiente.

a) + 239.

c) A entalpia-padrão de formação do etano envolve as

b) + 478.

formas alotrópicas de maior energia do carbono e do

c) + 1 101.

hidrogênio.

d) – 239.

d) A energia liberada pela reação de hidrogenação do eteno

e) – 478.

é maior do que a correspondente à entalpia-padrão de

02. (UFRGS RS) A reação de cloração do metano, em presença

e) O processo de ruptura de ligações nas moléculas reagen-

de luz, é mostrada abaixo. CH4 + C2 → CH3C + HC

formação do etano.

∆H = –25 kcal.mol–1

Considere os dados de energia das ligações abaixo. C – H = 105 kcal.mol–1

tes é exotérmico e o de formação de novas ligações, endotérmico. 04. (UEG GO) A formação e a quebra das ligações químicas é de grande importância para prever a estabilidade dos

C – C = 58 kcal.mol–1

produtos que serão formados no curso de uma reação

H – C = 103 kcal.mol–1

química. Portanto, a partir do conhecimento das energias

A energia da ligação C − C, no composto CH3C, é

de ligação presentes nos reagentes e produtos, pode-se

a) 33 kcal.mol .

estimar a variação de energia total envolvida na reação

b) 56 kcal.mol .

química. Um exemplo é a reação de hidrogenação do ete-

c) 60 kcal.mol–1.

no, cuja equação química e cujas energias de ligação são

d) 80 kcal.mol .

apresentadas a seguir.

–1 –1

–1

e) 85 kcal.mol . –1

B04  Entalpia de ligação

03. (UEFS BA) Ligação química

Valor médio de entalpia de ligação (kJ⋅mol−1)

C−C

348

C−H

413

Considerando-se as informações apresentadas, pode-se

H−H

436

concluir que a variação da energia envolvida na reação em

C=C

614

Tabela 01 - Valor médio da entalpia de algumas ligações químicas.

kcal.mol–1 é, aproximadamente: a) 60 b) 33 c) 433

C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)

284

d) 167

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares

∆H0f (kJ ⋅ mol−1 )

CHF3 (g)

-1437

CH4 (g)

-75

-271

A entalpia-padrão da reação de fluoração do gás metano, em kJ.mol–1, é igual a a) –1 633. b) –2 175. c) –2 325. d) +1 633. e) +2 175.

04. (UFAL) Reação química é um processo que geralmente envolve quebra de ligações nos reagentes e formação de ligações nos produtos. A energia média de ligação carbono-hidrogênio no metano pode ser obtida determinando-se o valor: a) da energia da reação CH4(g) → C(g) + 2 H2(g) b) da energia da reação CH4(g) → C(g) + 4 H(g) c) da energia da reação CH2(g) → C(s) + 4 H(g) d) de 1/4 da energia da reação CH4(g) → C(g) + 2 H2(g) e) de 1/4 da energia da reação CH4(g) → C(g) + 4 H(g) 05. (Escs DF) A reação do 4-bromo-but-1-eno com o bromo molecular produz a substância 1,2,4-tribromo-butano: H Br

H C H

Ligação

ção de energia. Nesse fenômeno, a) as energias das ligações químicas no sistema não mudam. b) a presença de catalisadores no sistema diminui a energia das ligações dos produtos. c) as ligações químicas dos produtos são menos estáveis

tos são equivalentes. 03. (UEPG PR) A respeito da queima do combustível etanol, representada a seguir, assinale o que for correto. C2H5OH(liq) + 3 O2(gas) → 2 CO2(gas) + 3 H2O(gas) 01. 02. 04. 08. 16.

∆H = – 1 368 kJ/mol Na reação química ocorre rompimento de ligações dos reagentes e formação de novas ligações nos produtos. A formação dos produtos se processa com expansão do volume do sistema, devido à formação de gases. A combustão completa de 1 mol de etanol consome 22,4 litros de oxigênio nas CNTP. A reação é endotérmica. A reação não é espontânea, pois ∆H < 0.

H H H H

Energia

413

281

347

C=C

614

que dos reagentes.

e) as energias das ligações químicas de reagentes e produ-

Br Br H Br H + Br

A tabela a seguir apresenta valores médios de algumas energias de ligação em kJ.mol–1.

formação de produtos após uma reação química com libera-

que dos produtos.

H H H

02. (UFG GO) Em um sistema fechado, dois reagentes levam à

d) as ligações químicas dos reagentes são mais energéticas

193

A variação de entalpia envolvida na produção de um mol de 1,2,4-tribromo-butano, em kJ, calculada com os dados da tabela é igual a: a) + 295. b) + 179. c) + 36. d) – 102. e) – 245. 06. (Acafe SC) Considere que a reação química abaixo possui um ∆H = −154 kJ/mol.

Calcule a energia média em módulo da ligação C = C presente na molécula do etileno e assinale a alternativa correta.

01-02

285

B04  Entalpia de ligação

01. (FGV SP) O Teflon é um polímero sintético amplamente empregado. Ele é formado a partir de um monômero que se obtém por pirólise do trifluormetano. O trifluormetano, CHF3, é produzido pela fluoração do gás metano, de acordo com a reação CH4(g) + 3 F2(g) → CHF3(g) + 3 HF(g). Dados:

Química

Dados: Para resolução dessa questão considere as seguintes energias de ligação (valores médios): C – C: 243 kJ/mol C – C: 347 kJ/mol C – C: 331 kJ/mol a) 766 kJ/mol b) 265 kJ/mol c) 694 kJ/mol d) 612 kJ/mol 07. (Fuvest SP) Em cadeias carbônicas, dois átomos de carbono podem formar ligação simples (C – C), dupla (C = C) ou tripla (C ≡ C). Considere que, para uma ligação simples, a distância média de ligação entre os dois átomos de carbono é de 0,154 nm, e a energia média de ligação é de 348 kJ/mol. Assim sendo, a distância média de ligação (d) e a energia média de ligação (E), associadas à ligação dupla (C = C), devem ser, respectivamente, a) d < 0,154 nm e E > 348 kJ/mol. b) d < 0,154 nm e E < 348 kJ/mol. c) d = 0,154 nm e E = 348 kJ/mol. d) d > 0,154 nm e E < 348 kJ/mol. e) d > 0,154 nm e E > 348 kJ/mol. 08. (Puc ABC SP) Dados: Energia de ligação O−H = 464 kJ × mol−1 Energia de ligação C−C = 350 kJ × mol−1 Energia de ligação C−H = 415 kJ × mol−1 Energia de ligação C−O = 360 kJ × mol−1

B04  Entalpia de ligação

As reações de cada um dos isômeros de fórmula molecular C2H6O no estado gasoso e o oxigênio foram acompanhadas em uma bomba calorífica, para se investigar a energia envolvida nos processos. A partir dos dados de energia de ligação e considerando-se que, nas condições experimentais, os compostos orgânicos são totalmente consumidos e os produtos formados são apenas dióxido de carbono e água, é correto afirmar que o calor de combustão a) dos dois isômeros é o mesmo, pois os produtos e os reagentes das duas reações apresentam as mesmas fórmulas. b) do etanol é maior do que o calor de combustão do éter dimetílico, pois o etanol é um combustível mais eficiente. c) do etanol é maior do que o calor de combustão do éter dimetílico, pois as ligações do etanol apresentam maior energia. d) do éter dimetílico é maior do que o calor de combustão do etanol, pois o éter é pouco polar enquanto o álcool apresenta ligação de hidrogênio intermolecular. e) do éter dimetílico é maior do que o calor de combustão do etanol, pois é necessário mais energia para romper as ligações presentes no etanol do que para romper as ligações presentes no éter dimetílico.

286

09. (FCM MG) Considerando os seguintes dados: Ligação química

Energia de ligação (kcal ⋅ mol−1)

H–O

O–O

O=O

2 H – O – O – H(g) → 2 H – O – H(g) + O = O(g) + 16 kcal (∆H = –16 kcal ) Conclui-se que: a) q3 > q2 + q1 b) q3 > q2 > q1 c) q3 = 2q2 d) q3 > 2q2 10. (Puc SP) O diagrama a seguir representa algumas transformações relacionadas à formação do metano a partir de gás hidrogênio e grafite H(kcal) C(g) + 4H(g)

H + 208 kcal C(g) + 2H(g)

H + 172 kcal C(grafite) + 2H2(g) CH4(g)

H = –18 kcal

Os valores das energias de ligação H — H e C — H obtidas a partir do diagrama são, respectivamente, a) 172 kcal/mol e 208 kcal/mol. b) 104 kcal/mol e 99,5 kcal/mol. c) 208 kcal/mol e 90,5 kcal/mol. d) 104 kcal/mol e 398 kcal/mol. e) 52 kcal/mol e 380 kcal/mol.

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de A p rof u n dam en t o 01. (Fuvest SP) A dissolução de um sal em água pode ocorrer com liberação de calor, absorção de calor ou sem efeito térmico. Conhecidos os calores envolvidos nas transformações, mostradas no diagrama que segue, é possível calcular o calor da dissolução de cloreto de sódio sólido em água, produzindo Na+(aq) e C−(aq).

03. (Unicamp SP) Apesar de todos os esforços para se encontrar fontes alternativas de energia, estima-se que em 2030 os combustíveis fósseis representarão cerca de 80% de toda a energia utilizada. Alguns combustíveis fósseis são: carvão, metano e petróleo, do qual a gasolina é um derivado. No funcionamento de um motor, a energia envolvida na com-

Na+(g) + C –(g)

bustão do n-octano promove a expansão dos gases e também o aquecimento do motor. Assim, conclui-se que a soma das energias envolvidas na formação de todas as ligações químicas é a) maior que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o processo ser en-

–760 kJ/mol +766 kJ/mol

dotérmico. b) menor que a soma das energias envolvidas no rompimento

Na+(aq) + C –(aq) NaC (s) s = sódio

de todas as ligações químicas, o que faz o processo ser exotérmico. c) maior que a soma das energias envolvidas no rompimento

dissolução aq = aquoso

g = gasoso

Com os dados fornecidos, pode-se afirmar que a dissolução de 1 mol desse sal a) é acentuadamente exotérmica, envolvendo cerca de 103 kJ. b) é acentuadamente endotérmica, envolvendo cerca de 103 kJ. c) ocorre sem troca de calor. d) é pouco exotérmica, envolvendo menos de 10 kJ. e) é pouco endotérmica, envolvendo menos de 10 kJ. 02. Considere o diagrama termoquímico a seguir: kcal NO2(g)

+22

0,0

H2(g)

O2(g)

N2(g)

de todas as ligações químicas, o que faz o processo ser exotérmico. d) menor que a soma das energias envolvidas no rompimento de todas as ligações químicas, o que faz o processo ser endotérmico. 04. (UERN) Também denominado anidrido sulfúrico ou óxido sulfúrico, o trióxido de enxofre é um composto inorgânico, representado pela fórmula química SO3, é gasoso, incolor, irritante, reage violentamente com a água, é instável e corrosivo. O trióxido de enxofre é obtido por meio da oxidação do dióxido de enxofre, tendo o pentóxido de vanádio como catalisador da reação realizada pelo método de contato. Observe: V2 O5 SO2 (g) + O2 (g) → SO3 (g)

–58

–68

H2O(v)

H2O(1)

Com base nesse diagrama, marque as alternativas corretas. 01. A equação termoquímica que representa a reação endotérmica é: 1/2N2(g) + O2(g) → NO2(g) ∆H = +22 kcal. 02. A variação de entalpia na formação de água líquida a partir da queima de 10 g de H2(g) é –340 kcal. 03. Uma equação termoquímica que representa a reação exotérmica é: H2(g) + 1/2O2(g) → H2O (vapor) ∆H = -58 kcal. 04. A variação de entalpia na formação de NO2(g) a partir de 84 g de N2(g) é 132 kcal. 01-02-03-04

Ressalta-se que as entalpias de formação, em kJ/mol, do SO2 e SO3 são, respectivamente, –297 e –420. A entalpia de combustão de 12,8 gramas, em kJ, do dióxido de enxofre é igual a a) –123. b) +123. c) –24,6. d) +24,6. 05. (Fuvest SP) A partir de considerações teóricas, foi feita uma estimativa do poder calorífico (isto é, da quantidade de calor liberada na combustão completa de 1 kg de combustível) de grande número de hidrocarbonetos. Dessa maneira, foi obtido o seguinte gráfico de valores teóricos: 287

Química

I. II. III.

Entalpia

C(diam) + O2(g) C(graf) + O2(g) H2 H1 CO2(g)

Caminho da reação

Dados: Massas molares (g/mol) C = 12,0 H = 1,00 Com base no gráfico, um hidrocarboneto que libera 10 700 kcal/kg em sua combustão completa pode ser representado pela fórmula a) CH4 b) C2H4 c) C4H10 d) C5H8 e) C6H6 06. (UFTM MG) Células a combustível são dispositivos que geram energia elétrica a partir da reação dos gases hidrogênio e oxigênio do ar. O gás hidrogênio, empregado para essa finalidade, pode ser obtido a partir da reforma catalítica do gás metano, que é a reação catalisada do metano com vapor d’água, gerando, ainda, monóxido de carbono como subproduto. Dadas as reações de combustão,

FRENTE B  Exercícios de A prof undamento

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(g)

∆H° = –890 kJ⋅mol–1 ∆H° = –284 kJ⋅mol–1 ∆H° = –241 kJ⋅mol–1,

e considerando que seus valores de entalpia não se alteram na temperatura de reação da reforma, pode-se afirmar que a energia envolvida na reforma de um mol de gás metano, em kJ, é igual a a) +117. b) +365. c) +471. d) –117. e) –365. 07. (UEFS BA) De acordo com os estudos de Germain Henry Hess, professor da Universidade de São Petersburgo, no século XIX, a variação de entalpia em uma reação química depende apenas dos estados inicial e final de reagentes e de produtos da reação. A Lei de Hess contribuiu para o nascimento do princípio da conservação de energia. A partir da aplicação da Lei de Hess, ao sistema de equações termoquímicas I e II, é possível calcular a variação de entalpia da reação representada pela equação química III. 288

→ NO2(g) + 56,7 kJ NO(g) + 12 O2(g)  1   → N (g) + O (g) NO2(g) + 38,8 kJ 2 2 2 1 1 N (g) + O (g) NO(g)   → 2 2 2 2

Dessa forma, é correto afirmar que: a) A variação de entalpia da reação representada pela equação termoquímica III é –95,5 kJ. b) A equação termoquímica I representa um processo endotérmico. c) O calor de formação do NO2(g) é –56,7 kJ. d) A entalpia das substâncias simples N2 e O2 é igual a zero. e) A soma dos calores de formação de NO2(s) e de NO(s) é igual a –17,9 kJ. 08. (ITA SP) Considere a energia liberada em I. combustão completa (estequiométrica) do octano; II. célula de combustível de hidrogênio e oxigênio. Assinale a opção que apresenta a razão CORRETA entre a quantidade de energia liberada por átomo de hidrogênio na combustão do octano e na célula de combustível. Dados: Energias de ligação, em kJ mol–1: C – C 347 C – H 413 C = O 803 H – H 436 H – O 464 O = O 498 a) 0,280 b) 1,18 c) 2,35 d) 10,5 e) 21,0 09. (UESPI) Os clorofluorcarbono (CFCs) são usados extensivamente em aerossóis, ar-condicionado, refrigeradores e solventes de limpeza. Os dois principais tipos de CFCs são o triclorofluorcarbono (CFC3) ou CFC-11 e diclorodifluormetano (CF2C2) ou CFC-12. O triclorofluorcarbono é usado em aerossóis, enquanto que o diclorodifluormetano é tipicamente usado em refrigeradores. Determine o ∆H para a reação de formação do CF2C2: CH4(g) + 2 C2(g) + 2 F2(g) → CF2C2(g) + 2 HF(g) + 2 HC(g) Dados de energia de ligação em kJ/mol: C-H (413); C-C (239); F-F (154); C-F (485); C-C (339); H-F (565); H-C (427). a) – 234 kJ b) – 597 kJ c) – 1194 kJ d) – 2388 kJ e) – 3582 kJ

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

10. (FPS PE) O monóxido de carbono (CO) é um gás incolor, inodoro, insípido que é ligeiramente menos denso do que o ar. Ele é tóxico para os animais hemoglóbicos (incluindo seres humanos), quando encontrado em concentrações acima de 35 ppm (partes por milhão). Este gás pode ser produzido pela combustão de combustíveis fósseis, principalmente nos grandes centros urbanos. Determine a entalpia de formação do CO (reação (1)), a partir das entalpias das reações (2) e (3), a 20 °C e 1 atm, que estão indicadas nas equações termoquímicas a seguir:

a) –505 kJ.mol–1 b) –172 kJ.mol–1 c) –111 kJ.mol–1

∆H° = ? ∆H° = –394 kJ.mol–1 ∆H° = –283 kJ.mol–1

O gás hidrogênio pode ser obtido pela reação acima equacionada. Dadas as entalpias de formação em kJ/mol, CH4 = –75, H2O = –287 e CO = –108, a entalpia da reação a 25 °C e 1 atm, é igual a: a) +254 kJ c) –470 kJ e) –254 kJ b) –127 kJ d) +508 kJ

d) +172 kJ.mol–1 e) +505 kJ.mol–1

11. (Unifor CE) Na produção de ferro metálico, Fe(s), o óxido ferroso (FeO) é reduzido por ação do monóxido de carbono (CO) conforme a reação abaixo FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) sendo desconhecida a variação total da entalpia neste processo. Utilizando as equações termoquímicas abaixo e baseando-se na Lei de Hess, pode-se determinar que o valor de ∆H desconhecido será aproximadamente igual a: Fe2O3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO2(g) 3 FeO(s) + CO2(g) → Fe3O4(s) + CO(g) 2 Fe3O4(s) + CO2(g) → 3 Fe2O3(s) + CO(g) a) –17 kJ. b) +14 kJ.

c) –100 kJ. d) –36 kJ.

