1. TERMOQUÍMICA. Cursinho Pré-Universitário Popular UFJF Professora Camila Talarico Química III

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1 1. TERMOQUÍMICA A energia é um assunto de grande importância não apenas nos meios científicos, mas também para a sociedade em geral. Entre as fontes energéticas mais importantes estão os combustíveis, substâncias que ao sofrerem combustão, liberam energia na forma de calor. Grande parte dos processos utilizados para obter energia provoca sérios problemas ambientais. No entanto, do conhecimento cada vez maior a respeito do fluxo de energia e dos fenômenos energéticos podem resultar novas formas de obter energia. A busca por fontes energéticas menos poluentes, ou até mesmo não poluentes, é uma das prioridades das pesquisas na área da termoquímica. 1. Calor O conceito científico de calor relaciona-se com a diferença de temperatura entre dois sistemas. O calor é o processo de transferência de energia de um sistema, a uma temperatura mais alta, para outro, a uma temperatura mais baixa. Quanto maior a diferença de calor entre os dois sistemas, maior a quantidade de calor transferida. Quando aquecido, a quantidade de calor que um corpo pode receber depende da diferença de temperatura entre o corpo e a fonte de calor, do calor específico do material de que é feito o corpo e de sua massa. Q = m. c. T É usual expressar quantidade de calor em calorias (cal). Caloria é a quantidade de energia necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1 grama (o equivalente a 1 mililitro) de água. Pode-se expressar quantidade de calor também em joule, lembrando que 1 cal = 4,184 J. 2. Processos endotérmicos e exotérmicos Queima de velas e condensação da água - Processo endotérmico: o sistema absorve calor e o ambiente se resfria. Cozimento de alimentos e bolsa de gelo instantânea 3. Entalpia e variação de entalpia Nas reações químicas e nas transformações físicas, a quantidade de calor liberada ou absorvida é conhecida como calor de reação. Os calores de reação representam a variação de entalpia ( H) do sistema, quando os processos ocorrem à pressão constante. A entalpia (H) de um sistema está relacionada à sua energia interna e, na prática, não pode ser determinada. Entretanto conseguese medir a variação de entalpia ( H) de um processo através de aparelhos chamados calorímetros. O cálculo da variação de entalpia é dado pela expressão genérica: H = H final H inicial ou H = H produtos - H reagentes - Reações endotérmicas: R + calor P A formação e a ruptura de ligações envolvem a interação da energia com a matéria. Assim como na mudança de estados físicos, as transformações da matéria ocorrem com absorção ou liberação de energia. São dois os processos em que há troca de energia na forma de calor: - Processo exotérmico: o sistema libera calor e o ambiente é aquecido. Nesse caso, há absorção de calor no processo, portanto a H produtos é maior do que a H reagentes e H é positivo. 63

2 - Reações exotérmicas: R P + calor físico dos reagentes e dos produtos, os coeficientes estequiométricos, as variedades alotrópicas, a temperatura e a pressão, bem como o H do processo. Exemplo: C graf + O 2(g) CO 2(g) H = -394kJ (a 25 C, 1 atm) Nesse caso há liberação de calor, portanto a H produtos é menor do que a H reagentes e H é negativo. 4. Entalpia e estados físicos As mudanças de estado físico de uma substância também envolvem trocas de calor. A quantidade de energia envolvida está relacionada com as modificações nas atrações entre as partículas da substância, ou seja, com as interações intermoleculares. Com o intuito de fazer comparações entre processos, foi criado um referencial: a entalpiapadrão ( H ). A entalpia-padrão é utilizada quando a variação da entalpia da reação é determinada no estado-padrão das substâncias (forma mais estável, a 25 C, sob pressão de 1 atm para os gases e na concentração de 1 mol/l em soluções). É importante considerar que: - O valor de H é diretamente proporcional às quantidades de reagentes e de produtos que aparecem na equação termoquímica. - Quando uma reação ocorre no sentido contrário ao indicado na equação química, se a reação direta for exotérmica, a inversa será endotérmica, e vice-versa. 6. Entalpia das reações químicas 6.1. Entalpia de combustão A entalpia de combustão, H c, é a variação de entalpia na combustão completa de 1 mol de uma substância no estado-padrão. Reações de combustão são aquelas em que uma substância denominada combustível, reage com o gás oxigênio (O 2 ). Numa combustão completa os produtos da reação são somente CO 2 e H 2 O. Exemplo: CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (l) H = - 212,8kcal/mol Nessas reações, H é sempre negativo, ou seja, são reações exotérmicas. 26_ html Na fusão e na vaporização, as interações moleculares são reduzidas, a entalpia da substância aumenta caracterizando processos endotérmicos. Na liquefação há formação de interações moleculares do estado líquido e na solidificação as interações moleculares ficam mais intensas. A entalpia da substância diminui, caracterizando um processo exotérmico. 5. Equações termoquímicas Nas equações termoquímicas devem ser indicados todos os fatores que influem nas variações de entalpia das reações. Por isso devem ser destacados aspectos como o estado 6.2. Entalpia de formação A entalpia padrão de formação, H f, é a variação de entalpia para a formação de uma substância composta a partir de seus elementos constituintes na forma de substâncias simples no estado-padrão. Exemplo: Quando uma substância simples já se encontra em seu estado-padrão, considera-se, por convenção, H f igual a zero. Entalpias padrão de formação podem ser combinadas para obter a entalpia padrão de qualquer reação: 64

3 Exemplo: Considere os dados da tabela abaixo, a 25 C e 1atm. Substância Entalpia de formação (KJ/mol) Amônia (gás) - 46 Ácido clorídrico (gás) - 92 Cloreto de amônio (sólido) -314 Calcule a variação de entalpia quando a base reage com o ácido para formar o correspondente sal Energia de ligação A energia de ligação mede o calor necessário para quebrar 1 mol de uma determinada ligação, supondo as substâncias no estado gasoso, a 25 e 1 atm. A quebra de ligações é um processo endotérmico, portanto H é positivo. 7. Lei de Hess A entalpia de muitas reações químicas não pode ser determinada experimentalmente. Assim, a entalpia desse tipo de reação pode ser calculada a partir da entalpia de outras reações, utilizando-se a lei de Hess: A variação de entalpia para qualquer processo depende somente da natureza dos reagentes e dos produtos e independe do número de etapas do processo ou da maneira como é realizada a reação. De acordo com essa lei, é possível calcular a variação de entalpia de uma reação por meio da soma algébrica de equações químicas de reações que possuam H conhecidos. Exemplo: Formação de dióxido de carbono. Exemplo: H 2(g) 2H (g) H = + 436KJ A energia absorvida na quebra de uma ligação é numericamente igual à energia liberada na sua formação. Exemplo: 2H (g) H 2(g) H = - 436KJ Na ocorrência de uma reação química, há ruptura das ligações dos reagentes e formação de ligações para resultar em produtos. O saldo energético entre a energia absorvida na ruptura das ligações e a energia liberada na formação de ligações determina o H de uma reação. Portanto, a variação de entalpia de uma reação pode ser estimada usando as entalpias de ligação envolvidas. 8. Aspectos estequiométricos Cálculos estequiométricos que envolvem energia relacionam a quantidade de substância (em massa, em mols, em volume, em número de moléculas etc.) com a quantidade de calor liberada ou absorvida em uma reação química. Exemplo: A entalpia-padrão de combustão do etanol (C 2 H 6 O) líquido é kj/mol e sua densidade é 0,80 g/ml. Qual a energia liberada na queima de 1,0 L de etanol? Exemplo: Calcule a H na reação: 2HBr (g) + Cl 2(g) 2HCl (g) + Br 2(g) conhecendo as seguintes energias de ligação: Tipo de ligação Energia de ligação (Kcal/mol) H Br 87,4 Cl Cl 57,9 H Cl 103,1 Br Br 46,1 65

4 EXERCÍCIOS ENEM 1. Equipamentos com dispositivo para jato de vapor de água a 120ºC é utilizado na limpeza doméstica para eliminação de ácaros. Com base nos dados da tabela, na informação e nos conhecimentos sobre termoquímica, pode-se afirmar: a) O calor molar de vaporização da água na fase líquida é 44 kj. b) A energia necessária à vaporização de 1,0mol de água, na fase líquida, é suficiente para romper as ligações oxigênio-hidrogênio nela existentes. c) A eliminação de ácaros ocorre mediante processo exotérmico. d) Massas iguais de vapor de água, a 100ºC e a 120ºC, contêm as mesmas quantidades de energia. e) O valor absoluto do calor molar de vaporização da água líquida é igual ao valor absoluto do calor molar de liquefação da água, nas mesmas condições. 2. Numa sauna a vapor, o calor envolvido na condensação do vapor d água é, em parte, responsável pelo aquecimento da superfície da pele das pessoas que estão em seu interior, de acordo com o diagrama abaixo: a) liberação de 44 kj; b) absorção de 44 kj; c) liberação de 527,6 kj; d) absorção de 527,6 kj; e) nenhuma das respostas anteriores. 3. Considere a reação de fotossíntese e a reação de combustão da glicose, representadas a seguir: 6CO 2(g) + 6H 2 O (l) C 6 H 12 O 6(s) + 6O 2(g) C 6 H 12 O 6(s) + 6O 2(g) 6CO 2(g) + 6H 2 O (l) Sabendo que a energia envolvida na combustão de 1mol de glicose é de 2, J, ao sintetizar 0,5mol de glicose, a planta: a) libera 1, J d) absorve 2, J b) libera 2, J e) absorve 5, J c) absorve 1, J 4. A fabricação do diamante pode ser feita comprimindo grafita a uma temperatura elevada empregando catalisadores metálicos como tântalo e cobalto. Analisando os dados obtidos experimentalmente em calorímetros: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) C (diamante) + O 2(g) CO 2(g) H = -393,5KJ/mol H = -395,6KJ/mol a) A formação de CO 2 é sempre endotérmica. b) A conversão da forma grafita na forma diamante é exotérmica. c) A forma alotrópica estável do carbono nas condições da experiência é a grafita. d) A variação de entalpia da transformação do carbono grafita em carbono diamante nas condições da experiência é H = -2,1KJ/mol. e) A forma alotrópica grafita é o agente oxidante e o diamante é o agente redutor das reações de combustão. 5. O peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) é um composto de uso comum devido a suas propriedades alvejantes e antissépticas. Esse composto, cuja solução aquosa e conhecida no comercio como água oxigenada, e preparado por um processo cuja equação global é: Considere os valores de entalpias fornecidos para as seguintes reações: De acordo com as informações fornecidas, o que ocorrerá na transformação de 1 mol de água vaporizada em 1 mol de água líquida? O valor da entalpia padrão de formação do peróxido de hidrogênio líquido e: a) kj mol -1 c) kj mol -1 b) kj mol -1 d) kj mol O carbeto de tungstênio, WC, é uma substância muito dura e, por esta razão, é 66

5 utilizada na fabricação de vários tipos de ferramentas. A variação de entalpia da reação de formação do carbeto de tungstênio a partir dos elementos C grafite e W (s) é difícil de ser medida diretamente, pois a reação ocorre a 1.400ºC. No entanto, pode-se medir com facilidade os calores de combustão dos elementos C grafite, W (s) e do carbeto de tungstênio, WC (s) : 2W (s) + 3O 2(g) 2WO 3(s) ΔH = 1.680,6 kj C grafite + O 2(g) CO 2(g) ΔH = 393,5 kj 2WC (s) +5O 2(g) 2CO 2(g) +2WO 3(s) ΔH = 2.391,6 kj Pode-se, então, calcular o valor da entalpia da reação abaixo e concluir se a mesma é endotérmica ou exotérmica: W (s) + C grafite WC (s) ΔH =? A qual alternativa correspondem o valor de ΔH e o tipo de reação? 7. O fosgênio (COCl 2 ) ou diclorometanona é um gás tóxico que foi utilizado na Primeira Guerra Mundial como arma química do tipo sufocante. Utilizando os dados a seguir, calcule o ΔH de formação do gás fosgênio, em kj/mol, e assinale a alternativa CORRETA. pode-se estimar que o ΔH da reação representada por H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g), dado em kj por mol de HCl (g), é igual a: a) 92,5 c) 247 e) +92,5 b) 185 d) Uma das etapas envolvidas na produção do álcool combustível é a fermentação. A equação que apresenta esta transformação é: enzima C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Conhecendo-se os calores de formação da glicose, do gás carbônico e do álcool, respectivamente, 302, 94 e 66 kcal/mol, podese afirmar que a fermentação ocorre com: a) liberação de 18 kcal/mol; b) absorção de 18 kcal/mol; c) liberação de 142 kcal/mol; d) absorção de 142 kcal/mol; e) variação energética nula 10. Como é possível notar através de uma análise do gráfico, o cristal de KCl tem energia mais baixa do que os átomos isolados de potássio, K (g) e cloro, Cl (g), e mesmo em relação às substâncias simples, gás cloro, Cl 2(g) e potássio metálico, K (s). Observando os valores das variações de entalpia de cada etapa do ciclo, ΔH, marque a opção que apresenta o valor CORRETO para o ΔH correspondente à formação do KCl (s). a) -717 kj mol -1 d) +280 kj mol -1 b) -349 kj mol -1 e) -177 kj mol -1 c) -437 kj mol -1 a) c) 409 e) b) d) Com base nos dados da tabela, 11. Muitos especialistas em energia acreditam que os alcoóis vão crescer em importância em um futuro próximo. Realmente, alcoóis como metanol e etanol têm encontrado alguns nichos para uso doméstico como combustível há muitas décadas e, recentemente, vêm obtendo uma aceitação cada vez maior como aditivos, ou mesmo como substitutos para gasolina em veículos. Algumas 67

6 das propriedades físicas desses combustíveis são mostradas no quadro seguinte. Dados : Massa molares em g/mol: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Considere que, em pequenos volumes, o custo de produção de ambos os alcoóis seja o mesmo. Dessa forma, do ponto de vista econômico, é mais vantajoso utilizar: a) metanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 22,7 kj de energia por litro de combustível queimado. b) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 29,7 kj de energia por litro de combustível queimado. c) metanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 17,9 MJ de energia por litro de combustível queimado. d) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 23,5 MJ de energia por litro de combustível queimado. e) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 33,7 MJ de energia por litro de combustível queimado. 12. O processo de aquecimento baseado em energia solar consiste na utilização de um produto denominado sal de Glauber, representado por Na 2 SO 4. 10H 2 O, que se transforma segundo as equações abaixo: Considere, na equação relativa à noite, que o calor liberado seja de 20 kcal/mol de Na 2 SO 4. 10H 2 O, para um rendimento hipotético de 100% da reação. Para aquecer uma casa cujo consumo é de kcal durante uma noite, a massa de sal de Glauber que deverá ser utilizada, em kg, corresponde a: a) 161 b) 101 c) 71 d) (PISM II) A equação química a seguir representa a formação de enxofre a partir de gases vulcânicos. a) Escreva a equação química balanceada que representa a reação entre o SO 2 e a água bem como o nome da substância formada. b) Sabendo-se que o ΔH formação das espécies envolvidas nessa reação são -296,8 kj/mol para o SO 2(g), -20,60 kj/mol para o H 2 S (g), -285,8 kj/mol para H 2 O (l) e 0,00 kj/mol para o S (s), calcule o valor do ΔH da reação de formação do enxofre a 25 C. c) Com o valor de ΔH obtido anteriormente, classifique a reação como endotérmica ou exotérmica. Justifique. 15. Por energia de ligação entende-se a variação de entalpia (ΔH) necessária para quebrar 1mol de uma dada ligação. Esse processo é sempre endotérmico (ΔH > 0). Assim, no processo representado pela equação CH 4(g) C (g) + 4H (g), ΔH = 1663 KJ/mol, são quebrados 4 mol de ligações C --- H, sendo a energia de ligação, portanto 416KJ/mol. Sabendo que no processo C 2 H 6(g) 2C (g) + 6H (g), ΔH = 2826 KJ/mol, são quebradas ligações C --- C e C --- H, qual o valor da energia de ligação C --- C? Indique os cálculos. 16. (UERJ) O metanal é um poluente atmosférico proveniente da queima de combustíveis e de atividades industriais. No ar, esse poluente é oxidado pelo oxigênio molecular formando ácido metanóico, um poluente secundário. Na tabela abaixo, são apresentadas as energias das ligações envolvidas nesse processo de oxidação. 13. Uma solução de ácido clorídrico pode ser neutralizada utilizando-se hidróxido de sódio. A partir da tabela de H de formação, calcule a variação de entalpia dessa reação de neutralização. 68

