Vivemos em uma época notável. Osavanços da ciência e da tecnologia nos pos-sibilitam entender melhor o planeta em quevivemos. Contudo, apesar dos volumososinvestimentos e do enorme esforço em pes-quisa, a Terra ainda permanece misteriosa.O entendimento desse sistema multifaceta-do, físico-químico-biológico, que se modifi-ca ao longo do tempo, pode ser comparadoa um enorme quebra-cabeças. Para enten-dê-lo, é necessário conhecer suas partes eassociá-las. Desde fenômenos inorgânicosaté os intrincados e sutis processos biológi-cos, o nosso desconhecimento ainda é enor-me. Há muito o que aprender. Há muitotrabalho a fazer.

Nesta prova, vamos fazer um pequenoensaio na direção do entendimento do nossoplaneta, a Terra, da qual depende a nossavida.

A figura abaixo representa o ciclo da água naTerra. Nela estão representados processosnaturais que a água sofre em seu ciclo. Combase no desenho, faça o que se pede:

a) Considerando que as nuvens são formadaspor minúsculas gotículas de água, que mudan-ça(s) de estado físico ocorre(m) no processo 1?

b) Quando o processo 1 está ocorrendo, qual oprincipal tipo de ligação que está sendo rom-pido/formado na água?c) Cite pelo menos um desses processos (de 1a 6) que, apesar de ser de pequena intensida-de, ocorre no sul do Brasil. Qual o nome damudança de estado físico envolvida nesseprocesso?

Resposta

a) No processo 1 ocorrem duas mudanças de es-tado físico:

H O H O2 ( )hidrosfera

evaporação2 (g)

atmosfera�

condensação

(liquefação)2 ( )H O �

nuvem

b) Durante mudanças de estado físico da águaocorrem ruptura (evaporação) e formação (con-densação/liquefação) de ligações (pontes) de hi-drogênio.c) Um processo que ocorre em pequena intensi-dade e freqüência no sul do Brasil é o 3:

H O H O2 ( )nuvem

solidificação

(congelamento)2 (s)

neve�

/ granizo

Após a precipitação de H O2 (s) pode ocorrer o pro-cesso inverso (4), que é denominado fusão.

Cerca de 90% da crosta e do manto terres-tres são formados por minerais silicáticos.Entender muitos processos geoquímicos sig-nifica conhecer bem o comportamento dessasrochas em todos os ambientes. Um caso par-ticular desse comportamento na crosta é asolubilização da sílica (SiO2) por água a altatemperatura e pressão. Esse processo de dis-solução pode ser representado pela equação:

SiO 2 H O H SiO2(s) 2 (aq) 4 4(aq)+ =

Em determinado pH a 300 oC e 500 atmosfe-ras, a constante de equilíbrio para essa disso-lução, considerando a água como solvente, éde 0,012.a) Escreva a expressão da constante de equi-líbrio para esse processo de dissolução.

Questão 1

Questão 2

b) Determine a concentração em g L−1 deH4SiO4 aquoso quando se estabelece o equi-

líbrio de dissolução nas condições descritas.

Resposta

a) A expressão da constante de equilíbrio, consi-derando a água como solvente, é:

K [H SiO ]C 4 4=

b) Determinação da concentração em g L 1⋅ − deH SiO4 4 :0,012 mol H SiO

1 L sol.96 g4 4

conc. molar� ���� ����

⋅H SiO

1 mol H SiO1,15 g L4 4

4 4

m. molar

1

� ��� ���

≅ ⋅ −

Na superfície da Terra, muitos mineraisconstituintes de rochas sofrem transforma-ções decorrentes das condições superficiaisdeterminadas pelas chuvas, pelo calor forne-cido pelo Sol e pela presença de matéria orgâ-nica. Por exemplo, minerais de composiçãoalumino-silicática poderão originar a bauxita(minério de alumínio rico em A O2 3� ), ou en-tão, laterita ferruginosa (material rico emferro), dependendo da retirada de sílica e aconseqüente concentração seletiva de óxidosde alumínio ou ferro, respectivamente. O grá-fico representa as condições sob as quais sedá a solubilização em água da sílica (SiO )2 eda alumina (A O2 3� ) a partir desses minerais,em função do pH.

a) Considerando o gráfico, diga que substân-cia predomina, em solução aquosa, sob ascondições de pH 3.b) E sob as condições de pH 8, que substânciapredomina em solução aquosa?c) Em que faixa de pH a solubilização seletivafavorece a formação de material residual ricoem A O2 3� ? Justifique.d) A espécie H SiO4 4 formada na dissoluçãodo SiO2 , que também pode ser escrita comoSi(OH)4 , em solução aquosa, apresenta cará-ter ácido ou básico? Justifique, usando as in-formações contidas no gráfico.