CH4(g) + H2O(v) → CO(g) + 3 H2(g)

∆H = –25 kJ ∆H = –36 kJ ∆H = +47 kJ e) +50 kJ.

12. (Fuvest SP) Sob certas condições, tanto o gás flúor quanto o gás cloro podem reagir com hidrogênio gasoso, formando, respectivamente, os haletos de hidrogênio HF e HCl, gasosos. Pode-se estimar a variação de entalpia (∆H) de cada uma dessas reações, utilizando-se dados de energia de ligação. A tabela apresenta os valores de energia de ligação dos reagentes e produtos dessas reações a 25 °C e 1 atm. Molécula

C2

HC

Energia de ligação (kJ/mol)

435

160

245

570

430

Com base nesses dados, um estudante calculou a variação de entalpia (∆H) de cada uma das reações e concluiu, corretamente, que, nas condições empregadas, a) a formação de HF (g) é a reação que libera mais energia. b) ambas as reações são endotérmicas. c) apenas a formação de HCl(g) é endotérmica. d) ambas as reações têm o mesmo valor de H. e) apenas a formação de HCl(g) é exotérmica.

14. (Puc RS) O metano é uma substância combustível muito usada na indústria e em veículos, sendo o principal componente do gás natural veicular (GNV). Uma das principais vantagens do metano é o alto teor energético associado a uma produção moderada de gases de efeito estufa na combustão completa. Sob condições padrão, a combustão completa de um mol de metano libera 890 kJ de energia térmica. Em relação ao texto, é correto afirmar que a) a queima de 160 g de metano gera ao todo 160 g de produtos, que são gás carbônico e água. b) o metano é um hidrato de carbono ou carboidrato, pois é composto de carbono e hidrogênio. c) a combustão completa de 80 g de metano é um processo exotérmico e tem ∆H = –4450 kJ. d) a combustão completa de um mol de metano produz um mol de CO e dois mols de H2O. e) o metano contém ligações covalentes simples entre os átomos de carbono. 15. (UEFS BA) O etanol, C2H6O(l), densidade de 0,80 g.mL–1, a 25 °C, é utilizado na obtenção de energia, de acordo com a reação química representada pela equação, e na produção de bebidas alcoólicas. O etanol, ao ser ingerido, é parcialmente oxidado no organismo, o que leva à produção de etanal, substância química que pode provocar enjoo e dor de cabeça. C2H6O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆H° = –1 367 kJ mol–1 Com base na análise das informações e da equação termoquímica que representa a combustão total do etanol, é correto concluir: a) O volume ocupado por 1,0 mol de etanol, a 25 °C, é de 36,8 L. b) O poder calorífico do etanol é de, aproximadamente, 52,6 kJ.g–1. c) A energia liberada na combustão total de 1,5L de etanol é de, aproximadamente, 3,6 × 104 kJ. d) A combustão completa de 1,0 kg de etanol leva à produção de 957,0 g de dióxido de carbono. e) A entalpia de combustão do etanol indica a quantidade de energia armazenada nas ligações do C2H6O(l). 289

FRENTE B  Exercícios de A prof undamento

1. 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g) 2. C(s) + O2(g) → CO2(g) 3. 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)

13. (FCM PB) Em diversos países, o aproveitamento do lixo doméstico é quase 100%. Do lixo levado para as usinas de compostagem, após a reciclagem, obtém-se a biomassa que, por fermentação anaeróbica, produz biogás. Esse gás, além de ser usado no aquecimento de residências e como combustível em veículos e indústrias, é matéria prima importante para a produção das substâncias de fórmula H3C-OH, H3C-Cl, H3C-NO‚ e H2, além de outras. Dada a reação abaixo

FRENTE

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QUÍMICA Por falar nisso Ao olhar para uma intricada indústria de combustíveis derivados do petróleo (imagem de abertura dessa aula), não fazemos ideia do quanto elas estão diretamente relacionadas com as ciências naturais. É por meio de processos físico-químicos envolvendo compostos orgânicos que hoje temos dispositivos que vão desde uma fralda absorvente aos sofisticados nanotubos de carbono. Em sua maioria, os compostos orgânicos podem ser encontrados no petróleo, extraído nas plataformas terrestres ou marítimas. Contudo, para o entendimento das propriedades dos compostos orgânicos, é de fundamental importância discutir algumas particularidades do elemento carbono, tais como número e tipo de ligações químicas e capacidade de encadeamento. Faremos, também, o estudo das regras de nomenclatura dos hidrocarbonetos. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C01 C02 C03 C04

Introdução ao estudo da química orgânica ................................. 292 Cadeias carbônicas ....................................................................... 301 Nomenclatura dos hidrocarbonetos lineares ............................... 310 Nomenclatura dos hidrocarbonetos ramificados......................... 320

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C01

ASSUNTOS ABORDADOS n Introdução ao estudo da química

orgânica

n Wöhler e a Teoria da força vital n Síntese da ureia e queda do vitalismo n Compostos de transição do elemento carbono n Características dos compostos orgânicos n Postulados de Kekulé n Os modelos representativos

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA QUÍMICA ORGÂNICA A origem da Química Orgânica remonta à formação da atmosfera primitiva da Terra, ou seja, há 4,5 bilhões de anos, quando se deu início à formação de nosso planeta, e há 3,5 bilhões anos, quando surgiu a vida. Nessa época, a atmosfera apresentava uma composição diferente da atual: descargas elétricas abundantes e intensas, além de uma composição de substâncias como metano (CH4), amônia (NH3), nitrogênio (N2), dióxido de carbono (CO2) e vapor d’água. Um fato interessante é que essas substâncias utilizam apenas quatro elementos químicos, o carbono (C), o hidrogênio (H), o oxigênio (O) e o nitrogênio (N), chamados elementos organógenos, que são os formadores de compostos orgânicos. No entanto, esses não são os únicos elementos organógenos. Elementos como fósforo, cloro, enxofre, ferro e magnésio também aparecem nos compostos orgânicos. É nesse ambiente inóspito, quente e cheio de descargas elétricas que surge o modelo de teoria ainda aceito atualmente para explicar a origem das primeiras moléculas que entraram na composição das diversas manifestações da vida.

Wöhler e a Teoria da força vital

Figura 01 - Postula-se que, em condições de altas temperaturas e pressão, os gases metano, vapor d´água e amônia reagiram formando as primeiras moléculas orgânicas.

292

Ao longo da linha do tempo, diversas hipóteses sobre a origem e a evolução da vida foram levantadas: às vezes de caráter puramente científico, outras com explicações ligadas a concepções religiosas, dependendo da época e da sociedade em questão. No Ocidente, por exemplo, foi difundida a teoria do criacionismo do universo e dos seres vivos. Descrita no livro dos Gênesis, a teoria do criacionismo predominou no mundo ocidental até meados do século XIX.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Porém, há pouco mais de dois séculos, surgiram evidências científicas de que a vida na Terra tenha surgido a partir de reações químicas. Desde então, os pesquisadores buscam explicações fundamentadas em observações e experimentos sem a interferência de fatores sobrenaturais, organizando-os em teorias científicas com leis matemáticas adequadas para explicá-las. Isso tem gerado, conflitos com as explicações literárias dos escritos religiosos. Quando estudamos a estrutura das substâncias e a maneira física como elas interagem com outras espécies químicas, estamos estudando Química. No entanto, não estudamos apenas Química, mas também Física, Matemática e Biologia. Essas disciplinas mantêm uma relação de interdependência.

Síntese da ureia e queda do vitalismo A síntese da ureia, em 1828, pôs em discussão a teoria da força vital proposta pelo químico sueco Jöns Jakob Berzelius (1779-1848). Segundo ele, os compostos orgânicos só podiam ser sintetizados na presença de uma força, ou seja, a vida, sem a qual não havia nenhuma possibilidade de síntese de compostos orgânicos. A ideia de que a vida estava intimamente relacionada com uma matriz de moléculas orgânicas extremamente complexas já era defendida. Entretanto, a síntese de compostos orgânicos não podia ser exclusiva dos organismos vivos. Inquietos com tais afirmações, os cientistas buscavam respostas por meio de reações químicas que pudessem elucidar tais fatos. As primeiras respostas começaram a surgir com os experimentos de Wöhler. A ureia é uma substância orgânica nitrogenada, pertencente à função química amida e encontrada na urina dos mamíferos. Por meio de reações químicas a partir de um composto inorgânico (cianato de amônio), Wöhler conseguiu sintetizá-la em laboratório, em 1828, colocando em descrédito a teoria da força vital.

#Conceito Química Orgânica é a área da Química que estuda as propriedades físico-químicas dos compostos do elemento carbono.

Figura 02 - Friedrich Wöhler foi um pedagogo e químico alemão. Apesar de ter estudado obstetrícia em Heidelberg, interessou-se pela química mudando-se para Estocolmo para estudar com o químico sueco Jöns Jacob Berzelius.

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

Uma nova definição era necessária e urgente para a Química Orgânica, mas só chegou em meados do século XIX com o químico alemão Johann G. Gmelin (17481804) e foi posteriormente alterada pelo também químico alemão Friedrich A. Kekulé (1829-1896).

Compostos de transição do elemento carbono Os compostos de transição são compostos que apresentam átomos do elemento carbono em suas fórmulas, mas não possuem propriedades de compostos orgânicos completamente definidas. Como exemplo, podemos citar o dióxido de carbono (CO2), o cianeto de potássio (KCN) e o carbonato de cálcio (CaCO3), que possuem carbono em sua composição, mas apresentam, predominantemente, propriedades de compostos inorgânicos. 293

Fonte: Wikimedia commons

Então, em que a Química Orgânica se diferencia das demais, já que a Química Geral, a Físico-química e a Química Nuclear também dependem de várias outras disciplinas? De maneira bem simples, podemos afirmar que a Química Orgânica se diferencia na medida em que destaca o estudo dos compostos do elemento carbono. Essa definição só surgiu no século XIX, quando o químico alemão Friedrich Wöhler (1800-1882) conseguiu sintetizar um composto orgânico em laboratório, enfraquecendo a teoria da força vital ou teoria do vitalismo, defendida até então.

Química

SAIBA MAIS A CONSTRUÇÃO DE NOVAS MOLÉCULAS A arte de fabricar novas moléculas, ou seja, a síntese, é de extrema importância para a Química, principalmente para a Química Orgânica. Desde 1828, quando Wöhler sintetizou a ureia, milhões de substâncias puderam ser sintetizadas. Utilizando materiais simples ou complexos, orgânicos ou inorgânicos, os laboratórios produzem classes de substâncias como os antibióticos, os pesticidas, os adoçantes, os polímeros e substâncias catalisadoras. O objetivo das sínteses é obter moléculas de alta complexidade a partir de uma matriz orgânica simples. Para isso, os químicos devem conhecer de maneira profunda e segura diversas propriedades que possam levá-los a um resultado satisfatório. As reações devem ocorrer sob determinadas condições de solvente, temperatura, pressão e catalisadores; além disso, todas elas devem ser minuciosamente estudadas. A síntese da sacarina A sacarina é um dos mais antigos produtos sintéticos já obtidos em laboratório. Sintetizada em 1879, pelo químico americano Ira Remsen (1846-1927), durante um estudo de oxidação de compostos que continham enxofre e nitrogênio, a sacarina não apresenta poder tóxico, além de ser 300 vezes mais doce que o açúcar. Daí, o uso constante dessa substância pelos diabéticos. Entre os anos 1960 e 1970, alguns cientistas levantaram rumores de que a sacarina pudesse causar câncer, mas novos estudos foram realizados e foi atribuído o poder cancerígeno da sacarina às impurezas presentes nela, e não a essa substância pura.

Características dos compostos orgânicos

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

Estudar os compostos orgânicos é estudar conjuntamente a associação de vários elementos químicos e suas proprie-

dades. Aliás, nem mesmo as propriedades dos compostos orgânicos são exclusivas. Podemos dizer que algumas características e propriedades têm caráter mais acentuado nos compostos orgânicos, quando estes são comparados aos compostos inorgânicos, mas não são propriedades únicas. Em meados do século XIX, cientistas como Berzelius, Wöhler, Gmelin e Kekulé participaram de maneira decisiva para o bom entendimento das propriedades características dos compostos orgânicos. Com isso, temos hoje, de maneira mais clara, condições de classificar um composto em orgânico ou inorgânico com base nas propriedades predominantes. Mas devemos deixar bem claro que essas propriedades também ocorrem nos compostos inorgânicos, mas de forma menos acentuada. As características e as propriedades listadas a seguir, de modo geral, predominam nos compostos orgânicos, mas não são exclusivas deles. n

Apresentam geralmente baixa estabilidade diante de agentes energéticos, como temperatura, pressão e ácidos concentrados.

São parcialmente solúveis em água, havendo casos de alta solubilidade (álcoois).

Reagem, na maioria dos casos, lentamente com formação de subprodutos e requerem geralmente o uso de catalisadores.

Apresentam baixos pontos de fusão e ebulição.

Não conduzem eficientemente corrente elétrica em solução aquosa.

Esse conjunto de características aparece predominantemente em compostos do elemento carbono, por isso a necessidade de entender as propriedades desse elemento químico.

Figura 03 - É nos laboratórios que as propriedades físico-químicas dos compostos orgânicos são determinadas.

294

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Postulados de Kekulé

O carbono é tetravalente.

As quatro valências do carbono são iguais (equivalência).

O carbono estabelece ligações formando cadeias carbônicas, sempre mantendo a tetravalência constante.

Atualmente, a formação dos compostos orgânicos fundamenta-se nos princípios teóricos da hibridização do carbono e na capacidade de estabelecer ligações de vários comprimentos e de diferentes valores de energia em todas as direções e sentidos.

Os modelos representativos A existência de propriedades físico-químicas da matéria bem definidas e suas previsões por meio de leis conferem à Química um caráter científico. Isso permite ao químico criar modelos representativos capazes, de certa forma, agrupar, prever e desenvolver novos materiais. Porém, em alguns casos, a profundidade e a complexidade do assunto investigado são tão grandes que as contradições se sobrepõem às correlações verdadeiras. Em vista disso, é necessário criar modelos que obedeçam à uma lei. Mas os modelos têm por objetivo descrever aspectos específicos de certas propriedades do sistema, enquanto as leis são capazes de fornecer resultados e conclusões a partir de um número de variáveis conhecidas.

Em (c), temos a representação de Stuart ou representação bola e varetas.

Em (d), temos a representação de preenchimento espacial.

Observe a representação da tetravalência do átomo de carbono utilizando uma fórmula espacial e uma fórmula estrutural plana.

Figura 05 - Em todos os compostos orgânicos o carbono estabelece quatro ligações químicas.

Ligações simples, dupla e tripla O carbono é tetravalente constante e as ligações estabelecidas entre seus átomos podem ser classificadas em simples, dupla ou tripla. Toda ligação simples resulta da interpenetração frontal de orbitais, portanto, trata-se de ligação sigma ( σ ). Na ligação dupla, temos uma ligação sigma, frontal e uma ligação paralela, chamada de ligação pi (p). Na ligação tripla, temos uma ligação sigma e duas ligações pi. H H H H H H C C C H H H H simples

C H H C C H H H dupla

H C C C H tripla H

Fórmulas estruturais

Hibridizações do carbono.

A seguir, estão destacados os principais modelos de representação da molécula do metano.

A forma com que um átomo de carbono sofre hibridização depende do tipo de ligação estabelecida por ele:

Figura 04 - Representações da molécula de metano. Imagem fora de escala de tamanho e em cores fantasia. n

Em (a), temos a fórmula espacial do metano, em que o átomo de carbono ocupa o centro de um tetraedro regular mantendo ângulo de ligação de 109o28’.

Em (b), temos as formas de representação das ligações em uma conformação espacial: cunhas cheias sim-

Carbonos que só estabelecem ligações simples estão hibridizados em sp3.

Carbonos que estabelecem uma ligação pi (dupla ligação) estão hibridizados em sp2.

Carbonos que estabelecem duas ligações pi (uma tripla ligação ou duas duplas) estão hibridizados em sp.

Figura 06 - Hibridização dos carbonos.

295

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

Em 1858, o químico britânico Archibald S. Couper (18311892) e Friedric August Kekulé (1829-1896), elaboraram afirmações a respeito da apresentação do átomo de carbono nas moléculas orgânicas. Essas afirmações ficaram conhecidas como os postulados de Kekulé e foram admitidas como base para a formação das cadeias carbônicas e, consequentemente, como formação dos compostos orgânicos:

bolizam ligações que estão acima do plano do papel, enquanto as cunhas pontilhadas representam ligações abaixo do plano.

