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FUVEST – 2a Fase – janeiro/2008
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QUÍMICA
01. Devido à toxicidade do mercúrio, em caso de derramamentodesse metal, costuma-se espalhar enxofre no local para removê-lo. Mercúrio e enxofre reagem, gradativamente, formandosulfeto de mercúrio. Para fins de estudo, a reação pode ocorrermais rapidamente se as duas substâncias forem misturadasnum almofariz. Usando esse procedimento, foram feitos doisexperimentos.No primeiro, 5,0 g de mercúrio e 1,0 g de enxofre reagiram,formando 5,8 g do produto, sobrando 0,2 g de enxofre.No segundo, 12,0 g de mercúrio e 1,6 g de enxofre forneceram11,6 g do produto, restando 2,0 g de mercúrio.
a) Mostre que os dois experimentos estão de acordo com a leida conservação da massa (Lavoisier) e a lei das proporçõesdefinidas (Proust).
b) Existem compostos de Hg (I) e de Hg (II). Considerando osvalores das massas molares e das massas envolvidas nosdois experimentos citados, verifique se a fórmula docomposto formado, em ambos os casos, é HgS ou Hg2S.Mostre os cálculos.
Dados: massas molares: mercúrio (Hg) = 200(g mol–1) enxofre (S) = 32
Resolução:
a) mercúrio + enxofre → sulfeto de mercúriox Hg + S → Hgx S
1o experimento: 5,0 g 0,8 g 5,8 g2o experimento: 10 g 1,6 g 11,6 g
A lei de Lavoisier é obedecida, pois a soma da massa dos produtosé igual à soma da massa dos reagentes:
5,0 + 0,8 = 5,8 g10,0 + 1,6 = 11,6 g
A lei de Proust também foi respeitada, pois todas as massasvariaram na mesma proporção:
5 0,8 5,810 1,6 11,6
= = =12
b) Como 5,8 g de Hgx S é formado por 5,0 g de Hg e 0,8 g de S, pode-se realizar o cálculo abaixo:
5,0 g 0,8 g200 g / mol 32 g / mol
Hg S ⇒ Hg0,025 mol S0,025 mol ⇒
0,025 0,0250,025 0,025
Hg S ⇒ HgS
Portanto, em ambos os caso, trata-se do sulfeto de mercúrio (II),ou seja, HgS.
02. Um dos métodos industriais de obtenção de zinco, a partir dablenda de zinco, ZnS, envolve quatro etapas em seqüência:
I. Aquecimento do minério com oxigênio (do aratmosférico), resultando na formação de óxido de zincoe dióxido de enxofre.
II. Tratamento, com carvão, a alta temperatura, do óxidode zinco, resultando na formação de zinco e monóxidode carbono.
III. Resfriamento do zinco formado, que é recolhido noestado líquido.
IV. Purificação do zinco por destilação fracionada. Ao finalda destilação, o zinco líquido é despejado em moldes,nos quais se solidifica.
a) Represente, por meio de equação química balanceada,a primeira etapa do processo.
b) Indique o elemento que sofreu oxidação e o elemento quesofreu redução, na segunda etapa do processo. Justifique.
c) Indique, para cada mudança de estado físico que ocorrena etapa IV, se ela é exotérmica ou endotérmica.
Resolução:
a) 2 ZnS (s) + 3 O2 (g) → 2 ZnO (s) + 2 SO2 (g)
b) ZnO (s) + C (s) → Zn (s) + CO (g)
+2 –2 0 0 +2 –2
O elemento que sofreu oxidação foi o carbono, cujo Nox passoude 0 para +2.
O elemento que sofreu redução foi o zinco, cujo Nox passoude +2 para 0.
c) Zn (lllll) → Zn (g): endotérmica
Zn (g) → Zn (lllll): exotérmica
Zn (lllll) → Zn (s): exotérmica
reduçãooxidação
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Volume da solução de base/mL 0 15 30 35 40 45 50
Volume da solução de ácido/mL 50 35 20 15 10 5 0
Calor liberado/J 0 700 1400 1500 1000 500 0
••
••
•
•
•
03. Em um exame, para o preenchimento de uma vaga dequímico, as seguintes fórmulas estruturais foramapresentadas ao candidato:
A seguir, o examinador pediu ao candidato quedeterminasse, experimentalmente, o calor liberado ao fazer-se a mistura de volumes definidos de duas soluçõesaquosas, de mesma concentração, uma de hidróxido desódio e outra de um dos três ácidos carboxílicosapresentados, sem revelar qual deles havia sido escolhido.Foi informado ao candidato que, quando o ácido e a basereagem na proporção estequiométrica, o calor liberado émáximo.