Resposta

a) Em uma solução aquosa com pH 4≤ , a subs-tância predominante é o íon A (aq)

3�

+ proveniente da

solubilização do A O2 3� .b) Sob pH 8, a substância predominante é oH SiO4 4 que provém da solubilização do SiO2 .c) A formação do material residual (sólido) rico emA O2 3� é favorecida com um pH no qual esse óxi-do é pouco solúvel.Então, aproximadamente, temos:

5 pH favorável 9≤ ≤d) A espécie H SiO4 4 ou Si(OH)4 apresenta caráterácido uma vez que o equilíbrioSiO 2 H O2(s) 2 ( )+ � H SiO4 4(aq) é fortementedeslocado para a direita (Princípio de Le Chatelier)ao redor de pH 10 (solução básica). Isso ocorredevido à diminuição da concentração do ácidoH SiO4 4 que reagiu com íonsOH − da solução.

As condições oxidativas/redutoras e de pH de-sempenham importantes papéis em diversosprocessos naturais. Desses dois fatores depen-dem, por exemplo, a modificação de rochas e apresença ou não de determinados metais emambientes aquáticos e terrestres, disponíveisà vida. Ambos os fatores se relacionam forte-mente à presença de bactérias sulfato-reduto-ras atuantes em sistemas anaeróbicos. Emalguns sedimentos, essas bactérias podem de-compor moléculas simples como o metano,como está simplificadamente representadopela equação abaixo:

CH H SO H S CO 2 H O4 2 4 2 2 2+ = + +

química 2

Questão 3

Questão 4

a) Considerando o caráter ácido-base dos rea-gentes e produtos, assim como a sua força re-lativa, seria esperado um aumento ou dimi-nuição do pH da solução onde a bactériaatua? Justifique.b) Nas condições padrão, esse processo seriaendotérmico ou exotérmico? Justifique com ocálculo da variação de entalpia dessa reaçãonas condições padrão.Dados- Entalpias padrão de formação emkJ mol 1− : CH 754 = − ; H SO 9092 4 = − ;

H S 212 = − ; CO2 = −394; H O 2862 = − .

Resposta

a) A atuação de bactérias causa um aumento dopH do meio, uma vez que, durante o processo, háo consumo de um ácido forte (H SO )2 4 e a produ-ção de um ácido fraco (H S)2 e de um óxido ácido(CO )2 , que origina o H CO2 3 , outro ácido fraco.Esses eletrólitos mais fracos liberam menos íonsH + , causando a variação já citada no pH.b) O processo é exotérmico ( H 0)∆ < . Veja o cál-culo da variação de entalpia:

∆ ∆ ∆H H HR fprodutos0

freagentes0= −∑ ∑

∆ ∆ ∆H 1 H 1 HR fH2S0

fCO2

0= ⋅ + ⋅ +

+ ⋅ − ⋅ + ⋅2 H [1 H 1 H ]fH2O0

fCH4

0f 2SO4

0∆ ∆ ∆H

∆H 1 ( 21) 1 ( 394)R = ⋅ − + ⋅ − ++ ⋅ − − ⋅ − + ⋅ −2 ( 286) [1 ( 75) 1 ( 909)]

∆H 3 kJR = −

A matéria orgânica viva contém uma relação14C / 12C constante. Com a morte do ser vivo,essa razão vai se alterando exponencialmentecom o tempo, apresentando uma meia-vidade 5600 anos.

Constatou-se que um riacho, onde ocorreuuma grande mortandade de peixes, apresenta-va uma quantidade anômala de substânciasorgânicas. Uma amostra da água foi retiradapara análise. Estudando-se os resultadosanalíticos referentes à relação 14C / 12C, con-cluiu-se que a poluição estava sendo provoca-da por uma indústria petroquímica e nãopela decomposição natural de animais ouplantas que tivessem morrido recentemente.

a) Como foi possível, com a determinação darelação 14C / 12C, afirmar com segurança queo problema tinha se originado na indústriapetroquímica?b) Descreva, em poucas palavras, duas for-mas pelas quais a presença dessa matéria or-gânica poderia ter provocado a mortandadede peixes.

