Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti

Questões relativas ao texto de abertura

1. Resposta pessoal.

2. A concentração máxima de ozônio é atingida em torno de 35 km de altitude. Nesse ponto, o teor de ozônio chega a aproximadamente 7,8 ppm. A 20 km de altitude, o teor de ozônio é de aproximadamente 3 ppm. Assim, o valor máximo de concentração de ozônio é 2,6 vezes maior () que a 20 km de altitude.

3. Óculos de sol falsificados podem não apresentar proteção UV adequada, fato que expõe os olhos do usuário à radiação UV-B. Com a depleção da camada de ozônio, o aumento da radiação UV-B que incide sobre a Terra pode causar lesões nos olhos, como a catarata.

4. Conforme o esquema sugere, a radiação X é bloqueada completamente pela camada de ozônio (UV-C). Parte da radiação Y é bloqueada pela camada de ozônio (UV-B), enquanto toda a radiação Z passa pela camada de ozônio sem ser bloqueada (UV-A).

5. A ilustração mostra que o teor de ozônio na estratosfera não é zero nem mesmo na região da Antártida. Logo, não se criou efetivamente um buraco na camada de ozônio. Assim, essa expressão deve ser interpretada como uma analogia para a diminuição da concentração de ozônio na estratosfera. Com menos moléculas de ozônio por volume de ar, alguns tipos de radiação ultravioleta (UV-A e UV-B) ultrapassam essa barreira de gás ozônio com maior intensidade, fato que, como visto, pode ser muito prejudicial à saúde e ao meio ambiente.

6. A suspensão do uso dos CFCs, o comprometimento de algumas nações firmado no Protocolo de Montreal, a substituição dos CFCs pelos HFCs e HCFCs.

7. 13,5 bilhões de átomos de cloro.

Tema 1

Quantificando a rapidez de uma reação química

Questões para fechamento do tema

1. No tempo zero, há apenas esferas cinza (reagente). Após 20 minutos, parte das esferas cinza transformou-se nas esferas vermelhas (produto). Após 20 minutos, há 14 esferas vermelhas. Assim, tem-se:

Taxa_m(esferas vermelhas) =

Taxa_m(esferas vermelhas) = 0,7 esferas ⋅ mL⁻¹ ⋅ min⁻¹

2. A rapidez instantânea é maior no ponto I, pois nele a inclinação da curva é a maior possível; nesse caso,

é maior do que nos outros dois pontos.

3. Taxa_m(reação) = 4,0 ⋅ 10⁻³ mol ⋅ L⁻¹ ⋅ s⁻¹

4. a) Curva (III): N₂O₅; curva (II): O₂; curva (I): NO₂.

b) Taxa_m(reação) = 3,0 ⋅ 10⁻² mol ⋅ L⁻¹ ⋅ min⁻¹

5. a) Taxa_m(reação) = =

b) Sim, pois as taxas médias relativas de cada espécie dependem dos coeficientes usados na equação balanceada. No entanto, as taxas continuariam proporcionalmente iguais.

Tema 2

Modelos explicativos e os fatores que alteram a rapidez de uma reação

Questões para fechamento do tema

1.a) Cl(g) + NOCl(g) ⇌ Cl₂(g) + NO(g)

O meio racional passa gradativamente da cor amarela (NOCl) para a cor verde (Cl₂).

b) Resposta pessoal.

2. Em (A), a palha de aço está queimando sob ação do gás oxigênio presente no ar (cerca de 20% em volume). Já em (B), a palha de aço está queimando em um ambiente com gás oxigênio puro. Observa-se em (B) maior brilho do que em (A), o que pode ser interpretado como maior rapidez na reação. Isso ocorre porque em (B) tem-se gás oxigênio em uma concentração maior que no ar atmosférico. Quanto maior a concentração dos reagentes, maior o número de choques, inclusive os efetivos, entre as partículas dos reagentes e maior a rapidez da reação.

3. Porque só a partir do surgimento dos primeiros raios de Sol o animal ectotérmico tem seu corpo aquecido o suficiente para acelerar seu metabolismo e, assim, ter restabelecida sua capacidade de se movimentar.