Química

Classificações do carbono quanto aos substituintes No encandeamento de átomos de carbono para formar hidrocarbonetos, podemos pressupor que os átomos de hidrogênio são substituídos por átomos de carbono. Por exemplo, o metano é o menor hidrocarboneto. A partir dele, podemos substituir um ou mais átomos de hidrogênio e chegar a um composto de cadeia carbônica maior, como o etano.

Todas as vezes que substituímos átomos de hidrogênio por átomos de carbono em um composto orgânico, podemos classificar os átomos de carbono em primários, secundário, terciários ou quaternários. No caso do metano, o átomo de hidrogênio (em cor vermelha) foi substituído por um grupo CH3, formando o etano. Assim, no etano, os dois átomos de carbonos são classificados em primários.

A seguir, listamos um hidrocarboneto de cadeia carbônica maior, bem como a classificação de cada um dos átomos de carbono em função das substituições. Para facilitar a visualização, omitimos os átomos de hidrogênio.

No quadro a seguir, apresentamos a relação entre os tipos de ligações, hibridização, ângulos, geometrias e energia de ligação entre os átomos de carbono.

#Conceito

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

A classificação dos átomos de carbono é feita com base, exclusivamente, no grau de substituição dos hidrogênios por átomos de carbono. A IUPAC estabelece que somente os carbonos com hibridização sp3 devem ser classificados quanto ao grau de substituição. Carbonos hibridizados em sp2 e sp não são carbonos substituíveis, mas carbonos adicionáveis. Portanto, não devem ser classificados em primários, secundários, terciários ou quaternários.

Tipos de ligação

296

Hibridização

Ângulo

Geometria

Energia

0p 4σ

sp3

109°28’

Tetragonal ou tetraédrica

83 kcal/mol

1p 3σ

sp2

120°

Trigonal

143 kcal/mol

2p 2σ

180°

Digonal ou linear

200 kcal/mol

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios de Fixação

Com base nas principais diferenças existentes entre Química Orgânica e química inorgânica, identifique a única propriedade que corresponde aos compostos orgânicos em condições normais. a) Ponto de fusão alto. b) Ausência de isomeria. c) Baixa solubilidade em água. d) Excelente resistência ao calor. e) Composição elementar básica de enxofre e silício. 02. (UECE) “Química Orgânica é o ramo da Química que estuda os compostos do carbono”. A maioria dos seus compostos são importantes em nossas vidas, destacando o álcool comum, a gasolina, o ácido acético, as proteínas e as vitaminas. Assinale a alternativa que mostra a característica correta do átomo de carbono. a) Forma ligação tripla, e nesta situação o carbono é do tipo sp3. b) O carbono é tetravalente somente nos hidrocarbonetos. c) Apresenta capacidade de formar cadeias longas, variadas e estáveis. d) Liga-se a várias classes de elementos químicos, com exceção da classe dos calcogênios. 03. (UFJF MG) O composto a seguir, representado por sua estrutura química, é um metabólito importante de espécies de Leishmania.

As seguintes afirmações são feitas a respeito desse composto: I. sua massa molar é igual a 291 g mol–1. II. o carbono diretamente ligado à função orgânica amina é classificado como secundário. III. todos os átomos de carbonos externos aos dois ciclos possuem hibridização sp3. IV. sua estrutura química apresenta apenas um átomo de carbono quaternário. Assinale a alternativa CORRETA. a) Apenas as afirmações I e II são verdadeiras. b) Apenas as afirmações II e IV são verdadeiras.

c) Apenas as afirmações I, III e IV são verdadeiras. d) Apenas as afirmações II, III e IV são verdadeiras. e) Apenas as afirmações II e III são verdadeiras. 04. (UFT TO) A progesterona é um hormônio responsável pelas características sexuais femininas. Considerando a estrutura da progesterona abaixo, pode-se afirmar que os números de átomos de carbono hibridizados em sp2e sp3 são, respectivamente:

a) 5 e 16 b) 3 e 19 c) 2 e 19 d) 4 e 17 e) 1 e 20 05. (UERN) “A morfina é uma substância narcótica e sintética (produzida em laboratório), derivada do ópio retirado do leite da papoula. Com uma grande utilidade na medicina, a morfina é usada como analgésico em casos extremos, como traumas, partos, dores pós-operativas, graves queimaduras etc.” (Disponível em: http://www.mundoeducacao.com/drogas/morfina.htm.)

Com relação à morfina, é correto afirmar que ela: a) possui 4 carbonos secundários. b) não possui carbono quaternário. c) sua fórmula molecular é C17H19NO3. d) possui 5 carbonos com hibridação sp2. 06. (Enem MEC) As moléculas de nanoputians lembram figuras humanas e foram criadas para estimular o interesse de jovens na compreensão da linguagem expressa em fórmulas estruturais, muito usadas em Química Orgânica. Um exemplo é o NanoKid, representado na figura:

297

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

01. (UEMA) Por volta de 1858 e 1861, os químicos Friedrich August Kekulé, Archebald Scott Couper e Alexander M. Butlerov lançaram três postulados que constituem as bases fundamentais da química orgânica. A partir dos estudos das propriedades dos compostos de carbono, pode-se diferenciar claramente essa classe de compostos dos demais considerados inorgânicos.

Química

10. O carbono é um elemento notável por várias razões. Suas formas alotrópicas incluem, surpreendentemente, uma das substâncias mais frágeis e baratas (o grafite) e uma das mais rígidas e caras (o diamante). Mais ainda: apresenta uma grande afinidade para combinar-se quimicamente com outros átomos pequenos, incluindo átomos de carbono que podem formar langas cadeias. O seu pequeno raio atômico permite-lhe formar cadeias múltiplas; assim, com o oxigênio forma o dióxido de carbono, essencial para o crescimento das plantas; o carbono forma numerosos compostos denominados, genericamente, hidrocarbonetos, essenciais para a indústria e o transporte na forma de combustíveis derivados de petróleo e gás natural. A seguir, há representações de duas formas alotrópicas do carbono: em (a), temos o diamante; em (b), temos a grafite. CHANTEAU, S. H. TOUR. J.M. The Journal of Organic Chemistry, v. 68, n. 23. 2003 (adaptado).

Em que parte do corpo do NanoKid existe carbono quaternário? a) Mãos d) Abdômen b) Cabeça e) Pés c) Tórax 07. (UEM PR) A respeito da estrutura das moléculas orgânicas e dos orbitais híbridos, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. A ligação C-H na molécula de metano envolve um orbital híbrido do tipo sp3 do carbono e um orbital tipo s do hidrogênio. 02. Uma hibridização do tipo sp2 envolve um orbital atômico do tipo s e dois orbitais atômicos do tipo p. 04. Na molécula de etileno ocorre uma hibridização do átomo de carbono do tipo sp. 08. Tanto na grafite quanto no diamante, as hibridizações do átomo de carbono são do tipo sp3. 16. A molécula de CO2 é linear porque os orbitais híbridos do tipo sp do átomo de carbono são lineares, e não há influência de pares de elétrons não compartilhados.

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

08. (Puc RJ) Recentemente, os produtores de laranja do Brasil foram surpreendidos com a notícia de que a exportação de suco de laranja para os Estados Unidos poderia ser suspensa por causa da contaminação pelo agrotóxico carbendazim, representado a seguir:

De acordo com a estrutura, afirma-se que o carbendazim possui: a) fórmula molecular C9H11N3O2 e um carbono terciário. b) fórmula molecular C9H9N3O2 e sete carbonos secundários. c) fórmula molecular C9H13N3O2 e três carbonos primários. d) cinco ligações pi (p) e vinte e quatro ligações sigma (σ). e) duas ligações pi (p) e dezenove ligações sigma (σ). 09. (UFT TO) O dióxido de carbono pode ser produzido pela combustão completa do metano. A mudança na hibridização do átomo de carbono neste processo reacional é a) sp2 para sp. d) sp para sp2. 3 2 b) sp para sp . e) sp para sp3. 3 c) sp para sp. 298

Considerando as informações do texto e seus conhecimentos, julgue os itens a seguir em certo (C) ou errado (E) ( ) O petróleo é uma substância composta. E ( ) A "rigidez" do diamente pode ser traduzida em dureza. C ( ) O diamante é um sólido cujo retículo cristalino é molecular. E ( ) A forma alotrópica diamante apresenta átomos de carbono hibdizados em sp3. C ( ) A forma alotrópica diamante apresenta átomos de carbono hibdizados em sp2. C ( ) Na forma alotrópica grafite temos um sólido cujo retículo cristalino é covalente. E ( ) A alta capacidade de combinação do carbono está relacionado com sua tetravalência. C

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios C om p l em en t ares

02. (UECE) O etileno, ou eteno, é o hidrocarboneto alceno mais simples da família das olefinas, constituído por dois átomos de carbono e quatro átomos de hidrogênio, C2H4. É usado como anestésico moderado em intervenções cirúrgicas e é produzido naturalmente em plantas, sendo responsável pelo amadurecimento de frutos. É usado para amadurecer de maneira forçada frutas verdes. Com relação à formação desse composto, assinale a afirmação verdadeira. a) Para cada átomo de carbono existem 3 orbitais híbridos 2sp2 que estão em planos diferentes. b) Para cada átomo de carbono existe um orbital não hibridizado 2p que forma a ligação p (pi) na ligação C = C. c) A ligação σ (sigma) C – C é formada pelos orbitais híbridos 2sp2-2p. d) As ligações σ (sigma) C – H são formadas pelos orbitais híbridos 2sp2-2s. 03. (UFAM) Um dos passatempos modernos prediletos é tirar fotos próprias, as chamadas selfies. Há exatos 50 anos, a cristalógrafa Dorothy Crowfoot Hodgkin recebeu o Prêmio Nobel de Química pelas fotos que tirava, mas não dela própria, e também não com uma máquina fotográfica convencional. Suas análises de raios-x permitiram a elucidação de estruturas complexas de moléculas importantes, como a penicilina e a Vitamina B12. Moléculas mais simples têm sua estrutura tridimensional definida segundo critérios de hibridização. Observando as moléculas a seguir, analise as afirmativas: 1 - H2CNH 2 - H3CNH2 3 - H3CCN I. A molécula 1 possui duas ligações do tipo pi (π) e carbono com hibridização sp2; II. A molécula 2 possui somente ligações do tipo sigma (σ) e carbono com hibridização sp3; III. A molécula 3 possui duas ligações do tipo pi (π) e somente um carbono com hibridização sp3;

IV.

As moléculas 1 e 2 possuem ligações do tipo sigma (σ) e carbono com hibridização sp2e sp3, respectivamente; V. As moléculas 2 e 3 não possuem ligações do tipo pi (π) e carbono do tipo sp2. Assinale a alternativa correta: a) Somente as afirmativas I e II estão corretas. b) Somente as afirmativas I, III e IV estão corretas. c) Somente as afirmativas II, III e IV estão corretas. d) Somente as afirmativas II, III e V estão corretas. e) Somente as afirmativas IV e V estão corretas. 04. (UFRR) Anlodipino ou amlodipina é uma molécula da classe das dihidropiridinas e é usada em medicina como vasodilatador coronário e hipotensor. Considerando a figura, abaixo, analise a estrutura, em seguida, indique quais são os tipos de hibridização presentes nessa molécula:

a) sp, sp2 sp3 b) sp3 e sp2 c) sp e sp3 d) apenas sp3 e) apenas sp 05. (UFPR) O átomo de carbono sofre três tipos de hibridação: sp3, sp2 e sp. Essa capacidade de combinação dos orbitais atômicos permite que o carbono realize ligações químicas com outros átomos, gerando um grande número de compostos orgânicos. A seguir, são ilustradas estruturas de dois compostos orgânicos que atuam como hormônios.

Acerca da hibridação dos átomos de carbono nos dois hormônios, considere as seguintes afirmativas: 1. A testosterona possui dois átomos de carbono com orbitais híbridos sp2.

299

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

01. (UEPG PR) Sobre a química do átomo de carbono, assinale o que for correto. 01. Denomina-se por carbono terciário aquele que se liga através de uma ligação tripla a outro átomo de carbono. 02. Os átomos de carbono conseguem formar longas cadeias, as quais são denominadas de insaturadas, caso apresentem além de ligações simples, também duplas ou triplas dentro da cadeia carbônica. 04. Os átomos de carbono são os mais abundantemente encontrados nas moléculas orgânicas típicas, juntamente com o hidrogênio, o oxigênio e o nitrogênio. 08. O átomo de carbono por possuir quatro elétrons na camada de valência é capaz de estabelecer quatro ligações covalentes, como pode ser observado no metano.

Química

2. A progesterona possui quatro átomos de carbono com orbitais híbridos sp2. 3. Ambos os compostos apresentam o mesmo número de átomos de carbono com orbitais híbridos sp3. 4. O número total de átomos de carbono com orbitais híbridos sp3 na testosterona é 16. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. b) Somente as afirmativas 2 e 4 são verdadeiras. c) Somente as afirmativas 2, 3 e 4 são verdadeiras. d) Somente as afirmativas 1, 2 e 3 são verdadeiras. e) As afirmativas 1, 2, 3 e 4 são verdadeiras.

01. 02. 03. 04.

o carbono 1 tem hibridação sp3 a ligação entre o carbono 2 e o oxigênio é do tipo sp2-p. existem ao todo 4 ligações p(pi). o carbono 3 forma ligações com ângulos de 120 graus entre si. 05. o carbono 4 pertence a um grupamento ácido carboxílico. 09. (Uespi PI) A dipirona sódica (C13H16O4N3SNa) é, atualmente, o analgésico mais utilizado no Brasil e possui a fórmula estrutural abaixo:

06. (UFT TO) A figura a seguir representa a estrutura espacial de um hidrocarboneto insaturado. Considerando a estrutura acima, podemos afirmar que a dipirona: 1) possui 9 carbonos com hibridização sp2. 2) possui 4 carbonos com hibridização sp3. 3) apresenta 4 ligações π entre átomos de carbono. 4) possui um anel aromático. Sobre a representação da figura podemos afirmar que: a) A ligação δ entre C – C é do tipo sp2– sp3. b) A ligação δ entre C – H é do tipo sp3– s. c) A ligação δ entre C – H é do tipo sp3– sp2. d) A ligação p entre C – C é do tipo p – p. e) A ligação p entre C – H é do tipo sp2– s. 07. (UFAC) A borracha natural, produzida principalmente a partir do látex de uma árvore originária da Amazônia brasileira, Heveabrasiliensis (seringueira), é um polímero natural da molécula do isopreno, cuja estrutura pode ser representada por:

Está(ão) correta(s): a) 1, 2, 3 e 4 b) 2 e 4 apenas c) 1 apenas d) 2 apenas e) 3 apenas 10. (UFAL) Os feromônios são substâncias químicas voláteis, que podem agir a longa distância e que podem ser utilizadas para a comunicação entre membros de uma mesma espécie, como insetos, mamíferos e organismos marinhos (algas, peixes, moluscos e crustáceos). O feromônio utilizado pela abelha rainha

C01  Introdução ao estudo da química orgânica

no controle da colmeia apresenta a fórmula estrutural abaixo. A respeito dessa molécula, é correto afirmar que: a) Possui quatro ligações do tipo sigma. b) Possui fórmula molecular C5H6. c) Não possui carbonos com hibridização do tipo sp. d) Não possui átomos de hidrogênio. e) Possui quatro carbonos hibridizados da forma sp3. 08. (UFPE) O ácido acetil salicílico (AAS) é um importante analgésico sintético:

Com relação a essa molécula, as seguintes afirmações foram feitas:

possui quatro carbonos com hibridização sp2.

não possui carbono com hibridização sp.

possui três ligações p.

pode sofrer hidrogenação.

Dessas afirmações, estão corretas: a) 1 e 2 apenas b) 1, 2 e 3 apenas c) 2, 3 e 4 apenas Sobre esse ácido e os átomos de carbono assinalados na figura acima, podemos afirmar que: 300

d) 1, 3 e 4 apenas e) 1, 2, 3 e 4

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C02

CADEIAS CARBÔNICAS Ainda que sejam incompletas, as discussões cotidianas sobre a matriz energética mundial e as constantes crises políticas desse setor, de certa foram, esse fato popularizou o conceito do que é combustível. Grande parte dessas discussões faz referência aos derivados do petróleo, os combustíveis fósseis, e aos derivados das biomassas (álcool, biodiesel e H-bio), sem mencionar os combustíveis nucleares.

ASSUNTOS ABORDADOS n Cadeias carbônicas n Cadeias carbônicas

De maneira ampla, podemos dizer que combustível é qualquer material que, ao ser combinado com outro material, gera uma reação exotérmica, ou seja, uma reação que libera calor. Isso mostra que o termo combustível está diretamente ligado ao conceito de fonte de energia calorífica.