Os resultados obtidos foram os seguintes:
Diante dos resultados obtidos, o examinador pediu aocandidato que determinasse qual dos ácidos havia sidoutilizado no experimento.
Para responder, o candidato construiu uma tabela e umgráfico do calor liberado versus x base, definido como:
xbase = base
base ácido
V
V V+ , equivalente a
xbase = base
base ácido
n
n n+
onde: n = quantidade de ácido ou de base (em mol)V = volume da solução de ácido ou de base (em mL)
a) Reproduza, a tabela e o gráfico que devem ter sidoobtidos pelo candidato. Pelos pontos do gráfico,podem ser traçadas duas retas, cujo cruzamentocorresponde ao máximo calor liberado.
b) Determine o valor de xbase que corresponde ao pontode cruzamento das retas em seu gráfico.
c) Qual foi o ácido escolhido pelo examinador? Explique.d) Indique qual é o reagente limitante para o experimento
em que o calor liberado foi 1400 J e para aquele em queo calor liberado foi 1500 J. Explique.
Resolução:
a) xbase 0 0,3 0,6 0,7 0,8 0,9 1
calorliberado/J 0 700 1400 1500 1000 500 0
b) xbase = 0,7
c) Analisando-se o ponto estequiométrico (35 mL base: 15 mLácido), percebe-se que o número de mols da base é o triplo donúmero de mols do ácido, pois as concentrações das soluçõessão as mesmas. Como o hidróxido de sódio (NaOH) é umamonobase, percebe-se que o único ácido possível é o ácidocítrico, conforme a equação abaixo.
O OH2C — C H2C — C
OH O– Na+
O OHO — C — C + 3 NaOH → HO — C — C + 3 H2O
OH O– Na+
O OH2C — C H2C — C
OH O– Na+
d) No experimento em que o calor liberado foi 1400 J, o reagentelimitante é a base (NaOH) pois o volume de 30 mL é menorque o volume do ponto estequiométrico (35 mL).
Já no experimento em que o calor liberado foi 1500 J, não háreagente limitante, pois as quantidades estão exatamente naproporção estequiométrica.
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Lei de Avogadro:Relação molar = Relação volumétrica
04. Foram misturados 2,00 L de um alcano de m átomos de carbono por molécula e 2,00 L de outro alcano de n átomos de carbonopor molécula, ambos gasosos. Esses alcanos podem ser quaisquer dois dentre os seguintes: metano, etano, propano ou butano.Na combustão completa dessa mistura gasosa, foram consumidos 23,00 L de oxigênio. Todos os volumes foram medidos nasmesmas condições de pressão e temperatura.
a) Escreva a equação da combustão completa de um alcano de n átomos de carbono por molécula.Para identificar os dois alcanos que foram misturados, conforme indicado acima, é preciso considerar a lei de Avogadro, querelaciona o volume de um gás com seu número de moléculas.
b) Escreva o enunciado dessa lei.c) Identifique os dois alcanos. Explique como chegou a essa conclusão.
Resolução:
a) Cn H2n+2 + 3n 1
2+
O2 → n CO2 + (n + 1) H2O
b) Lei de Avogadro “Volumes iguais de quaisquer gases, quando medidos nas mesmas condições de pressão e temperatura, contêm o mesmonúmero de moléculas”.
P P V = volume do gás
T T n = número de moléculas do gás
V1 V21 1
2 2
V n
V n=
n1 n2
c) Cn H2n+2 + 3n 1
2+
O2 → n CO2 + (n + 1) H2O
Cm H2m+2 + 3m 12+
O2 → m CO2 + (m + 1) H2O
Cn H2n+2 + Cm H2m+2 + 3n 3m 22
+ +
O2 → (n + m) CO2 + (n + m + 2) H2O
1 mol 1 mol 3n 3m 22
+ +
mol
↓ ↓ ↓
1 L 1 L 3n 3m 22
+ +
L
2 L 2 L (3n + 3m + 2) L
3n + 3m + 2 = 23 → 3n + 3m = 21 → n + m = 7
Portanto, n = 3 e m = 4 (ou vice-versa) satisfazem a igualdade.