Resposta

a) Os dejetos orgânicos de uma petroquímicacontêm substâncias derivadas do petróleo, quepor sua vez é uma mistura formada, principalmen-te, de hidrocarbonetos que foram gerados da ma-téria orgânica proveniente da decomposição de se-res vivos. Como a formação do petróleo iniciou-sehá milhões de anos, a relação 14C/12C é acen-tuadamente menor no petróleo que a encontradaem detritos orgânicos oriundos da decomposiçãonatural de animais ou plantas que morreram re-centemente.b) A matéria orgânica pode ter provocado a mortedos peixes de várias maneiras:• envenenamento direto dos peixes;• consumindo oO2 dissolvido na água;• impedindo a dissolução de O2 atmosférico;• impedindo a entrada de luz na água do riacho,causando um desequilíbrio no ecossistema aquático.

A síntese de alimentos no ambiente marinho éde vital importância para a manutenção doatual equilíbrio do sistema Terra. Nesse con-texto, a penetração da luz na camada superiordos oceanos é um evento fundamental. Elapossibilita, por exemplo, a fotossíntese, queleva à formação do fitoplâncton, cuja matériaorgânica serve de alimento para outros seresvivos. A equação química abaixo, não-balan-ceada, mostra a síntese do fitoplâncton. Nes-sa equação o fitoplâncton é representado poruma composição química média.

CO NO HPO H O H2 3 42

2+ + + + =− − +

= +C H O N P 138 O106 263 110 16 2

a) Reescreva essa equação química balancea-da.b) De acordo com as informações do enuncia-do, a formação do fitoplâncton absorve ou li-bera energia? Justifique.

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Questão 5

Questão 6

c) Além da produção de alimento, que outrobenefício a formação do fitoplâncton fornecepara o sistema Terra?

Resposta

a) A equação química corretamente balanceadafica assim:106CO2 + 16 NO3

− + HPO42 − + 122 H O2 + 18 H + →

→ +C H O N P 138 O106 263 110 16 2

b) A formação do fitoplâncton absorve energia. Otexto do enunciado diz que "a penetração da luzna camada superior dos oceanos é um eventofundamental" para que ocorra essa reação, sen-do, portanto, um processo que ocorre com absor-ção de energia solar.c) A formação do fitoplâncton também tem por be-nefício a produção de oxigênio molecular (O2 ),fundamental para os processos aeróbicos de pro-dução de energia para muitos seres vivos, alémda absorção deCO2 pela fotossíntese.

É voz corrente que, na Terra, tudo nasce,cresce e morre dando a impressão de umprocesso limitado a um início e a um fim. Noentanto, a vida é permanente transforma-ção. Após a morte de organismos vivos, a de-composição microbiológica é manifestação deampla atividade vital. As plantas, por exem-plo, contêm lignina, que é um complexo poli-mérico altamente hidroxilado e metoxilado,multi-ramificado. Após a morte do vegetal,ela se transforma pela ação microbiológica.

A substância I, cuja fórmula estrutural émostrada no esquema anterior, pode ser con-siderada como um dos fragmentos de lignina.

Esse fragmento pode ser metabolizado porcertos microorganismos, que o transformamna substância II.a) Reproduza a fórmula estrutural da subs-tância II, identifique e dê os nomes de trêsgrupos funcionais nela presentes.b) Considerando as transformações que ocor-rem de I para II, identifique um processo deoxidação e um de redução, se houver.

Resposta

a) Na estrutura II, têm-se as seguintes funções or-gânicas e os respectivos grupos funcionais:

b) No processo temos duas oxidações e uma re-dução. Através da variação dos Nox dos átomosde carbono verifica-se:

Existem várias hipóteses quanto à origemda Terra e sobre os acontecimentos que ge-raram as condições físico-químico-biológicasdos dias de hoje. Acredita-se que o nosso pla-neta tenha se formado há cerca de 4550 mi-lhões de anos. Um dos estágios, logo no iní-cio, deve ter sido o seu aquecimento, princi-

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Questão 7

Questão 8

palmente pela radioatividade. A figura mos-tra a produção de energia a partir de espé-cies radioativas e suas abundâncias conheci-das na Terra.a) Quantas vezes a produção de energia ra-diogênica (radioativa) era maior na épocainicial de formação da Terra, em relação aosdias atuais?b) Quais foram os dois principais elementosresponsáveis pela produção de energia radio-gênica na época inicial de formação da Terra?c) E nos dias de hoje, quais são os dois princi-pais elementos responsáveis pela produçãodessa energia?