Fonte: shutterstock.com/Por MaraZe

Nesse contexto, diversos materiais possuem a propriedade de ser um combustível, principalmente quando em reação com o oxigênio. Entre os combustíveis, estão álcool, gasolina, querosene, óleo diesel, benzeno, tolueno e muitos outros compostos orgânicos. Mas os combustíveis não estão restritos unicamente aos derivados do petróleo. Metais como ferro, alumínio e magnésio, em determinadas condições, também se comportam como combustíveis. O combustível mais antigo em uso, e até hoje largamente utilizado em alguns países, sobretudo no Brasil, é a lenha. Constituído principalmente de celulose, resinas, água e sais minerais, esse combustível passa por um processo de extração indiscriminada, apesar dos constantes esforços dos ambientalistas e do Governo no combate a essa prática ilegal. A extração de lenha para manter os fornos de carvoarias, cerâmicas, indústrias de beneficiamento, produção de carvão e outros usos, resulta na devastação de milhares de árvores levando à extinção de matas, florestas e de um grande número de espécies vegetais e animais, além de outros problemas ambientais como a desertificação e o aquecimento global.

Figura 01 - Um dos processos de combustão mais antigo utilizado até hoje pela sociedade é a queima da madeira.

301

Química

Os combustíveis naturais gasosos são encontrados em poços perfurados na crosta terrestre e são popularmente chamados GN, isto é, gás natural. Em termos de composição, temos que o gás natural é formado principalmente de metano, etano, dióxido de carbono e nitrogênio. Porém, na maioria dos poços, o gás natural é constituído quase sempre de metano puro. O metano, CH4, é um combustível que apresenta alto poder calorífico, por isso é bastante utilizado em indústrias, cujo processo de abastecimento é feito por meio de gasodutos. Outra forma de transporte é por liquefação do gás sob alta pressão e resfriamento. Nesse caso, o transporte é feito a granel. Contudo, seguindo o conceito de combustível, como sendo todo material que reage com um comburente liberando calor, na composição do GN o dióxido de carbono e o nitrogênio não são combustíveis. Além do gás natural, podemos destacar a utilização do GLP, isto é, gás liquefeito de petróleo. Trata-se de uma mistura dos hidrocarbonetos propano e butano. Esses dois gases são retirados no início do processo de destilação, que separa as frações do petróleo. São gases inodoros e mais densos que o ar atmosférico e são comercializados por quilograma acondicionado em botijões ou tanques e regulamentados pelo Agência Nacional do Petróleo. O uso do GLP, atualmente, está bastante difundido como combustível doméstico e em algumas indústrias. No uso doméstico, para garantir a segurança, são acrescentadas substâncias odorizadoras com a finalidade de identificar vazamentos e escapes. Essa mesma mistura gasosa é utilizada como gás de isqueiros e até em automóveis, apesar de ser ilegal..

Fonte: Wikimedia Commons

Com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento de novos sistemas de combustão, pode-se contar com uma nova forma de combustível automotivo: o gás natural veicular, ou GNV, que é aprovado por lei. Os usos do GNV podem ser verificados no gráfico a seguir.

Figura 02 - No Brasil, o uso do Gás Natural Veicular (GNV) já é uma realidade em algumas capitais do País.

Cadeias carbônicas

C02  Cadeias carb ônicas

Os quatro primeiros hidrocarbonetos e também constituintes dos combustíveis gasosos anteriormente citados são denominados metano, etano, propano e butano. São compostos formados exclusivamente por átomos de carbono e hidrogênio e se apresentam no estado gasoso em condições ambientes. Com exceção do metano, esses compostos constituem um entrelaçamento de átomos de carbono denominado cadeias carbônicas. As ligações entre os átomos de carbono (C – C) e entre os átomos de carbono e hidrogênio (C – H) são de caráter predominantemente covalente.

302

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O carbono é um elemento muito especial, pois, além de formar moléculas orgânicas e dar suporte à existência da vida, ele pode formar estruturas estáveis com milhares de átomos. Isso se deve à sua capacidade de hibridizar seus orbitais atômicos, podendo formar ligações moleculares com uma dimensão, como no etano, duas dimensões, como no grafite e nos nanotubos, ou três dimensões, como no diamante.

SAIBA MAIS A história da descoberta dos nanotubos de carbono começou em 1985, quando os físicos Harry Kroto (University of Sussex, Inglaterra) e Richard Samlley (Rice University, EUA) iniciaram os estudos sobre a vaporização de grafite para explicar processos que podem ocorrer na superfície de estrelas. Para isso, eles utilizaram reatores de arco voltaico, em que uma descarga elétrica é feita entre dois eletrodos de grafite, colocados a poucos milímetros um do outro. Estudando estruturas de carbono formadas pela evaporação do grafite, eles descobriram que a maior parte dos elementos formados era constituída por uma esfera oca composta de exatamente 60 átomos de carbono interligados entre si, hoje conhecidos como C60. Em 1991, o físico japonês Eiji Iijima, pesquisador chefe da NEC, em Tsukuba, no Japão, tinha certeza de que poderia encontrar muitas estruturas novas de carbono observando o depósito proveniente da evaporação de grafite em reatores de arco voltaico. Para caracterizar os produtos da evaporação, ele utilizava um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução. Com muita paciência, e após muitas tentativas, ele

Cadeias carbônicas abertas ou acíclicas As cadeias carbônicas resultam dos entrelaçamentos de átomos de carbonos por meio das ligações químicas de caráter predominantemente covalente. A classificação dessas cadeias segue critérios específicos quanto ao grau de saturação, à disposição dos átomos de carbono e à natureza dos átomos que as constituem. É importante saber que a classificação é restrita à cadeia carbônica, ou seja, as características que não estão relacionadas dentro da cadeia carbônica não interferem nesse processo. saturação Cadeias carbônicas abertas ou acíclicas quanto à

disposição dos átomos natureza dos átomos

saturadas insaturadas não ramificadas ramificadas homogêneas heterogêneas

Cadeias carbônicas saturadas São cadeias que apresentam somente ligações simples entre os átomos formadores da cadeia carbônica, não havendo ligação dupla nem ligação tripla dentro da cadeia. Os combustíveis etano, propano e butano possuem cadeias carbônicas saturadas.

finalmente descobriu um depósito de material diferente na superfície de um dos eletrodos. Ele observou a formação de estruturas de átomos de carbono em forma de tubos com diâ-

Cadeias carbônicas insaturadas São cadeias carbônicas que apresentam pelo menos uma ligação dupla ou uma ligação tripla dentro da cadeia carbônica. A insaturação não precisa, obrigatoriamente, ser estabelecida entre átomos de carbono. Se ela estiver dentro da cadeia carbônica, já é critério suficiente para a cadeia carbônica ser classificada como cadeia insaturada.

Observe, nesses exemplos, que um dos compostos possui insaturação entre átomos de carbono e nitrogênio. Mesmo assim, a cadeia carbônica é classificada como cadeia insaturada, pois a insaturação está dentro da cadeia. 303

C02  Cadeias carbônicas

metros de uns 4 bilionésimos de metros, isto é, 4 nanômetros (4 nm). Para se ter uma ideia desse diâmetro, basta dizer que um fio de cabelo tem um diâmetro de cerca de mil nanômetros. Por ter dimensões nanométricas, esses tubos são hoje conhecidos como nanotubos de carbono.

Química

Outro ponto que deve ser analisado com bastante atenção é a diferença entre cadeia carbônica insaturada e composto insaturado. Compostos que apresentam a insaturação fora da cadeia carbônica são chamados compostos insaturados, porém de cadeia carbônica saturada. No exemplo a seguir, temos o aldeído propanal. Esse composto apresenta uma insaturação entre um átomo de carbono e um átomo de oxigênio. Portanto, trata-se de um composto insaturado. Como a insaturação pertence ao composto, mas não está dentro da cadeia carbônica, temos um caso de cadeia carbônica saturada e composto insaturado.

alta octanagem queimam-se mais regularmente, e são, por isso, combustíveis mais eficientes. Nesse contexto, foi criado um índice de comparação de resistência à detonação: índice de octanagem. O índice de octanagem foi estabelecido a partir do comportamento de dois hidrocarbonetos quando submetidos à compressão: o isoctano e o n-heptano. O isoctano é um hidrocarboneto de cadeia ramificada de nome oficial IUPAC 2,2,4-trimetilpentano; já o n-heptano é um hidrocarboneto de cadeia linear, não ramificada.

Apresenta insaturação fora da cadeia carbônica.

Cadeias carbônicas homogêneas São cadeias carbônicas formadas, exclusivamente, por átomos de carbono, não apresentando nenhum outro átomo diferente entre eles.

#Conceito

Como o isoctano é o componente que apresenta maior resistência à detonação, foi atribuído a ele o índice de octanagem 100. Já ao n-heptano foi atribuído o índice zero.

Cadeias carbônicas heterogêneas São aquelas que apresentam átomos diferentes de carbono dentro da cadeia carbônica. No exemplo a seguir, temos dois heteroátomos: dois átomos de oxigênio. Porém, apenas um deles está dentro da cadeia carbônica, tornando-a heterogênea. O H3C CH2 CH CH2 C O CH2 CH3 CH3

#Conceito Heteroátomo, segundo a IUPAC, é qualquer átomo diferente de carbono e hidrogênio (O, N, P, S, F, C, Br etc.). Porém, nem todo heteroátomo de um composto torna a cadeia heterogê-

C02  Cadeias carbônicas

nea. Cadeias carbônicas heterogêneas são aquelas que apresentam o heteroátomo dentro da cadeia carbônica.

Cadeias carbônicas ramificadas É de grande importância o estudo das cadeias carbônicas ramificadas na petroquímica, já que permite a obtenção de combustíveis melhores (maior octanagem). Gasolinas com 304

Uma gasolina que apresenta índice de octanagem 90, por exemplo, se comporta como uma mistura de 90% do hidrocarboneto isoctano e 10% do hidrocarboneto n-heptano. Na realidade, trata-se apenas de um índice de comportamento diante da compressão, pois as gasolinas comercializadas são misturas de diversos compostos, e não somente dois hidrocarbonetos, isoctano e n-heptano. Os alcanos de cadeias carbônicas ramificadas têm octanagem mais alta que os alcanos de cadeias lineares, também ditos de cadeias não ramificadas ou normais. Antidetonantes Como a qualidade da gasolina depende do grau de resistência à compressão, a indústria petroquímica faz uso dos aditivos que melhoram essa resistência: são os antidetonantes. Os principais antidetonantes são compostos orgânicos como o chumbotetraetila, o naftaleno e o metil-terc-butiléter. Verifique que os antidetonantes apresentam cadeias carbônicas ramificadas ou cíclicas, o que garante boa resistência à compressão.

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

A gasolina obtida diretamente do fracionamento do petróleo é constituída predominantemente de hidrocarbonetos lineares e tem índice de octanagem em torno de 50. Portanto, trata-se de uma gasolina de baixa qualidade para os motores a explosão. A saída, então, é melhorar a qualidade da gasolina por meio de transformações químicas. Uma das técnicas utilizadas é o craqueamento, que consiste na quebra de cadeias carbônicas grandes em cadeias carbônicas menores, tanto em cadeias abertas e altamente ramificadas como em cadeias carbônicas fechadas. As cadeias carbônicas fechadas também melhoram a qualidade das gasolinas. As principais cadeias carbônicas fechadas obtidas durante o craqueamento do petróleo são os hidrocarbonetos aromáticos, como o benzeno. Da mesma forma que classificamos as cadeias carbônicas abertas quanto ao grau de saturação, à disposição dos átomos de carbono e à natureza dos átomos que constituem as cadeias, também se classificam as cadeias carbônicas fechadas. Essa classificação é feita em duas categorias: cadeias não aromáticas ou alicíclicas e cadeias aromáticas. Cadeias carbônicas alicíclicas ou não aromáticas São cadeias carbônicas fechadas que não possuem anel aromático. Podem se apresentar na forma de um, dois ou mais ciclos ou anéis, porém não aromáticos. São também chamadas monocíclicas, bicíclicas, entre outras. Os compostos a seguir são exemplos de compostos cíclicos, portanto de cadeias carbônicas fechadas.

As cadeias carbônicas fechadas que apresentam ramificações – uma extremidade – são ditas cadeias carbônicas mistas. Cadeias carbônicas aromáticas Os hidrocarbonetos aromáticos compreendem um enorme grupo de compostos orgânicos. Suas propriedades reacionais, bem como seu valor social, faz com que tais hidrocarbonetos sejam especialmente importantes para a Química. Por isso, devemos dar maior atenção ao seu estudo. O comportamento químico dos hidrocarbonetos aromáticos os diferencia dos demais hidrocarbonetos insaturados, conferindo-lhes reações orgânicas especiais. Suas proprieda-

des cancerígenas e as severas consequências decorrentes do seu mau uso tornam os hidrocarbonetos aromáticos, uma classe de compostos de grande interesse social.

O representante mais simples dos hidrocarbonetos aromáticos é o benzeno, cuja fórmula está representada acima. Por causa de sua estrutura plana e altamente simétrica, com ângulos de ligação de 120o, sugere um alto grau de insaturação do tipo dupla, o que daria a ele um comportamento reacional semelhante ao dos hidrocarbonetos insaturados (alcenos e alcinos). No entanto, os hidrocarbonetos aromáticos são pouco reativos e possuem estabilidade química muito superior à dos alcenos e dos alcinos. Esse comportamento especial se deve à deslocalização da ligação p, fenômeno denominado ressonância aromática (aromaticidade). Benzeno e aromaticidade No decorrer do século XIX, isolou-se um grande número de compostos chamados aromáticos, por causa de seu odor agradável. O benzeno, principal composto dessa série, logo despertou interesse, pois, apesar do alto grau de instauração, não promovia as típicas reações de compostos insaturados, necessitando de catalisadores e aquecimento para que tais reações acontecessem. Com o desenvolvimento da teoria quântica, pôde-se finalmente entender a estrutura do benzeno. Atualmente, escrevemos as estruturas de Kekulé e colocamos uma flecha de dupla ponta para indicar que nenhuma das duas estruturas representa adequadamente a molécula, embora, simultaneamente, as duas o façam. Trata-se de um composto que apresenta as ligações pi deslocalizadas, isto é, apresenta ressonância. Por isso, dizemos que o benzeno é um hidrocarboneto aromático. Hoje, sabemos que o termo aromático não implica obrigatoriamente odor agradável. Aromaticidade significa alta estabilidade química, e o benzeno se comporta assim.

Formas ressonantes do benzeno (formas canônicas)

305

C02  Cadeias carb ônicas

Cadeias carbônicas fechadas ou cíclicas

Química

SAIBA MAIS QUÍMICA E SOCIEDADE Hidrocarbonetos aromáticos e suas consequências sociais Quando afirmamos que os hidrocarbonetos aromáticos representam um alto custo social, estamo-nos referindo ao seu uso indevido. Todos os hidrocarbonetos aromáticos possuem propriedades prejudiciais à nossa saúde. O mau uso ou o uso acidental dessas substâncias produzem danos às células do nosso corpo. Uma das doenças mais comuns decorrentes desse mau uso é a leucopenia, que é a diminuição do número de células de defesa, ou seja, diminuição da quantidade de leucócitos. Entretanto, não temos como deixar de utilizar totalmente os hidrocarbonetos aromáticos e muitos de seus derivados. O tolueno, por exemplo, um derivado do benzeno de nome oficial metilbenzeno, é utilizado como cola (cola de sapateiro). Apresenta alta volatilidade e por isso deve ser manipulado com cuidado e em presença de dispositivos de segurança que evitam ou que diminuem a absorção de seus vapores. Esses cuidados são tomados em indústrias petroquímicas, mas não em pequenas oficinas de reparos em sapatos, as sapatarias, e nem mesmo no uso doméstico, o que ocasiona frequentemente intoxicações com esses produtos. Outro fator social é o uso dos derivados do benzeno por moradores de rua, que os utilizam como drogas inalantes. Os constantes usos levam os usuários a um quadro característico de excitação seguida de depressão, alteração da fala e da coordenação motora. Muitos hidrocarbonetos aromáticos são cancerígenos. A primeira constatação desse fato foi feita em 1775 pelo médico cirurgião inglês Percival Pott (1714-1788). Desde então, muitos estudos foram feitos com o objetivo de identificar os hidrocarbonetos policíclicos responsáveis por essa propriedade fisiológica e o modo como se desenvolve. Um componente já bem estudado, o benzopireno, é produzido por aquecimento de matéria orgânica, combustível de automóveis, incineração de rejeitos orgânicos, incêndios em florestas, cigarros acesos e até mesmo carne de churrascos.

Exercícios de Fixação 01. (IF GO) Assinale a alternativa que contém a classificação correta da seguinte cadeia carbônica: CH3CHCH3CH2CCH a) acíclica, saturada e ramificada. b) cíclica, insaturada e ramificada. c) cíclica, saturada e sem ramificação. d) acíclica, insaturada e ramificada. e) heterocíclica, insaturada e ramificada.

03. (UFRGS RS) A levedura Saccharomyces cerevisiae é responsável por transformar o caldo de cana em etanol. Modificações genéticas permitem que esse micro-organismo secrete uma substância chamada farneseno, em vez de etanol. O processo produz, então, um combustível derivado da cana-de-açúcar, com todas as propriedades essenciais do diesel de petróleo, com as vantagens de ser renovável e não conter enxofre.