Os dois alcanos são:
– propano (3 átomos de carbono por molécula) e
– butano (4 átomos de carbono por molécula)
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+
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05. Mesmo em regiões não poluídas, a água da chuva não apresenta pH igual a 7, devido ao CO2 atmosférico, que nela se dissolve,estabelecendo-se os equilíbrios
CO2 (g) ��⇀↽�� CO2 (aq) equilíbrio 1CO2 (aq) + H2O (lllll) ��⇀↽�� H+ (aq) + HCO3
– (aq) equilíbrio 2
No equilíbrio 1, o valor da concentração de CO2 dissolvido na água, [CO2(aq)], éobtido pela lei de Henry, que fornece a solubilidade do CO2 na água, em função da
pressão parcial desse gás, CO2P , no ar:
[CO2(aq)] = k . CO2P , onde k = 3,5 x 10–2 mol L–1 atm–1, a 25ºC.
O valor da constante do equilíbrio 2, a 25ºC, é 4,4 x 10–7 mol L–1.
a) Atualmente, a concentração de CO2 na atmosfera se aproxima de 400 ppm.Calcule a pressão parcial de CO2 para um local em que a pressão do ar é 1,0 atm.
b) Escreva a expressão da constante do equilíbrio 2.c) Calcule o pH da água da chuva (o gráfico poderá ajudar, evitando operações como
extração de raiz quadrada e de logaritmo).
Observação: ppm = partes por milhão
Resolução:
a) CO 2P = fração molar . pressão total
CO 62
400P
10= . 1 = 400 . 10–6 ⇒ CO2
P = 4 . 10–4 atm
b) K2 =
+ –3
2
[H ] . [HCO ][CO ]
c) CO2 (aq) + H2O (lllll) ��⇀↽�� H+ + HCO3–
x 0 0 início
y y y reage / forma
x – y y y equilíbrio
x – y = [ CO2 ] (aq) = K . CO 2P = 3,5 . 10–2 . 4 . 10–4 = 14 . 10–6 = 1,4 . 10–5 mol . L–1
K2 = 4,4 . 10–7 = 2
–5
y
1,4 10. ⇒ y2 = 6,16 . 10–12
y = [ H+ ] = 6,16 . 10–6 mol/L = 6,161/2 . 10–6 mol/L
pH = – log [ H+ ] = – log (6,161/2 . 10–6) = – log 6,161/2 – log 10–6
pH = 6 – log 6,161/2 = 6 – 0,4 = 5,6 ⇒ pH = 5,6
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0,4 (gráfico)�������������
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06. A adição de HClllll a alcenos ocorre em duas etapas. Na primeira delas, o íon H+, proveniente do HClllll, liga-se ao átomo de carbonoda dupla ligação que está ligado ao menor número de outros átomos de carbono. Essa nova ligação (C — H) é formada à custade um par eletrônico da dupla ligação, sendo gerado um íon com carga positiva, chamado carbocátion, que reage imediatamentecom o íon cloreto, dando origem ao produto final. A reação do 1-penteno com HClllll, formando o 2-cloropentano, ilustra o que foidescrito.
a) Escreva a fórmula estrutural do carbocátion que, reagindo com o íon cloreto, dá origem ao seguinte haleto de alquila:
Clllll |
CH3CH2 — C — CH2CH2CH3 | CH3
b) Escreva a fórmula estrutural de três alcenos que não sejam isômeros cis-trans entre si e que, reagindo com HClllll, podem darorigem ao haleto de alquila do item anterior.
c) Escreva a fórmula estrutural do alceno do item b que não apresenta isomeria cis-trans. Justifique.
