Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica I Adaptação/Dependência Prof. Vanderlei I. Paula 5 a lista de exercícios

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1 1) a) O que significa o termo oxidação? b) Em qual lado de uma semi-reação de oxidação os elétrons aparecem? c) O que significa o termo oxidante? (Atkins&Loretta, 1 Ed. pg. 604) a) O termo oxidação significa que uma espécie química está transferindo ou transferiu elétrons para espécie química. No exemplo a seguir temos uma reação de óxido-redução: Cu +2 + Fe Cu + Fe +2. Nesta reação o átomo de Fe perdeu elétrons originando o íon de Fe +2 e assim ocorrendo a redução de Cu +2 para Cu. b) Fe Fe e- Essa reação representa a oxidação, pois a carga do átomo de ferro sai de zero e vai para +2 (indicativo de deficiência de elétrons). Os elétrons devem aparecer nos produtos em uma semi-reação de oxidação. c) O termo oxidante é dado a uma espécie química que possa atuar como agente causador de oxidação. Para a oxidação acontecer é necessário uma espécie avida por elétrons, assim na reação de óxido-redução descrita acima o ion Cu +2 é o agente oxidante, pois causa oxidação do ferro e sofre consequentemente a redução. 2) Em cada uma das seguintes equações de oxirredução balanceadas, identifique os elementos que sofrem variações no número de oxidação e indique o valor da variação em cada caso. (Brown. pg.724) a) I2O5 (s) + 5CO (g) I2 (s) + 5CO2 (g) I2O5 I2 CO CO2 reação de redução (iodo: +5 0 // variação de 5 unidades) reação de oxidação (carbono: // variação de 2 unidades) b) 2Hg +2 (aq) + N2H4 (aq) 2Hg (l) + N2 (g) + 4H + (aq) Hg +2 Hg reação de redução (mercúrio: +2 0 // variação de 2 unidades) N2H4 N2 reação de oxidação (nitrogênio: -2 0 // variação de 2 unidades) c) 3H2S (aq) + 2H + (aq) + 2NO3 - (aq) 3S (s) + 2NO (g) + 4H2O (l) H2S S reação de redução (enxofre: -2 0 // variação de 2 unidades) NO3 - NO reação de oxidação (nitrogênio: // variação de 3 unidades) d) Ba +2 (aq) + 2OH - (aq) + H2O2 (aq) + 2ClO2 (aq) Ba(ClO2)2 (s) + 2H2O (l) + O2 (g) H2O2 H2O reação de redução (oxigênio: -1-2 // variação de 1 unidades) H2O2 O2 reação de oxidação (oxigênio: -1 0 // variação de 1 unidades)

2 3) A 900 C o vapor de tetracloreto de titânio reage com magnésio fundido para formar titânio metálico sólido e cloreto de magnésio fundido.a) Escreva uma equação balanceada para essa reação. b) Qual substância é o redutor e qual é oxidante? a) 1 TiCl4 (g) + 2 Mg (l) 1 Ti (s) + 2 MgCl2(l) b) Substância que atua como agente redutora é o Mg, pois proporciona a redução do Ti +4 em Ti através da oxidação em Mg +2. A substância que atua como agente oxidante é o cloreto de titânio(iv), TiCl4. 4) A hidrazina (N2H4) e o tetróxido de dinitrogênio (N2O4) formam uma mistura autoignitora que tem sido utilizada como propulsor de foguetes. Os produtos da reação são N2 e H2O. a) Escreva uma equação química balanceada para essa reação. b) Qual a substância funciona como agente redutor e qual funciona como agente oxidante? a) 2 N2H4 + 1 N2O4 3 N2 + 4 H2O b) N2H4 N2 reação de oxidação (nitrogênio: -2 0 // agente redutor) N2O4 N2 reação de redução (nitrogênio: +4 0 // agente oxidante) 5) Balanceie as seguintes equações químicas, todas as reações ocorrem em solução ácida. Identifique o agente oxidante e o agente redutor em cada reação. (Atkins&Loretta, 1 Ed. pg. 604) a) Reação do íon tiossulfato com gás cloro: Cl2 (g) + S2O3-2 (aq) Cl - (aq) + SO4-2 (g) Cl2 (g) Cl - (aq) reação de redução (Agente Oxidante) Cl2 (g) + 2e- 2 Cl - (aq) S2O3-2 (aq) SO4-2 (g) + 4e- reação de oxidação (Agente Redutor) S2O3-2 (aq) + 5 H2O 2 SO4-2 (g) + 10 H + + 4e- S2O3-2 (aq) + 4 Cl2 (g) + 5 H2O(aq) 2 SO4-2 (g) + 10 H Cl - (aq) b) Ação do íon permanganato sobre ácido sulfuroso: MnO4 - (aq) + H2SO3 (aq) Mn +2 (aq) + HSO4 - (aq) MnO4 - (aq) Mn +2 (aq) reação de redução (Agente Oxidante) MnO4 - (aq) + 8 H + + 5e- Mn +2 (aq) + 4 H2O(aq) H2SO3 (aq) HSO4 - (aq) reação de oxidação (Agente Redutor)