Resposta

a) A partir da figura temos:t 0 anos

t 4,55 bilhões anos9,51,8

5,3==

≅

A energia radioativa, na época da formação daTerra, era, aproximadamente, 5,3 vezes maiorque a dos dias atuais.b) Os dois isótopos que mais contribuíram para aprodução de energia radioativa na época inicialde formação da Terra podem ser reconhecidos nafigura: 40 235K e U.c) Nos dias atuais os principais isótopos contri-buintes para a liberação de energia radiogênicasão o 238 232U e Th (vide figura).

Coincidentemente, duas equipes independen-tes de geólogos brasileiros encontraram doismeteoritos. Um foi encontrado em Cabaceiras,Paraíba, na região do polígono das secas e ooutro em São Félix do Xingu, na Amazônia.Os dois eram, essencialmente, constituídospor ferro metálico. Um deles (A), no entanto,apresentava uma película de Fe O H O2 3 2⋅ de300 10 6× − m de espessura, enquanto que ooutro (B) apresentava uma superfície poucoalterada. Suspeita-se que ambos tiveram amesma origem, tendo, portanto, a mesmacomposição química original. O gráfico abaixorepresenta a formação de Fe O H O2 3 2⋅ emfunção do tempo, em presença de ar atmosfé-rico com umidades relativas diferentes.

a) Qual dos meteoritos, A ou B, caiu na re-gião do Xingu? Justifique.b) Escreva a equação química que representaa formação da substância que recobre a su-perfície do meteorito.c) Há quanto tempo, pode-se estimar, caiu naTerra o meteorito que foi encontrado oxidado?

Resposta

a) O meteorito A foi encontrado na região do Xin-gu. Nessa região, a elevada umidade relativa fa-vorece a formação da película de Fe O H O2 3 2⋅ .Já o meteorito B é proveniente da região seca deCabaceiras, uma vez que nessas condições debaixa umidade a formação da película de óxidonão é favorecida.b) A equação balanceada que representa a for-mação do Fe O H O2 3 2⋅ é:4 Fe 3 O 2 H O 2 Fe O H O(s) 2(g) 2 (g) 2 3 2 (s)+ + → ⋅

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Questão 9

c) O gráfico mostra que o meteorito oxidado (A)deva ter caído na região do Xingu há 8,6 anos,aproximadamente.

O nitrogênio é importantíssimo para a vidana Terra. No entanto, para que entre nos ci-clos biológicos é fundamental que ele sejatransformado, a partir da atmosfera, emsubstâncias aproveitáveis pelos organismosvivos. O diagrama abaixo mostra, de modosimples, o seu ciclo na Terra. Os retângulosrepresentam os reservatórios naturais con-tendo quantidades de compostos de nitrogê-nio. No diagrama estão representados os pro-cessos envolvidos, as quantidades totais denitrogênio e, em cada retângulo, as espéciespredominantes.

a) Quais dos processos representam oxidaçãode uma espécie química em outra?b) Em qual espécie química desse ciclo o ni-trogênio apresenta o maior número de oxida-ção? Qual é o seu número de oxidação nessecaso? Mostre como chegou ao resultado.

c) Qual é o número total de moles de átomosde nitrogênio no sistema representado?

Resposta

a) Os processos que representam oxidação deuma espécie química em outra são a nitrificação,a fixação II e o decaimento:

− −

+

NH NO2nitrificação

3

5

Nox máximo

N NO2fixação II

3

5

−

+

Nox máximo

b) A espécie química na qual o nitrogênio possuimaior número de oxidação é o NO3

− . Nela, o nitro-gênio possui número de oxidação máximo:

NO3

x 2 1− −⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

1 x 3( 2) 1⋅ + − = −x 5= +

c) Cálculo da quantidade, em mols, de átomos denitrogênio presentes em cada espécie química:

2,8 10 mols N2 mols N1mol N

5,6 10202

2

f. química

20⋅ ⋅ = ⋅� �� ��

mols N

1,0 10 mols NH1mol N

1mol NH17

22

f. química

⋅ − ⋅−

=� ��� ���

= ⋅1,0 1017 mols N

1,0 10 mols NO1mol N

1mol NO16

33

f. química

⋅ ⋅ =−−

� �� ��

= ⋅1,0 1016 mols NCálculo da quantidade total, em mols, de átomosde nitrogênio no sistema representado:

5,6 10 1,0 10 1,0 10 5,6 1020 17 16 20⋅ + ⋅ + ⋅ ≅ ⋅átomos de nitrogênio.Comentário: a questão foi respondida entenden-do-se que "quantidades totais de nitrogênio" refe-re-se a mols de N2 , mols de −NH2 e mols deNO3

− .Entretanto, a literatura especializada informa queo valor 2,8 1020⋅ refere-se ao número total demols de átomos de N existentes na atmosfera.