7 0,72 g/cm 3 e a sua massa molar aparente, 80,1 g/mol. a) Escreva a equação química que representa a combustão de um dos componentes dessa gasolina. b) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 mol dessa gasolina? Em relação ao metanal, determine a variação de entalpia correspondente à sua oxidação, em kj.mol (UFRJ) De acordo com a Coordenadoria Municipal de Agricultura, o consumo médio carioca de coco verde é de 8 milhões de frutos por ano, mas a produção do Rio de Janeiro é de apenas 2 milhões de frutos. Dentre as várias qualidades nutricionais da águade-coco, destaca-se ser ela um isotônico natural. A tabela acima apresenta resultados médios de informações nutricionais de uma bebida isotônica comercial e da água-de-coco. a) Uma função importante das bebidas isotônicas é a reposição de potássio após atividades físicas de longa duração; a quantidade de água de um coco verde (300 ml) repõe o potássio perdido em duas horas de corrida. Calcule o volume, em litros, de isotônico comercial necessário para repor o potássio perdido em 2 h de corrida. b) A tabela a seguir apresenta o consumo energético médio (em kcal/min) de diferentes atividades físicas. Calcule o volume em litros de água-de-coco necessário para repor a energia gasta após 17 minutos de natação. 18. Considere uma gasolina constituída apenas de etanol e de n-octano, com frações molares iguais. As entalpias de combustão do etanol e do n-octano são 1368 e 5471 kj/mol, respectivamente. A densidade dessa gasolina é c) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 litro dessa gasolina? 19. (Unicamp) Agora sou eu que vou me deliciar com um chocolate diz Naná. E continua: Você sabia que uma barra de chocolate contém 7% de proteínas, 59% de carboidratos e 27% de lipídios e que a energia de combustão das proteínas e dos carboidratos é de 17 kj/g e dos lipídios é 38 kj/g aproximadamente? a) Se essa barra de chocolate tem 50 g, quanto de energia ela me fornecerá? b) Se considerarmos o calor específico do corpo humano como 4,5 J g 1 K 1, qual será a variação de temperatura do meu corpo se toda esta energia for utilizada para o aquecimento? O meu peso, isto é, a minha massa, é 60 kg. Admita que não haja dissipação do calor para o ambiente. 20. (Fuvest-SP) Experimentalmente se observa que, quando se dissolve etanol na água, há aumento de temperatura da mistura. Com base nesse fato, confirme ou negue a seguinte afirmação: "A dissolução de etanol em água é um processo endotérmico". 21.(Fuvest)Benzenopodeserobtidoapartir de hexano por reforma catalítica. Considere asreaçõesdacombustão: H 2(g) +1/2O 2(g) H 2 O (l) Calorliberado=286kJ/moldecombustível C 6 H 6(l) +15/20 2(g) 6CO 2(g) +3H 2 O (l) Calorliberado=3268kJ/moldecombustível C 6 H 14(l) +19/20 2(g) 6CO 2(g) +7H 2 O (l) Calorliberado=4163kJ/moldecombustível Podemosentão afirmarquenaformaçãode 1moldebenzeno,apartirdohexano,há: a)liberaçãode249kj. b)absorçãode249kj. c)liberaçãode609kj. d)absorçãode609kj. e)liberaçãode895kj. 22. (Unirio-RJ) Os soldados em campanha aquecem suas refeições pronta, contidas dentro de uma bolsa plástica com água. Dentro dessa bolsa existe o metal magnésio, que se 69

8 combina com a água e forma hidróxido de magnésio. A equação não-balanceada é: Mg (s) + H 2 O (l) ----> Mg(OH) 2 + H 2(g) As entalpias de formação a 25 C e 1atm são: H H2O(l) = - 268,0 kj/mol H Mg(OH)2 (aq) = - 925,0 kj/mol A variação de entalpia desta reação, em kj/mol, é: a) 1496,1 c) 352,9 e) +1496,1 b) 638,7 d) +352,9 23. (Fuvest) O monóxido de nitrogênio (NO) pode ser produzido diretamente a partir de dois gases que são os principais constituintes do ar atmosférico, por meio da reação representada por O NO pode ser oxidado, formando o dióxido de nitrogênio (NO 2 ), um poluente atmosférico produzido nos motores a explosão: Tal poluente pode ser decomposto nos gases N 2 e O 2 : Essa última transformação a) libera quantidade de energia maior do que 114 kj. b) libera quantidade de energia menor do que 114 kj. c) absorve quantidade de energia maior do que 114 kj. d) absorve quantidade de energia menor do que 114 kj. e) ocorre sem que haja liberação ou absorção de energia. 24. (Fuvest) O besouro bombardeiro espanta seus predadores, expelindo uma solução quente. Quando ameaçado, em seu organismo ocorre a mistura de soluções aquosas de hidroquinona, peróxido de hidrogênio e enzimas, que promovem uma reação exotérmica, representada por: O calor envolvido nessa transformação pode ser calculado, considerando-se os processos: Assim sendo, o calor envolvido na reação que ocorre no organismo do besouro é a) -558 kj.mol -1 d) +558 kj.mol -1 b) -204 kj.mol -1 e) +585 kj.mol -1 c) +177 kj.mol (FGV) Considere os seguintes processos envolvidos na dissolução de sulfato de potássio em água: I. Ruptura, pelo menos parcial, das ligações iônicas do sulfato de potássio sólido. II. Ruptura, pelo menos parcial, das ligações de hidrogênio na água líquida. III. Formação das interações entre os íons provenientes do sulfato de potássio aquoso e as moléculas polares da água (solvatação). É correto afirmar que esses processos são, respectivamente, (A) endotérmico endotérmico e exotérmico. (B) endotérmico, exotérmico e endotérmico. (C) exotérmico, endotérmico e endotérmico. (D) endotérmico, endotérmico e endotérmico. (E) exotérmico, exotérmico e endotérmico. 26. (Mackenzie) O gás propano é um dos integrantes do GLP (gás liquefeito de petróleo) e, desta forma, é um gás altamente inflamável. Abaixo está representada a equação química NÃO BALANCEADA de combustão completa do gás propano. Na tabela, são fornecidos os valores das energias de ligação, todos nas mesmas condições de pressão e temperatura da combustão. Assim, a variação de entalpia da reação de combustão de um mol de gás propano será igual a a) 1670 kj. d) 4160 kj. b) 6490 kj. e) kj. c) kj. 27. (Mackenzie) A hidrazina, cuja fórmula química é N2H4, é um composto químico com propriedades similares à amônia, usado entre outras aplicações como combustível para foguetes e propelente para satélites artificiais. Em determinadas condições de temperatura e pressão, são dadas as equações termoquímicas abaixo. I. N 2(g) + 2 H 2(g) N 2 H 4(g) ΔH = + 95,0 kj/mol II. H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (g) ΔH = 242,0 kj/mol 70

9 A variação da entalpia e a classificação para o processo de combustão da hidrazina, nas condições de temperatura e pressão, de acordo com a equação N 2 H 4(g) + O 2(g) N 2(g) + 2 H 2 O (g), respectivamente, a) 579 kj/mol; processo exotérmico. b) kj/mol; processo endotérmico. c) 389 kj/mol; processo exotérmico. d) 147 kj/mol; processo exotérmico. e) kj/mol; processo endotérmico. 28. (PUC_Campinas) Considere as equações termoquímicas referentes à queima de carbono: C 2 H 5 OH (l) + 3O 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2 O (g) b) -3419,5KJ/mol c) 3, KJ 19. a) 1074,0kJ b) 4 C ou 4K 20. A afirmação é incorreta. A dissolução do etanol é um processo exotérmico. 21. b 25. a 22. c 26. a 23. b 27. a 24. b 28. b BIBLIOGRAFIA - USBERCO, J.; SALVADOR, E.: Química. 5 edição. São Paulo: Saraiva, Volume único. Para obter a mesma quantidade de energia liberada na queima de 1 mol de carbono na equação I, deve-se queimar, conforme a reação II, uma massa de carbono correspondente a, aproximadamente, (A) 55 g (D) 17 g (B) 43 g (E) 12 g (C) 21 g - ATKINS, P.; JONES, L.: Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 2 edição. Porto Alegre: Bookman, NÓBREGA, O.S.; SILVA, E.R.; SILVA, R.H.: Química. 1 edição. São Paulo: Editora Ática, Volume único. - FELTRE, R.: Fundamentos da Química. 2 edição. São Paulo: Moderna, Volume único. - MORTIMER, E.F.; MACHADO, A.H.: Química. 1 edição. São Paulo: Editora Scipione, Volume único. - PERUZZO, F.M.; CANTO, F.M.: Química: na abordagem do cotidiano. 4 edição. São Paulo: Moderna, Volume 2. - LISBOA, J.C.F.: Química. 1 edição. São Paulo: Edições SM, Volume 2. Gabarito 1. d 7. a 2. a 8. a 3. c 9. a 4. c 10. c 5. a 11. d 6. c 12. a _ html ,31KJ/mol 14. a) SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 Ácido sulforoso b) -233,6KJ/mol c) Exotérmica KJ/mol KJ/mol 17. a) 6L b) 0,25L 18. a) C 8 H 18(l) + 25O 2(g) 8CO 2(g) + 9H 2 O (g) Ou 71

10 2. CINÉTICA QUÍMICA Toda reação química necessita de certo tempo para se completar. Algumas reações são extremamente rápidas, como por exemplo, a neutralização entre um ácido e uma base em solução aquosa. Existem, por outro lado, reações extremamente lentas. Reação entre solução aquosa de nitrato de chumbo III e iodeto de potássio (quase instantânea), e formação de ferrugem em ferro (reação lenta). A velocidade com que ocorrem as reações depende de uma série de fatores, como estado físico dos reagentes, temperatura, concentração dos reagentes, presença de catalisador ou inibidor, superfície de contato (no caso de reagentes sólidos) e a pressão do sistema, no caso de haver reagentes no estado gasoso. O estudo da cinética inclui a compreensão dos modelos que explicam as reações químicas, bem como os fatores que nelas interferem. 1. Teoria da colisão Para as reações químicas ocorrerem é necessário haver aproximação e contato entre as partículas reagentes. Essa é a idéia básica da teoria das colisões. Sabemos que as partículas de uma substância química possuem energia própria que faz com que elas fiquem em movimento. Tal movimento dá origem a colisões, e a partir dessas colisões pode ocorrer uma reação química. Para que haja uma reação é necessário que a colisão ocorra com uma energia capaz de provocar um rearranjo de átomos dos reagentes, formando novas ligações. Além do fator energia os choques devem ocorrer segundo uma orientação favorável. A rapidez de uma reação depende da freqüência das colisões e da fração dessas colisões que são efetivas, ou seja, colisões com energia suficiente e orientação favorável. No instante em que ocorre o choque efetivo forma-se uma estrutura que recebe o nome de complexo ativado e que pode ser definido como um estágio intermediário em que todas as partículas dos reagentes estão agregadas. A energia mínima necessária para formar o complexo ativado é chamada de energia de ativação (E a ). A energia de ativação funciona como uma barreira a ser vencida pelos reagentes para que a reação ocorra. Assim, quanto maior for essa energia de ativação, mais lenta será a reação e vice-versa Rapidez das reações químicas Rapidez ou velocidade de uma reação é uma grandeza que indica como as quantidades de regente ou produto dessa reação variam com o passar do tempo. É expressa pela variação da concentração, da quantidade de matéria, da pressão, da massa ou do volume, por unidade de tempo. A unidade associada à velocidade da reação depende da propriedade do sistema e da unidade de tempo consideradas. A rapidez da reação diminui com o tempo, ou seja, à medida que os reagentes são consumidos, a reação torna-se mais lenta. Uma 72

11 das razões para isso é que à medida que a quantidade de reagentes diminui o número de colisões efetivas também diminui. 3. Fatores que influem na velocidade das reações 3.1. Superfície de contato No caso de reações em que participam substâncias em diferentes fases, verifica-se que a rapidez da reação depende da superfície de contato entre essas fases. Assim, quanto mais fragmentado for esse reagente, maior será o número de choques, e maior será a velocidade da reação Temperatura Quando a temperatura de um sistema em reação aumenta, a energia cinética média das partículas aumenta o que faz com que tanto a freqüência de colisões como a energia envolvida em cada colisão aumentem. Consequentemente, a quantidade de colisões efetivas aumenta, provocando aumento da rapidez da reação Concentração Aumentando a concentração dos reagentes iremos aproximar suas moléculas, aumentar a freqüência dos choques efetivos e, consequentemente, aumentar a velocidade da reação Catalisadores Os catalisadores são substâncias que aceleram uma reação sem serem consumidas, ou seja, são regenerados no final do processo. Aumentam a velocidade de uma reação, pois abaixam a energia de ativação. A luz é uma forma de energia e pode interferir na velocidade de algumas reações químicas. Ao atingir os reagentes, ela transfere para eles parte sua energia. Dessa forma, como as partículas reagentes possuem energia maior, areação ocorre com maior rapidez. 4. Lei cinética A maneira pela qual a concentração dos reagentes interfere na rapidez de uma reação deve ser determinada experimentalmente, pois cada reação tem sua rapidez alterada de maneira diferente. De forma geral, para uma dada reação química: aa + bb + cc +... xx + yy + zz +... a velocidade é expressa pela fórmula: v = k[a] a [B] b [C] c... onde k é a constante de velocidade da reação. Essa fórmula é chamada Lei da Velocidade da reação. Para uma reação que ocorre em duas ou mais etapas, a velocidade da reação global é igual à velocidade da etapa mais lenta. Portanto, para escrever a lei de velocidade global, consultamos a etapa lenta e não a equação global. EXERCÍCIOS 1. O gráfico mostrado abaixo foi construído com dados obtidos no estudo de decomposição do íon tiossulfato (S 2 O 3 2 ), a temperatura constante em meio ácido variando a concentração molar do íon (diluição em água). A reação ocorre com maior e menor velocidade média respectivamente nos trechos: 3.5. Pressão Um aumento da pressão favorece principalmente as reações entre gases, aproximando as moléculas, aumentando a freqüência dos choques entre as moléculas e, portanto, aumentando a velocidade das reações Luz a) II e III b) I e IV c) II e IV d) III e IV 2. Um dos componentes presentes num determinado xarope não apresenta mais efeito terapêutico quando a sua concentração é igual ou inferior a 0,25mol/L. Esse medicamento é vendido como uma solução, cuja concentração desse componente é igual a 1,00mol/L. Sabendo-se que 73