4. O material particulado nas minas de carvão apresenta uma superfície de contato com o ar muito maior do que os pedaços de carvão usados em churrasqueiras. Quanto maior a superfície de contato, maior a frequência de colisões, inclusive as efetivas, entre as partículas reagentes, possibilitando reações mais rápidas, como as explosões.

5. Os comprimidos amassados apresentam uma superfície de contato maior do que os comprimidos engolidos inteiros. Por isso, são absorvidos mais rapidamente pelo organismo e seu efeito dura menos tempo (apesar de eventualmente terem um efeito mais intenso nesse período) do que quando ingeridos inteiros. Assim, um comprimido que deva ser tomado, por exemplo, a cada 6 horas não será muito eficaz, pois a duração terapêutica de cada dose será inferior a 6 horas.

6. A orientação (A) é a mais favorável para a formação do dióxido de carbono (CO₂), pois o átomo de carbono da molécula de monóxido de carbono (CO) deve colidir diretamente com um átomo de oxigênio da molécula de NO₂ para ligar-se a mais um átomo de oxigênio. A equação que descreve essa reação é:

CO(g) + NO₂(g) ⇌ CO₂(g) + NO(g)

7. A: concentração; B: superfície de contato.

Tema 3

Catalisadores

Quadro: A fixação do nitrogênio e a nitrogenase

1. Alternativa (c).

2. A molécula de gás nitrogênio apresenta uma ligação tripla, que requer grande quantidade de energia para ser rompida.

Página 282

3.



FERNANDO JOSÉ FERREIRA

Questões para fechamento do tema

1. a) Além de já produzir um pouco de gás oxigênio, a principal função dessa reação exotérmica é fornecer a energia necessária para iniciar a decomposição do clorato de sódio (energia de ativação).

b) A função do MnO₂ nessa situação é de catalisador da reação, ou seja, uma substância capaz de diminuir a energia de ativação da reação ao prover um mecanismo alternativo para ela.

2. a) A energia de ativação dessa reação é muito alta, por isso esses gases não reagem entre si normalmente. No entanto, durante uma tempestade, a energia descarregada durante o relâmpago fornece às moléculas a energia necessária para as colisões serem efetivas.

b) O atrito entre o palito de fósforo e a superfície áspera libera o calor necessário para suprir a demanda de energia de ativação da reação de combustão.

3. a) A catálise será homogênea com os íons brometo. A catálise homogênea ocorre quando o catalisador forma com os reagentes um sistema monofásico.

b) A catálise será heterogênea com a platina e a prata. A catálise heterogênea ocorre quando o catalisador forma com os reagentes um sistema polifásico.

4. a) Há quatro erros:

1. “[...] Nas últimas décadas, porém, moléculas de cloro formadas a partir dos gases CFC [...]”. O termo “ molécula” foi aplicado de maneira incorreta. São átomos de cloro isolados que são formados a partir dos gases CFC.

2. A expressão “destruição do ozônio” é incorreta. O correto é utilizar, por exemplo, “depleção do ozônio”.

3. O novo mecanismo para a depleção do ozônio envolvendo gás cloro deve ter uma energia de ativação menor do que a original, por isso a camada de ozônio está mais rarefeita.

4. Nem toda radiação ultravioleta é bloqueada pela camada de ozônio. Essa camada funciona como um filtro de radiação ultravioleta, absorvendo a maior parte da radiação solar e permitindo a passagem do restante para a superfície do planeta.

b) Cada molécula de CFC possui 2 átomos de cloro, portanto (massa molar do CCl₂F₂ = 121 g/mol):

1 mol CCl₂F₂ _______ 2 mol átomos de Cl

121 g CCl₂F₂ _______ 2 ⋅ (6 ⋅ 10²³) átomos de Cl

242 g CCl₂F₂ _______ x

x = 2,4 ⋅ 10²⁴ átomos de Cl

1 átomo de Cl decompõe 2,0 ⋅ 10⁶ moléculas de O₃.