3 H2SO3 (aq) + H2O HSO H e- 2 MnO4 - (aq) + 5 H2SO3 (aq) + H + 2 Mn +2 (aq) + 5 HSO4 - (aq) + 3 H2O c) Reação do ácido sulfídrico com cloro: H2S (aq) + Cl2 (g) S (s) + Cl - (aq) Cl2 (g) Cl - (aq) reação de redução (Agente Oxidante) Cl2 (g) + 2e- 2 Cl - (aq) H2S (aq) S (s) reação de oxidação (Agente Redutor) H2S (aq) S (s) + 2 H + H2S (aq) + Cl2 (g) S (s) + 2 Cl - (aq) + 2 H + d) Reação do cloro em água: Cl2 (g) HClO (aq) + Cl - (aq) Cl2 (g) Cl - (aq) reação de redução (Agente Oxidante) Cl2 (g) + 2e- 2 Cl - (aq) Cl2 (g) HClO (aq) reação de oxidação (Agente Redutor) 2 H2O + Cl2 (g) 2 HClO (aq) + 2 H + 2 H2O + Cl2 (g) 2 HClO (aq) + 2 Cl - (aq) + 2 H + 6) Balanceie as reações químicas abaixo: a) 2 KMnO KCl + 8 H2SO4 2 MnSO4 + 6 K2SO4 + 8 H2O + 5 Cl2 b) 2 HNO3 + 3 H2S 2 NO + 3 S + 4 H2O c) 1 K2Cr2O HCl 2 KCl + 2 CrCl3 + 7 H2O + 3 Cl2 d) 4 Zn + 1 NaNO3 + 7 NaOH 4 Na2ZnO2 + 1 NH3 + 2 H2O e) 3 HgS + 12 HCl + 2 HNO3 3 H2HgCl4 + 2 NO + 3 S + 4 H2O f) 3 CuO + 2 NH3 1 N2 + 3 H2O + 3 Cu g) 1 Sn + 4 HNO3 1 SnO2 + 4 NO2 + 2 H2O 7) O ferro galvanizado é uma folha de aço revestida com zinco; as latas de conservas são feitas de folhas de aço revestidas com estanho. Discuta as funções desses revestimentos e sobre os potenciais de oxirredução. O ferro sofre oxidação exposto ao meio devido a reação de ferro metálico e oxigênio gasoso, no entanto, a reação entre sólido é gás é lenta, mas com ação de líquidos como

4 eletrólitos como a água a oxidação é extremanente acelerada. O uso de zinco e estanho está associado a proteção via processo de óxido-redução, veja os potenciais de oxidação abaixo: Fe Fe e - E = + 0,44V Zn Zn e E = + 0,76V Sn Sn e - E = + 0,13V As três equações acima mostram potenciais de oxidação, o zinco possui maior potencial de oxidação em relação ao ferro, dessa maneira o ferro em contato com o zinco não irá sofrer oxidação, pois o zinco sofrerá primeiramente. O processo de proteção envolvendo o zinco é conhecido como metal de sacrifício, pois o zinco será oxidado em vez do ferro. No caso das folhas revestidas com estanho o processo é o inverso ao descrito acima, pois o estanho tem menor potencial de oxidação em relação ao ferro, no entanto, o baixo potencial permite não sofrer oxidação vigorosa e assim faz uma barreira contra oxidação na superficie de ferro metálico. O processo é bem semelhante a uma tinta, sendo utilizado em sistemas que necesitam de materiais com propriedades metálicas. 8) Preveja se as seguintes reações ocorreriam espontaneamente em solução aquosa a 25 C. Considere que as concentrações iniciais de todas as espécies dissolvidas são 1,0 mol/l. Sugestão: veja as tabelas de potencial de oxirredução no final dos livros, ou tabela de oxirredução anexo a lista. (Koltz, v2. 6 Ed. 847). a) Ca (s) + Cd +2 (aq) Ca +2 (aq) + Cd (s) Ca e - Ca E = -2,868V Cd e - Cd E = -0,403V Na reação: Ca Ca +2 E = +2,868V Cd +2 Cd E = -0,403V + b) 2Br - (aq) + Sn +2 (aq) Br2 (l) + Sn (s) ΔE = + 2,465V valor positivo processo espontâneo (ocorre naturalmente). Br2 + 2e - 2 Br - Sn e - Sn E = +1,066V E = -0,137V