12 a velocidade de decomposição do medicamento é de 0,5 mol/l por ano, qual é a validade do medicamento? a) 3 anos b) 2 anos c) 18 meses d) 12 meses e) 15 meses 3. Um químico realizou um experimento para estudar a velocidade de dissolução (solubilização em função do tempo) de comprimidos efervescentes em relação ao estado do comprimido e à temperatura da água. Utilizando sempre a mesma quantidade de água, registrou os tempos aproximados (em segundos) de dissolução, e os resultados estão representados no gráfico abaixo. Com base no gráfico são feitas as seguintes afirmações: I. Para o comprimido amassado, a velocidade de dissolução é maior. II. A velocidade de dissolução do comprimido diminui conforme aumenta a temperatura. III. A quantidade de comprimidos nos experimentos não influencia a velocidade de sua dissolução. IV. A uma temperatura de 40 C, um comprimido inteiro demoraria cerca de 19s para se dissolver. V. Com o aumento da temperatura, a aceleração da dissolução é maior para o comprimido amassado. São corretas apenas as afirmações a) I, III e IV. b) II, IV e V. c) I, II e III. d) I, IV e V. e) II, III e IV. 4. Quando a manteiga é exposta ao ar à temperatura ambiente, ocorre uma mudança no seu sabor e odor, dando origem à manteiga rançosa. A substância química responsável pelo ranço na manteiga é o ácido butírico ou butanoico. Esse ácido é formado pela reação de hidrólise dos glicerídeos (ésteres) presentes na manteiga. Considerando a total formação da manteiga rançosa, é CORRETO afirmar que: a) a temperatura não afeta a velocidade de hidrólise dos glicerídeos presentes na manteiga. b) armazenar a manteiga na geladeira diminui a velocidade da reação de hidrólise dos glicerídeos. c) a diminuição do ph da manteiga evita a formação do ácido butanoico. d) a adição de um catalisador acarreta o aumento da quantidade final obtida de ácido butanoico. e) ao se dividir a manteiga em quatro pedaços, diminui-se a velocidade de formação do ácido butanoico. 5. Ao abastecer um automóvel com gasolina, é possível sentir o odor do combustível a certa distância da bomba. Isso significa que, no ar, existem moléculas dos componentes da gasolina, que são percebidas pelo olfato. Mesmo havendo, no ar, moléculas de combustível e de oxigênio, não há combustão nesse caso. Três explicações diferentes foram propostas para isso: I. As moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio estão em equilíbrio químico e, por isso, não reagem. II. À temperatura ambiente, as moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio não têm energia suficiente para iniciar a combustão. III. As moléculas dos componentes da gasolina e as do oxigênio encontram-se tão separadas que não há colisão entre elas. Dentre as explicações, está correto apenas o que se propõe em a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III. 6. Analise as curvas mostradas a seguir. Nelas, encontram-se descritos graficamente alguns padrões idealizados de variação da entalpia no decorrer de reações químicas, abrangendo quatro diferentes possibilidades. Escolha a alternativa na qual se encontra enunciada uma previsão correta para a velocidade de reação e a energia liberada esperadas tendo em vista os valores registrados na curva descrita. a) Curva I: traduz uma maior velocidade de reação associada a uma menor energia liberada b) Curva II: traduz uma maior velocidade de reação associada a uma maior energia liberada c) Curva III: traduz uma menor velocidade de reação associada a uma maior energia liberada d) Curva IV: traduz uma menor velocidade de reação associada a uma menor energia liberada 7. A água oxigenada é uma substância oxidante que, em meio ácido, permite a obtenção de iodo, 74

13 a partir de iodetos existentes nas águas-mães das salinas, como mostra a reação escrita abaixo: H 2 O 2 + 2H 3 O + + 2l - 4H 2 O + l 2 Quando se faz um estudo cinético dessa reação em solução aquosa e se examina, separadamente, a influência da concentração de cada reagente, na velocidade da reação (v), obtêm-se os gráficos seguintes: A expressão da lei de velocidade da reação é: a) v = k. [H 2 O 2 ]. [I ] b) v = k. [H3O + ] c) v = k. [H 2 O 2 ]. [H 3 O + ] d) v = k. [H 3 O + ]. [I ] 8. O NO 2 proveniente dos escapamentos dos veículos automotores é também responsável pela destruição da camada de ozônio. As reações que podem ocorrer no ar poluído pelo NO 2, com o ozônio, estão representadas pelas equações químicas I e II, e pela equação química global III. Com base nessas informações e nos conhecimentos sobre cinética química, pode-se afirmar: a) A expressão de velocidade para a equação química global III é representada por V = k[no 2 ][O 3 ]. b) A adição de catalisador às etapas I e II não altera a velocidade da reação III. c) Duplicando-se a concentração molar de NO 2(g) a velocidade da reação quadruplica. d) A velocidade das reações químicas exotérmicas aumenta com a elevação da temperatura. e) A equação química III representa uma reação elementar. 9. (PISM III) O pentóxido de dinitrogênio (N 2 O 5 ) é um sólido cristalino incolor que sublima numa temperatura próxima à ambiente, também conhecido por anidrido nítrico. Pode ser decomposto em oxigênio molecular e em dióxido de nitrogênio. O gráfico abaixo descreve os resultados de um experimento, realizado em um recipiente fechado, sobre a velocidade de decomposição do N 2 O 5(g), em presença de catalisador. Em relação a esse experimento, pede-se: a) Correlacione as curvas I e II descritas no gráfico com os produtos formados. b) A equação balanceada para a decomposição do N 2 O 5. c) Calcule a velocidade da reação no intervalo de 1h a 2h. 10. (UERJ) A irradiação de microondas vem sendo utilizada como fonte de energia para determinadas reações químicas, em substituição à chama de gás convencional. Em um laboratório, foram realizados dois experimentos envolvendo a reação de oxidação do metilbenzeno com KMnO 4 em excesso. A fonte de energia de cada um, no entanto, era distinta: irradiação de micro-ondas e chama de gás convencional. Observe, no gráfico abaixo, a variação da concentração de metilbenzeno ao longo do tempo para os experimentos: Observe, agora, a equação química que representa esses experimentos: Para o experimento que proporcionou a maior taxa de reação química, determine a velocidade média de formação de produto, nos quatro minutos iniciais, em g.l -1.min -1. Em seguida, calcule o rendimento da reação. 11. A figura a seguir apresenta projeções, resultantes de simulações computacionais, da concentração de dióxido de carbono, em ppm, na atmosfera terrestre até o ano de

14 As projeções dependem do aumento anual da velocidade de emissão de dióxido de carbono. Após uma série de quatro experimentos, o estudante representou os dados obtidos em uma tabela: a) Determine a velocidade média de emissão do dióxido de carbono entre os anos de 2020 e 2050 para o pior cenário de emissão apresentado no gráfico. b) Sabe-se que a massa total de ar na atmosfera é de 5 x g. Calcule a quantidade (em kg) de dióxido de carbono que estaria presente na atmosfera terrestre no ano de 2060 usando a projeção em que a velocidade de emissão é constante. 12. (UFJF) Uma forma de se alterar a velocidade de reações químicas é adicionar uma substância, denominada de catalisador, que praticamente não sofre alteração ao final do processo reacional. A velocidade de decomposição do acetaldeído pode ser modificada pela adição de iodo gasoso (I 2 ) ao sistema. Essa reação ocorre em duas etapas que estão representadas abaixo. Para esse processo, responda às questões a seguir. Que modificação deveria ser feita no procedimento para obter resultados experimentais mais adequados ao objetivo proposto? a) Manter as amostras à mesma temperatura em todos os experimentos. b) Manter iguais os tempos necessários para completar as transformações. c) Usar a mesma massa de catalisador em todos os experimentos. d) Aumentar a concentração dos reagentes A e B. e) Diminuir a concentração do reagente B. 14. (PUC-PR) Compostos naturais são muito utilizados na denominada Medicina Naturalista. Povos indígenas amazônicos há muito fazem uso da casca da Quina (Coutarea hexandra) para extrair quinina, princípio ativo no tratamento da malária. Antigos relatos chineses também fazem menção a uma substância, a artemisina, encontrada no arbusto Losna (Artemisia absinthium), que também está relacionada ao tratamento da malária. Em estudos sobre a cinética de degradação da quinina por ácido, foram verificadas as seguintes velocidades em unidades arbitrárias: a) Escreva a reação global de decomposição do acetaldeído. b) Escreva a expressão para a lei de velocidade da primeira etapa do processo de decomposição do acetaldeído. c) Se, no início, a concentração de acetaldeído foi de 3,0 x 10-2 mol.l -1 e, ao atingir o equilíbrio, a concentração do mesmo é de 1,0 x 10-2 mol.l -1, calcule o tempo necessário para a reação atingir o equilíbrio, considerando que a velocidade da primeira etapa é igual a 0,50 mol.l -1.min (Fuvest) Um estudante desejava estudar, experimentalmente, o efeito da temperatura sobre a velocidade de uma transformação química. Essa transformação pode ser representada por: A partir desses dados, pode-se concluir que a lei de velocidade assume a forma A) V = k [quinina] 2 B) V = k [quinina] 2 / [ácido] C) V = k 2 [quinina] 2 D) V = k [quinina] [ácido] 2 E) V = k [ácido] 2 / [quinina] 15. (PUC-RJ) Os antiácidos efervescentes contêm em sua formulação o ácido cítrico (H 3 C 6 H 5 O 7 ) e o bicarbonato de sódio (NaHCO 3 ), os quais, à medida que o comprimido se dissolve em água, reagem entre si segundo a equação: 76

15 A liberação de gás carbônico explica a efervescência (evolução de CO 2 ) observada quando se dissolve um destes antiácidos. Com base nessas informações, é CORRETO afirmar que: (A) a efervescência será mais intensa se houver pedras de gelo na água. (B) um comprimido triturado de antiácido se dissolverá mais lentamente do que um comprimido inteiro. (C) a efervescência será menos intensa se a água estiver quente. (D) a temperatura tem papel essencial na velocidade de dissolução do comprimido. (E) os componentes do antiácido no estado sólido reagem mais rapidamente do que em solução aquosa. BIBLIOGRAFIA - USBERCO, J.; SALVADOR, E.: Química. 5 edição. São Paulo: Saraiva, Volume único. - FELTRE, R.: Fundamentos da Química. 2 edição. São Paulo: Moderna, Volume único. - NÓBREGA, O.S.; SILVA, E.R.; SILVA, R.H.: Química. 1 edição. São Paulo: Editora Ática, Volume único. - PERUZZO, F.M.; CANTO, F.M.: Química: na abordagem do cotidiano. 4 edição. São Paulo: Moderna, Volume 2. - LISBOA, J.C.F.: Química. 1 edição. São Paulo: Edições SM, Volume 2. Gabarito 1. b 5. b 2. c 6. b 3. d 7. a 4. b 8. a 9. a) Curva 1: O 2 Curva 2: NO 2 b) N 2 O 5(g) ½ O 2(g) + 2NO 2(g) c) 0,2 mol/l.h 10. v m = 24,4g.L -1.min -1 Rendimento: 40% 11. a) v m = 10ppm/ano b) Kg 12. a) CH 3 CHO CH 4 + CO b) v = k[ch 3 CHO]. [I 2 ] c) 2,40 segundos 13. c 14. d 15. d EQUILÍBRIO QUÍMICO As observações nas quais esse capítulo está baseado são as de que algumas reações parecem prosseguir até se completar, mas outras aparentam parar mais cedo. 1. A reversibilidade das reações Da mesma forma que as mudanças de fase, as reações químicas tendem a um equilíbrio no qual a reação direta e a inversa ainda estão ocorrendo, mas na mesma velocidade. Considerando o equilíbrio: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) A velocidade da reação direta N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) é dada por: v 1 = k 1 [N 2 ][H 2 ] 3 Essa velocidade é máxima no início da reação, e depois diminui com o tempo, pois N 2 e H 2 vão sendo consumidos. A velocidade da reação inversa 2NH 3(g) N 2(g) + 3H 2(g) é dada por: v 2 = k 2 [NH 3 ] 2 Essa velocidade é nula no início da reação,e depois aumenta com o tempo, à proporção que NH 3 vai sendo formado. Após certo tempo as duas velocidades se igualam e dizemos que foi atingido o equilíbrio químico. 77

16 N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) n = 2 (1 + 3) = -2, portanto K p = K c (RT) Grau de equilíbrio Indica a relação entre o número de mols de moléculas que reagem até atingir o equilíbrio e o número de mols inicial da mesma substância. 2. Constante de equilíbrio No equilíbrio temos v 1 = v 2. No caso da reação de formação da amônia: k 1 [N 2 ][H 2 ] 3 = k 2 [NH 3 ] 2 Exemplo: Consideramos a reação x y + z, em que, no início, encontramos 2,00 mols de x e no equilíbrio são encontrados 0,80 mols de x sem reagir. Concluímos, então, que reagiram 2,00 0,80 = 1,20 mols de x. O grau de equilíbrio fica: K c é chamado constante de equilíbrio em termos de concentrações molares. A constante é o valor que relaciona as concentrações dos produtos e dos reagentes no momento em que ocorre o equilíbrio. Generalizando: aa + bb +... cc + dd +... Quando K c > 1 a concentração dos produtos é maior que a dos reagentes, ou seja, a reação direta prevalece sobre a inversa. E quanto maior for esse K c, maior será a extensão da ocorrência da reação direta. Quando K c < 1 a concentração dos reagentes é maior que a dos produtos, ou seja, a reação inversa prevalece sobre a direta. E quanto menor for esse K c, maior será a extensão da ocorrência da reação inversa. Para sistemas gasosos em equilíbrio químico, podemos trabalhar com a constante de equilíbrio em termos de pressões parciais (K p ): Pode-se inclusive demonstrar que existe a relação: K p = K c (RT) n Onde R = constante universal dos gases T = temperatura (dada em Kelvin) n = (número total de moléculas produzidas) (número total de moléculas reagentes). Exemplo: Quanto maior for o grau de equilíbrio, mais terá caminhado a reação até chegar ao equilíbrio, ou seja, maior o rendimento da reação. 4. Deslocamento do equilíbrio A perturbação do equilíbrio é toda e qualquer alteração da velocidade da reação direta ou da inversa, provocando modificações nas concentrações das substâncias e levando o sistema a um novo estado de equilíbrio, ou seja provoca deslocamento do equilíbrio. O princípio geral que trata dos deslocamentos dos estados de equilíbrio é chamado Princípio de Le Chatelier, cujo enunciado diz: Quando uma perturbação exterior é aplicada a um sistema em equilíbrio ele tende a si reajustar para minimizar os efeitos desta perturbação. A seguir vamos analisar a influência de cada um dos fatores que podem afetar o equilíbrio Concentração Adicionar ou retirar uma substância presente em um sistema em equilíbrio significa alterar sua concentração, o que altera o estado de equilíbrio de um sistema. A adição de uma substância desloca o equilíbrio no sentido que irá consumi-la. Podemos dizer então, que o equilíbrio é deslocado para o lado oposto ao da substância adicionada. A retirada de uma substância desloca o equilíbrio no sentido que irá restituí-la. Isto é, para o mesmo lado da substância que foi retirada. Exemplo: Considere o equilíbrio 78

17 Preveja o efeito sobre o equilíbrio quando há (a) adição de N 2 e (b) remoção de NH 3. Solução: (a) A adição de N 2 faz a reação se deslocar na direção que minimiza o aumento de N 2. Portanto a reação desloca-se para a formação dos reagentes. (b) Quando o NH 3 é removido do sistema, a reação desloca-se para minimizar essa perda. A reação tende a favorecer a produção de O 2 e NH Pressão Quando aumentamos a pressão sobre um sistema em equilíbrio, à temperatura constante, ele se desloca no sentido em que há redução do número de moléculas em fase gasosa (menor volume). Uma diminuição de pressão desloca o equilíbrio no sentido em que há aumento do número de moléculas em fase gasosa (maior volume). Exemplo: Preveja o efeito da compressão sobre o equilíbrio na reação Solução: Na reação inversa duas moléculas de NO 2 se combinam para formar uma molécula de N 2 O 4. Então a compressão favorece a produção de N 2 O Temperatura Além de provocar deslocamento do equilíbrio, a temperatura é o único fator que altera a constante de equilíbrio. Quando aumentamos a temperatura de um sistema em equilíbrio, favorecemos a reação que absorve calor, a reação endotérmica. Por outro lado, quando diminuímos a temperatura, favorecemos a reação exotérmica, que libera calor. Exemplo: Preveja como a composição de trióxido de enxofre, no equilíbrio abaixo, tenderá a mudar com o aumento da temperatura. Solução: Como a formação de SO 3 é exotérmica, a reação inversa é endotérmica. Então, o aumento da temperatura do sistema favorece a decomposição de SO 3 em SO 2 e O Equilíbrio iônico É o caso particular de equilíbrio no qual, além de moléculas, estão presentes íons. Aqui também serão definidos um α e um K que agora recebem nomes particulares: grau de ionização e constante de ionização respectivamente. Exemplo: 5.1. Equilíbrio iônico ácido-base De acordo coma teoria de Brϕnsted-Lowry, um ácido é um doador de prótons (H + ) e uma base é um receptor de prótons(h + ). Exemplos: As expressões das constantes de ionização são representadas por K a para ácidos, e K b para bases. Quanto maior a concentração de íons, maior será o valor das constantes de ionização e mais forte será o ácido ou a base. As constantes de acidez e basicidade são comumente indicadas pelos seus logaritmos negativos: Quanto maior o valor de pk a e pk b menor serão os valores de K a e K b, e portanto mais fraco é o ácido ou a base Equilíbrio iônico da água A água pura se ioniza segundo a equação: E sua constante de ionização é expressa por: 4.4. Catalisadores Um catalisador pode acelerar a velocidade na qual uma reação atinge o equilíbrio, mas não afeta o próprio estado de equilíbrio. Onde K w é chamado produto iônico da água. Medidas experimentais mostram que, a 25 C, K w vale aproximadamente