Resolução: +
a) CH3CH2 — C — CH2CH2CH3 | CH3
b) CH2CH — C — CH2CH2CH3 : 1a possibilidade |CH3
CH2CH2 — C — CHCH2CH3 : 2a possibilidade | CH3
CH2CH2 — C — CH2CH2CH3 : 3a possibilidade | | CH2
c) O alceno da 3a possibilidade não apresenta isomeria cis-trans, pois o carbono primário está ligado a dois átomos de hidrogênio:
CH2CH2 — C — CH2CH2CH3 | | C
H H → 2 ligantes iguais
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CH3CH2CH2CH = CH2 + HCl → [CH3CH2CH2 — CH — CH2] → CH3CH2CH2 — CH — CH3
1a etapa carbocátion 2a etapa
Cl–
H |
Cl–
|+
—
—
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CH2 CH2
CH2
O| |C
CH2 O
—
07. Um químico, pensando sobre quais produtos poderiam ser gerados pela desidratação do ácido 5-hidróxi-pentanóico,
OH2C — CH2 — CH2 — CH2 — C , imaginou que
| OH OH
a) a desidratação intermolecular desse composto poderia gerar um éter ou um éster, ambos de cadeia aberta.Escreva as fórmulas estruturais desses dois compostos.
b) a desidratação intramolecular desse composto poderia gerar um éster cíclico ou um ácido com cadeia carbônica insaturada.Escreva as fórmulas estruturais desses dois compostos.
Resolução:
O O | | | |
a) H2C — CH2 — CH2 — CH2 — C — OH + H2C — CH2 — CH2 — CH2 — C — OH →| |
OH O H
O O | | | |
→ H2C — CH2 — CH2 — CH2 — C — O — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — C — OH|
OH
O O | | | |
HO — C — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 + H2C — CH2 — CH2 — CH2 — C — OH → | | OH O H
O O | | | |
→ HO — C — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — O — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — C — OH
b) O | |
H2C — CH2 — CH2 — CH2 — C →| |
OH O H
O OH2C — CH — CH2 — CH2 — C → H2C — CH — CH2 — CH2 — C
| | OH OH OH H
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éster de cadeia aberta�����������������������
éter de cadeia aberta�������������������
éster cíclico���������������
ácido com cadeia carbônica insaturada�������������������������������������
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O
CH2OH
OHO
OH
unidade monomérica
+ 3
OH3C — C
OH3C — C
O
→
O
OO — C | CH3CH2
O ||
O – C – CH3O
O |O — C
| CH3
H
H
H
HH
—
anidrido acético
O+ 3 H3C — C
OH
ácido acético
unidade monomérica da celulose após ter sido triacelitada
08. A celulose é um polímero natural, constituído de alguns milhares de unidades de glicose. Um segmento desse polímero érepresentado por
Produz-se o acetato de celulose, usado na fabricação de fibras têxteis, fazendo-se reagir a celulose com anidrido acético.Um exemplo de reação de triacetilação é:
a) Escreva a unidade monomérica da celulose após ter sido triacetilada, isto é, após seus três grupos hidroxila terem reagidocom anidrido acético. Represente explicitamente todos os átomos de hidrogênio que devem estar presentes nessa unidademonomérica triacetilada.
b) Calcule a massa de anidrido acético necessária para triacetilar 972 g de celulose.c) Calcule o número de unidades monoméricas, presentes na cadeia polimérica de certa amostra de celulose cuja massa molar
média é 4,86 x 105 g mol–1.
Dados: massas molares anidrido acético = 102(g mol–1) unidade monomérica da celulose = 162
Resolução:
a)
b) monômero da celulose + 3 anidrido acético → produtos
1 mol 3 mols162 g 306 g972 g x
x = 972 306
162.
∴ x = 1836 g
c) 162 g 1 unidade4,86 . 105 g y unidades
y = 54,86 10
162.
y = 3000 unidades
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�������������������������������
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09. Existem soluções aquosas de sais e glicose, vendidas emfarmácias, destinadas ao tratamento da desidratação queocorre em pessoas que perderam muito líquido.
Uma dessas soluções tem a seguinte composição:
Substância Concentraçãomol / 500 mL de solução
Cloreto de sódio 1,8 x 10–2
Citrato de potássio monoidratado 3,3 x 10–3
Citrato de sódio diidratado 1,7 x 10–3
Glicose 6,3 x 10–2
a) Calcule a concentração, em mol L–1, dos íons sódio edos íons citrato, nessa solução.
b) Tal solução aquosa apresenta atividade óptica.Qual das espécies químicas presentes é responsável poressa propriedade? Justifique.
