QUÍMICA Prof. Daniel Pires SUBSTÂNCIA PURA, MISTURA, MÉTODOS DE SEPARAÇÃO, PRÁTICAS DE LABORATÓRIO e ESTADOS FÍSICOS - PIRES 1. As figuras a seguir mostram moléculas ampliadas milhões de vezes. Observe atentamente as figuras e responda: a) Todas as figuras representam a mesma substância? Justifique. b) Quantas substâncias estão representadas nas figuras? c) Quais são as figuras que mostram a mesma substância em estados diferentes? Qual é o estado representado em cada uma destas figuras? TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Texto I Falhou a implosão da arquibancada do Estádio Mané Garrincha, em Brasília, programada para a tarde deste domingo. Técnicos acionaram, por duas vezes, os 250 kg de explosivos à base de nitrato de amônio, mas, de acordo com o consórcio responsável pela obra, houve um corte na linha de detonação, o que impediu a derrubada da estrutura. O estádio será palco da Copa do Mundo de 2014 e da Copa das Confederações de 201. Internet: <www.uol.com.br> (com adaptações). Texto II A figura a seguir ilustra um modelo simplificado de um edifício, que será utilizado na análise de alguns aspectos de uma implosão. Nesse modelo, o prédio é constituído por quatro lajes de massa M, separadas por quatro colunas de massa m, e sustentado por quatro colunas fixadas no solo (as colunas ao fundo não são mostradas na figura). Em cada andar, a força de sustentação é igualmente repartida entre as quatro colunas que sustentam a laje. A altura entre o piso e o teto de um andar é h e a altura do primeiro andar é igual a 2h. Para implodir o prédio, destroem-se simultaneamente, por meio de uma explosão, todas as colunas que sustentam as lajes. 1
2. (Unb 2012) Considerando que, na explosão mencionada no texto I, tenha sido usado nitrato de amônio puro, cuja entalpia de combustão é 01 kj/mol, e desprezando a espessura das lajes, julgue os itens a seguir. a) O nitrato de amônio pode ser produzido por uma reação de neutralização entre ácido nítrico e NH. b) Considerando-se o rendimento de 100% para a reação de combustão do nitrato de amônio, é correto afirmar que a quantidade de explosivo utilizada na referida demolição da arquibancada do estádio Mané Garrincha produziu mais de 9,0 10 5 kj de energia. c) O aproveitamento dos resíduos sólidos resultantes de uma implosão como a citada no texto I é uma medida mitigadora do impacto ambiental causado por essa ação. d) Por meio de filtração simples ou centrifugação de uma solução aquosa não saturada de nitrato de amônio, é possível a obtenção de nitrato de amônio sólido. e) Após se balancear a equação xnh + yo 2 zn 2 + wh 2 O que representa a combustão da amônia usando-se os menores valores inteiros positivos para seus coeficientes estequiométricos, verifica-se que o resultado da soma x + y + z + w é um múltiplo inteiro de 5.. (Fuvest 2014) O gráfico abaixo apresenta a solubilidade em água, a 25 C, de álcoois primários de cadeia linear, contendo apenas um grupo OH no extremo da cadeia não ramificada. Metanol, etanol e 1 propanol são solúveis em água em quaisquer proporções. a) Analise o gráfico e explique a tendência observada. Um químico recebeu 50 ml de uma solução de 1 dodecanol (C 12 H 25 OH) em etanol. A essa solução, adicionou 450 ml de água, agitou a mistura e a deixou em repouso por alguns minutos. Esse experimento foi realizado a 15 C. b) Descreva o que o químico observou ao final da sequência de operações do experimento. Dados: - 1 dodecanol é insolúvel em soluções diluídas de etanol em água ( 10% em volume). - ponto de fusão do 1 dodecanol = 24 C. - a densidade do 1 dodecanol é menor do que a de soluções diluídas de etanol em água. 4. (Ita 201)Considere o diagrama de fase hipotético representado esquematicamente na figura abaixo: O que representam os pontos A, B, C, D e E? 2
5. (Ufmg 201) A água é um dos principais fatores para a existência e manutenção da vida na Terra. Na superfície de águas muito frias, há uma tendência de se formar uma crosta de gelo, mas, abaixo dela, a água permanece no estado líquido. Isso permite que formas de vida como peixes e outros organismos consigam sobreviver mesmo em condições muito severas de temperatura. Analise os dois gráficos abaixo que representam simplificadamente as variações de densidade de duas substâncias em temperaturas próximas às respectivas temperaturas de fusão (TF). a) O gráfico que representa o comportamento da água é o I ou o II? JUSTIFIQUE a sua escolha com base nas informações apresentadas e em outros conhecimentos sobre o assunto. Uma amostra de água pura, inicialmente sólida, foi aquecida até algum tempo após sua completa fusão. A figura representa a variação da temperatura dessa amostra durante esse processo. b) A fusão de uma substância é um processo endotérmico ou exotérmico? Considere que durante todo o processo a amostra de água receba um fluxo contínuo e uniforme de calor. c) EXPLIQUE por que a temperatura aumenta nas regiões I e III, indicadas no gráfico. d) EXPLIQUE por que a temperatura não se altera durante a fusão (região II, indicada no gráfico). 6. (Uerj 201) Observe os diagramas de mudança de fases das substâncias puras A e B, submetidas às mesmas condições experimentais. Indique a substância que se funde mais rapidamente. Nomeie, também, o processo mais adequado para separar uma mistura homogênea contendo volumes iguais dessas substâncias, inicialmente à temperatura ambiente, justificando sua resposta.