02. (Udesc SC) Analise o composto representado na figura abaixo:

C02  Cadeias carb ônicas

Assinale a alternativa correta em relação ao composto. a) Esse composto representa um alcano de cadeia linear. b) Esse composto possui apenas três carbonos terciários. c) Esse composto possui quatro insaturações. d) Nesse composto encontra-se apenas um carbono com quatro ligantes diferentes entre si. e) Esse composto é representando pela forma molecular C16H32.

306

Considere as seguintes afirmações a respeito do farneseno. I. A fórmula molecular do farneseno é C16H24. II. O farneseno é um hidrocarboneto acíclico insaturado. III. O farneseno apresenta apenas um único carbono secundário. Quais estão corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas III. d) Apenas I e II. e) I, II e III.

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04. (Unifor CE) O omeprazol é um medicamento usado como inibidor da bomba de prótons, cuja função é diminuir a produção de suco gástrico sendo recomendado no tratamento de úlcera gástrica e refluxo, entre outras patologias relacionadas ao aumento da acidez estomacal. Apresenta-se como um pó branco, pouco solúvel em água, cuja fórmula estrutural é apresentada abaixo:

Entre os monoterpenos representados, são acíclico, monocíclico e bicíclico, respectivamente: a) 1, 2 e 3 b) 1, 3 e 5 c) 2, 3 e 5 d) 2, 4 e 6

05. (Unievangélica GO) Nos momentos de tensão, medo e pânico, é liberada no organismo do ser humano uma determinada quantidade de adrenalina (fórmula a seguir), que aumenta a pulsação cardíaca.

De acordo com os critérios de classificação de compostos orgânicos, esse composto pode ser classificado como: a) aromático, ramificado e heterogêneo. b) aromático, saturado e heterogêneo. c) alifático, normal e homogêneo. d) alicíclico, ramificado e heterogêneo. 06. (UFG GO) Monoterpenos, substâncias de origem vegetal e animal, podem ser divididos em acíclicos, monocíclicos e bicíclicos. São exemplos de monoterpenos as estruturas a seguir:

e) 2, 4 e 5 07. (Ufam AM) O buckminsterfulereno (ver figura) possui fórmula molecular C60 e é uma esfera perfeitamente simétrica formada por átomos de carbono, e, portanto, possuindo uma geometria isoctaédrica. É também um poliedro com 20 faces hexagonais e 12 pentagonais onde cada face pentagonal e rodeada por outras 5 hexagonais, sendo que hexágonos são arranjados de modo que entre dois pentágonos não haja uma aresta comum. Em vista disso são verdadeiras as afirmações:

I. II. III. IV. V.

Todos os átomos de carbono possuem hibridação do tipo sp2 Todos os átomos de carbono são classificados como terciários O composto como um todo é saturado Os pentágonos e hexágonos são resultantes da hibridação sp3 Há átomos de carbono secundários e terciários na estrutura

a) II e V b) I, II, IV c) I e II somente d) Todas e) II e III somente 307

C02  Cadeias carb ônicas

De acordo com a estrutura apresentada acima, a sequência de símbolos atômicos que satisfazem a numeração indicada na figura acima é: a) C – O – N – S – O – O b) O – S – H – C – N – C c) N – S – O – N – C – H d) O – N – S – N – O – N e) O – C – N – O – O – N

Química

Exercícios C om p l em en t ares 01. (Puc RS) Considere as informações a seguir e preencha os parênteses com V para verdadeiro e F para falso. O estireno, representado pela fórmula estrutural abaixo, é obtido a partir do petróleo, sendo usado principalmente pelas indústrias de plásticos e de borrachas. a) Cadeias aromáticas com núcleo benzênico. b) Arranjo de cadeias carbônicas acíclicas. c) Cadeias alicíclicas de ligações saturadas. d) Cadeias carbônicas heterocíclicas. e) Arranjo de anéis de ciclohexano. Em relação a esse composto, afirma-se que ( ) sua fórmula mínima é idêntica à do benzeno. ( ) apresenta cadeia heterogênea e mista. ( ) possui o anel benzênico em sua estrutura. ( ) apresenta em sua estrutura somente um átomo de carbono quaternário. ( ) apresenta em sua estrutura somente um átomo de carbono com geometria tetraédrica. A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é a) V – F – V – F – F b) F – V – V – V – V c) V – V – V – V – F d) F – F – F – F – V e) F – F – F – V – V 02. (Ufes ES) A nicotina é um alcaloide que está presente em produtos como rapé, tabaco, cigarro e charuto. Sobre a nicotina, cuja estrutura está apresentada abaixo, é INCORRETO afirmar que

04. (UCS RS) A preocupação com o bem-estar e a saúde é uma das características da sociedade moderna. Um dos recentes lançamentos que evidenciam essa preocupação no setor de alimentos é o leite com ômega-3. Essa substância não é produzida pelo nosso organismo, e estudos revelam que sua ingestão é importante para evitar problemas cardiovasculares. A estrutura química do ômega-3 pode ser assim representada:

Com relação à estrutura química do ômega-3, é correto afirmar que essa substância possui cadeia carbônica a) alifática, homogênea, saturada e ramificada. b) alicíclica, heterogênea, insaturada e ramificada. c) alifática, homogênea, insaturada e normal. d) homocíclica, heterogênea, saturada e normal. e) alicíclica, homogênea, saturada e normal. 05. (UFCE) O processo de formulação de medicamentos requer, além da espécie farmacologicamente ativa, a participação de compostos carreadores de fármacos, tais como as ciclodextrinas α e β, representadas abaixo.

C02  Cadeias carb ônicas

a) possui cinco átomos de carbono hibridizados sp2. b) possui dois átomos de carbono terciários. c) possui um átomo de carbono quiral. d) é uma amina cíclica terciária. e) é uma base orgânica aromática. 03. (Uel PR) Dentre os componentes do cigarro, encontram-se a nicotina que interfere no fluxo de informações entre as células, a amônia que provoca irritação nos olhos e o alcatrão, formado pela mistura de compostos como o benzopireno, o crizeno e o antraceno, todos com potencial cancerígeno. Sobre o benzopireno, cuja estrutura química é apresentada a seguir, é correto afirmar que a molécula é formada por:

308

Quanto às ciclodextrinas α e β é correto afirmar que a) apresentam unidades homocíclicas unidas por ligações C–O–C. b) apresentam ligações polarizadas do tipo C–C, C–O e O–H. c) são solúveis em água através de interações covalentes. d) são moléculas cíclicas, saturadas e heterogêneas. e) são moléculas homólogas entre si.

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a) Aberta, ramificada, insaturada, heterogênea b) Alicíclica, ramificada, insaturada, heterogênea c) Acíclica, ramificada, insaturada, homogênea d) Alifática, linear, saturada, homogênea e) Aberta, linear, saturada, heterogênea 07. (Unicap PE) A acroleína, de cheiro acre e irritante aos olhos, presente na fumaça, tem fórmula H2CCHCHO. 00. Todos os carbonos estão hibridizados em sp2. 01. O ângulo entre carbono 1, hidrogênio e oxigênio é 180°. 02. O composto apresenta apenas 1 ligação pi. 03. Sua cadeia é heterogênea e insaturada. 04. Apresenta 7 ligações sigma. 08. (Ufes ES) O chá da planta Bidens pilosa, conhecida vulgarmente pelo nome de picão, é usado para combater icterícia de recém-nascidos. Das folhas dessa planta, é extraída uma substância química, cujo nome oficial é 1-fenilepta-1,3,5-triino e cuja estrutura é apresentada abaixo. Essa substância possui propriedades antimicrobianas e, quando irradiada com luz ultravioleta, apresenta atividade contra larvas de mosquitos e nematoides. Sobre a estrutura dessa substância, pode-se afirmar que

a) possui 12 átomos de carbono com hibridização sp2. b) possui 12 ligações σ carbono-carbono. c) não possui carbonos com hibridização sp3. d) possui 3 átomos de carbono com hibridização sp. e) possui 9 ligações π carbono-carbono. 09. (Mackenzie SP) Das fórmulas abaixo, a única que possui cadeia carbônica heterogênea, saturada e normal, é: a) CH3CH2CH2MgCl b) CH2=CH – CH2OH c) CH3COH d) CH3 – CH2 – O – CH3 e) CH3 – C(CH3) – CO – CH3 10. (ITA SP) O composto orgânico, de fórmula plana, possui:

a) 5 carbonos primários, 3 carbonos secundários, 1 carbono terciário e 2 carbonos quaternários. b) 3 carbonos primários, 3 carbonos secundários, 1 carbono terciário e 1 carbono quaternário. c) 5 carbonos primários, 1 carbono secundário, 1 carbono terciário e 1 carbono quaternário.

d) 4 carbonos primários, 1 carbono secundário, 2 carbonos terciários e 1 carbono quaternário. 11. (UECE) Uma pesquisa feita pelo Instituto Weizman, de Israel, analisou lágrimas de mulheres, e foi observado que o choro delas mexe com os homens, porque as lágrimas exalam um sinal químico e baixam o nível de testosterona, hormônio responsável pelo desenvolvimento e manutenção das características masculinas normais, sendo também importante para o desempenho sexual.

Com relação à testosterona, é correto afirmar-se que a) na sua estrutura existem 6 carbonos terciários. b) na classificação da cadeia carbônica, é fechada, ramificada, insaturada e heterogênea. c) em sua estrutura existem 11 carbonos secundários. d) é isômero de compostos que apresentam a fórmula química C17H24O2. 12. (Uem PR) Mentol e limoneno são duas substâncias de origem vegetal, cujas estruturas estão representadas a seguir. Sobre essas moléculas, assinale o que for correto.

01. O limoneno é um composto aromático. 02. O limoneno apresenta fórmula molecular C10H16. 04. O mentol possui cadeia carbônica, saturada, mista e heterogênea. 08. O limoneno apresenta dois carbonos quaternários. 16. Moléculas de mentol podem formar ligações de hidrogênio entre si e com a água. 13. (UFCE) Furosemida é um diurético que se encontra na lista de substâncias proibidas pela Agência Mundial Antidoping. Acerca de sua estrutura, representada abaixo, é correto afirmar que há um:

a) total de catorze átomos pertencentes à cadeia carbônica. b) anel aromático de benzaldeído com três substituintes. c) total de quatro heteroátomos na cadeia carbônica. d) total de dezesseis pares de elétrons não ligantes. e) anel heterocíclico do tipo tetra-hidrofurano. 309

C02  Cadeias carb ônicas

06. (Ufam AM) A cadeia carbônica abaixo é classificada como:

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C03

ASSUNTOS ABORDADOS n Hidrocarbonetos n Frações do petróleo n Hidrocarbonetos constituintes do petróleo n Craqueamento do petróleo e os alcenos

HIDROCARBONETOS Durante muito tempo, discutiu-se se a origem do petróleo era inorgânica ou orgânica. Atualmente, estudos demonstram que a origem orgânica mista, a partir de vegetais e animais em processo de decomposição, é a mais aceita, principalmente em ambientes planctônicos. A matéria orgânica teria acumulado no fundo da água de baías, deltas e outras regiões e foi sendo posteriormente coberta por espessas camadas de outros sedimentos. Sob a ação de reações químicas, bacteriológicas, pressão e calor, a matéria orgânica sofreu transformações, formando o petróleo. Uma jazida de petróleo pode chegar a ter 100 milhões de anos. As camadas submetidas a esses agentes de transformação são chamadas camadas geradoras e devem apresentar um conteúdo de matéria orgânica igual ou superior a 1%. Os principais constituintes das rochas sedimentares de interesse para o petróleo são restos de vegetais, polens, fungos, algas, entre outros. Desse total, apenas 2% a 5% serão transformados em petróleo, que migra das rochas geradoras para rochas de maior porosidade, assim que formado.

Fonte: Wikimedia commons

Outro fator importante na formação do petróleo é a temperatura. Estudos revelam que as melhores condições de formação ocorrem em torno de 60 oC e 140 oC. Nessas condições, são formados os principais constituintes da fração leve do petróleo: os hidrocarbonetos etano, butano, gasolina e querosene, os hidrocarbonetos pesados, nitrogênio, enxofre e oxigênio. Em temperaturas muito altas, não há formação de cadeias carbônicas grandes por causa do craqueamento (quebra) das moléculas dos hidrocarbonetos pesados, restando apenas gás metano.

310

Figura 01 - O petróleo é uma importante fonte de combustíveis e de matériaprima para a indústria petroquímica. Na imagem, temos um “cavalo” para extração de petróleo bruto. Esse método é bastante antigo e em desuso. Atualmente, utilizam-se as torres de perfuração.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O marco inicial da exploração do petróleo data de 1859 com a perfuração do poço de Coronel Drake, na Pensilvânia, EUA. Inicialmente, o petróleo foi utilizado como lubrificante e gás de iluminação e, somente mais tarde, como combustível automotivo. Mas o petróleo já era conhecido de épocas bem remotas, em que recebia nomes como betume, azeite, asfalto, lama, óleo de rocha, entre outros. Segundo dados históricos, no século III a.C., Alexandre, o Grande, ficou maravilhado com o fogo que emanava de forma permanente como resultado da combustão do petróleo proveniente da região de Kirkuk, atual Iraque.

No Brasil, a primeira descoberta de petróleo remonta a 1939, na localidade de Lobato, na Bahia. Em pouco mais de meio século, sob o comando da Petrobras, o Brasil conseguiu sua autossuficiência em petróleo em 2006, além de atingir elevados níveis de capacitação e ao mesmo tempo desenvolver nichos específicos de tecnologia de ponta, como a exploração de petróleo em águas profundas. Diferentemente do que diz a maioria pessimista, os cientistas alegam que a era do petróleo ainda está longe de acabar. Em outubro de 2007, por exemplo, o Brasil divulgou a descoberta de uma reserva gigantesca de petróleo e gás natural na bacia de Santos, que vai da parte do litoral do Rio de Janeiro até parte do litoral de Santa Catarina, a 2 mil metros de profundidade, contendo volume significativo de petróleo leve. Esse tipo de petróleo, assim como o óleo pesado, é utilizado no refino da gasolina e do óleo diesel.

3 6

4 5 8 9 10

Atualmente, a bacia de Campos, que se estende do litoral do Es- Figura 02 - Esquema de uma torre de perfuração: 1. bloco de coroamento; 2. bomba de lama; 3. motores; 4. peneira; 5. tanque de pírito Santo até o litoral norte do Rio de Janeiro, é responsável por lama; 6. mesa rotativa; 7. válvula de segurança; 8. tubo de perfuração; 80% da produção nacional e é a mais importante do país. No ranking 9. tubo de revestimento; e 10. broca de perfuração. mundial dos produtores de petróleo, o Brasil se encontra em 18o lugar. Por outro lado, o país detém o recorde de produção de petróleo em águas profundas, tendo atingido, em 1998, a marca de 1853 metros de lâmina d’água.

C03  Hidrocarbonetos

Uma vez finalizada a etapa de produção do petróleo e do gás natural, eles são transportados por meio de dutos ou navios para os terminais de armazenamento. Posteriormente, o petróleo é transferido desses terminais para as refinarias, onde será submetido a processos de separação das frações.

Fonte: Agência Internacional de Petróleo.

311

Química

Frações do petróleo O petróleo é uma mistura de compostos orgânicos com predominância de hidrocarbonetos, além de outras classes funcionais de compostos que apresentam nitrogênio, oxigênio e enxofre. Ao chegar às refinarias, na forma de petróleo bruto, essa mistura de compostos é submetida a processos físicos de separação. De início, a filtração e a decantação separam, respectivamente, os fragmentos sólidos e os líquidos imiscíveis, obtendo o petróleo cru. Em seguida, o petróleo cru é submetido à torre de fracionamento, ou seja, à destilação fracionada. Na torre de fracionamento, os componentes do petróleo são obtidos por destilação fracionada. Essa separação envolve a vaporização seguida de condensação, com base nos pontos de ebulição dos componentes da mistura, ou seja, à medida que as frações são vaporizadas e percorrem a torre de fracionamento, a temperatura diminui e ocorre a condensação do componente. É por isso que na porção superior de uma torre de fracionamento obtêm-se os componentes mais leves que apresentam baixo ponto de ebulição-condensação. Entre esses componentes estão o gás natural, o gás liquefeito do petróleo e o éter de petróleo.

Figura 03 - Esquema do fracionamento do petróleo em uma torre, com os diferentes produtos obtidos.