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Questão 10

A Terra é um sistema em equilíbrio altamen-te complexo, possuindo muitos mecanismosauto-regulados de proteção. Esse sistema ad-mirável se formou ao longo de um extensoprocesso evolutivo de 4550 milhões de anos.A atmosfera terrestre é parte integrante des-se intrincado sistema. A sua existência, den-tro de estreitos limites de composição, é es-sencial para a preservação da vida. No gráfi-co abaixo, pode-se ver a abundância relativade alguns de seus constituintes em função daaltitude. Um outro constituinte, embora mi-noritário, que não se encontra na figura é oozônio, que age como filtro protetor da vidana alta atmosfera. Na baixa atmosfera, a suapresença é danosa à vida, mesmo em concen-trações relativamente baixas.

a) Considerando que o ozônio seja formado apartir da combinação de oxigênio molecularcom oxigênio atômico, e que este seja formadoa partir da decomposição do oxigênio molecu-lar, escreva uma seqüência de equações quí-micas que mostre a formação do ozônio.b) Tomando como base apenas o gráfico e asreações químicas citadas no item a, estimeem que altitude a formação de ozônio é maisfavorecida do ponto de vista estequiométrico.Justifique.

Resposta

a) A seqüência de equações das reações que le-vam à formação de ozônio é:

O2 2 [O]O [O]2 + O3

b) Analisando-se as equações do item a, pode-seconcluir que a razão molar estequiométrica [O]/O2

é 2/3. Admitindo-se que a abundância relativa dafigura também seja molar, pode-se concluir que aaltitude na qual a formação de ozônio é mais fa-vorecida é ao redor de 120 km.Comentários:1) Considerando-se somente a segunda equaçãodo item a, a relação estequiométrica seria 1 : 1,dando uma altitude aproximada de 130 km (pontode intersecção das curvas).2) As respostas possíveis para o item b, basea-das no gráfico fornecido, não são compatíveiscom os dados existentes na literatura de QuímicaAmbiental. Nós sabemos que a camada de ozônioestende-se, aproximadamente, de 14 km a 40 kmde altitude.

Os gêiseres são um tipo de atividade vulcânicaque impressiona pela beleza e imponência doespetáculo. A expulsão intermitente de águaem jatos na forma de chafariz é provocadapela súbita expansão de água profunda, supe-raquecida, submetida à pressão de colunas deágua que chegam até à superfície. Quando apressão da água profunda supera a da colunade água, há uma súbita expansão, forman-do-se o chafariz até a exaustão completa,quando o ciclo recomeça.a) Se a água profunda estiver a 300 Co e suadensidade for 0,78 g cm 3− , qual será a pres-são (em atmosferas) de equilíbrio dessa águasupondo-se comportamento de gás ideal?R 82 atm cm mol K3 1 1= − − − .b) Nas imediações dos gêiseres, há belíssimosdepósitos de sais inorgânicos sólidos que seformam a partir da água que aflora das pro-fundezas. Dê dois motivos que justifiquem talocorrência.

Resposta

a) Admitindo-se o comportamento de um gásideal para a água, o cálculo da pressão pode serfeito pela expressão:

pdRT

M=

p0,78 82 573

18= ⋅ ⋅

p 2 036 atm≅b) Como a temperatura e a pressão nas águasprofundas dos gêiseres são mais elevadas que asda superfície, ocorre a solubilização de certossais que, nas condições ambiente, não estariamdissolvidos.

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Questão 12

Questão 11

Quando ocorre a expulsão da coluna de água, essas condições se alteram e, aliadas à evaporação/ebuli-ção, favorecem a cristalização desses sais.Comentário: o enunciado apresenta um erro nas unidades da constante universal dos gases. O cor-reto é:

R 82 atm cm mol K3 1 1= ⋅ ⋅ ⋅− −

A compreensão do sistema Terra é algo fascinante. O estudo da inter-relação dosprocessos químicos, físicos e biológicos estimula o nosso desejo de mais saber. Sevocê estiver interessado em informações adicionais, entre na página da Comvesta partir das 18h00 do dia 12 de janeiro de 2004: www.comvest.unicamp.br.

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