18 É importante notar que: Normalmente, a medida do ph pode ser feita com aparelhos eletrônicos ou com auxílio dos chamado indicadores ácido-base. Indicadores ácido-base são substâncias, geralmente ácidos ou bases fracas, que mudam de cor, dependendo do meio estar ácido ou básico. Esta mudança de cor é decorrência do deslocamento do equilíbrio químico. Tomemos, por exemplo, o indicador ácido-base genérico HI n : Os conceitos de ph e poh Para evitar o uso de expressões matemáticas com expoentes negativos, o químico Sörensen propôs as seguintes definições: ph potencial hidrogeniônico, expressa a acidez em termos da concentração [H + ] poh potencial hidroxiliônico, expressa a bacisidade em termos da concentração [OH - ] Podemos relacionar o ph e o poh: Se adicionarmos ao equilíbrio um ácido qualquer, haverá um aumento na concentração de íons H +, o que provoca um deslocamento para a esquerda, fazendo com que a solução se torne amarela. No entanto, se adicionarmos uma base, há uma diminuição dos íons H + (que são captados pelo OH da base formando água) e, portanto, o equilíbrio se desloca para a direita, tornando a solução vermelha. 6. Hidrólise de sais Chamamos hidrólise salina a reação entre um sal e a água produzindo o ácido e a base correspondentes. A hidrólise do sal é, portanto, a reação inversa da neutralização. Concluímos então, que em uma solução: Escala de ph: É importante saber que: - quem sofre hidrólise não é o sal todo, mas apenas o íon correspondente ao ácido ou à base fracos; - o íon que hidrolisa liberta da água o íon de carga elétrica de mesmo sinal (H + ou OH - ); - a liberação de H + ou OH - vai mudar o ph da solução. Resumindo: 5es_tamp%C3%A3o Indicadores e ph Exemplos: 80

19 7. Produto de solubilidade Em qualquer solução aquosa saturada de sal ou base pouco solúvel, o produto das concentrações dos íons cada um elevado a um expoente igual a seu coeficiente na equação devidamente balanceada é uma constante representada por K ps. Exemplo: Quanto menor o K ps menor a solubilidade da substância em questão e vice-versa. O valor de constante de equilíbrio (Kc) para essa reação, a 298K, é: a) 3 b) 6 c) 12 d) Os gases CO 2, H 2 reagem entre si formando CO e H 2 O segundo o equilíbrio: CO 2(g) + H 2(g) CO (g) + H 2 O (g) EXERCÍCIOS 1. Na tabela abaixo estão mostrados os dados referentes à reação química. Foram realizados dois experimentos envolvendo esses gases em um recipiente fechado e, depois de atingido o equilíbrio, determinou-se a concentração de cada gás. A tabela abaixo resume os dados experimentais. Os valores de X, Y e Z são, respectivamente: a) 0,40; 0,40 e 0,60 b) 0,80; 0,50 e 0,60 c) 0,80; 0,40 e 0,50 d) 0,40; 0,25 e 0,30 e) 0,60; 0,30 e 0,60 2. Observe o gráfico abaixo, relativo ao estabelecimento do equilíbrio de uma reação, a 298K, do tipo: A análise desses dados permite afirmar que a) a reação entre CO 2 e H 2 é um processo endotérmico. b) a reação entre CO 2 e H 2 apresenta Kc igual a 12,5 a 400 C. c) a reação entre CO 2 e H 2 apresenta Kc igual a 2,5 a 600 C. d) o Kc da reação entre CO 2 e H 2 independe da temperatura. e) o Kc da reação entre CO 2 e H 2 depende do catalisador utilizado no sistema. 4. Uma das etapas de fabricação do ácido sulfúrico e a conversão de SO 2 a SO 3, numa reação exotérmica, que ocorre segundo a equação abaixo: Em relação ao equilíbrio dessa reação, é CORRETO afirmar que: a) o aumento da temperatura favorece a formação de SO 2. 81

20 b) o aumento da pressão, mantida a temperatura constante, favorece a formação de SO 2. c) o aumento da velocidade de produção de SO 3 aumenta sua concentração no equilíbrio. d) o uso de um catalisador aumenta a concentração de SO 3 no equilíbrio. 5. No equilíbrio N 2 O 3(g) NO (g) + NO 2(g), ΔH = + 39,7 KJ indique o sentido do deslocamento quando ocorrer. I. Adição de N 2 O 3(g). II. Aumento da temperatura do sistema. III. Aumento da pressão no sistema. a) I direita, II esquerda, III esquerda. b) I esquerda, II direita, III esquerda. c) I esquerda, II direita, III esquerda. d) I direita, II direita, III esquerda. e) Em nenhum dos casos haverá deslocamento. 6. O gás incolor N 2 O 4, em presença de calor, decompõe-se em dióxido de nitrogênio gasoso que possui coloração castanha. Em uma experiência de laboratório, o gás N 2 O 4 foi colocado em um cilindro transparente fechado à temperatura ambiente, e esperou-se que o sistema atingisse o equilíbrio. Para que seja observado aumento da coloração castanha nesse sistema, é necessário: a) colocar o cilindro em um banho de gelo. b) adicionar um gás inerte no cilindro. c) adicionar um catalisador. d) diminuir o volume do cilindro. e) diminuir a pressão dentro do cilindro. e) O suco de laranja é mais ácido do que o refrigerante. 8. Sabe-se que o ph de uma solução de ácido clorídrico 0,1 mol/l é igual a 1,0. O que é possível dizer sobre o ph de uma solução de ácido acético, um ácido fraco, na mesma concentração? Considere volumes iguais das soluções. a) Os valores de ph são iguais. b) O ph da solução de ácido acético é maior do que o da solução de ácido clorídrico, porque libera uma concentração maior de íons H +. c) O ph da solução de ácido acético é menor do que o da solução de ácido clorídrico, porque libera uma concentração menor de íons H +. d) O ph da solução de ácido acético é maior do que o da solução de ácido clorídrico, porque libera uma concentração menor de íons H +. e) O ph da solução de ácido acético é menor do que o da solução de ácido clorídrico, porque libera uma concentração maior de íons H Alguns animais aquáticos apresentam limites de resistência em relação ao ph da água onde habitam. Por exemplo, a faixa de ph de sobrevivência de camarões é 5,5-5,8 e a dos caramujos é 7,0-7,5. Considere as concentrações de H+ nas soluções A, B e C apresentadas na tabela a seguir. 7. Sobre a sobrevivência desses animais nessas soluções, é CORRETO afirmar que: a) somente os camarões sobreviveriam na solução A. b) os camarões sobreviveriam na solução B. c) os caramujos sobreviveriam na solução C. d) somente os caramujos sobreviveriam na solução A. e) ambos os animais sobreviveriam em qualquer das três soluções A, B ou C. 10. Unifor-CE Considere a seguinte tabela: Com base nos dados da tabela, é correto afirmar: a) O refrigerante apresenta a menor concentração íons H +. b) O leite tipo C e a lágrima apresentam concentração de hidroxila igual a mol/l. c) A água de mar é mais ácida do que a água de torneira. d) O leite tipo C é o mais indicado para corrigir a acidez estomacal. Para saber o ph de uma solução adicionou-se a quatro tubos de ensaio contendo uma pequena quantidade da solução em cada um, algumas 82

21 gotas de indicadores, anotando a cor resultante na solução. Pode-se afirmar, em relação ao ph da referida solução, que a) é menor que 3,0 b) está entre 3,3 e 4,2 c) está entre 4,6 e 6,0 d) está entre 6,0 e 7,0 e) é igual a 7,0 11. O indicador azul de bromotimol fica amarelo em soluções aquosas de concentração hidrogeniônica maior do que 1, mol/l e em soluções de concentração hidrogeniônica menor do que 2, mol/l. Considere as três soluções seguintes, cujos valores do ph são dados entre parênteses: suco de tomate (4,8); água da chuva (5,6); água do mar (8,2). As cores apresentadas pelas soluções suco de tomate, água de chuva e água do mar são, respectivamente: Dado: se necessário use log 2,5 = 0,4 a) amarelo, amarelo, amarelo. b) amarelo, amarelo, azul. c) amarelo, azul, azul. d) azul, azul, amarelo. e) azul, azul, azul. 12. A solubilidade do cloreto de prata é muito pequena e pode ser representada por e) Durante a diluição deve ocorrer precipitação de cloreto de prata. 13. Se adicionarmos um pouco de cloreto de cálcio, CaCl 2, a uma solução saturada de hidróxido de cálcio, Ca(OH) 2, podemos afirmar que: 1. ocorrerá um aumento do ph dessa solução. 2. ocorrerá uma diminuição do ph dessa solução. 3. não ocorrerá alteração do ph. 4. ocorrerá precipitação de Ca(OH) 2. Está(ao) correta(s) apenas a(s) alternativa(s): a) 3 e 4 b) 1 c) 2 d) 3 e) 2 e A tabela mostra as concentrações, em mol/l, do sistema em equilíbrio representado pela equação PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl 2(g), que foram obtidas, experimentalmente, a 297k. Calcule o valor aproximado de Kp para essa reação. Expresse o resultado indicando 50% do valor de Kp. 15. O cloro é comumente utilizado como desinfetante nas estações de tratamento de água para torná-la apropriada para o consumo humano. A reação que ocorre entre o cloro e a água, na sua forma mais elementar é: Considere que 10 ml de solução de nitrato de prata, de concentração igual a 1,0 mol.l -1, são diluídos até o volume de 1,0 L, com água de torneira, a qual, devido aos processos de tratamento, contém íons cloreto (suponha a concentração destes íons igual a 3,55x10-4 g L -1 ). Dado: massa molar do cloro = 35,5 g Com relação ao texto anterior, é correto afirmar: a) A constante Kps do cloreto de prata é dada pela expressão [Ag+] + [Cl-] = 1,7 x mol L -1. b) Após a diluição da solução de nitrato de prata, a expressão [Ag+] = [Cl-] = 1,7 x 10-5 mol L -1 é verdadeira. c) A concentração dos íons cloreto na solução diluída é maior que 1,0x10-5 mol L -1. d) Após a diluição da solução de nitrato de prata, as concentrações dos íons prata e dos íons nitrato são iguais. Pergunta-se: a) Qual o número de oxidação do cloro no composto HClO? b) Em que sentido se deslocaria o equilíbrio da reação química que ocorre entre o Cl 2 e a H 2 O, se considerarmos as duas situações abaixo: 1º: o ácido hipocloroso é consumido na destruição de microorganismos; 2º: uma base é adicionada para controlar o ph da água. c) Sabendo-se que o ácido clorídrico é um ácido mais forte que o ácido hipocloroso, escreva a expressão da constante de ionização do ácido que apresenta maior Ka. 83

22 16. A produção de NO através da reação de N 2 e O 2 em motores automotivos é uma das principais fontes de poluição ambiental: frasco de 1,0 L, com 0,50 mol L -1 1,25 mol L -1 de isobutano. de butano e N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) Partindo de 112g de N 2 e 128g de O 2 contidos em frasco fechado de 2L, a uma temperatura T C: Dados: N = 14u; O = 16u a) Determine a constante de equilíbrio (K c ), à temperatura T, sabendo que a massa de NO no equilíbrio é de 120g. b) Considerando a formação de NO uma reação exotérmica, explique como irá variar a constante de equilíbrio ao aumentarmos a temperatura. 17. A aspirina e o ácido acético são ácidos monopróticos fracos, cujas constantes de dissociação são iguais a 3, e 1, , respectivamente. a) Considere soluções 0,1mol/L de cada um desses ácidos. Qual solução apresentará o menor ph? Justifique. b) Se os sais de sódio desses dois ácidos forem dissolvidos em água, formando duas soluções de concentração 0,1mol/L, qual dentre as soluções resultantes apresentará maior ph? Justifique. 18. As concentrações de [H+] e de [OH-] típicas de algumas soluções encontradas em sua casa são apresentadas na tabela a seguir. Utilizando esses dados, responda aos dois itens abaixo. b) Após a adição de mais 1,50 mol de butano ao frasco original, um novo equilíbrio é estabelecido e a concentração final de isobutano é de 2,32 mol L -1. Qual é a concentração do butano nesse novo equilíbrio? c) Equacione a reação balanceada de combustão completa do isobutano. Sabendo que o calor envolvido nessa reação é de 2868,72 kj mol -1, classifique-a como exotérmica ou endotérmica. 20. Substâncias ácidas e básicas estão presentes no nosso cotidiano e podem ser encontradas em diversos produtos naturais ou comerciais. Alguns exemplos são amoníaco (básico), limão (ácido) e vinagre (ácido). Sobre esses produtos, responda ao que se pede. a) O vinagre é uma solução aquosa de ácido acético em concentrações que podem variar de 4 a 6%. Em soluções aquosas, existe o seguinte equilíbrio químico: Qual substância você usaria (HCl ou NaOH) para aumentar a concentração de ácido acético nessa solução? Explique. b) Calcule o ph do vinagre, a 25ºC, sabendo-se que a concentração hidroxiliônica, [OH - ], nesse produto, é 1,0 x mol/l. c) O hidróxido de amônio é uma base solúvel e fraca, que só existe em solução aquosa quando se fazborbulhar amônia em água. a) Determine o ph da Coca-Cola. b) Deseja-se neutralizar 100 litros de água de rejeito da lavanderia, contida em um tanque, pela adição de uma solução de 0,5 mol/l de ácido sulfúrico. Determine a quantidade (em litros) de solução ácida a ser utilizada. 19. (PISM III) O butano é um gás usado, por exemplo, como combustível em isqueiros, onde, sob pressão, é armazenado como líquido. Na presença de catalisador, o equilíbrio é estabelecido entre os isômeros butano e isobutano. Sobre esse equilíbrio e as características desses compostos, responda às questões a seguir. a) Calcule a constante de equilíbrio, Kc, para a reação descrita abaixo, que se processa em um Escreva a expressão da constante de equilíbrio da reação de formação do hidróxido de amônio e calcule a massa do gás amônia necessária para produzir 2,06 g de hidróxido de amônio. 21. Fosfato de cálcio, Ca 3 (PO 4 ) 2,é um dos principais constituintes dos cálculos renais (pedra nos rins). Este composto precipita e se acumula nos rins. A concentração média de íons Ca +2 excretados na urina é igual a mol/l. Calcule a concentração de íons PO -3 4 que deve estar presente na urina acima da qual começa a precipitar fosfato de cálcio. Dados: produto de solubilidade de Ca 3 (PO 4 ) 2 = ; massas atômicas: Ca = 40, P = 31, O = (Fuvest) A isomerização catalítica de parafinas de cadeia não ramificada, produzindo 84