C03  Hidrocarb onetos

Veja no quadro a seguir as principais frações do petróleo. Nome da fração

Utilização

Número de átomos de carbono na molécula

Faixa de temperatura de ebulição

Gás natural

Combustível

De 1 a 4

Abaixo de 25°C

Éter de petróleo

Solvente

De 5 a 6

20-60

Ligroína

Solvente

De 6 a 7

60-100

Gasolina

Combustível

De 6 a 12

50-200

Querosene

Combustível na aviação

De 10 a 14

150-275

Óleo combustível

Combustível

De 12 a 20

175-350

Óleo lubrificante

Lubrificantes

De 20 a 36

350-550

Graxas

Lubrificantes

De 20 a 36

Não destila a 1 atm

Piche e asfalto

Pavimentação e calefação

Acima de 36

Resíduo

312

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Hidrocarbonetos constituintes do petróleo

Os hidrocarbonetos são compostos formados exclusivamente por átomos de carbono e hidrogênio. Mas nem todos apresentam o mesmo comportamento reacional. Por isso, podemos dividi-los em grupos de compostos que se assemelham em termos de propriedades reacionais, identificando uma função química. As principais funções representantes dos hidrocarbonetos são os alcanos, os alcenos, os alcinos e os aromáticos. O carbono é praticamente o único elemento que apresenta a propriedade de estabelecer ligações simples, duplas e triplas, relativamente estáveis. Ligações entre átomos de carbono dupla

duas duplas

C C

C C C

SAIBA MAIS O GNV NO BRASIL Encontrado como principal componente do gás natural, o metano é o hidrocarboneto utilizado com combustível de uso doméstico, em automotores e indústrias. De custo mais baixo que as outras formas alternativas de combustíveis, o gás metano no Brasil é encontrado principalmente nos estados do Rio de Janeiro, Amazonas e Rio Grande do Norte. Entretanto, o Brasil ainda não apresenta autossuficiência em GNV e, por isso, realiza importações de metano de outros países, como a Bolívia. Outra forma de obtenção do gás metano é por meio dos biodigestores, que são bastante utilizados em fazendas e pequenos sítios para gerar energia. Nesse processo, restos de materiais orgânicos são colocados em recipientes adequados em que ocorre a fermentação, gerando o gás metano.

Nomenclatura de alcanos Os quatro alcanos mais simples são denominados metano, etano, propano e butano, cujos prefixos utilizados são de origem grega. Vale observar que apenas esses quatro hidrocarbonetos são nomeados utilizando prefixos gregos. Metano

CH4

Alcanos ou parafinas

Etano

CH3CH3

Os alcanos são hidrocarbonetos de fórmula geral CnH2n + 2, em que n é igual ao número de átomos de carbono por fórmula. Apresentam cadeias carbônicas lineares, saturadas, homogêneas e ramificadas ou não.

Propano

CH3CH2CH3

Butano

CH3CH2CH2CH3

O metano é o menor representante dos alcanos, além de ser um dos componentes do gás natural, utilizado para aquecimento doméstico e em aquecedores de água. Ao longo da história, o metano já foi chamado gás grisu e gás do pântano; atualmente é denominado GNV (gás natural veicular). Mas, atenção, o gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos em que o gás metano é o principal componente, mas não o único. O metano tem fórmula molecular CH4 e uma estrutura tetraédrica em que o somatório dos momentos dipolares é igual a zero. Portanto, trata-se de uma molécula apolar bastante solúvel em solventes como benzeno e alguns éteres. Todos os alcanos são apolares. Observe a seguir a estrutura tetraédrica do carbono: Ligações puxadas para dentro

Ligações no plano da página

T=0 C Ligações Tetraedro que saem da página regular Átomo de carbono tetraédrico

Os demais alcanos são nomeados de acordo com regras fixas estabelecidas mundialmente. O órgão que regulamenta as regras de nomenclatura é a IUPAC, com sede na Suíça. A busca por uma sistematização das regras de nomenclatura, em função do grande número de compostos orgânicos descobertos, teve início no fim século XIX, em 1892, em Genebra. Segundo a IUPAC, o nome de um hidrocarboneto deve ser estabelecido obedecendo a um prefixo, a um infixo e a um sufixo. Essa regra deve ser aplicada com base na estrutura representativa das moléculas. Portanto, pode haver casos de nomenclatura puramente teórica, com base em estruturas que ainda não existem ou não foram isoladas. n

O prefixo refere-se ao número de átomos de carbono; tem origem no latim, exceto para os quatro primeiros hidrocarbonetos, que têm origem no grego.

Os infixos referem-se ao tipo de ligação que ocorre entre átomos de carbono.

Por último, temos o sufixo, que se refere à função. No caso das funções presentes nos hidrocarbonetos, todas elas têm o sufixo “o”. No quadro a seguir, apresentamos os alcanos com até dez átomos de carbono. 313

C03  Hidrocarb onetos

O número de componentes nas frações do petróleo é muito grande e estudar de forma isolada as propriedades de cada um desses compostos exige muito tempo. Por essa razão, é necessário agrupar os hidrocarbonetos em classes com propriedades químicas semelhantes, que são as classes funcionais.

Química

Número de carbono

Prefixo

Fórmula molecular

Fórmula estrutural

Nome (IUPAC)

T.F. (°C)

T.E. (°C)

met

CH4

metano

−183

−162

C2H6

H3CCH3

etano

−172

−89

prop

C3H8

H3CCH2CH3

propano

−187

−42

but

C4H10

H3C[CH2]2CH3

butano

−138

pent

C5H12

H3C[CH2]3CH3

pentano

−130

hex

C6H14

H3C[CH2]4CH3

hexano

−95

hept

C7H16

H3C[CH2]5CH3

heptano

−91

oct

C8H18

H3C[CH2]6CH3

octano

−57

126

non

C9H20

H3C[CH2]7CH3

nonano

−54

151

dec

C10H22

H3C[CH2]8CH3

decano

−30

174

As fórmulas estruturais dos hidrocarbonetos podem ser representadas de várias maneiras. Vejamos, por exemplo, as três formas representativas do butano, C2H10:

Figura 04 - Algumas representações do butano, C4H10. A molécula é a mesma, apesar de estar representada de maneiras diferentes. Essas estruturas indicam que o butano possui uma cadeia linear de quatro átomos de carbono. Nesse tipo de representação, as fórmulas não indicam geometrias específicas.

Alcanos de cadeias fechadas ou ciclanos Os ciclanos são hidrocarbonetos de cadeias fechadas ou cíclicas, saturadas e de fórmula geral CnH2n. Alguns ciclanos apresentam boa reatividade em função da alta tensão presente em suas ligações químicas: tensão dos anéis de Bayer. Contudo, esse comportamento só ocorre nos ciclanos com três, quatro ou cinco átomos de carbono no ciclo. Ciclanos com seis ou mais átomos de carbono no anel, possuem boa estabilidade química por causa do fenômeno da isomeria conformacional.

C03  Hidrocarb onetos

O ciclano mais simples apresenta três átomos de carbono em uma estrutura triangular plana. A seguir, veremos a representação do ciclopropano por meio de modelos de bolas e varetas. O ângulo de ligação no ciclopropano é de 60o.

314

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Nomenclatura dos ciclanos A nomenclatura dos ciclanos segue as mesmas regras já vistas para os alcanos quanto ao prefixo. Porém, devemos acrescentar a palavra ciclo antes do nome. Nos casos em que os prefixos para o número de átomos de carbono começam com a letra h, pode-se fazer a elisão.

O eteno é o composto orgânico mais usado industrialmente. Sua aplicação está na síntese de inúmeros polímeros termoplásticos, na obtenção de álcool, na maturação de frutos, entre outros. Seu valor econômico é tão grande que, em termos de proporção industrial, é a quinta substância mais utilizada, perdendo apenas para o ácido sulfúrico (H2SO4), o óxido de cálcio (CaO), a amônia (NH3) e o oxigênio (O2). Nomenclatura dos alcenos

Craqueamento do petróleo e os alcenos Os alcenos, alquenos ou olefinas são obtidos industrialmente pelo craqueamento do petróleo. Craqueamento vem do inglês craking e significa quebra. Mas por que quebrar o petróleo? A produção mundial de gasolina obtida por destilação do petróleo é insuficiente para suprir a demanda mundial. Apenas 7% a 15% do petróleo podem ser convertidos em fração gasolina por destilação. A saída, então, é recorrer aos processos químicos de transformação.

A nomenclatura dos alcenos segue as mesmas regras já vistas para alcanos quanto ao prefixo. Porém, os alcenos são insaturados por uma ligação dupla, por isso o infixo an presente nos alcanos deve ser trocado por en. Alcenos com quatro ou mais átomos de carbono devem ter a posição da dupla ligação identificada por um localizador numérico, de forma que a característica funcional, ou seja, dupla ligação, receba a menor numeração. Assim, a cadeia deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima da ligação dupla. Vejamos alguns exemplos:

A indústria petroquímica pode alterar a estrutura das cadeias hidrocarbônicas utilizando condições especiais de pressão, temperatura e catalisadores. O processo de craque ou craqueamento converte os alcanos de alto peso molecular em alcanos menores e alcenos. O alcano obtido deve estar dentro da fração gasolina, permitindo aumentar o seu rendimento. Craqueamento do dodecano: alcano

alceno

Os alcenos são hidrocarbonetos de cadeias abertas, insaturadas por uma ligação dupla e de aspecto oleoso. Por isso, recebe o nome de olefinas. São mais reativos que os alcanos ou parafinas, realizando preferencialmente reações de adição. Os alcenos, cuja fórmula geral é CnH2n, raramente são produzidos de maneira natural. No craqueamento do C12H26, os produtos formados são C6H14 (alcano) e C6H12 (alceno). Note que esse último produto obedece à fórmula CnH2n, logo podemos considerar que se trata de um alceno. Mas a fórmula CnH2n não é exclusiva dos alcenos. Essa fórmula também aparece nos ciclanos. Portanto, pode haver isômeros. O menor e mais simples representante dos alcenos é o eteno, um gás utilizado na maturação artificial de frutos. O gás eteno também é produzido naturalmente pela planta durante o processo de maturação dos frutos.

SAIBA MAIS Chamamos isomeria o fenômeno em que vários compostos apresentam mesma fórmula molecular e fórmulas estruturais diferentes. No caso do but-1-eno e but-2-eno, temos uma isomeria constitucional de posição. Porém, entre o cis-but-2-eno e trans-but-2-eno, temos um caso de estereoisomeria geométrica..

Nomenclatura dos alcenos de cadeias fechadas ou ciclenos Os ciclenos são hidrocarbonetos cíclicos de cadeia insaturada por uma ligação dupla. Apresentam boa reatividade química, uma vez que a ligação dupla aumenta a tensão na cadeia fechada e, consequentemente, aumenta a reatividade. Sua fórmula geral é CnH2n − 2. Na figura a seguir, vemos a representação molecular do ciclobuteno.

315

C03  Hidrocarb onetos

→ C6H14 + C6H12 C12H26  ∆

Química

Alcinos ou alquinos Os alcinos são hidrocarbonetos insaturados por uma ligação tripla (C ≡ C) e de fórmula geral CnH2n − 2. Apresentam cadeias carbônicas abertas, lineares ou retas e homogêneas. São compostos produzidos artificialmente, na maioria dos casos. O representante mais simples e também o mais importante é o etino, ou gás acetileno, utilizado em soldas em um dispositivo de maçarico: ao entrar em contato com o oxigênio em um maçarico, queima produzindo chama de até 2 500 oC. É bastante utilizado em soldagens em que são necessárias altas temperaturas. A presença da ligação tripla entre átomos de carbono torna os alcinos muito reativos. Esse é um dos motivos pelos quais são raramente encontrados livres na natureza. Nomenclatura dos alcinos A nomenclatura dos alcinos segue as regras já vistas para os alcanos quanto ao prefixo. Porém, os alcinos são insaturados por uma ou mais ligação tripla, por isso o infixo an presente nos alcanos deve ser trocado por in. Alcinos com quatro ou mais átomos de carbono devem ter a posição da ligação dupla identificada por um localizador numérico, de forma que a característica funcional, ou seja, a tripla ligação, receba a menor numeração. Assim, a cadeia deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima da ligação tripla. Quando essa característica funcional estiver no centro da cadeia, pode-se escolher qualquer um dos lados para numeração. Vejamos alguns exemplos:

A nomenclatura é feita em função de aspectos históricos, por isso não obedecem a regras sistemáticas. O representante mais simples é o benzeno, mas o naftaleno é, dentre todos, o mais comum em nosso cotidiano, já que é comercializado nos supermercados na forma de naftalina (naftaleno impuro). Mas qual é a origem dos hidrocarbonetos aromáticos? Os compostos aromáticos ou são isolados dos reservatórios de matéria orgânica ou são sintetizados em laboratórios. Os dois maiores reservatórios de matéria orgânica na Terra são o carvão e o petróleo. Assim, da mesma forma que o petróleo constitui a fonte primária dos alcanos, ele também é fonte dos hidrocarbonetos aromáticos. Além do petróleo, o carvão também constitui fonte dos hidrocarbonetos aromáticos. A maior parte do carvão extraído das minas é transformada em coque, cujo destino são os altos-fornos de produção de ferro e aço. Durante o aquecimento do carvão, na ausência de ar e a altas temperaturas (destilação seca), ocorre decomposição do carvão em substâncias voláteis e em um líquido viscoso chamado alcatrão da hulha. A partir do alcatrão da hulha, e por destilação fracionada, obtém-se a maioria dos compostos aromáticos: benzeno, tolueno, naftaleno, fenol, cresóis, entre outros.

Entretanto, a destilação do alcatrão da hulha é insuficiente para abastecer o mercado consumidor de hidrocarbonetos aromáticos, necessitando que eles sejam produzidos industrialmente por processo de reforma catalítica.

SAIBA MAIS

C03  Hidrocarb onetos

Alcinos que possuem hidrogênios ligados diretamente ao carbono da ligação tripla são denominados alcinos verdadeiros. Esses alcinos têm caráter ácido e reagem com sódio metálico. Os alcinos que possuem ligação tripla no centro da cadeia, e não na extremidade, são chamados alcinos falsos e não reagem com sódio metálico.

Nomenclatura de hidrocarbonetos aromáticos Os hidrocarbonetos aromáticos são compostos com propriedades químicas e características que os diferenciam dos demais hidrocarbonetos. 316

A reforma catalítica consiste na ciclização de alcanos em condições especiais de pressão, temperatura e catalisadores. Nesse processo, são produzidos hidrocarbonetos cíclicos do tipo cicloalcano ou aromáticos, normalmente, com número de átomos de carbono igual ao do alcano de origem. Observe a ciclização do hexano:

Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

Exercícios de Fixação 01. (Fuvest SP) O rótulo de uma lata de desodorante em aerosol apresenta, entre outras, as seguintes informações: “Propelente: gás butano. Mantenha longe do fogo”. A principal razão dessa advertência é: a) O aumento da temperatura faz aumentar a pressão do gás no interior da lata, o que pode causar uma explosão. b) A lata é feita de alumínio, que, pelo aquecimento, pode reagir com o oxigênio do ar.

04. (Ufac AC) O refino do petróleo consiste na conversão de hidrocarbonetos em moléculas comercialmente mais interessantes. Um destes processos é o craqueamento catalítico, no qual um hidrocarboneto é convertido em dois outros de cadeia menor; outro é a isomerização, um processo de reforma catalítica que tem como resultado um hidrocarboneto ramificado. Estes processos podem ser exemplificados no esquema a seguir:

c) O aquecimento provoca o aumento do volume da lata, com a consequente condensação do gás em seu interior. d) O aumento da temperatura provoca a polimerização do gás butano, inutilizando o produto. e) A lata pode se derreter e reagir com as substâncias contidas em seu interior, inutilizando o produto. 02. (Puc Campinas SP) O corpo de uma vela é constituído de parafina, uma mistura de hidrocarbonetos que contém o tetracontano, cuja fórmula está representada a seguir:

A fórmula molecular desse composto é a) C36H78 b) C36H80 c) C40H78 d) C40H80 e) C40H82 03. (Escs DF) Recentemente, um shopping center em São Paulo, construído em 1984 sobre um antigo lixão, entrou para a lista de áreas críticas por causa do risco de explosão. Segundo

Os nomes dos compostos 1, 2 e 3 são, respectivamente: a) hexano; 2 n-butil eteno; 2 metil pentano b) hexeno; 1 hexino; 2 metil pentano c) hexano; 1 hexeno; 1,1 dimetil butano d) hexano; butil eteno; 1,1 dimetil butano e) hexano, 1 hexeno, 2 metil pentano 05. (UERN) Hidrocarbonetos são compostos que apresentam em sua composição átomos de carbono e hidrogênio. Um caso de hidrocarboneto são os alcinos que apresentam cadeias alifáticas insaturadas por uma tripla ligação. Considere o alcino apresentado na figura.

técnicos da companhia de gás, a presença do gás metano foi constatada em alguns pontos do shopping. Eles afirmaram mas que alguma explosão poderia acontecer em pequenas áreas onde o gás metano fica confinado, como em depósitos de lojas por exemplo. O gás metano é: a) um hidrocarboneto de baixa massa molecular. b) um derivado halogenado altamente inflamável. c) um gás produzido na combustão de matéria orgânica. d) uma substância que apresenta na sua fórmula os ele-

Afirma-se que o composto está INCORRETO, pois a) possui 1 carbono a menos. b) o nome não está adequado. c) não poderia ser representado por linhas. d) o ângulo entre os carbonos que possuem a tripla não está correto. 06. (Fatec SP) A fórmula estrutural abaixo representa o antraceno, substância importante como matéria-prima para a obtenção de corantes.

mentos C, H e O. e) um composto da mesma função química que o gás carbônico.