Assim, tem-se:

1 átomo de Cl _______ 2,0 ⋅ 10⁶ moléculas de O₃

2,4 ⋅ 10²⁴ átomos de Cl _______ y

y = 4,8 ⋅ 10³⁰ moléculas de O₃

6 ⋅ 10²³ moléculas de O₃ (1 mol) _______ 48 g

4,8 ⋅ 10³⁰ moléculas de O₃ _______ z

z = 3,84 ⋅ 10⁸ g ou 384 ⋅ 10⁶ g ou 384 t

5. V F F F

Tema 4

Lei cinética de reação

Quadro: Resolvido um mistério de 70 anos

1. A lei cinética é: T_i = k ⋅ [H₂] ⋅ [I]²

2. Átomos de iodo (I(g)), pois ele é produzido na primeira etapa e consumido na segunda.

3. II e IV.

Questões para fechamento do tema

1. a) O₃(g) + 2 NO₂(g) ⇌ N₂O₅(g) + O₂(g)

b) A lei cinética de reação está relacionada com os reagentes da primeira etapa, que, por isso, deve ser a etapa lenta da reação. Logo, a etapa mais rápida é a segunda.

2. a) T_i= k ⋅ [NO₂⁻] ⋅ [O₃]

b) Com base nos dados do experimento IV, tem-se:

T_i = k ⋅ [NO₂⁻] ⋅ [O₃]

200 mol ⋅ L⁻¹ ⋅ s⁻¹ = k ⋅ [0,02 mol ⋅ L⁻¹] ⋅ [0,02 mol ⋅ L⁻¹]

k =

k = 5,0 ⋅ 10⁵ mol⁻¹ ⋅ L¹ ⋅ s⁻¹

3. Alternativa (b).

4. a) Para o CO, a ordem de reação é igual a 2 e, para o O₂, é igual a 1.

b) A ordem global da reação é igual a 3 (2 + 1).

c) Sabendo que a expressão da lei cinética dessa reação é

T_i = k ⋅ [CO]² ⋅ [O₂], tem-se:

T'_i = k (3 ⋅ [CO])² ⋅ (3 ⋅ [O₂]) ⇒

⇒ T'_i = 27 ⋅ k ⋅ [CO]² ⋅ [O₂] ⇒ T'_i= 27 ⋅ T_i

A razão entre T_i e T'_i é igual a 27. Logo, a rapidez da reação será multiplicada por 27.

5. T_i = k ⋅ [H₂O₂] ⋅ [I⁻]

6. a) T_i = k ⋅ [Cl] ⋅ [O₃]. Trata-se de uma reação de primeira ordem em relação ao cloro e ao ozônio. Logo, a reação é de ordem global 2.

b) T_i = 7,2 ⋅ 10⁻³ mol ⋅ L⁻¹ ⋅ s⁻¹

Exercícios finais

1. 0,125 mol ⋅ L⁻¹ ⋅ s⁻¹

2. Alternativa (c).

3. Alternativa (a).

4. Alternativa (b).

5. Alternativa (c).

6. Alternativa (a).

7. Alternativa (a).

8. Alternativa (b).

9. Alternativa (a).

10. Alternativa (a).

11. Alternativa (a).

12. Alternativa (d).

13. Alternativa (b).

14. Alternativa (a).
Página 283

15. Alternativa (e).

16. Considerando a seguinte lei cinética da reação química de hidrólise da sacarose: V = k ⋅ [sacarose]^a ⋅ [água]^b

Sabe-se que:

• a rapidez da reação não varia em função da concentração de água; logo, a ordem de reação b para a água é igual a zero;

• a ordem de reação a para a sacarose é igual a 1, pois, de acordo com o gráfico, há aumento linear (proporcional) da rapidez em função do aumento da concentração.

Assim, a lei cinética corresponde a:

V = k ⋅ [sacarose]

Calcula-se a constante cinética escolhendo-se um dos pontos do gráfico e substituindo-se os valores:

k = = = 5⋅ 10^{−6 ⋅} h⁻¹

Capítulo 5 Equilíbrio químico e sua importância para a saúde

Questões relativas ao texto de abertura

1. O vinagre é uma solução de caráter ácido e, como tal, pode favorecer o processo de desmineralização do esmalte dos dentes e, consequentemente, a formação das cáries.

2. O gráfico indica que, nos períodos analisados, houve diminuição no índice de cáries tanto nos países que utilizam água fluoretada como naqueles que não fazem uso desse processo (fluoretação), o que pode ser um indicativo da conscientização da população acerca da saúde bucal, como a correta escovação dos dentes e o uso de dentifrícios contendo flúor, eventualmente eliminando a necessidade da fluoretação da água.