23 seus isômeros ramificados, é um processo importante na indústria petroquímica. A uma determinada temperatura e pressão, na presença de um catalisador, o equilíbrio é atingido após certo tempo, sendo a constante de equilíbrio igual a 2,5. Nesse processo, partindo exclusivamente de 70,0 g de n-butano, ao se atingir a situação de equilíbrio, x gramas de n- butano terão sido convertidos em isobutano. O valor de x é a) 10,0 b) 20,0 c) 25,0 d) 40,0 e) 50,0 23. (Fuvest) Considere 4 frascos, cada um contendo diferentes substâncias, a saber: Frasco 1: 100 ml de H 2 O(l) Frasco 2: 100 ml de solução aquosa de ácido acético de concentração 0,5 mol/l Frasco 3: 100 ml de solução aquosa de KOH de concentração 1,0 mol/l Frasco 4: 100 ml de solução aquosa de HNO 3 de concentração 1,2 mol/l A cada um desses frascos, adicionaram-se, em experimentos distintos, 100 ml de uma solução aquosa de HCl de concentração 1,0 moi/l. Medindo-se o ph do líquido contido em cada frasco, antes e depois da adição de HCl (aq), pôdese observar aumento do valor do ph somente a) nas soluções dos frascos 1, 2 e 4. b) nas soluções dos frascos 1 e 3. c) nas soluções dos frascos 2 e 4. d) na solução do frasco 3. e) na solução do frasco (Fuvest) A magnitude de um terremoto na escala Richter é proporcional ao logaritmo, na base 10, da energia liberada pelo abalo sísmico. Analogamente, o ph de uma solução aquosa é dado pelo logaritmo, na base 10, do inverso da concentração de íons H +. Considere as seguintes afirmações: I. O uso do logaritmo nas escalas mencionadas justifica-se pelas variações exponenciais das grandezas envolvidas. II. A concentração de íons H+ de uma solução ácida com ph 4 é 10 mil vezes maior que a de uma solução alcalina com ph 8. III. Um abalo sísmico de magnitude 6 na escala Richter libera duas vezes mais energia que outro, de magnitude 3. Está correto o que se afirma somente em: a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) I e III. 25. (Fuvest) As figuras a seguir representam, de maneira simplificada, as soluções aquosas de três ácidos, HA, HB e HC, de mesmas concentrações. As moléculas de água não estão representadas. Considerando essas representações, foram feitas as seguintes afirmações sobre os ácidos: I. HB é um ácido mais forte do que HA e HC. II. Uma solução aquosa de HA deve apresentar maior condutibilidade elétrica do que uma solução aquosa de mesma concentração de HC. III. Uma solução aquosa de HC deve apresentar ph maior do que uma solução aquosa de mesma concentração de HB. Está correto o que se afirma em a) I, apenas. b) I e II, apenas. c) II e III, apenas. d) I e III, apenas. e) I, II e III. 26. (Fuvest) Um botânico observou que uma mesma espécie de planta podia gerar flores azuis ou rosadas. Decidiu então estudar se a natureza do solo poderia influenciar a cor das flores. Para isso, fez alguns experimentos e anotou as seguintes observações: I. Transplantada para um solo cujo ph era 5,6, uma planta com flores rosadas passou a gerar flores azuis. II. Ao adicionar um pouco de nitrato de sódio ao solo, em que estava a planta com flores azuis, a cor das flores permaneceu a mesma. III. Ao adicionar calcário moído (CaCO3) ao solo, em que estava a planta com flores azuis, ela passou a gerar flores rosadas. Considerando essas observações, o botânico pode concluir que a) em um solo mais ácido do que aquele de ph 5,6, as flores da planta seriam azuis. b) a adição de solução diluída de NaCl ao solo, de ph 5,6, faria a planta gerar flores rosadas. c) a adição de solução diluída de NaHCO 3 ao solo, em que está a planta com flores rosadas, faria com que ela gerasse flores azuis. 85

24 d) em um solo de ph 5,0, a planta com flores azuis geraria flores rosadas. e) a adição de solução diluída de A_(NO3)3 ao solo, em que está uma planta com flores azuis, faria com que ela gerasse flores rosadas. 27. (Fatec) Considere as seguintes misturas: I. leite de magnésia (suspensão aquosa de hidróxido de magnésio); II. limonada ( suco de limão, água e açúcar); III. salmoura ( cloreto de sódio dissolvido em água). Assinale a alternativa que classifica, corretamente, essas três misturas. 28. (FGV) Uma das etapas da decomposição térmica do bicarbonato de sódio ocorre de acordo com a equação: 2 NaHCO 3(s) Na 2 CO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (g) Considerando que a reação está ocorrendo em um recipiente fechado, um procedimento adequado para aumentar a quantidade de produtos formados seria: (A) adicionar vapor d água. (B) adicionar carbonato de sódio. (C) aumentar a pressão no recipiente. (D) adicionar gás carbônico. (E) abrir o recipiente. 29. (FGV) O gráfico mostra a variação de energia com o desenvolvimento da reação apresentada pela equação: (C) a adição de catalisador diminui a constante de equilíbrio da reação. (D) a adição de reagentes diminui a constante de equilíbrio da reação. (E) no equilíbrio, as concentrações de A, B e C são necessariamente iguais. 30. (FGV) Alterações de ph do solo podem ser danosas à agricultura, prejudicando o crescimento de alguns vegetais, como a soja. O solo pode tornar-se mais ácido devido à alteração nas composições de alguns minerais e ao uso de fertilizantes, ou mais alcalino pela ausência das chuvas. Os óxidos que, ao serem adicionados ao solo e entrarem em contato com a água, podem resolver os problemas de acidez e alcalinidade são, respectivamente, (A) CO e SO 2. (B) Na 2 O e SO 2. (C) Na 2 O e CO. (D) CaO e Na 2 O. (E) SO 2 e CaO. 31. (FGV) A constante de ionização do ácido ascórbico, também conhecido como vitamina C, é igual a 8,0 x A dissolução de um comprimido de ácido ascórbico em um copo de água resulta em uma solução contendo 0,0125 mol L 1 desse ácido. O ph dessa solução será igual a (A) 2. (B) 3. (C) 4. (D) 5. (E) (IFSP) Certa água mineral do município de Paço do Lumiar, MA, apresenta ph = 4 a 25 C. Outra água mineral, de Igarapé, MG, também a 25 C, apresenta ph = 6. Sendo assim, pode-se afirmar que I. a concentração de íons H+ (aq) varia de aproximadamente 100 vezes de uma água para outra; II. a água mineral do município maranhense é mais ácida do que a do município mineiro; III. as duas águas minerais são misturas de substâncias. É correto o que se afirma em (A) I, apenas. (B) II, apenas. (C) III, apenas. (D) I e II, apenas. (E) I, II e III. Em relação a essa reação, é correto afirmar: (A) o aumento de temperatura afeta o equilíbrio do sistema. (B) a adição de catalisador aumenta a constante de equilíbrio da reação. 33. (Mackenzie) O gráfico mostra a variação da concentração molar, em função do tempo e a uma dada temperatura, para um determinado processo reversível representado pela equação genérica 86

25 Gabarito Dessa forma, segundo o gráfico, é INCORRETO afirmar que a) o sistema entrou em equilíbrio entre 30 e 45 minutos. b) a curva I representa a variação da concentração molar da substância A 2(g). c) esse processo tem valor de KC = 0,064. d) até atingir o equilíbrio, a velocidade média de consumo do reagente é de 0,04 mol L 1 min 1. e) até atingir o equilíbrio, a velocidade média de formação do produto é de 0,08 mol L 1 min (PUC-Minas) A amônia é uma substância importante, que possui várias aplicações na área da refrigeração, da limpeza ou dos fertilizantes. O equilíbrio representativo da formação da amônia é: 1. b 8. d 2. c 9. d 3. a 10. c 4. a 11. b 5. d 12. e 6. e 13. e 7. b a) +1 b)1 situação: direita 2 situação: direita c) K a = [H + ].[Cl - ] / [HCl] 16. a) 4 b) Ao aumentarmos a temperatura o valor de K c diminuirá. 17. a) Solução de aspirina. b) Acetato de sódio. 18. a) 3 b)1l 19. a) 2,5 b) 0,93mol/L c) C 4 H /2 O 2 4CO 2 + 5H 2 O Reação endotérmica 20. a) HCl b) 3 c) K = [NH 4 OH] / [NH 3 ] ; m = 1,0g 21. 3, mol/l 22. e 29. a 23. e 30. b 24. d 31. b 25. e 32. e 26. a 33. e 27. b 34. d 28. e 35. b BIBLIOGRAFIA USBERCO, J.; SALVADOR, E.: Química. 5 edição. São Paulo: Saraiva, Volume único. É CORRETO afirmar que esse equilíbrio será deslocado no sentido da formação da amônia se: a) a temperatura for aumentada. b) a pressão for diminuída. c) um catalisador for adicionado. d) a concentração de hidrogênio for aumentada. 35. (PUC-Minas) Na tabela abaixo, assinale a reação que favorece mais o produto. FELTRE, R.: Fundamentos da Química. 2 edição. São Paulo: Moderna, Volume único. ATKINS, P.; JONES, L.: Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 2 edição. Porto Alegre: Bookman, NÓBREGA, O.S.; SILVA, E.R.; SILVA, R.H.: Química. 1 edição. São Paulo: Editora Ática, Volume único. - PERUZZO, F.M.; CANTO, F.M.: Química: na abordagem do cotidiano. 4 edição. São Paulo: Moderna, Volume 2. - LISBOA, J.C.F.: Química. 1 edição. São Paulo: Edições SM, Volume 2. 87

26 quilibrio-quimico-entenda-como.html C3%ADmico.htm ao=quimica/ms2&i=22&id=519 As pilhas, conhecidas também por células galvânicas, são dispositivos nos quais uma reação química espontânea é usada para gerar uma corrente elétrica. Uma pilha consiste de dois eletrodos, ou condutores metálicos, e um ou dois eletrólitos, um meio condutor iônico. Uma das células galvânicas cujo funcionamento é mais simples de entender é a pilha de Daniell baseada na reação; Zn (s) + CuSO 4(aq) ZnSO 4(aq) + Cu (s) 4. ELETROQUÍMICA A eletroquímica é o ramo da química que trabalha com o uso de reações químicas espontâneas para produzir eletricidade, e com o uso da eletricidade para forçar as reações químicas não-espontâneas acontecerem. 1. Equações de oxi-redução As reações estudadas nesse capítulo são particularmente reações de oxi-redução. A chave para escrever e balancear equações de reações redox é considerar os processos de redução e oxidação separadamente. Demonstramos então as semireações de ambos os processos. Exemplos: Mg (s) Mg 2+ (s) + 2e - Fe 3+ (aq) + e - Fe 2+ (aq) 2. Pilhas Os átomos de Zn são convertidos em Zn 2+ em um dos compartimentos, liberando elétrons para o circuito externo, como mostra a semirreação de oxidação: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e - Dizemos então, que o eletrodo de zinco é o pólo negativo ou ânodo. Os elétrons transferidos do Zn passam através do circuito externo até o outro compartimento, onde os íons Cu 2+ são convertidos em Cu como mostra a semirreação de redução: Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) Dizemos então que o eletrodo de cobre é o pólo positivo ou cátodo. A soma das duas semirreações de oxidação e de redução nos fornece a equação geral da pilha: 88

27 As duas soluções eletrolíticas são ligadas através de uma ponte salina fechando o circuito interno. Essa ponte nada mais é que um tudo contendo uma solução de um sal que não interfere no processo, KCl por exemplo. Ela impede o acúmulo de cargas elétricas nas soluções eletrolíticas permitindo a migração dos íons de uma semicélula à outra. Após um tempo de funcionamento da pilha notamos no ânodo a corrosão da chapa de zinco e o aumento da concentração de íons Zn 2+ na solução. No cátodo observa-se deposição de cobre metálico e uma diminuição da concentração de íons Cu 2+ na solução. A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) propôs uma maneira esquemática para representar uma cela galvânica que permite descrever de modo rápido e simples esse tipo de dispositivo. Para a pilha de Daniell: Zn (s) /Zn 2+ (aq)//cu 2+ (aq)/cu (s) 2.1. Potencial de eletrodo O potencial de oxidação (E oxi ) de um eletrodo indica sua tendência a sofrer oxidação, ou seja, a liberar elétrons. Já o potencial de redução (E red ), indica a tendência do eletrodo a ganhar elétrons sofrendo redução. Devido a influencia da temperatura e da concentração no potencial de eletrodo, convencionou-se que sua medida fosse realizada a 25 C, em solução 1mol/L e à pressão de 1atm. Desse modo, tem-se o potencial padrão do eletrodo (E ). Um voltímetro é um aparelho que fornece as diferenças de potencial elétrico entre os pólos de uma pilha ( E). Para determinar os E oxi e E red das diversas espécies, foi escolhido como padrão o eletrodo de hidrogênio, ao qual foi atribuído o potencial de 0 volt. Confrontando todos os metais com o eletrodo padrão de hidrogênio, obtiveramse seus E organizando-os numa tabela Diferença de potencial da pilha e sua espontaneidade A diferença de potencial padrão de uma pilha corresponde à diferença entre os potenciais de redução ou de oxidação das espécies envolvidas: E = E catodo E anodo Para a pilha de Daniell: Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) E = -0,76V E = +0,34V E = 0,34V (-0,76V) = +1,10V O valor positivo de E indica que a reação ocorre espontaneamente no sentido indicado pela equação. Valores negativos de E indicam que a reação não é espontânea no sentido indicado pela equação, ocorrendo espontaneamente a reação inversa. 89

28 Como as reações que ocorrem em uma pilha são espontâneas, o valor de E sempre será positivo Corrosão e proteção de uma superfície metálica A corrosão é a oxidação não desejada de um metal. Por ser um processo eletroquímico a série eletroquímica nos indica por que ocorre e como pode ser prevenida. O principal responsável pela corrosão é a água com oxigênio dissolvido ou o ar úmido. Na figura abaixo está representado o mecanismo de corrosão do ferro Pilhas e baterias comerciais Na prática, as pilhas mais comuns são: Pilhas secas São as pilhas utilizadas em rádios, lanternas, brinquedos etc. Constituídas por um invólucro de zinco (ânodo); um bastão de grafite revestido de uma mistura de carvão em pó e dióxido de manganês (cátodo) e uma pasta úmida de cloreto de amônio, cloreto de zinco e água (eletrólito). Uma gota de água na superfície do ferro pode originar o meio aquoso eletrolítico. A superfície do metal age como um ânodo de uma pilha minúscula. Oxidação do ferro: Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2e - Redução de O 2 : ½ O 2(g) + H 2 O (l) + 2e - 2OH - (aq) Eq. global: Fe (s) + ½ O 2(g) + H 2 O (l) Fe(OH) 2(s) Normalmente, o Fe(OH) 2 (hidróxido de ferro II) oxida-se e forma Fe(OH) 3 (hidróxido de ferro III). Como esse processo ocorre em meio úmido, a ferrugem é mais bem representada pela fórmula Fe 2 O 3.3H 2 O. Um procedimento possível para proteger o ferro da corrosão é a galvanização. O processo de galvanização consiste em revestir o ferro ou o aço com zinco metálico. O zinco, que reveste a superfície do ferro, impede seu contato com o ar úmido ou com a água que contém oxigênio. Esse zinco também atua como ânodo de uma pilha. Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) Fe 2+ (aq) + 2e - Fe (s) E = -0,76V E = -0,44V Se o ferro galvanizado fosse exposto ao ar e à umidade, ele estaria sujeito a ser oxidado a Fe 2+. Este seria imediatamente reduzido a Fe pelo zinco, impedindo a formação de ferrugem. Zn (s) + Fe 2+ (aq) Fe (s) + Zn 2+ (aq) Quando está funcionando, a semirreação do ânodo é: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e - A semirreação catódica é: 2MnO 2(s) + H 2 O (l) + 2e - Mn 2 O 3(s) + 2OH - (aq) imediatamente seguida por: NH 4 +(aq) + OH - (aq) MH 3(g) + H 2 O (l) A amônia gasosa formada ao redor do bastão de grafite age como uma camada isolante, o que acarreta uma redução drástica de voltagem. A pilha cessa seu funcionamento quando o MnO 2 for totalmente consumido Pilhas alcalinas São semelhantes às pilhas secas. A diferença é que a mistura eletrolítica contem um eletrólito alcalino, geralmente hidróxido de potássio, no lugar do cloreto de amônio. Uma das vantagens dessa pilha sobre as pilhas secas comuns é que não se forma a camada de amônia ao redor do cátodo de grafite, evitando a redução drástica de voltagem. 90