317

C03  Hidrocarb onetos

que não havia risco de explosão de grandes proporções,

Química

Examinando-se essa fórmula, nota-se que o número de átomos

A alternativa que apresenta a associação CORRETA, de cima

de carbono na molécula do antraceno é

para baixo, é: a) 3, 4, 1, 2, 5.

a) 3. c) 14.

b) 4, 1, 3, 2, 5. c) 4, 3, 1, 5, 2.

d) 18.

d) 4, 1, 3, 2, 5.

b) 10.

e) 25. 07. (Puc RJ) Considere os seguintes hidrocarbonetos e as afirmativas a seguir:

e) 4, 3, 1, 2, 5. 09. (Ufu MG) A substância de fórmula C8H16 representa um: a) alcano de cadeia aberta. b) alceno de cadeia aberta. c) Alcino de cadeia aberta. d) composto aromático. e) Alcino de cadeia fechada. 10. (Ufac AC) Quantos átomos de carbono tem um alcano com 42 átomos de hidrogênio? a) 5 b) 10 c) 20 d) 30 e) 40

O tolueno é um hidrocarboneto aromático mononuclear.

II.

O naftaleno possui 6 ligacões pi (p).

III.

A fórmula molecular do fenantreno é C14H10.

IV.

O 1,2-difenil-etano é um hidrocarboneto aromático que possui 22 átomos de hidrogênio.

É correto apenas o que se afirma em: a) I. b) II. c) I e III. d) II e IV. e) III e IV. 08. (Udesc SC) Na coluna 1 abaixo encontram-se listadas as fór-

11. (Uem PR) Sobre a molécula do 1-butino (ou but-1-ino), assinale o que for correto. a) A hibridização do carbono 2 é do tipo sp3. b) A hibridização do carbono 1 é do tipo sp. c) Entre os carbonos 1 e 2, existem duas ligações sigma. d) Entre os carbonos 3 e 4, o tipo de ligação é covalente do tipo sp2-sp2. e) A ligação σ (sigma) H-C do carbono 1 é do tipo s-sp2. 12. (Ufpel RS) O naftaleno (naftalina) é um composto orgânico que pode ser obtido a partir do petróleo ou do carvão; ele é empregado para combater traças. Sua fórmula estrutural está representada a seguir.

mulas de diferentes substâncias químicas e, na coluna 2, estão listados os possíveis nomes para elas. Coluna 1 ( 1 ) CH3  CH2  CH3 ( 2 ) CH3  CH2 C ( 3 ) CH3 CH2 CH2 CH3 ( 4 ) CH3  CH2  CH2  CH2 CH3 ( 5 ) CH3 C C03  Hidrocarb onetos

Coluna 2 ( ) pentano ( ) butano ( ) propano ( ) cloreto de etila ( ) cloreto de metila 318

Com relação a essa molécula, podemos afirmar que a) o naftaleno tem cadeia carbônica saturada que facilmente se liquefaz à temperatura e a pressões ambientes. b) o naftaleno é um hidrocarboneto líquido muito solúvel em água em temperatura e pressões ambientes. c) o naftaleno é um hidrocarboneto com cadeia carbônica aromática com núcleos condensados e sua fórmula molecular é C10H8. d) todos os carbonos do naftaleno apresentam hibridação sp3 com números de oxidação -1. e) a união de dois radicais fenila através de seus elétrons livres permitem formar uma molécula de naftaleno.

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Exercícios C om p l em en t ares

02. (Uncisal AL) Alguns hidrocarbonetos insaturados ocorrem em Dahlia spp, como a estrutura CH3CH=CH(C≡C)4CH=CH2, em que se podem identificar os acidentes estruturais (insaturações) das famílias de alquinos e alquenos, respectivamente: a) alqueno, alquino, alquino, alquino, alquino, alqueno. b) alqueno, alquino, alqueno, alquino, alquino, alqueno. c) alquino, alqueno, alquino, alquino, alqueno, alquino. d) alqueno, alquino, alqueno, alqueno, alquino, alqueno. e) alquino, alquino, alquino, alquino, alquino, alquino. 03. (Acafe SC) Os hidrocarbonetos acetilênicos são representados pela fórmula CnH2n-2. A alternativa correta que apresenta quatro compostos de hidrocarbonetos acetilênicos, respectivamente com 2, 3, 4 e 5 átomos de carbono, é: a) eteno, propeno, buteno e penteno. b) etano, propano, butano e pentano. c) etino, propino, 1-butino e 1-pentino d) metano, etano, propano e butano. 04. (Uerj RJ) O petróleo de base parafínica é uma mistura cujos principais componentes são os alcanos. A ordenação crescente da massa molar dos alcanos de cadeia normal gera uma progressão aritmética de razão igual a: a) 10 b) 12 c) 14 d) 16 05. (Uerj RJ) Em grandes depósitos de lixo, vários gases são queimados continuamente. A molécula do principal gás que sofre essa queima é formada por um átomo de carbono e átomos de hidrogênio. O peso molecular desse gás, em unidades de massa atômica, é igual a: a) 10 b) 12 c) 14 d) 16 06. (Fatec SP) O gás liquefeito de petróleo, GLP, é uma mistura de propano, C3H8, e butano,C4H10. Logo, esse gás é uma mistura de hidrocarbonetos da classe dos a) alcanos. d) cicloalcanos. b) alcenos. e) cicloalcenos. c) alcinos.

07. (UFTM MG) A escassez de recursos energéticos é uma problemática de importância no mundo contemporâneo. A população mundial cresce a cada ano, aumentando a demanda por energia. Alternativas para a obtenção de energia têm sido sugeridas, tais como a queima de gás metano proveniente de aterros sanitários. Considere as seguintes afirmações: I. o gás metano pode ser utilizado nas usinas termelétricas em substituição ao óleo diesel, sendo ecologicamente vantajoso, pelo fato de o metano ser um dos gases responsáveis pelo aquecimento global; II. a combustão do gás metano não libera gases causadores do aquecimento global, como acontece na combustão do óleo diesel; III. o uso do gás metano, proveniente da decomposição do lixo, apresenta a vantagem de não envolver a destilação fracionada de combustíveis fósseis. Está correto o contido em a) I, apenas. d) I e III, apenas. b) III, apenas. e) I, II e III. c) I e II, apenas. 08. (Ufu MG) Soneto Químico De filhos do carbono nós fazemos de ti “compostos”, ó gloriosa arte, reagiremos total, parte a parte, em ciclanos, em alcinos ou alcadienos. Desbravamos-te as formas anômeras, descobrimos veredas inúmeras, desde todos mistérios da alquimia onde ainda era tida como magia. Esculpida em mercúrio, chumbo e ferro. Em teu avanço para o tempo moderno tivestes sim uma explosão “polvorosa”. Conhecer-te será sempre uma sina, empiricamente maravilhosa, então aplaudamos-te de pé, ó QUÍMICA. Disponível em: <http://www.quimica.ufc.br/?q=node/126>. Acesso: 20 abr. 2013.

A fórmula geral dos compostos orgânicos apresentados no poema é, respectivamente, a) CnH2n; CnH2n-2; CnH2n-2 b) CnH2n+2; CnH2n-2; CnH2n c) CnH2n; CnH2n-2; CnH2n+2 d) CnH2n+2; CnH2n; CnH2n-2

319

C03  Hidrocarb onetos

01. (UFSC) Considere a molécula CH3 − CH = CH2. Sobre ela, é CORRETO afirmar: 01. Apresenta um átomo de carbono insaturado e dois átomos de carbono saturados. 02. O átomo de carbono central utiliza 3 elétrons em 3 orbitais sp² e 1 elétron em orbital “p” puro. 04. Todas as ligações C − H são do tipo sigma e ocorrem entre orbitais s e sp³. 08. Apresenta uma ligação pi. 16. Seu nome é propeno.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C04

ASSUNTOS ABORDADOS n Hidrocarbonetos ramificados n Isomerização n Nomenclatura

HIDROCARBONETOS RAMIFICADOS Já vimos que o petróleo é uma fonte de diversos combustíveis e matérias-primas. GNV, GLP, gasolina, querosene, óleo diesel, parafinas, asfalto, entre outras, são frações do petróleo de inúmeras aplicações, tanto no ramo industrial, as indústrias petroquímicas, quanto na sua utilização como combustíveis. O querosene é uma mistura de hidrocarbonetos intermediária à fração gasolina e ao óleo diesel. Apresenta predominância de hidrocarbonetos, que podem variar entre 10 e 14 átomos de carbono, e é obtido por destilação fracionada do petróleo em uma faixa de temperatura que varia de 150 oC a 300 oC. É largamente utilizado como combustível de avião, por exemplo os aviões a jato, e é utilizado também como solvente. Uma das características marcantes do querosene é sofrer combustão sem produzir fumaça e odor. O óleo combustível (diesel) é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta predominância de cadeias carbônicas variando entre 12 e 20 átomos de carbono, e é obtido também pelo processo de destilação fracionada em uma faixa de temperatura de 175 oC a 350 oC. É um líquido mais viscoso que a gasolina e o querosene, possui fluorescência azul e é utilizado como combustível nos motores a diesel. A viscosidade é uma característica que torna o óleo diesel um bom combustível, pois mantém a lubrificação do motor. Mas, por causa da presença de enxofre nesse tipo de combustível, o impacto ambiental decorrente de seu uso é grande, uma vez que produz gases formadores de chuva ácida (SO2 e SO3). As parafinas também derivam do petróleo e são grandemente utilizadas no nosso dia a dia. Podemos encontrar parafinas em lápis, explosivos, impermeabilizantes, revestimentos de mangueiras, pranchas de surfe e até mesmo nas gomas de mascar e nos chocolates. O uso de parafinas em chocolates tem a finalidade de aumentar a consistência do chocolate, impedindo que ele amoleça em temperaturas ambientes.

Fonte: shutterstock.com/ Andre Klaassen / daizuoxin

Figura 01 - Diversas são as frações importantes do petróleo. Além do GNV, do GLP e da gasolina, temos o querosene de aviação, as parafinas utilizadas na fabricação de giz de cera e o asfalto.

O asfalto também é derivado do petróleo. Trata-se de um sólido de cor escura obtido a partir dos resíduos da destilação do petróleo. Apresenta massa molar elevada e é utilizado no processo de pavimentação.

320

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Isomerização As frações querosene e óleo combustível podem ser craqueadas em cadeias menores com o intuito de aumentar a qualidade da gasolina. Durante a quebra dessas cadeias de grandes comprimentos são formadas cadeias lineares menores e de baixo índice de octanagem, ou seja, gasolina de baixa qualidade. Para aumentar a qualidade da gasolina, os hidrocarbonetos de cadeias lineares (não ramificadas) devem ser convertidos em hidrocarbonetos de cadeias ramificadas, por meio do processo de isomerização.

#Conceito

A isomerização é um processo em que um hidrocarboneto de cadeia não ramificada é transformado em um hidrocarboneto de cadeia ramificada. Utilizando para isso condições adequadas de pressão, temperatura e catálise.

A seguir, está representada a isomerização do heptano em 2,2-dimetilpentano.

Podemos verificar nessa representação que os dois compostos apresentam fórmulas moleculares iguais e fórmulas estruturais diferentes. Esse fenômeno é denominado isomeria. E podemos verificar também que o nome oficial do produto foi antecedido do termo 2,2-dimetil. Mas o que significa esse termo? Já vimos, na parte introdutória de nomenclatura de hidrocarbonetos, que o nome oficial IUPAC de um hidrocarboneto é formado pela junção de: prefixo + infixo + sufixo. Contudo, em alguns casos, aparecem as chamadas ramificações laterais da cadeia carbônica. Por exemplo, com a fórmula molecular C5H12, podemos representar três hidrocarbonetos: um de cadeia carbônica não ramificada e dois outros de cadeias carbônicas com ramificação lateral. No caso dos hidrocarbonetos ramificados, o nome é obtido pela anteposição do nome das ramificações. É o que vemos no 2-metilbutano e no 2,2-dimetilpropano. Observe o quadro a seguir:

Nomenclatura A nomenclatura de hidrocarbonetos de cadeias carbônicas ramificadas obedece às regras específicas e depende da nomenclatura dos grupos que aparecem ligados à cadeia principal na forma de ramificações. Por isso, é necessário estudar o sistema de nomenclatura IUPAC dos grupos orgânicos. No entanto, devemos ter o cuidado de não utilizar o termo radical para os grupos orgânicos derivados de hidrocarbonetos quando esses se apresentam ligados à cadeia principal na forma de ramificações, uma vez que esse termo faz referência às espécies químicas que possuem pelo menos um elétron desemparelhado. Devemos, nesse caso, utilizar o termo grupos substituintes.

#Conceito

Radicais orgânicos são espécies químicas eletricamente neutras e que possuem pelo menos um elétron desemparelhado. Ademais, são instáveis, muito reativos e com meia-vida muito curta, sendo dificilmente isolados em meios reacionais.

321

C04  Hidrocarbonetos ramificados

me lbutano

Química

Abaixo estão listados os principais radicais monovalentes, isto é, com um elétron desemparelhado. Observe que todos eles apresentam terminação il ou ila, exatamente por serem monovalentes.

Regras IUPAC de nomenclatura de hidrocarbonetos ramificados Alcanos Em alcanos de cadeias ramificadas e acíclicas, deve-se considerar a cadeia mais longa como a principal. Em caso de duas ou mais possibilidades, dá-se preferência à cadeia com maior número de ramificações. A numeração da cadeia deve ser feita de forma que os grupos substituintes recebam os menores localizadores (números) possíveis. Já os nomes dos grupos substituintes (ramificações) precedem o nome da cadeia principal e devem ser listados em ordem alfabética. O nome do último grupo (ramificação) deve ser ligado ao da cadeia principal sem a utilização de hífen ou espaço entre eles. Como exemplo de nomenclatura, utilizaremos a estrutura a seguir:

Figura 02 - Duas representações diferentes de uma mesma substância.

Note que existem duas possibilidades de cadeias de mesmo comprimento, ou seja, cadeias com sete átomos de carbonos.

C04  Hidrocarbonetos ramificados

Verifique na representação a seguir quais são essas duas cadeias:

duas ramificações

Quando ocorrer esse tipo de situação, devemos dar preferência à cadeia que apresenta o maior número de ramificações.

duas ramificações

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Ciências da N aturez a e suas T ecnologias

A cadeia escolhida foi a segunda porque apresenta duas ramificações. Desse modo, a cadeia principal é aquela que apresenta o maior número de carbonos e o maior número de ramificações. Em seguida, devemos nomear as ramificações ou grupos e colocá-las em ordem alfabética. E, a partir de então, construir o nome do composto.

Se a função alceno estiver no centro da cadeia carbônica, a numeração é feita a partir da extremidade mais próxima da ramificação, como representado a seguir:

Observações: n

Os prefixos de quantificação, como di, tri, tetra e penta, não são colocados em ordem alfabética, pois não são nomes, e sim números.

Quando a cadeia principal começa com um prefixo que se inicia com a letra h, pode-se fazer a elisão dessa letra.

Não se deve usar t em lugar de terc, uma vez que essa letra é utilizada como abreviatura de trans.

A seguir, há três exemplos de alcanos de cadeias ramificadas. Verifique a nomenclatura em cada um dos casos.

me l

3 e l

3-e l-2-me loctano

3 isopropil

3-isopropil-2-me l-heptano me l

1 e l

propil 3-e l-2-me l-4-propilnonano

Alcenos No caso dos alcenos ou alquenos ramificados, a nomenclatura é feita com base na cadeia principal, ou seja, aquela que contém o grupo funcional (ligação dupla) e o maior número de átomos de carbono. As ramificações, ou grupos substituintes, são localizadas na cadeia principal da mesma maneira descrita para os alcanos. Contudo, a numeração da cadeia deve ser feita de modo que o grupo funcional (dupla ligação) receba o menor localizador numérico.

Alcinos Nos alcinos ramificados, a cadeia principal é a maior e a que contém a tripla ligação. Nesse caso, as ramificações, ou grupos substituintes, são localizadas na cadeia principal da mesma maneira descrita para os alcanos e para os alcenos. A numeração da cadeia deve ser feita de modo que a função alcino receba o menor localizador.

No momento da contagem do número de átomos de carbono, preste bastante atenção. Isso porque, na representação da fórmula estrutural em linha para um alcino, os carbonos envolvidos na formação da ligação tripla são hibridizados em sp, assumindo geometria linear com ângulo de 180 o. Aromáticos

Se houver duas ou mais possibilidades de numeração da cadeia carbônica, de maneira que a função receba sempre o mesmo localizador numérico, a cadeia carbônica deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima da ramificação. Vejamos a representação a seguir:

Os hidrocarbonetos aromáticos de cadeias ramificadas devem ser nomeados utilizando um sistema de nomenclatura oficial, mas sempre levando em conta a nomenclatura trivial ou histórica que, na maioria das vezes, prevalece sobre a nomenclatura sistemática. 323

C04  Hidrocarbonetos ramificados

me l

Se o somatório de todos os localizadores numéricos das características for o mesmo independentemente da extremidade escolhida, a nomenclatura deve ser feita utilizando como ordem de prioridade a citação das ramificações em ordem alfabética, como veremos a seguir. A extremidade escolhida foi a da direita, pois o etil aparece primeiro no alfabeto, quando comparado com a ramificação metil.