3. Nas regiões em que há menor porcentagem de municípios abastecidos com água fluoretada, os índices CPO-D são maiores, como nas regiões Norte e Nordeste.

4. Se a elevada acidez é prejudicial ao esmalte dos dentes, e o gráfico (A) indica frequentes índices críticos de acidez bucal ao longo do dia (devido à ingestão de carboidratos fermentáveis pelas bactérias da boca), pode-se inferir que o hidrogenocarbonato de sódio atua na redução da acidez, isto é, esse sal deve apresentar caráter básico.

5. Sim. Porque a quantidade de flúor necessária para preservar o esmalte dos dentes com qualidade terá sido garantida pela higiene bucal com cremes dentais fluorados. Se a água ingerida também contiver flúor, poderá causar fluorose. Por isso, os governantes devem avaliar todas as variáveis envolvidas para, de fato, beneficiar a população.

Tema 1

Reações reversíveis e o equilíbrio químico

Quadro: Dor de dente na aldeia?

1. Segundo o texto, os indígenas já apresentavam cáries antes do contato com outra sociedade. Isso ocorre porque alimentos consumidos por eles, como mingaus de mandioca e milho, são ricos em carboidratos, que, uma vez metabolizados pelas bactérias bucais, levam ao aumento da acidez salivar.

2. A mastigação de alimentos de consistência mais firme, como frutas e legumes crus, pode auxiliar naturalmente na remoção da placa bacteriana.

Questões para fechamento do tema

1. Alternativa (c).

2. a)



FERNANDO JOSÉ FERREIRA

b) Apesar de a representação utilizada colocar os reagentes e os produtos em lados diferentes da seta dupla, é importante lembrar que no equilíbrio químico todas as substâncias participantes coexistem em um mesmo espaço físico, não havendo essa compartimentalização dos participantes.

3. a) H₂(g) + Cl₂(g) ⇌ 2 HCl(g)

b) Reação direta: H₂(g) e Cl₂(g) são reagentes; HCl(g) é produto.

Reação inversa: HCl(g) é reagente; H₂(g) e Cl₂(g) são produtos.

c) A figura (d), pois no equilíbrio coexistem reagentes (H₂ e Cl₂) e produto (HCl).

4. Pelo gráfico, percebe-se que, para cerca de x mol/L consumido de reagente (curva azul, já que a concentração dos reagentes diminui com o tempo), há formação de cerca de 2x mol/L de produto (curva vermelha), evidenciando um equilíbrio químico cuja reação ocorre na proporção estequiométrica de 1 : 2, o que pode ser verificado no sistema 1 N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g).

5. A afirmação não está correta.

Tema 2

Reações reversíveis e seus aspectos quantitativos

Quadro: O processo de Haber

1. Apenas a afirmativa II é correta.

2. a) A retirada da amônia produzida desloca o equilíbrio químico para a síntese de mais amônia, favorecendo, assim, a sua produção, em vez de favorecer a reação inversa, de decomposição da amônia.
Página 284

b) O gráfico revela que o aumento da temperatura diminui o rendimento da reação (produção de amônia). Logo, deve-se realizar a síntese na menor temperatura possível. No entanto, os gases nitrogênio e hidrogênio reagem muito lentamente em baixas temperaturas. Assim, é necessário trabalhar com temperaturas entre 450 °C e 500 °C para garantir que a síntese da amônia ocorra em um tempo aceitável e com rendimento adequado, do ponto de vista industrial.

Questões para fechamento do tema

1. O equilíbrio A apresenta um valor elevado de constante de equilíbrio (K_c é muito maior que 1), o que denota predominância do produto (já que o maior numerador gera o maior quociente); assim, ele se relaciona com a figura 3, em que a representação para a concentração de produto é maior do que a representação para a de reagentes.

O equilíbrio B apresenta um valor de constante muito menor (K_c é muito menor que 1), o que denota predominância dos reagentes (já que o maior denominador gera o menor quociente); assim, ele se relaciona com a figura 1, em que a representação para a concentração de reagentes é maior do que a representação para a de produtos.