29 Outra vantagem é sua vida média, de cinco a oito vezes maior Bateria de automóvel É uma associação de pilhas ligadas em série. A bateria de 12 V consiste na associação de seis pilhas cada uma fornecendo 2 V. célula eletrolítica um potencial de corrente elétrica com valor igual à E. No exemplo acima o MgCl 2 está fundido,ou seja, no estado líquido, fazendo os íons Mg 2+ e Cl - terem mais liberdade de movimento. O processo eletrolítico descrito é denominado eletrólise ígnea por não existir água no sistema Eletrólise em solução aquosa Cada pilha é formada por placas de chumbo (ânodo) e placas de óxido de chumbo IV (cátodo), mergulhadas em solução de ácido sulfúrico. É uma reação química provocada pela passagem de corrente elétrica através de uma solução aquosa de um eletrólito. Nesse tipo de eletrólise devemos considerar não só os íons provenientes da dissociação do sal, mas também os da ionização da água. Na eletrólise aquosa do cloreto de sódio: 3. Eletrólise A eletrólise é um processo de forçar uma reação a ocorrer na direção não-espontânea pelo uso da corrente elétrica. Íons presentes na dissociação do sal: NaCl (aq) Na + (aq) +Cl - (aq) Ionização da água: H 2 O H + (aq) + OH - (aq) Somente um dos cátions e um dos ânions sofre descarga nos eletrodos. O pólo negativo descarrega, em primeiro lugar, o cátion com maior potencial de redução. O pólo positivo descarrega, também em primeiro lugar, o ânion com maior potencial de oxidação. Simplificadamente: Os elétrons emergem da fonte e entram na célula eletrolítica pelo cátodo, agora pólo negativo, onde ocorre a redução. Os elétrons saem da célula eletrolítica pelo ânodo, pólo positivo, e entram novamente na fonte. Cátodo: 2Cl - (fundido) Cl 2(g) + 2e - E red = +1,36 Ânodo: Mg 2+ (fundido) + 2e - Mg (l) E red = - 2,36 Equação da reação global: 2Cl - (fundido) + Mg 2+ (fundido) Cl 2(g) + Mg (l) No caso da eletrólise em meio aquoso do NaCl, o íon H + será reduzido e o íon Cl - será oxidado. Os íons Na + e OH - continuam presentes na solução. A equação global do processo será: E = E catodo E anodo E = -2,36V (1,36V) = -3,72V O fato de essa diferença de potencial ser negativa indica que a reação não é espontânea. Para que a reação ocorra deverá ser fornecido à 91

30 3.2. Aspectos quantitativos Faraday descobriu que íons de um metal são depositados no estado sólido quando uma corrente elétrica circula através de uma solução iônica de um sal do metal. A massa, em gramas, do metal eletrolisado é diretamente proporcional à carga Q que o atravessa (m ~ Q, consequentemente m ~ i. t). Millikan determinou que a carga elétrica de um elétron é igual a 1, C e, como sabemos 1 mol de elétrons corresponde a 6, e - (Constante de Avagadro), a quantidade de carga transportada pela passagem de 1mol de elétrons é dada pelo produto entre esses dois valores: produzem água, utilizada pelos tripulantes. Essas pilhas usam, como eletrólito, o KOH (aq), de modo que todas as reações ocorrem em meio alcalino. A troca de elétrons se dá na superfície de um material poroso. Um esquema dessas pilhas, com o material poroso representado na cor cinza, é apresentado a seguir. 1, C. 6, = 9, C Assim 9, C ou 96500C á a quantidade de carga transportada por 1 mol de elétrons e essa quantidade é denominada constante de Faraday (F). Exemplo: Na eletrólise de uma solução de AgNO 3, foi utilizada uma corrente de 20 A durante 9650 s. Calcule o número de mols de prata depositados no cátodo. Solução: Q = i. t Q = Q = C Reação que ocorre no cátodo: Ag + (aq) + 1 e - Ag (s) Escrevendo as equações das semirreações que ocorrem nessas pilhas de combustível, verifica-se que, nesse esquema, as setas com as letras a e b indicam, respectivamente, o sentido de movimento dos: a) íons OH - e dos elétrons. b) elétrons e dos íons OH -. c) íons K + e dos elétrons. d) elétrons e dos íons K As pilhas fazem parte do nosso dia a dia e são fontes portáteis de energia, resultantes de reações químicas que ocorrem no seu interior. Para a montagem de uma pilha eletroquímica, é necessário que dois eletrodos metálicos sejam mergulhados nas soluções de seus respectivos íons, conforme figura abaixo: A seguir, estão representadas algumas semirreações eletrolíticas e seus respectivos potenciais de redução. EXERCÍCIOS 1. As naves espaciais utilizam pilhas de combustível, alimentadas por oxigênio e hidrogênio, as quais, além de fornecerem a energia necessária para a operação das naves, Considerando os dados fornecidos, assinale a alternativa INCORRETA. a) A força eletromotriz da pilha Ag/Ag + // Cu 2+ /Cu é + 1,14 V. 92

31 b) O fluxo de elétrons ocorre do polo negativo para o polo positivo. c) Apenas 2 pilhas podem ser montadas a partir desses metais. d) Para funcionar um relógio de 1,2 V, pode-se usar uma pilha com eletrodos de Fe e Ag. e) A ponte salina permite o fluxo de íons e completa o circuito elétrico. 3. Uma célula combustível é uma bateria que consome combustível e libera energia. Essas células são muito eficientes e pouco poluentes, entretanto, a produção desse tipo de célula ainda é muito cara. Considerando uma célula descrita pelas semirreações a seguir, assinale a alternativa CORRETA. a) O produto formado pela reação eletroquímica entre o H 2 e o O 2 é a água oxigenada. b) A diferença de potencial padrão (ΔE ) da célula combustível é de -1,23V. c) A reação global da célula combustível é 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l). d) O gás hidrogênio é o agente oxidante da reação. e) O processo envolve a transferência de 2 mols de elétrons entre redutor e oxidante. 4. Existem pilhas, constituídas de um eletrodo de lítio e outro de iodo, que são utilizadas em marcapassos cardíacos. Seu funcionamento baseia-se nas seguintes semi-reações: Li Li + (aq) + 1e E = + 3,04V 2I (aq) I 2(s) + 2e E = 0,54V Considerando esse tipo de pilha, assinale, no quadro a seguir, a alternativa correta. No decorrer do funcionamento da célula, é CORRETO afirmar que: a) a acidez aumenta na semicela (b). b) os elétrons fluem da semicela (a) para a semicela (b). c) ocorre a redução do Fe 3+ na semicela (a). d) o íon MnO 4 - passa para a semicela (a) através da ponte. 6. A equação abaixo representa a reação química que ocorre em pilhas alcalinas que não são recarregáveis. Considere as afirmativas: I - O Zn é o agente redutor e, portanto, é oxidado no processo. II - O MnO 2 sofre redução para formar Mn 2 O 3. III - O KOH é o agente oxidante e a água é oxidada, originando íons OH -. IV - Essa pilha é chamada de alcalina, pois a reação ocorre em meio básico. V - A pilha alcalina é um dispositivo que produz corrente elétrica. Pode-se afirmar que: a) I, III, IV e V estão corretas. b) apenas a IV está correta. c) I, II, IV e V estão corretas. d) apenas a III está correta. e) todas estão corretas. 5. Considere a célula eletroquímica abaixo. Os eletrodos imersos nas soluções são de platina, portanto são inertes e não participam da reação da célula, apenas transportam elétrons. 7. O propano e o oxigênio podem ser utilizados na obtenção de energia, sem que necessariamente tenham que se combinar em uma reação de combustão convencional. Esses gases podem ser tratados eletroquimicamente para produzir energia de forma limpa, barata e eficiente. Um dos dispositivos onde esse tratamento ocorre é conhecido como célula de combustível ou pilha de combustível e funciona como uma pilha convencional. A reação global de uma pilha de propano é: 93

32 C 3 H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2(g) + 4H 2 O (l) Dadas as semirreações de redução e os seus potenciais: 3CO 2(g) + 2OH + (aq) + 2Oe - C 3 H 8(g) + 6H 2 O (l) E = 0,14V O 2(g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O (l) E = 1,23V Pode-se afirmar que a voltagem, nas condições padrão, de uma pilha de propano é: a) -1,37V b) -1,09V c) 1,09V d) 1,37V e) 6,15V 8. A corrosão eletroquímica opera como uma pilha. Ocorre uma transferência de elétrons quando dois metais de diferentes potenciais são colocados em contato. O zinco ligado à tubulação de ferro, estando a tubulação enterrada por exemplo. Pode-se, de acordo com os potenciais de eletrodo, verificar que o anodo é o zinco, que logo sofre corrosão, enquanto o ferro, que funciona como cátodo, fica protegido. Dados: potenciais-padrão de redução em solução aquosa: Temperatura = 25ºC; pressão = 1 atm; concentração da solução no eletrodo = 1,0 M Assinale a equação global da pilha com a respectiva ddp da mesma: a) Fe e - Zn e - ΔE = + 0,232V b) Zn + Fe 2+ Zn 2+ + Fe ΔE = + 0,323V c) Fe 2+ + Zn Zn + Fe 2+ ΔE = 0,323V d) Fe + Zn Zn 2+ + Fe 2+ ΔE = + 0,323V 9. A corrosão eletroquímica opera como uma pilha. Ocorre uma transferência de elétrons, quando dois metais de diferentes potenciais são colocados em contato. Considere uma lata de aço revestida com estanho: se a camada de estanho for riscada ou perfurada, o ferro funciona como anodo, e o estanho, como catodo, o que acelera a corrosão. Isso acontece porque: a) o Fe tem maior capacidade de ganhar elétrons. b) o Fe tem menor potencial de redução que o Sn. c) o Sn é um agente redutor. d) o Fe tem maior potencial de redução que o Sn. e) o Sn tem maior capacidade de doar elétrons. 10. Um método industrial utilizado para preparar sódio metálico é a eletrólise do cloreto de sódio puro fundido. Com relação à preparação do sódio metálico, é incorreto afirmar que: a) a formação de sódio metálico ocorre no eletrodo negativo. b) a eletrólise é uma reação espontânea. c) a quantidade em mol de cloro (Cl 2 ) formada é menor que a de sódio metálico. d) a quantidade de sódio metálico obtido é proporcional à carga elétrica utilizada. 11. Um estudante apresentou um experimento sobre eletrólise na feira de ciências de sua escola. O esquema do experimento foi representado pelo estudante em um cartaz como o reproduzido abaixo: Em outro cartaz, o aluno listou três observações que realizou e que estão transcritas abaixo: I. Houve liberação de gás cloro no eletrodo 1. II. Formou-se uma coloração rosada na solução próxima ao eletrodo 2, quando se adicionaram gotas de solução de fenolftaleína. III. Ocorreu uma reação de redução do cloro no eletrodo 1. Quais observações são corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas III. d) Apenas I e II. e) I, II e III. 12. A prateação pelo processo galvânico é de grande utilidade, tendo em vista que com um gasto relativamente pequeno consegue-se dar uma perfeita aparência de prata aos objetos tratados. A massa de prata (em gramas), depositada durante a prateação de uma pulseira de bijuteria, na qual foi envolvida uma carga equivalente a 4.825C, corresponde aproximadamente a: a) 54 g b) 27 g c) 10,8 g d) 5,4 g e) 1,08 g 13. O alumínio é obtido pela eletrólise da bauxita. Nessa eletrólise, ocorre a formação de oxigênio 94

33 que reage com um dos eletrodos de carbono utilizados no processo. A equação não balanceada que representa o processo global é Al 2 O 3 + C CO 2 + Al Para 2 mols de Al 2 O 3, quantos mols de CO 2 e Al, respectivamente, são produzidos nesse processo? a) 3 e 2 b) 1 e 4 c) 2 e 3 d) 2 e 1 e) 3 e A produção industrial de alumínio pela eletrólise da bauxita fundida é um processo industrial que consome grande quantidade de energia elétrica. A semi-reação de redução do alumínio é dada por: Al e - Al Para se produzirem 2,7 g de alumínio metálico, a carga elétrica necessária, em coulombs, é: a) 9650 b) e) c) d) O contato com certos metais (como o cobre e o estanho) pode acelerar a corrosão do ferro e torná-la mais intensa, enquanto o contato com metais (como zinco e o magnésio) pode impedir ou retardar a formação de ferrugem. Levando-se em conta os valores dos potenciais (E ) das semi-reações abaixo, Mg ++ (aq) + 2e Mg (s) 2,37 V Zn ++ (aq) + 2e Zn (s) 0,76 V Fe ++ (aq) + 2e Fe (s) 0,44 V Sn ++ (aq) + 2e Sn (s) 0,14 V Cu ++ (aq) + 2e Cu (s) + 0,36 V 1/2 O 2(g) + 2e + H 2 O (l) 2OH (aq) + 0,41 V Calcule o ΔE da pilha formada por ferro e oxigênio em meio aquoso e ΔE da pilha formada por ferro e zinco em meio aquoso; 16. Observe o esquema abaixo representado e responda: a) Sabendo-se que o béquer da esquerda contém solução de ZnSO 4 1 mol/l (solução incolor) e o béquer da direita contém solução de CuSO 4 1 mol/l (solução azul), o que se observa quando os dois eletrodos entram em contato com as soluções, após certo tempo de funcionamento da pilha galvânica? b) Qual a função da ponte salina neste processo químico? c) Identifique a espécie redutora e a oxidante. 17. (UFJF) Tanques reservatórios para combustíveis em postos de abastecimento e tubulações para oleodutos são fabricados a partir de aço. O aço comum é basicamente constituído por ferro. Para proteção desses tanques e tubulações subterrâneas contra corrosões, eles são revestidos por uma camada de magnésio que, periodicamente, deve ser substituída. a) Com base nos potenciais de redução da tabela acima, explique qual é o processo que ocorre para a proteção dos tanques e tubulações confeccionados com aço comum. b) O aço inoxidável é mais resistente a corrosões do que o aço comum. Ele possui em sua composição cerca de 20% de crômio. Como a presença desse metal atribui ao aço inoxidável essa propriedade? c) Escreva a reação global balanceada da pilha galvânica formada por ferro e crômio, indicando os agentes, oxidante e redutor 18. O alumínio é o metal com maior índice de reciclagem no lixo urbano, e o Brasil é o campeão mundial de reciclagem de alumínio, recuperando mais de 96% das latas descartadas. Uma das aplicações mais interessantes para o alumínio é sua utilização em pilhas alumínio-oxigênio. Essas pilhas são muito compactas e têm grande capacidade de gerar energia, embora apresentem baixa eficiência de recarga. Uma pilha alumínio-oxigênio é representada a seguir. Dados: * Zn e Zn Eº = 0,76 V * Cu e Cu Eº = 0,34 V 95

34 b) Determine o tempo necessário para a deposição de todo o cobre existente na solução, considerando 1F = 96500C. Considere as semi-reações de redução dadas a seguir: a) Escreva a equação e calcule a força eletromotriz da pilha alumínio-oxigênio. b) Indique o sentido do fluxo de elétrons durante a recarga da pilha. Justifique sua resposta 21. (Fuvest) Para investigar o fenômeno de oxidação do ferro, fez-se o seguinte experimento: No fundo de cada um de dois tubos de ensaio, foi colocada uma amostra de fios de ferro, formando uma espécie de novelo. As duas amostras de ferro tinham a mesma massa. O primeiro tubo foi invertido e mergulhado, até certa altura, em um recipiente contendo água. Com o passar do tempo, observou-se que a água subiu dentro do tubo, atingindo seu nível máximo após vários dias. Nessa situação, mediu-se a diferença (x) entre os níveis da água no tubo e no recipiente. Além disso, observou-se corrosão parcial dos fios de ferro. O segundo tubo foi mergulhado em um recipiente contendo óleo em lugar de água. Nesse caso, observou-se que não houve corrosão visível do ferro e o nível do óleo, dentro e fora do tubo, permaneceu o mesmo. 19. (PISM III) A prateação consiste na eletrólise de uma solução de um sal de prata. O anel a ser prateado é preso ao polo negativo do gerador, como mostra a figura a seguir. Sobre a prateação, pergunta-se: a) O que ocorre no ânodo? b) Qual o sentido do fluxo de elétrons? c) Qual a semirreação que descreve essa eletrólise? d) Qual a diferença entre pilha e eletrólise? 20. Algumas moedas apresentam uma tonalidade avermelhada obtido por eletroposição de cobre a partir de uma solução de sulfato de cobre II. Para recobrir um certo número de moedas foi efetuada eletrólise, com uma corrente elétrica de 5 ampères, em 1L de solução 0,10mol/L em CuSO 4, totalmente dissociado. a) Escreva a equação química que representa a dissociação do sulfato de cobre II e calcule a concentração dos íons sulfato, em mol/l, na solução inicial. Sobre tal experimento, considere as seguintes afirmações: I. Com base na variação (x) de altura da coluna de água dentro do primeiro tubo de ensaio, é possível estimar a porcentagem de oxigênio no ar. II. Se o experimento for repetido com massa maior de fios de ferro, a diferença entre o nível da água no primeiro tubo e no recipiente será maior que x. III. O segundo tubo foi mergulhado no recipiente com óleo a fim de avaliar a influência da água no processo de corrosão. Está correto o que se afirma em a) I e II, apenas. b) I e III, apenas. c) II, apenas. d) III, apenas. e) I, II e III. 96