Resolução:
a) Em 1 L de solução temos:
NaClllll: 3,6 . 10–2 molK3Cit . H2O: 6,6 . 10–3 molNa3Cit . 2 H2O: 3,4 . 10–3 molglicose: 12,6 . 10–2 mol
NaClllll → Na+ + Clllll–
3,6 . 10–2 mol 3,6 . 10–2 mol
K3Cit . H2O → 3 K+ + Cit–3 + H2O6,6 . 10–3 mol 6,6 . 10–3 mol
Na3Cit . 2 H2O → 3 Na+ + Cit–3 + 2 H2O3,4 . 10–3 mol 10,2 . 10–3 mol 3,4 . 10–3 mol
[ Na+ ] = 2 3(3,6 10 10,2 10 ) mol
1L
− −+=
. .
= 2 2(3,6 10 1,02 10 ) mol
1L
− −+=
. .4,62 . 10–2 mol/L
[ Cit–3 ] = 3 3 3(6,6 10 3,4 10 ) mol (10 10 ) mol
1L 1L
− − −+= =
. . .
= 1,0 . 10–2 mol/L
b) A espécie química presente responsável pela atividade óptica éa glicose.
OC| H
H — C* — OH|
HO — C* — H|
H — C* — OH|
H — C* — OH|CH2OH
10. Foi montada uma pilha em que o pólo positivo era constituídopor um bastão de paládio, mergulhado numa solução decloreto de paládio, e o pólo negativo, por um bastão de níquel,mergulhado numa solução de sulfato de níquel.As semi-reações que representam os eletrodos são:
Pd2+ + 2 e– ��⇀↽�� PdNi2+ + 2 e– ��⇀↽�� Ni
a) Escreva a equação que representa a reação química queocorre quando a pilha está funcionando (sentidoespontâneo).
b) O que acontece com as concentrações de Pd2+ e Ni2+
durante o funcionamento da pilha? Explique.c) Os dados da tabela abaixo sugerem que o princípio de Le
Châtelier se aplica à reação química que acontece nessapilha. Explique por quê.
Experimento [Pd2+] / mol L–1 [Ni2+] / mol L–1 E / V
A 1,00 0,100 1,27
B 1,00 1,00 1,24
C 0,100 1,00 1,21
E = diferença de potencial elétrico
Resolução:
a) Pólo positivo – cátodo – redução: Pd2+ + 2 e– ��⇀↽�� ºPd
Pólo negativo – ânodo – oxidação: ºNi ��⇀↽�� Ni+2 + 2 e–
Equação global: Pd+2 + ºNi ��⇀↽��
ºPd + Ni+2
b) Pd+2 –2e+→
ºPd ⇒ a concentração de Pd+2 diminui,
pois os íons são reduzidos a ºPd.
ºNi
–– 2e→ Ni+2 ⇒ a concentração de Ni+2 aumenta, pois
os átomos de ºNi são oxidados a Ni+2.
c) Pd2+ + ºNi ��⇀↽��
ºPd + Ni+2
• experimento B em relação ao experimento A:[ Ni+2 ] aumenta ⇒ pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbriodesloca-se para a esquerda, reduzindo a diferença de potencialelétrico ⇒ realmente, E passa de 1,27 V para 1,24 V.
• experimento C em relação ao experimento B:[ Pd+2 ] diminui ⇒ pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbriodesloca-se para a esquerda, reduzindo a diferença de potencialelétrico ⇒ realmente, E passa de 1,24 V para 1,21 V.
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Dados:
Fórmuas Estruturais:
OC| H
H — C* — OH|
HO — C* — H|
H — C* — OH|
H — C* — OH|CH2OH
glicose
O H2C — C | |
HO — C — H | |H2C — C
ONaO
ONaO
ONa
citratode sódio
C* : carbono assimétrico
A presença de carbono assimé-trico na estrutura da glicosetransmite à mesma atividade óptica(mudança no plano de vibração daluz polarizada incidente).