7. (Unicamp 201)Um efluente industrial contaminado por Cr 6+ recebe um tratamento químico que consiste na sua acidificação e na adição de ferro metálico. O ferro metálico e o ácido reagem entre si, dando origem ao íon Fe 2+. Este, por sua vez, reage com o Cr 6+, levando à formação dos íons Fe + e Cr +. Depois desse passo do tratamento, o ph do efluente é aumentado por adição de uma base, o que leva à formação dos correspondentes hidróxidos pouco solúveis dos íons metálicos presentes. Os hidróxidos sólidos formados podem, assim, ser removidos da água. a) Em relação ao tratamento químico completo do efluente industrial acima descrito, dê um exemplo de reação em que não houve transferência de elétrons e um exemplo de reação em que houve transferência de elétrons. b) O resíduo sólido obtido ao final do processo de tratamento químico pode ser separado da água por decantação ou por filtração. Desenhe dois esquemas para representar essas técnicas, incluindo possíveis legendas. 8. (Ufrn 201) Os vidros são materiais conhecidos desde a antiguidade e têm um tempo de degradabilidade de mais de mil anos. Sua importância, nas diferentes esferas da vida, relaciona-se com suas propriedades, pois são materiais que podem ser reutilizados e infinitamente reciclados sem perder suas propriedades. Na produção de vidros, a matéria prima principal é o óxido de silício ou sílica (SiO 2 ), um sólido cristalino que forma uma rede atômica contínua ou um macrocristal obtido pela extração convencional de areia. O SiO 2 apresenta elevada temperatura de fusão, que varia entre 1700 e 1800 C. Considerando esses valores de temperatura, no processo de produção do vidro com sílica pura, seria inviável não adicionar óxidos de sódio e de potássio, que atuam como fundentes (diminuem a temperatura de fusão). Na produção de vidro, outra matéria prima usada é o feldspato, um mineral constituído por aluminosilicato duplo de sódio e potássio KNa A SiO 8 que, ao se decompor, produz os óxidos de potássio, de sódio, de alumínio, e também sílica. Um processo para a obtenção do vidro consiste na fusão desses materiais, seguido do Banho Float, no qual a massa é derramada em uma piscina de estanho líquido, em um processo contínuo. Devido às diferenças de densidade entre os materiais, o vidro flutua sobre o estanho, ocorrendo um paralelismo entre as duas superfícies. A partir desse ponto, é determinada a espessura do vidro. A seguir, na galeria de recozimento, a folha de vidro será resfriada controladamente até aproximadamente 120 C e, então, preparada para o corte. Antes de ser cortada, a folha de vidro é inspecionada por um equipamento chamado "scanner", que utiliza um feixe de raio laser para identificar eventuais falhas no produto. O corte é realizado em processo automático e em dimensões pré-programadas e, depois disso, o vidro é armazenado. a) Identifique, na obtenção do vidro, um processo que não é considerado processo químico. Justifique. b) Escreva as fórmulas químicas do óxido de sódio e do óxido de alumínio, matérias primas usadas na produção do vidro. c) Por que a reciclagem do vidro pode ser considerada um processo químico sustentável que beneficia o meio ambiente? 9. (Ufjf 2012) Considere as substâncias abaixo e responda às questões relacionadas a elas. a) Em um laboratório, massas iguais de éter etílico, benzeno e água foram colocadas em um funil de decantação. Após agitação e repouso, mostre, por meio de desenhos, no funil de decantação, como ficaria essa mistura, identificando cada substância, considerando a miscibilidade de cada uma delas. 1 Dados de densidades g ml :água = 1,00; benzeno = 0,87; éter etílico = 0,71. 4
b) Que procedimento permitiria a separação de uma mistura de iguais volumes de éter etílico e cicloexano? Justifique sua resposta. (Dados: ponto de ebulição: éter etílico 5,0 C; cicloexano 80,74 C) c) Em um laboratório, existem três frascos contendo compostos puros, identificados por A, B e C. O quadro abaixo apresenta algumas informações sobre esses compostos. Rótulo Ponto de ebulição/ C Solubilidade em água A 16,0 solúvel B 76,7 imiscível C 47,7 imiscível Informações adicionais Reage com solução de NaHCO Mais denso que a água Reage com água de bromo Com base nessas informações, indique quais dos compostos representados pelos números de 1 a 6 correspondem aos rótulos A, B e C. Dê uma justificativa, em termos de interação intermolecular, para o ponto de ebulição do composto com o rótulo A ser superior. d) O composto orgânico butanoato de etila confere o aroma de abacaxi a alimentos e pode ser obtido a partir do ácido butanoico (5). Equacione a reação que permite obter esse composto e escreva o nome dessa reação. 