35 22. (Fuvest) Na década de 1780, o médico italiano Luigi Galvani realizou algumas observações, utilizando rãs recentemente dissecadas. Em um dos experimentos, Galvani tocou dois pontos da musculatura de uma rã com dois arcos de metais diferentes, que estavam em contato entre si, observando uma contração dos músculos, conforme mostra a figura: e) I e III. 24. (FGV) Para que uma lata de ferro não sofra corrosão, esta pode ser recoberta por uma camada de um metal, que forma uma cobertura protetora, evitando a formação de ferrugem. Considerando somente os valores dos potenciaispadrão de redução dos metais Ag + + e Ag E = + 0,80 V Cu e Cu E = + 0,34 V Zn e Zn E = 0,76 V Mg e Mg E = 2,37 V e do ferro, Fe e Fe E = 0,44 V, Interpretando essa observação com os conhecimentos atuais, pode-se dizer que as pernas da rã continham soluções diluídas de sais. Pode-se, também, fazer uma analogia entre o fenômeno observado e o funcionamento de uma pilha. Considerando essas informações, foram feitas as seguintes afirmações: I. Devido à diferença de potencial entre os dois metais, que estão em contato entre si e em contato com a solução salina da perna da rã, surge uma corrente elétrica. II. Nos metais, a corrente elétrica consiste em um fluxo de elétrons. III. Nos músculos da rã, há um fluxo de íons associado ao movimento de contração. Está correto o que se afirma em a) I, apenas. b) III, apenas. c) I e II, apenas. d) II e III, apenas. e) I, II e III. quais desses poderiam ser utilizados para prevenir a corrosão do ferro? (A) Ag e Cu, apenas. (B) Ag e Zn, apenas. (C) Cu e Zn, apenas. (D) Cu e Mg, apenas. (E) Zn e Mg, apenas. 25. (PUC-Campinas) Considerando uma corrente elétrica de 1,0 ma, o tempo gasto, em segundos, para formar 1,0 g de H 2, considerando somente esta reação no cátodo, é, aproximadamente, (A) 9x10 7 (B) 1x10 6 (C) 9x10 5 (D) 1x10 5 (E) 1x10 3 Dados: Semi-reação no cátodo: 2H (aq) + 2e H 2(g) Constante de Faraday: 9,65x10 4 C mol 1 Massa molar (g mol 1): H 2 = 2,0 26. (PUC-Campinas) A palha de aço é uma liga metálica que possui 99% de ferro, em massa. 23. (Fuvest) Na produção de combustível nuclear, o trióxido de urânio é transformado no hexafluoreto de urânio, como representado pelas equações químicas: Sobre tais transformações, pode-se afirmar, corretamente, que ocorre oxirredução apenas em a) I. b) II. c) III. d) I e II. Para oxidar esse metal, basta colocar a palha de aço em contato com uma solução aquosa 1 mol L 1, a 25 C, de: (A) ZnI 2 (B) AlI 3 (C) NaCl (D) CrCl 3 97

36 (E) CuCl (PUC-Minas) Dados os seguintes potenciais padrão de redução: É CORRETO afirmar que acontecerá uma reação eletroquímica se um eletrodo de: a) cobre for mergulhado numa solução de sulfato de ferro. b) ferro for mergulhado numa solução de sulfato de zinco. c) chumbo for mergulhado numa solução de sulfato de ferro. d) zinco for mergulhado numa solução de sulfato de chumbo. 28. (PUC-RJ) Reações de oxirredução são aquelas que ocorrem com transferência de elétrons do agente redutor para o agente oxidante. A reação do dicromato de potássio com o iodeto de potássio em presença de ácido sulfúrico é uma reação de oxirredução que pode ser representada pela equação simplificada, não balanceada, apenas com as espécies que participam do processo: Sobre essa reação, são formuladas as seguintes afirmações: I Dicromato é o agente oxidante em meio ácido. II Iodo é o agente redutor. III Um mol de iodeto libera um mol de elétrons, transformando-se em ½ mol de iodo. Assinale a opção que apresenta a(s) afirmação(ões) CORRETA (S) (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e II. (E) I e III. 29. (PUC-RJ) Nas pilhas e nas células eletrolíticas, ocorrem fenômenos de oxirredução que envolvem a transferência espontânea e nãoespontânea de elétrons, respectivamente. (A) tanto na pilha quanto na célula eletrolítica ocorre oxidação no anodo e redução no catodo. (B) na pilha, íons circulam, pela ponte salina, e elétrons, pelo fio metálico. (C) na eletrólise de CuSO 4, são necessários C de carga elétrica para depositar 1 mol de cobre metálico no eletrodo, considerando-se a constante de Faraday igual a C mol 1. (D) numa pilha Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu, o íon Cu 2+ é o agente oxidante. (E) após eletrólise de solução aquosa de cloreto de sódio, o ph da solução não se altera. Gabarito 1. b 8. b 2. c 9. b 3. c 10. b 4. c 11. d 5. b 12. d 6. c 13. e 7. c 14. c 15. E = + 0,85 V E = + 0,32 V 16. c) redutora: zinco metálico oxidante: cobre (II) 17. c) 3Fe Cr 3Fe + 2Cr 3+ Agente oxidante: Fe 2+ Agente redutor: Cr 18. a) 4Al (s) + 3O 2(g) + 6H 2 O (l) 4Al(OH) 3(s) Ddp = 2,71V b) De D para C. 19. a) Oxidação da prata. b) Do anodo para o catodo. c) Ag + + e - Ag 20. a) CuSO 4 Cu 2+ + SO 4-2 ; 0,1mol/L b) 3860 segundos 21. b 26. a 22. e 27. d 23. e 28. e 24. e 29. e 25. c BIBLIOGRAFIA USBERCO, J.; SALVADOR, E.: Química. 5 edição. São Paulo: Saraiva, Volume único. FELTRE, R.: Fundamentos da Química. 2 edição. São Paulo: Moderna, Volume único. Sobre a transferência de elétrons que ocorre nas pilhas e nas células eletrolíticas, é INCORRETO afirmar que: ATKINS, P.; JONES, L.: Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 2 edição. Porto Alegre: Bookman,

37 NÓBREGA, O.S.; SILVA, E.R.; SILVA, R.H.: Química. 1 edição. São Paulo: Editora Ática, Volume único htm 5. REAÇÕES NUCLEARES Embora conhecidas desde o início do século XX, as reações nucleares chocaram o mundo quando foram explodidas as primeiras bombas atômicas no final da Segunda Guerra Mundial. Podendo liberar grandes quantidades de energia, as reações nucleares abriram uma nova era, repleta de esperanças e preocupações. Para podermos nos posicionar diante das polêmicas questões suscitadas pela radioatividade e pela energia nuclear, é conveniente que tenhamos conhecimentos científicos a respeito desses temas. Experimento realizado por Rutherford detectou que as partículas alfa e beta eram desviadas pelo campo eletromagnético. Em 1900 foi descoberta a radiação gama (γ), que não apresenta carga elétrica. 2. Natureza das emissões 2.1. Radiação alfa (α) As partículas α são constituídas por 2 prótons e 2 nêutrons (constituição idêntica aos núcleos de Hélio) e têm carga +2. Quando um núcleo as emite, perde 2 prótons e 2 nêutrons. 1. A descoberta da radioatividade Em 1896, o físico francês Henri Becquerel constatou que um composto de urânio sulfato de potássio e uranilo, K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 apresentava a característica de causar uma mancha numa chapa fotográfica mesmo sem ser estimulado pela luz. Mais tarde, o casal Marie e Pierre Curie verificou que o responsável pelas radiações emitidas era o urânio. Ao fenômeno constatado por Becquerel deuse o nome de radioatividade propriedade que alguns núcleos de átomos instáveis apresentam de emitir energia e partículas subatômicas, o que se convenciona chamar de decaimento radioativo ou desintegração nuclear. Em 1898 o casal Curie descobriu outros dois elementos radioativos ainda não conhecidos: o rádio e o polônio. Ainda em 1898, Ernest Rutherford criou uma aparelhagem para detectar as radiações provenientes de um material radioativo. Descobriu que havia dois tipos de radiação: alfa (α), formada por partículas de carga positiva, e beta (β), formada por partículas positivas. A emissão α é a de menor poder de penetração nos corpos, mas a que tem maior poder ionizante no ar. Durante essa emissão, ocorre o desaparecimento gradual do elemento original e o aparecimento de um novo elemento. Esse processo é denominado transmutação. Uma decorrência da emissão α é a chamada 1 Lei da Radioatividade: Quando um átomo emite uma partícula α, o seu número atômico diminui de 2 unidades e o seu número de massa diminui de 4 unidades. Exemplo: 90 Th α Ra Radiação beta (β) As partículas β são elétrons emitidos pelo núcleo de um átomo instável. A emissão ocorre quando um nêutron decompõe-se originando um próton, que permanece no núcleo, um elétron e um antineutrino, que são emitidos. Assim, formou-se a 2 Lei da Radioatividade: 99

38 Quando um átomo emite uma partícula β, o seu número atômico aumenta de 1 unidade e o seu número de massa permanece inalterado. Exemplo: Decaimento de 16g do isótopo radioativo P originando o S. Exemplo: 90 Th β Pa 234 As partículas β podem penetrar na pele, causando queimaduras, mas são barradas antes de atingir os órgãos mais internos do corpo Radiação gama (γ) A radiação γ é formada por ondas eletromagnéticas emitidas por núcleos instáveis quando ocorrem as transmutações nucleares. Por apresentar freqüência mais alta que os raios X, é mais energética. Evidentemente, uma emissão γ não altera o número atômico nem o número de massa do elemento Emissão de pósitrons Os pósitrons (β + ) são partículas de carga positiva e massa próxima à do elétron. Quando um radioisótopo emite um pósitron, seu número atômico diminui em uma unidade e seu número de massa permanece o mesmo. Exemplo: 3. Transmutação artificial Quando as transmutações são obtidas por bombardeamento de núcleos estáveis com partículas α, prótons, nêutrons etc., são chamadas transmutações artificiais. A primeira delas foi obtida por Rutherford: 4. Meia-vida ou período de semidesintegração A meia-vida pode ser relacionada com certa massa ou com certo número de átomos, e não depende nem da quantidade inicial nem de fatores externos, pois é um fenômeno nuclear. 5. Datação com carbono-14 Na natureza existem três isótopos do carbono. O menos abundante deles, o carbono- 14 (10ppb), é radioativo. Ao examinar múmias, fósseis, ossos, pergaminhos e outros achados arqueológicos compostos por restos de antigos seres vivos, os cientistas encontraram neles teores de carbono- 14 inferiores a10ppb, o que se deve ao decaimento β ocorrido durante os anos que se passaram desde a morte do ser vivo. 6. Fissão nuclear A fissão nuclear é uma reação que ocorre no núcleo de um átomo. Geralmente o núcleo pesado é atingido por um nêutron, que, após a colisão, libera uma imensa quantidade de energia. Tempo de meia-vida ou período de semidesintegração (t 1/2 ou P) de um isótopo radioativo é o tempo necessário para que a metade dos núcleos radioativos se desintegre, ou seja, para que uma amostra se reduza à metade. 100

39 No processo de fissão de um átomo, a cada colisão são liberados novos nêutrons. Os novos nêutrons irão colidir com novos núcleos, provocando a fissão sucessiva de outros núcleos e estabelecendo, então, uma reação que denominamos reação em cadeia. EXERCÍCIOS 1. (ITA) O que acontece com o número de massa e com o número atômico de um núcleo instável se ele emite uma partícula beta? Número de Massa Número Atômico a) sem alteração aumenta de 1 unidade b) sem alteração diminui de 1 unidade c) diminui de 1 unidade sem alteração d) aumenta de 1 unidade sem alteração e) diminui de 1 unidade aumenta de 1 unidade 7. Fusão Nuclear Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia. No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais um nêutron. 2. (UNIUBE - MG) Os valores da massa e carga de uma partícula beta negativa (b-) indicam que esta é idêntica ao: a) átomo de hidrogênio d) nêutron b) átomo de hélio e) elétron c) próton 3. (UFSC) Responda com relação às afirmações: I. Uma reação química ocorre na eletrosfera do átomo. II. As partículas b têm massa igual a 4. III. As reações nucleares ocorrem na eletrosfera do átomo. IV. Os raios g não são defletidos num campo elétrico. V. As partículas a têm a carga igual a +2. As afirmações corretas são: a) I, II e IV d) I, IV e V b) III, IV e V e) II, IV e V c) II, III e V Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos. Como isso só se consegue mediante temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. 4. (Ufal) O reator atômico instalado em Angra dos Reis gera energia através do fenômeno chamado fissão nuclear, que consiste na divisão de núcleos pesados em outros mais leves, com liberação de grande quantidade de energia. Esse fenômeno pode ser representado pela equação nuclear: 1 0 n U Cs + A n + energia Os números atômicos e de massa do elemento A são, respectivamente: a) 37 e 90. d) 42 e 91. b) 37 e 92. e) 42 e 94. c) 39 e (Ufal) O decaimento radioativo do carbono 14 é de primeira ordem, e sua meia-vida é de

40 anos. Enquanto uma planta ou um animal estão vivos, eles apresentam uma proporção constante de carbono 14 (em relação ao carbono 12) em sua composição. Quando o organismo morre, a proporção de carbono 14 decresce como resultado do decaimento radioativo, e a idade do organismo pode ser determinada se a proporção de carbono 14 remanescente for medida. Considere que a proporção de carbono 14 em um pedaço de madeira antiga foi determinada como sendo um quarto daquela em árvores vivas. Qual a idade da madeira? A) anos. D) anos. B) anos. E) anos. C) anos. 6. (UFR-RJ) As células cancerosas são mais fracas que as normais e, por esse motivo, uma dose controlada de radiação incidindo apenas sobre o local do tumor pode matar apenas as células cancerosas. Esse é o princípio da chamada radioterapia do câncer. O cobalto 60, usado no tratamento do câncer, possui seu tempo de meia-vida de aproximadamente 5 anos. Observou-se, por exemplo, que uma amostra desse radionuclídeo colocado em uma cápsula lacrada e aberta após 20 anos continha 750 mg de cobalto 60. a) Qual a quantidade de cobalto 60 colocada inicialmente na cápsula? b) Qual a porcentagem de material que restou da amostra inicial? 7. (UFPB - modificada) A irradiação é uma técnica eficiente para desinfecção e preservação de alimentos. O processo consiste em submeter o alimento à ação de substâncias radioativas de rápida desintegração e que não deixam resíduos, permitindo a eliminação de microrganismos, fungos, larvas ou ovos de insetos. O esquema a seguir representa o comportamento das radiações α, β e γ quando passam por um campo elétrico. A partir dessas informações e do conhecimento sobre as radiações é correto afirmar que a radiação: a) γ é constituída por partículas neutras. b) α é constituída, somente, por partículas positivas. c) γ é constituída por partículas positivas e negativas, resultando numa carga igual a 0. d) α não apresenta carga elétrica, apesar sofrer desvio em sua trajetória. e) β é constituída por partículas negativas. 8. (Fuvest) Para diagnósticos de anomalias de glândulas tireóide, por cintilografia, deve ser introduzido no paciente, iodeto de sódio, em que o ânion iodeto é proveniente de um radioisótopo do iodo (número atômico 53 e número de massa 131). A meia-vida efetiva desse isótopo (tempo que decorre para que metade da quantidade do isótopo deixe de estar presente na glândula) é de aproximadamente 5 dias. a) O radioisótopo em questão emite radiação β -.O elemento formado nessa emissão é 52Te, 127 I ou 54 Xe? Justifique. b) Suponha que a quantidade inicial do isótopo na glândula (no tempo zero) seja de 1,000g e se reduza, após certo tempo, para 0,125mg. Com base nessas informações, trace a curva que dá a quantidade do radioisótopo na glândula em função do tempo, colocando os valores nas coordenadas adequadamente escolhidas. 9. (Uneb - modificada) O aquecimento do planeta é o resultado, dentre outros fatores, da dependência da sociedade humana, cada vez maior, de combustíveis fósseis. Em decorrência disso, a energia nuclear voltou a ser apontada como uma das soluções para o aquecimento global, entretanto a utilização dessa forma de energia ainda é polêmica porque apresenta desvantagens, como: a) O controle da velocidade de reação nuclear, nos reatores de usinas nucleares, por barras de cádmio e de boro. b) O perigo de acidente que representam os radioisótopos na datação de fósseis e na medicina nuclear. c) A dificuldade de descarte e de transporte do lixo nuclear, mistura complexa de material radioativo, que leva centenas de anos para se desintegrar e atingir níveis de segurança aceitáveis. d) A frequência de vazamento de vapor de água pesada, D 2 O(g), no reator, que movimenta as turbinas, durante o processo de geração de energia elétrica. 102