5 Na reação: 2Br - Br2 Centro Universitário Anchieta E = -1,066V Sn +2 Sn E = -0,137V + c) 2Ag (s) + Ni +2 (aq) 2Ag + (aq) + Ni (s) Ag + + 1e - Ag E = + 0,799V Ni e - Ni E = - 0,257V Na reação: Ag Ag + ΔE = - 1,203V valor negativo processo NÃO-espontâneo. E = -0,799V Ni +2 Ni E = -0,257V + d) Cu + (aq) + Fe +3 (aq) Cu +2 (aq) + Fe +2 (aq) Cu e - Cu +1 E = + 0,153V Fe e - Fe +2 E = + 0,771V Na reação: Cu +1 Cu +2 ΔE = - 1,056V valor negativo processo NÃO-espontâneo. E = -0,153V Fe +3 Fe +2 E = +0,771 + ΔE = + 0,618V valor positivo processo espontâneo (ocorre naturalmente). 9) Resuma os conceitos de ligação química (Teoria de Lewis, Teoria de Ligação de Valência e Teoria do Orbital Molecular), citando as diferenças e dando exemplos. Resumo no caderno 10) Resuma os conceitos envolvidos nas teorias de ácido-base estudados neste semestre (Teoria de Arrhenius, Teoria de Bronsted-Lowry, Teoria de Lewis), citando as diferenças e dando exemplos. Resumo no caderno 11) Observando a tira, responda:

6 a) Após inúmeras chuvas, os cavaleiros ingleses terão dificuldade para abrir seus elmos de ferro. Utilizando equações químicas, explique por quê. Os elmos são de ferro assim é natural que ocorra oxidação e o processo é agravado na presença de água, o que permite melhor superfície de contato para a reação ocorrer (oxidação). A formação de óxidos de ferro favorece o aumento da superfície o que pode promover maior dificuldade em aberturas de sistemas deslizantes visto que o atrito poderá se tornar bem acentuado. 2 Fe + O2 2 FeO ou 4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3 b) Suponha a seguinte situação: o elmo de um dos cavaleiros, o suserano, é adornado com rebites de ouro, enquanto o do outro, seu vassalo, com rebites de zinco. Curiosamente, após inúmeras chuvas, um dos elmos emperra mais que o outro. Explique o porquê. O elmo que possui adornos de zinco terá menor problemas no quesito de oxidação e emperramento do equipamento, tal fato se deve aos potenciais apontados acima. Os potencias apresentados são de redução, assim o menor valor para redução significa que possui maior valor para oxidação. O zinco possui o menor valor entre os metais, consequentemente é o metal mais favoravél a sofrer oxidação. Se o zinco estiver em contato com o ferro o zinco oxidará antes do ferro, o que é conhecido como metal de sacrifício. Os adornos de ouro devem ser bem bonitos, mas nem um pouco funcionais, primeiramente pela alta massa, pois a densidade do ouro é 18kg/L. Em segundo caso o adorno não favorece em proteção a oxidação, visto que o potencial é o maior de todos para redução, assim possui o menor potencial de oxidação, não protejendo o ferro metálico. Potencial Padrão de Eletrodo Zn e Zn E = -0,76 V

7 Fe e Fe Au e Au E = -0,44 V E = +1,50 V 12) Descreva como se realiza o cálculo de carga formal. Dê exemplos. Descrição e exemplos no caderno 13) Descreva o significado dos termos: oxidação, redução, agente oxidante e agente redutor. Descrição e exemplos no caderno 14) Descreva um procedimento simples para o cálculo do número de oxidação e da identicação das espécies que sofrem oxidação e reduação. Dê exemplos utilizando o item a e b abaixo. a) I2O5 (s) + 5CO (g) I2 (s) + 5CO2 (g) I2O5 (s) I2 (s) I2O5 (s) NOX = +5 I2 (s) NOX = zero = +5 0 (reduziu) 5CO (g) 5CO2 (g) CO NOX = +2 CO2 NOX = +4 = (oxidou) b) 2Hg +2 (aq) + N2H4 (aq) 2Hg (l) + N2 (g) + 4H + (aq) 2Hg +2 (aq) 2Hg (l) Hg +2 NOX = +4 Hg NOX = zero = +2 0 (reduziu) N2H4 (aq) N2 (g) N2H4 NOX = -2 N2 = -2 0 (oxidou) NOX = zero