2. a) K_p = = ≅ 1,8 ⋅ 10⁻⁴

b) Esse valor não será alterado com o aumento da pressão sobre o sistema. Entretanto, os valores das constantes de equilíbrio são alterados em função da temperatura.

3. a) O valor do quociente ()é aproximadamente igual a 0,118. Portanto, até que se atinja o equilíbrio, esse quociente deverá aumentar (a fim de atingir o valor de 0,211, referente à constante de equilíbrio a 100 °C). Para isso, o numerador deverá aumentar e o denominador deverá diminuir, isto é, a produção de N₂O₄ deverá ser intensificada de modo a diminuir a concentração do reagente, NO₂, o que é indicado pela reação 1 (reação direta) na representação gráfica.

b) Sendo o NO₂ responsável pela cor castanha observada no meio reacional, e como sua concentração deverá diminuir nos instantes subsequentes, a tonalidade ficará mais clara.

4. a) A reação de síntese do N₂O₄ (incolor) a partir do NO₂ (castanho) é exotérmica, pois o aumento da temperatura favorece a reação endotérmica, ou seja, a formação de NO₂ a partir de N₂O₄ (NO₂(g) ← N₂O₄(g)). É possível deduzir isso com base na interpretação da imagem: com o aquecimento, o conteúdo no interior do tubo apresenta coloração castanha mais escura, o que indica maior concentração de NO₂ nesse recipiente.

b) O valor da constante de equilíbrio (K_c) diminui com o aumento da temperatura, pois nessa condição a concentração de NO₂ aumenta e a de N₂O₄ diminui, causando diminuição também na razão entre o numerador e o denominador da constante de equilíbrio.

5. Pode-se considerar o equilíbrio envolvido como:

HAb(aq) ⇌ H⁺(aq) + Ab⁻(aq)

Quanto mais ácido o meio (pH < 7,0), maior a concentração dos íons H⁺(aq) e, assim, mais favorecida a formação de HAb(aq), de onde se pode propor que essa é a espécie química responsável pela cor amarela da solução com pH 6,0.

Quanto mais básico o meio (pH > 7,0) e, portanto, maior a concentração dos íons OH⁻(aq) (e menor dos íons H⁺(aq)), mais deslocado o equilíbrio estará para a formação de Ab⁻(aq), já que os íons H⁺(aq) tenderão a interagir com os íons OH⁻(aq) (H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)), de onde se pode propor que Ab⁻ é a espécie química responsável pela cor azul da solução com pH 7,6.

Em meio neutro, coexistem as espécies químicas que produzem as colorações amarela e azul, gerando a tonalidade esverdeada, conforme observado para a solução cujo pH é 7,0.

6. a) Os bulímicos apresentam dentes enfraquecidos porque os íons H⁺(aq) oriundos do ácido clorídrico presente no suco gástrico reagem com os íons hidróxido (OH⁻(aq)) do equilíbrio do esmalte dentário (Ca₅(PO₄)₃OH(s) ⇌ 5 Ca²⁺(aq) + 3 PO₄^3-(aq) + OH⁻(aq)). O contato do suco gástrico com a cavidade bucal ocorre quando o paciente provoca o vômito, o que favorece a desmineralização do esmalte dos dentes, que se tornam enfraquecidos.

b) Durante o vômito, o suco gástrico tem contato maior com a parte interna dos dentes do que com a parte externa e, por isso, o desgaste da parte interna dos dentes é maior.
Página 285

7. Para realizar o cálculo, pode-se montar uma tabela a partir de quantidades de matéria ou de concentração em mol/L. Nesta resolução, será utilizada a primeira opção:

	CO(g) + 3 H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g)
Início	1,000 mol	4,000 mol	0	0
Reage/forma	−x mol	−3x mol	+x mol	+x mol
Equilíbrio	(1,000 − x) mol	(4,000 − 3x) mol	x mol = 0,521 mol	x mol

Assim, as concentrações de equilíbrio são:

[CO] = = = 9,58 ⋅ 10⁻³ mol

[H₂] = [4,000 mol − (3 ⋅ 0,521 mol)] = = 48,74 ⋅ 10⁻³ mol

[CH₄] = [H₂O]= = 10,42 ⋅ 10⁻³ mol/L

K_c = = ≅ 98,00