Química

As representações o, m e p significam, respectivamente, orto, meta e para. Esses símbolos podem ser utilizados para substituir os localizadores numéricos 1,2 (orto), 1,3 (meta) e 1,4 (para).

Exercícios de Fixação 01. (Puc RJ) Considere as afirmativas a seguir sobre o 2-metilpentano. I. Possui cadeia carbônica normal. II. Possui fórmula molecular C6H14. III. É um hidrocarboneto insaturado. IV. Possui três átomos de carbono primários. É correto o que se afirma somente em: a) I e II b) I e III c) I e IV d) II e III e) II e IV 02. (Uespi PI) A qualidade da gasolina, que determina quão suavemente ela queima, é medida pelo índice de octanagem. Por exemplo, a molécula linear de octano queima tão mal que tem octanagem -19, mas seu isômero comumente chamado de isoctano tem octanagem 100. Sabendo que a fórmula estrutural do isoctano é:

03. (UEG GO) O hidrocarboneto abaixo, segundo as normas de nomeclatura da IUPAC (International Union of Pure and Apllied Chemistry), é o

a) 3-etil-2-metiloctano. b) 6-etil-7-metiloctano. c) 3-isopropiloctano. d) 2-metil-3-etiloctano. 04. (UFCG PB) Octanagem é o índice de resistência à detonação da gasolina. O índice faz relação da equivalência à resistência de detonação de uma mistura percentual de isoctano (2,2,4- trimetilpentano) de fórmula molecular C8H18. Considerando os três compostos de mesma fórmula molecular que o isoctano, quais são os grupos (radicais) que

C04  Hidrocarbonetos ramificados

podem ser identificados?

De acordo com as regras adotadas pela IUPAC, o isoctano é denominado: a) 1,1,3-dimetilhexano b) 2,2,4- trimetiloctano c) 1,1,3-metiloctano d) 2,2,4-trimetilpentano e) 2,2,4-metilpentano

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a) Os radicais metila, etila e séc-butila. b) Os radicais metila, etila e propila. c) Os radicais metila, etila e isobutila. d) Os radicais metila e etila. e) Os radicais metila, etila e isopropila. 05. (UFJF MG) Um método clássico para a preparação de álcoois é a hidratação de alcenos catalisada por ácido. Nessa reação, o hidrogênio se liga ao carbono mais hidrogenado, e o grupo hidroxila se liga ao carbono menos hidrogenado (regra de Markovnikov). Sabendo-se que os álcoois formados na hidratação de dois alcenos são, respectivamente, 2-metil-2hexanol e 1-etilciclopentanol, quais são os nomes dos alcenos correspondentes que lhes deram origem? a) 2-metil-2-hexeno e 2-etilciclopenteno. b) 2-metil-2-hexeno e 1-etilciclopenteno. c) 2-metil-3-hexeno e 1-etilciclopenteno. d) 2-metil-1-hexeno e 2-etilciclopenteno. e) 3-metil-2-hexeno e 2-etilciclopenteno. 06. (UFRR) O menteno, é um hidrocarboneto encontrado na hortelã, tem o nome sistemático 1 – isopropil – 4 – metilciclohexeno. Com base nessa informação, assinale a alternativa em que aparece a fórmula molecular: a) C9H16 d) C10H17 b) C10H18O e) C10H18 c) C9H18 07. (Mackenzie SP) 10,0 g de um alcino, que possui cadeia carbônica contendo um carbono quaternário, ocupam 3,0 L a 1 atm. e 27 °C. A fórmula estrutural desse hidrocarboneto é: Dados: massa molar (g/mol) H = 1 ; C = 12. Constante Universal dos gases = 0,082 atm. L /mol.K

09. (Puc MG) Sobre o composto que apresenta a estrutura de linha abaixo, fazem-se as seguintes afirmativas:

I. II. III. IV. V.

É um hidrocarboneto alifático e ramificado. Apresenta 6 carbonos sp3 e 4 carbonos sp2. Possui fórmula molecular C15H28. A nomenclatura correta, segundo a IUPAC, é 3-etil-7-metil-4-propil-nona-2,6-dieno. Possui interação intermolecular do tipo ligação de hidrogênio.

São VERDADEIRAS: a) I, III e IV, apenas. b) II, III e IV, apenas. c) I, II, III e IV. d) I, III, IV e V. 10. (Unicastelo SP) A fórmula estrutural do estireno, monômero que origina o poliestireno é:

Logo, a fórmula molecular desse monômero é a) C8H8. d) C6H6. b) C8H10. e) C8H9. c) C6H8. 11. (Udesc SC) Analise o composto representado na figura abaixo:

Sobre o composto, é incorreto afirmar que: a) o seu nome é 2,2,4- trimetil-4-penteno. b) apresenta dois carbonos com hibridização sp2. c) é um alceno ramificado de cadeia aberta. d) é um hidrocarboneto ramificado de cadeia aberta. e) apresenta seis carbonos com hibridização sp3.

08. (UECE) Esqualeno, encontrado em grande quantidade no óleo de fígado de bacalhau, com possível efeito anticarcinogênico, é um hidrocarboneto que contém seis ligações duplas entre átomos de carbono. Como em sua molécula existem 30 átomos de carbono, sua fórmula mínima é a) C10H17. b) C8H13. c) C5H8. d) C3H5.

C04  Hidrocarbonetos ramificados

12. (Puc PR) A estrutura a seguir:

apresenta a seguinte nomenclatura oficial: a) 3-fenil-5-isopropil-5-hepteno b) 5-fenil-3-isopropil-2-hepteno c) 3-isopropil-5-hexil-2-hepteno d) 5-benzil-3-isopropil-2-hepteno e) 5-fenil-3-etenil-2-metil-heptano 325

Química

Exercícios C om p l em en t ares 01. (Puc RS) O dodecilbenzeno, cuja estrutura é representada por

é matéria-prima do tensoativo mais utilizado na fabricação de detergentes domésticos. Tendo baixo custo e boa biodegradabilidade, é excelente agente emulsionante. O dodecilbenzeno é um a) alceno de massa molar igual a 246 g. b) composto com doze átomos de carbono na parte linear e cinco átomos de carbono na parte cíclica da cadeia. c) composto aromático de fórmula mínima C5H3. d) hidrocarboneto de fórmula molecular C18H30. e) alcano de cadeia carbônica mista. 02. (Uespi PI) Um hidrocarboneto que apresenta aromaticidade é: a) o furano. d) o fenol. b) a piridina. e) a anilina. c) o naftaleno. 03. (UFV MG) Assinale a alternativa que apresenta corretamente os nomes sistemáticos para os compostos I, II e III, respectivamente:

C04  Hidrocarbonetos ramificados

a) 3,3,6-trimetileptano, 3-propilexano, 3-metil-4-metileptano. b) 2,5,5-trimetileptano, 4-etileptano, 4-etil-3-metileptano. c) 3,3,6-trimetileptano, 4-etileptano, 3-metil-4-metileptano. d) 2,5,5-trimetileptano, 3-propilexano, 4-etil-3-metileptano. 04. (UEPG PR) Sobre as características do composto 2,2 dimetilpropano, assinale o que for correto. 01. Sua fórmula molecular é C5H12. 02. A cadeia principal é saturada com três átomos de carbono. 04. Apresenta cadeia carbônica alifática, homogênea e ramificada. 08. Sua cadeia carbônica apresenta 1 átomo de carbono quaternário. 05. (Uem PR) Supondo a união dos radicais sec-propil, etileno (duas valências em carbonos distintos) e sec-butil, assinale o que for correto. 01. Essa união poderá formar um composto com fórmula molecular C9H20. 02. O composto poderá apresentar 4 carbonos primários e 2 terciários.

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04. O composto poderá apresentar duplas e triplas ligações. 08. O composto poderá apresentar todos os átomos de carbono com hibridação sp3. 16. O composto poderá apresentar uma cadeia ramificada. 32. O composto poderá ser o 2,5-dimetil-heptano. 06. (Efoa MG) Um dos parâmetros utilizados para avaliar a qualidade da gasolina é o índice de octano. Esse índice é estabelecido com base em uma escala arbitrária em que ao composto (I) é atribuído o valor 0 (zero) e ao composto (II) o valor 100 (cem).

Os nomes sistemáticos dos compostos (I) e (II) são, respectivamente: a) 1-metil-4-etilbutano e 1,1,3,3-tetrametilbutano. b) heptano e 2,2,4-trimetilpentano. c) 1-etil-4-metilbutano e 2,2,4,4-tetrametilbutano. d) heptano e 2,4,4-trimetilpentano. e) 4-etil-1-metilbutano e 1,1,3,3-tetrametilbutano. 07. (UFRJ) O isooctano e outras moléculas de hidrocarbonetos ramificados são mais desejáveis, nas gasolinas comerciais, do que moléculas de cadeia linear uma vez que estas sofrem ignição de forma explosiva, causando até perda de potência.

Assinale a opção que apresenta a nomenclatura correta do isooctano a) 2,2,3 - trimetilpentano b) 2,2,4 - trimetilpentano c) 2,2,4 - trimetilbutano d) 2,2,3 - dimetilpentano e) 2,2,4 - trimetilhexano 08. (Uem PR) Assinale a(s) alternativa(s) que apresenta(m) a descrição correta da molécula de 3-bromo-3,6-dimetil-5-etil-octa-4-eno. 01. O número de átomos de hidrogênio presente na cadeia principal é maior do que o número de átomos de hidrogênio presente nas ramificações. 02. A molécula apresenta uma cadeia aberta, normal, heterogênea e insaturada. 04. A molécula apresenta 8 átomos de carbono. 08. A molécula apresenta carbonos com hibridização sp3, sp2 e sp. 16. Os carbonos 3 e 6 são quirais.

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de A p rof u n dam en t o 01. (UECE) O geraniol possui um odor semelhante ao da rosa, sendo, por isso, usado em perf umes. T amb é m é usado para produzir sabores artificiais de pera, amora, melão, maçã vermelha, lima, laranja, limão, melancia e abacaxi. Pesquisas o evidenciam como um eficiente repelente de insetos. Ele também é produzido por glândulas olfativas de abelhas para ajudar a marcar as flores com néctar e localizar as entradas para suas colmeias. A seguir, temos a estrutura do geraniol, com seus átomos numerados de 1 a 1 0.

Classifica-se sua cadeia como: a) cíclica, alicíclica, normal insaturada. b) cíclica, aromática, mononuclear. c) cíclica, aromática polinuclear de núcleos condensados. d) cíclica, alicíclica, ramificada, insaturada. e) acíclica, aromática, polinuclear da núcleos isolados. 04. (Unicamp SP) O medicamento dissulfiram, cuja fórmula estrutural está representada abaixo, tem grande importância terapêutica e social, pois é usado no tratamento do alcoolismo. A administração de dosagem adequada provoca no indivíduo grande intolerância a bebidas que contenham etanol.

Assinale a alternativa que contém a medida correta dos ângulos reais formados pelas ligações entre os átomos 2-3-4, 4-5-6 e 9-8-10, respectivamente, da estrutura do geraniol. a) 120°, 1 09°28’ e 109°28’. b) 120°, 1 09°28’ e 180°. c) 180°, 120° e 1 09°28’. d) 1 09°28’, 180° e 180°. 02. (Uem PR) Sabendo-se que n Csp3 ligado a Csp3, a Csp2 ou a Csp tem comprimento médio

de ligação (distância entre os núcleos de C) igual a 1,54Å; n Csp 2 ligado a Csp 2 tem comprimento médio de ligação

igual a 1,34Å; n Csp ligado a Csp tem comprimento médio de ligação igual

a 1,20Å; assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. Na temperatura ambiente, a distância entre os carbonos 1 e 4 do n-pentano é fixa. 02. A distância entre os carbonos 1 e 3 do propino é igual a 2,74Å. 04. A distância entre o carbono da metila e o carbono 2 do 1-metilcicloexeno é igual a 2,88Å. 08. No metilcicloexano, a distância entre o carbono da metila e o carbono 2 é a mesma nas duas conformações (metila axial ou metila equatorial). 16. No 1-metilcicloexeno, o par de elétrons da ligação covalente entre a metila e o anel está mais próximo do carbono do anel. 03. (Unirio RJ ) A umbeliferona é obtida da destilação de resinas vegetais (u mb ellif erae) e é usada em cremes e loções para bronzear.

a) Escreva a fórmula molecular do dissulfiram. C1 0H20S4N 2 b) Quantos pares de elétrons não compartilhados existem nessa molécula? 1 0 pares c) Seria possível preparar um composto com a mesma estrutura do dissulfiram, no qual os átomos de nitrogênio fossem substituídos por átomos de oxigênio? Responda sim ou não porque os átomos de nitrogênio são trivalentes (três e justifique. Não, ligações) e os átomos de oxigênio, como os de enxofre da estrutura, são bivalentes (duas ligações).

05. (Unicamp SP) A dor pode resultar do rompimento de tecidos onde se formam várias substâncias, como as prostaglandinas, que a potencializam. Fundamentalmente, essas moléculas apresentam um anel saturado de cinco átomos de carbono, contendo duas cadeias laterais vizinhas, sendo que cada uma possui uma dupla ligação. Uma das cadeias laterais contém sete átomos de carbono, incluindo o carbono de um grupo ácido carboxílico terminal e a dupla ligação entre os carbonos 2 e 3 a partir do anel. A outra cadeia contém oito átomos de carbono, com um grupo funcional hidroxila no terceiro carbono a partir do anel e a dupla ligação entre os carbonos 1 e 2 a partir do anel. a) Desenhe a fórmula estrutural da molécula descrita no texto. b) Identifique com um círculo, na fórmula do item a, um carbono assimétrico. c) Calcule a massa molar da prostaglandina. 322 g/mol a) e b )

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Química

06. (Escs DF) A análise de um hidrocarboneto saturado de cadeia aberta constatou que 9,03 × 1021 moléculas dessa substância pesam 1,71 gramas. A fórmula molecular desse hidrocarboneto é: a) C6H14. c) C7H14. e) C9H6. b) C8H18. d) C8H16. 07. (ITA SP) Embrulhar frutas verdes em papel jornal favorece o seu processo de amadurecimento devido ao acúmulo de um composto gasoso produzido pelas frutas. Assinale a opção que indica o composto responsável por esse fenômeno. a) Eteno. d) Monóxido de carbono. b) Metano. e) Amônia. c) Dióxido de carbono. 08. (Unifor CE) A vaporização da grafita, induzida por laser, pode levar à formação de um poliino (molécula linear com ligações triplas). Um pedaço desse poliino, com 20 átomos de carbono, quantas ligações triplas, no máximo, possui? a) 6 c) 12 e) 20 b) 10 d) 18

n A reação deste hidrocarboneto com água em meio de ácido

sulfúrico forma um álcool que não é oxidado pelo permanganato de potássio em meio ácido. Com esses resultados o técnico pode concluir, corretamente, que o hidrocarboneto analisado é o a) metilpropeno b) propeno c) butano d) but-1-eno e) 2-metilbut-1-eno 11. (Unioeste PR) BTX é uma sigla para uma mistura formada pelos hidrocarbonetos benzeno, tolueno e xileno, substâncias químicas que apresentam índices de octanagem elevados, constituindo uma fração importante da gasolina. A alternativa que apresenta as estruturas corretas do benzeno, tolueno e xileno, respectivamente, é:

09. (UFPB) Os hidrocarbonetos correspondentes às frações pesadas do petróleo (moléculas maiores) podem ser quebrados em frações mais leves (moléculas menores) pelo processo de craqueamento conforme representação abaixo: C14H30 → C8H18 + C3H6 + C2H2 + C + 2H2 (A) (B) (C)

FRENTE C  Exercícios de A prof undamento

Considerando que os compostos A, B e C são hidrocarbonetos de cadeia aberta sem ramificações, julgue as afirmativas: I. O composto A apresenta 7 ligações simples entre os carbonos. II. O composto A apresenta 6 ligações simples e 1 ligação dupla entre os carbonos. III. O composto B apresenta 1 ligação simples e 1 ligação dupla entre os carbonos. IV. O composto C apresenta 1 ligação tripla entre os carbonos. V. O composto B apresenta 1 ligação simples e 1 ligação tripla entre os carbonos. É correto o que se afirma em a) I, II, III e V b) II, III e IV c) I, II e IV d) III e IV e) I, II, IV e V 10. (FMABC SP) Durante a identificação de um hidrocarboneto, um técnico reuniu as seguintes informações: n A combustão completa de 200 mL da substância no estado gasoso, armazenada a 20 °C e 1 atm consome 1 200 mL de gás oxigênio e produz 800 mL de gás carbônico medidos na mesma pressão e temperatura. n Na combustão completa desse hidrocarboneto, a cada 44

mg de gás carbônico obtido são formados 18 mg de água. 328

12. (Uem PR) Considerando os compostos I e II, assinale a alternativa correta.

a) O composto II não é aromático, pois possui 8 elétrons pi. b) O composto I não é aromático, pois possui um carbono sp3 com quatro ligações simples. c) O composto II tem anel planar, pois todos os carbonos do anel são sp2. d) No composto I, todas as ligações C − C e C − H fazem ângulos de 120° entre si. e) No composto II, existem sete carbonos com hibridização sp2 e um com hibridização sp.