8 Descrição detalhada no caderno. 15) Descreva um procedimento simples para transformação de frequência (υ) em comprimento de onda ( ). Dê um exemplo para ilustrar o procedimento e aproveite para descrever como é realizado a medida da energia (E) da frequência utilizada no exemplo. Caso esteja sem criatividade calcule para frequência de Hz. Descrição detalhada no caderno. 16) Calcule o número de coordenação e o número de oxidação dos seguintes complexos: Ligante: NH3 CN - Cl - a) NC = 4 NOX = +2 b) NC = 6 NOX = +3 c) NC = 4 NOX = +2 d) NC = 4 NOX = +2 17) Descreva o procedimento que deve ser realizado para o cálculo de ph, poh, [H3O + ] e [OH - ] de um ácido fraco com Ka em de concentração 0,1 mol/l. Descrição detalhada no caderno. ph = 2 poh= 12 [H3O + ] = mol/l [OH - ] = mol/l 18) Discuta a diferença entre um ácido fraco (item 17) e um ácido forte. Mostre pelos cálculos quais seriam os valores para ph, poh, [H3O + ] e [OH - ] caso a solução do item 17 fosse ácido clorídrico (ácido forte) com concentração 0,1 mol/l.

9 Descrição detalhada no caderno. ph = 1 poh= 13 [H3O + ] = mol/l [OH - ] = mol/l 19) Em relação ao gráfico abaixo de energia de ligações químicas sigma ( ) e pi ( ) para compostos da família 4A com o óxigênio, ou seja, C=O e Si=O, comente sobre o motivo de menor energia para ligação pi ( ) em Si=O. Gráfico retirado do artigo: Paula, V. I.; Tendências das Energias das Ligações Pi em sistemas Homo e Heteronucleares, Revista Engenho; vol 1; UniAnchieta; Jundiaí; A menor energia associada a energia pi da ligação Si=O em relação a ligação de C=O está relacionada ao tamanho dos orbitais. O fato do silício possuir maiores orbitais em relação ao carbono faz com que seja dificil um acoplamento (sobreposição) entre os orbitais que sejam efetivos. 20) O que é HOMO e LUMO? HOMO é o significado de orbital molecular de alta energia ocupado e LUMO é o significado de orbital molecular de baixa energia desocupado. A figura ao lado representa a ordem de energia dos orbitais e a indicação de HOMO e LUMO conforme conceitos apresentados. 21) Qual parte do perfil de energia de uma reação é afetada por um catalisador?

10 O catalisador não altera a energia relacionada a entalpia de reação, pois essa depende exclusivamente dos produtos e reagentes envolvidos ( H = Hprodutos-Hreagentes), no entanto a energia associada a formação da espécia ativada é chamada de energia de ativação, essa sim é afetada por um catalisador. O catalisador cria uma nova via reacional que favorece a reação inicializar com energia de ativação baixa e como consequencia se tem maior velocidade de reação. A princípio o catalisador não é consumido durante o processo reacional. A figura ao lado ilustra a energia de ativação (lombo) sendo menor para reação catalisada. 22) Qual é a diferença entre um catalisador homogêneo e um heterogêneo? Discuta as vantagens e desvantagens. A catálise é a mudança de velocidade de uma reação química devido à adição de uma substância (catalisador) que praticamente não é consumido no final da reação, em geral os catalisadores provocam um novo caminho reacional, no qual tem uma menor energia de ativação. Existem dois tipos de catálise: homogênea, na qual o catalisador se dissolve no meio em que ocorre a reação, e neste caso forma uma espécie intermediária, que se rompe; e heterogênea, em que se produz adsorção dos reagentes na superfície do catalisador. A consequência da diminuição da energia de ativação é o aumentando da velocidade da reação, assim têm amplo emprego na indústria química, por exemplo no processo de fabricação de ácidos (como ácido sulfúrico e ácido nítrico), hidrogenação de óleos e de derivados do petróleo. Na catálise homogênea: Os reagentes e o catalisador encontram-se na mesma fase, geralmente é líquida; Acelera o processo de reação; A reação evolui através de espécies intermédios com menor energia de ativação; A reação tem mais do que uma etapa; Os metais de transição estão normalmente empregados. Na catalise heterogênea: O catalisador e os reagentes/produtos encontra-se em fases diferentes; Acontece a formação de espécies ativas na superfície do catalisador;

11 Os gases são adsorvidos na superfície do catalisador, formando ligações fracas com os átomos metálicos do catalisador. 23) Muitos catalisadores heterogêneos importantes são materiais sólidos bem finamente divididos. Por que o tamanho da partícula é importante? Qual o papel da adsorção na ação de um catalisador heterogêneo? Quanto menor o tamanho de partícula maior área supercial. Como o processo de adsorção em supercifie é o mecanismo majoritário para a catálise heterogênea, a maior área supercifial é sinonimo de maior taxa (rendimento) reacional.