41 e) O processo de enriquecimento de urânio- 235 pelo urânio-238, que utiliza da oxidação de U3O8 a UO2 na presença de hidrogênio. 10. (UPE -modificada) A cafeína é um alcalóide do grupo das xantinas, com fórmula molecular C 8 H 10 N 4 O 2 e com tempo de meia-vida de 6h. Sabe-se, ainda, que uma xícara de café comum contém 150,0 mg de cafeína e que a dose letal para um indivíduo de 80 kg corresponde à ingestão de 21,0 g. Um estudante de 80 kg, para se manter desperto, tomou aproximadamente uma quantidade equivalente a 20 xícaras de café comum às 22h. Às 10h da manhã seguinte, ainda resta no corpo do estudante uma quantidade de cafeína correspondente a: A)1/2 da dose letal. D) 1/3 da dose letal. B) 1/4da dose letal. E) 1/28 da dose letal. C)1/32 da dose letal. 11. (ITA-SP) Suponha que um metal alcalino terroso se desintegra radioativamente emitindo uma partícula alfa. Após três desintegrações sucessivas, em qual família da tabela periódica deve-se encontrar o elemento resultante desse processo? A) 13 (III) D)16 (VI A) B) 14 (IV A) E)17 (VII A) C)15 (V A) 12. (FUVEST- SP) Em 1995, o elemento de número atômico 111 foi sintetizado pela transformação nuclear: Ni + 83 Bi 111 Rg + nêutron Esse novo elemento, representado por Rg, é instável. Sofre o decaimento: Rg 109 Mt 107 Bh 105 Db 103 Lr 101 Md Nesse decaimento, liberam-se apenas: a) nêutrons. d) prótons. b) partículas β e) partículas α. c) partículas α e partículas β. 13. (FGV) Os radiofármacos são utilizados em quantidades-traços com a finalidade de diagnosticar patologias e disfunções do organismo. Alguns desses também podem ser aplicados na terapia de doenças como no tratamento de tumores radiossensíveis. A maioria dos procedimentos realizados atualmente em medicina nuclear tem finalidade diagnóstica, sendo o 99m Tc (m = metaestável) o radionuclídeo mais utilizado na preparação desses radiofármacos. O 99 Mo é o precursor desse importante radionuclídeo, cujo esquema de decaimento é apresentado a seguir: 99 99m Mo Tc X Tc - Z No esquema de decaimento, a radiação X e o nuclídeo Z e seu número de nêutrons são, respectivamente: a) gama, Ru e 55. d) alfa, Ru e 53. b) gama, Mo e 57. e) alfa, Rh e 54 c) beta, Rh e (UERJ - modificada) Recentemente, a imprensa noticiou o caso do envenenamento por polônio-210 de um ex-agente secreto soviético. Sabe-se, em relação a esse isótopo, que: - Ao se desintegrar, emite uma partícula alfa; - Em 420 dias, uma amostra de 200 mg decai para 25 mg; Calcule o tempo de meia-vida do polônio-210 e escreva a equação que representa a reação nuclear. 15. (Mackenzie) O acidente com o césio-137 em Goiânia, no dia 13 de setembro de 1987, foi o maior acidente radioativo do Brasil e o maior do mundo ocorrido em área urbana. A cápsula de cloreto de césio (CsCl), que ocasionou o acidente, fazia parte de um equipamento hospitalar usado para radioterapia que utilizava o césio- 137 para irradiação de tumores ou de materiais sangüíneos. Nessa cápsula, havia aproximadamente 19 g do cloreto de césio- 137 (t 1/2 = 30 anos), um pó branco parecido com o sal de cozinha, mas que, no escuro, brilha com uma coloração azul. Admita que a massa total de cloreto de césio, contida na cápsula, tenha sido recuperada durante os trabalhos de descontaminação e armazenada no depósito de rejeitos radioativos do acidente, na cidade de Abadia de Goiás. Dessa forma, o tempo necessário para que restem 6,25% da quantidade de cloreto de césio contida na cápsula, e a massa de cloreto de césio-137 presente no lixo radioativo, após sessenta anos do acidente, são, respectivamente: a) 150 anos e 2,37 g. d) 120 anos e 9,50 g. c) 150 anos e 9,50 g. e) 120 anos e 4,75 g. b) 120 anos e 6,25 g. 103

42 16. (FGV) O gráfico mostra a radioatividade numa amostra de radiofármaco contendo Tl-201, usado em diagnóstico por imagem do miocárdio. A abscissa mostra o número de dias decorridos a partir da produção desse fármaco e a ordenada mostra a radioatividade correspondente naquele dia. É correto o que se afirma em: (A) I, somente. (D) I e III, somente. (B) II, somente. (E) I, II e III. (C) III, somente. 19. (Fuvest) Em 1999, a região de Kosovo, nos Bálcãs, foi bombardeada com projéteis de urânio empobrecido, o que gerou receio de contaminação radioativa do solo, do ar e da água, pois urânio emite partículas alfa. a) O que deve ter sido extraído do urânio natural, para se obter o urânio empobrecido? Para que se usa o componente retirado? b) Qual a equação da primeira desintegração nuclear do urânio-238? Escreva-a, identificando o nuclídeo formado. Dados: A i /A f = 2 x, x = número de meias-vidas e log 2 = 0,3. A radioatividade nessa amostra (A f ) será de cerca de 1 milésimo da inicial (A i ), após: a) 15 dias. d) 4 meses. b) 30 dias. e) 6 meses. c) 2 meses. 17. (UFPI) A análise de uma amostra de um meteorito indicou que este contém 3 átomos de 206 Pb para cada átomo de 238 U. Considerando que nenhum átomo 206 Pb estaria presente na formação do meteorito e que este é formado pelo decaimento do 238 U, suja meia vida é 4, anos, marque a alternativa correta para a idade do meteorito: a) 4, anos d) anos b) 9, anos e) 22, anos c) 13, anos 18. (PUC-CAMPINAS) A era atômica trouxe grandes modificações em vários setores de atividade humana. Entre eles, a medicina que passou a contar com o uso de radioisótopos artificiais, produzidos em reatores atômicos, como 24 Na 11 é o caso do, emissor de partículas β, utilizado para investigação de problemas de circulação sangüínea. Sobre esse radioisótopo foram feitas as seguintes afirmações: I. Comporta-se quimicamente da mesma forma do que o isótopo não radioativo do sódio. II. Ao emitir radiação transforma-se em outro elemento químico. III. Cada um de seus nuclídeos possui 13 nêutrons. Dados: composição do urânio natural: U ,3% U-235-0,7% Meia-vida do U-238 -> 5 x 10 9 anos 20. (UFPI) No acidente nuclear de Chernobyl, a falha no sistema de refrigeração resultou no aquecimento que deu origem à explosão seguida de incêndio de grandes blocos de grafite, lançando no ar 6 a 7 toneladas de material radioativo. A alternativa usada para controlar o processo foi o aterramento do reator com toneladas de areia e concreto. Indique a alternativa correta: 235 U a) O 92 decai com emissão de 7 partículas alfa e quatro partículas beta para produzir Pb. b) Os efeitos sobre o meio ambiente pela liberação do isótopo 137 Cs ( meia-vida 30 anos) deverão ser detectados até 30 anos após o acidente. c) A energia gerada em usinas nucleares se origina de um processo de fusão nuclear. 235 U 92 d) A fissão do se dá por um processo de reação em cadeia. e) Blocos de grafite funcionam como aceleradores, aumentando a velocidade dos nêutrons. 21. (PUC-Campinas) A água comum de rios contém para cada mol de 1 H 2 O uma quantidade de 8x10-18 mol de 3 H 2 O. ( 1 H hidrogênio, 3 H trítio). O trítio é radioativo, com meia-vida igual a 12,3 anos. Numa amostra de água, analisada após decorridos 24,6 anos de sua coleta, qual o valor 104

43 da a) 6x10 18 b) 5x10 17 c) 2x10 16 d) 4x10-18 e) 1x10-17 relação mol de 1 H 2 O mol de 3 H 2 O 22. (ENEM) O funcionamento de uma usina nucleoelétrica típica baseia-se na liberação de energia resultante da divisão do núcleo de urânio em núcleos de menor massa, processo conhecido como fissão nuclear. Nesse processo, utiliza-se uma mistura de diferentes átomos de urânio, de forma a proporcionar uma concentração de apenas 4% de material físsil. Em bombas atômicas, são utilizadas concentrações acima de 20% de urânio físsil, cuja obtenção é trabalhosa, pois, na natureza, predomina o urânio não-físsil. Em grande parte do armamento nuclear hoje existente, utiliza-se, então, como alternativa, o plutônio, material físsil produzido por reações nucleares no interior do reator das usinas nucleoelétricas. Considerando-se essas informações, é correto afirmar que: a) A disponibilidade do urânio na natureza está ameaçada devido à sua utilização em armas nucleares. b) A proibição de se instalarem novas usinas nucleoelétricas não causará impacto na oferta mundial de energia. c) A existência de usinas nucleoelétricas possibilita que um de seus subprodutos seja utilizado como material bélico. d) A obtenção de grandes concentrações de urânio físsil é viabilizada em usinas nucleoelétricas. e) A baixa concentração de urânio físsil em usinas nucleoelétricas impossibilita o desenvolvimento energético. 23. (ENEM) O debate em torno do uso da energia nuclear para produção de eletricidade permanece atual. Em um encontro internacional para a discussão desse tema, foram colocados os seguintes argumentos: I. Uma grande vantagem das usinas nucleares é o fato de não contribuírem para o aumento do efeito estufa, uma vez que o urânio, utilizado como combustível, não é queimado, mas sofre fissão. II. Ainda que sejam raros os acidentes com usinas nucleares, seus efeitos podem ser tão? graves que essa alternativa de geração de eletricidade não nos permite ficar tranquilos. A respeito desses argumentos, pode-se afirmar que: a) O primeiro é válido e o segundo não é, já que nunca ocorreram acidentes com usinas nucleares. b) O segundo é válido e o primeiro não é, pois de fato há queima de combustível na geração nuclear de eletricidade. c) O segundo é valido e o primeiro é irrelevante, pois nenhuma forma de gerar eletricidade produz gases do efeito estufa. d) Ambos são válidos para se compararem vantagens e riscos na opção por essa forma de geração de energia. e) Ambos são irrelevantes, pois a opção pela energia nuclear es tá-se tornando uma necessidade inquestionável. 24. (UERJ) Em 1982, foi produzido, sinteticamente, em reator atômico, o elemento radioativo meitnério de símbolo Mt, cujo número atômico é 109 e número de massa do isótopo mais estável é 266. O elemento foi produzido de acordo com a reação nuclear representada pela equação a seguir: Bi + Fe 109 Mt + X 26 A partícula X produzida de acordo com a equação acima é a) Próton b) Elétron c) Nêutron d) Pósitron 25. (UnB DF) Ao capturar um nêutron, um átomo de urânio pode sofrer um processo de fissão, que resulta na desintegração de seu núcleo. Formam-se assim dois elementos mais leves (por exemplo, bário de criptônio), com emissão simultânea de 2,5 nêutrons, em média, por núcleo. ( O Funcionamento do Reator. ln: Ciência Hoje, nº32, vol.6) Com o auxílio do texto, julgue os itens seguintes. (1) Os átomos de bário e criptônio são isótopos do átomo de urânio que os originou. (2) No processo de fissão nuclear citado, é também possível a formação de átomos de massa maior do que a do átomo de urânio. (3) A emissão de 2,5 nêutrons, em média, por núcleo significa que podem estar ocorrendo reações que produzirão 3 nêutrons e reações que produzirão 2 nêutrons. 105

44 26. (UNICAMP) Entre o doping e o desempenho do atleta, quais são os limites? Um certo β - bloqueador, usado no tratamento de asma, é uma das substâncias proibidas pelo Comitê Olímpico Internacional (COI), já que provoca um aumento de massa muscular e diminuição de gordura. A concentração dessa substância no organismo pode ser monitorada através da análise de amostras de urina coletadas ao longo do tempo de uma investigação. O gráfico mostra a quantidade do β - bloqueador contida em amostras da urina de um indivíduo, coletadas periodicamente durante 90 horas após a ingestão da substância. Este comportamento é válido também para além das 90 horas. Na escala de quantidade, o valor 100 deve ser entendido como sendo a quantidade observada num tempo inicial considerado arbitrariamente zero. a) Depois de quanto tempo a quantidade eliminada corresponderá a 1/4 do valor inicial, ou seja, duas meias-vidas de residência da substância no organismo? b) Suponha que o doping para esta substância seja considerado positivo para valores acima de 1,0 x 10 6 g.ml -1 de urina (1 micrograma por mililitro) no momento da competição. Numa amostra coletada 120 horas após a competição, foram encontrados 15 microgramas de β - bloqueador em 150 ml de urina de um atleta. Se o teste fosse realizado em amostra coletada logo após a competição, o resultado seria positivo ou negativo? Justifique. 27. (FUVEST) O isótopo 14 do carbono emite radiação β, sendo que 1 g de carbono de um vegetal vivo apresenta cerca de 900 decaimentos β por hora valor que permanece constante, pois as plantas absorvem continuamente novos átomos de 14 C da atmosfera enquanto estão vivas. Uma ferramenta de madeira, recolhida num sítio arqueológico, apresentava 225 decaimentos β por hora por grama de carbono. Assim, essa ferramenta deve datar, aproximadamente, de a) a.c. d) a.c. b) a.c. e) a.c. c) a.c. Dado: tempo de meia-vida do 14C = anos 28. (FGV) O isótopo de massa 226 do elemento químico rádio ( Ra) é produzido naturalmente a partir do decaimento radioativo do U. Os números de partículas alfa e beta emitidas para a obtenção de um átomo de Ra a partir do U são, respectivamente, (A) 2 e 3. (D) 3 e 3. (B) 3 e 1. (E) 4 e 1. (C) 3 e (Mackenzie) Em 2010 uma cápsula de um isótopo radioativo X foi encontrada por um perito da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) durante a varredura de um galpão abandonado. Ao analisar essa cápsula, o perito observou que a mesma havia sido lacrada em 1990 com 80 g do referido isótopo. Em seguida, a cápsula foi encaminhada a um laboratório especializado e, após análises realizadas, verificou-se que ainda restavam 2,5 g do isótopo radioativo no interior da mesma. Assim, o perito concluiu que se tratava de um isótopo com a meia-vida de aproximadamente a) 2 anos. d) 8 anos. b) 4 anos. e) 10 anos. c) 6 anos. 30. (PUC-Campinas) As reações nucleares das bombas atômicas são iniciadas e mantidas pelos nêutrons. Por exemplo, um núcleo de plutônio físsil, Pu, quando é atingido por um nêutron, quebra, gerando energia e outros nêutrons. Na reação de fissão de plutônio a quantidade de nêutrons que completa corretamente a lacuna é (A) 1 (D) 4 (B) 2 (E) 5 (C) (PUC-Campinas) A Era Atômica foi marcada por várias descobertas. Entre elas, a cisão do núcleo de urânio realizada pelos físicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassman, em 22 de dezembro de A equação que representa esse processo é O número de nêutrons para o elemento urânio, nessa equação é (A) 235 (D) 90 (B) 143 (E)