10. (Ufrn 2012)A Química do século XXI fundamenta-se nas relações entre composição, estrutura e propriedades das substâncias para produzir novos materiais, como uma de suas finalidades. Esses novos materiais são essenciais para o desenvolvimento da vida cotidiana, para a indústria, para a ciência e a tecnologia, para a saúde, para o lazer, entre outros. Com o objetivo de construir um dispositivo eletrônico, é necessário obter um material que apresente elevadíssima temperatura de fusão, não seja solúvel em água nem tampouco em solventes apolares e apresente alta condutividade ao calor. Baseando-se na composição e estrutura das partículas (átomos, moléculas, íons) que compõem o suposto material e nas interações entre elas, que tipo de material apresenta essas propriedades. Justifique. 11. (Fuvest 2012) O rótulo de um frasco contendo determinada substância X traz as seguintes informações: Propriedade Descrição ou valor Cor Incolor Inflamabilidade Não inflamável Odor Adocicado Ponto de Fusão - 2 ºC Ponto de ebulição a 1atm 77ºC Densidade a 25ºC 1,59 / cm Solubilidade em água a 25ºC 0,1 g/ 100 g de H 2 O a) Considerando as informações apresentadas no rótulo, qual é o estado físico da substância contida no frasco, a 1atm e 25 ºC? Justifique. b) Em um recipiente, foram adicionados, a 25 ºC, 56,0 g da substância X e 200,0 g de água. Determine a massa da substância X que não se dissolveu em água. Mostre os cálculos. c) Complete o esquema da página de resposta, representando a aparência visual da mistura formada pela substância X e água quando, decorrido certo tempo, não for mais observada mudança visual. Justifique. Dado: densidade da água a 25 C = 1,00 g / cm 12. (Uftm 2012)O titânio, à temperatura ambiente, tem estrutura cristalina hexagonal compacta (figura 1), chamada de fase alfa, a qual é estável até 882 C; acima dessa temperatura, a estrutura muda para cúbica de corpo centrado (figura 2), chamada de fase beta. O titânio não é tóxico, mas, apesar de fisiologicamente inerte, o pó é carcinogênico. Outra consequência importante da sua atoxidade é a utilização desse metal e suas ligas como biomaterial, devido à excelente resistência à corrosão e alta biocompatibilidade. (Química Nova On-line, vol. 0, n.º 2, 2007. Adaptado.) 5
Na indústria, o titânio é obtido pelo processo Kroll, a partir do minério ilmenita FeTiO representado pelas equações: 2FeTiO 7C 6C 2TiC 2FeC 6CO 2 4 TiC 4 2Mg Ti 2MgC 2, processo a) Indique o nome do fenômeno que ocorre com o titânio por apresentar diferentes estruturas (figuras 1 e 2), bastante comum em diversos outros elementos na natureza. Compare as diferenças nas propriedades do titânio e de seu minério quanto à condutividade térmica. b) Considerando o rendimento da reação como 100%, calcule a massa aproximada de titânio que pode ser obtida a partir de 760 kg deilmenita. 1. (Unb 2012) No sistema mostrado na figura abaixo, um frasco aberto contendo éter etílico está inserido em um béquer maior, termicamente isolado, contendo álcool etílico. Considerando as temperaturas de ebulição e de fusão mostradas na tabela abaixo e que o sistema descrito na figura esteja, inicialmente, à temperatura de 0 C e, ainda, que não haja evaporação do etanol, esboce uma curva que descreva, qualitativamente, a variação da temperatura do etanol, em função do tempo, monitorada durante o processo de evaporação do éter etílico, até metade do seu volume. ponto de fusão ( C) ponto de ebulição ( C) éter etílico 115 4 etanol 115 78 14. (Uftm 2012)O cloreto de cálcio, por ser um sal higroscópico, absorve umidade com facilidade. Devido a essa propriedade, é utilizado como agente secante nos laboratórios de química e pode ser preparado a partir da reação de calcário com ácido clorídrico. CaCO (s) 2 HC (aq) CaC 2(aq) H2O( ) CO 2(g) A partir do resfriamento da solução aquosa de cloreto de cálcio, resultante da reação apresentada, forma-se o CaC 2 (s). a) Descreva os processos de separação envolvidos na obtenção do sólido CaC 2. b) Calcule a massa de cloreto de cálcio que pode ser obtida a partir da reação de 625 g de calcário contendo 80 % de CaCO com excesso de solução de HC. 6
15. (Ufg 2012) Considere o esquema apresentado a seguir, em que um experimento é executado do seguinte modo: um ovo cozido e sem casca, colocado sobre o bocal de uma garrafa à temperatura ambiente, não passa para seu interior em virtude de seu diâmetro ser levemente maior que o do bocal, conforme desenho A. Em seguida o ovo é retirado e a garrafa é aquecida à 60 C, conforme desenho B. Com a garrafa ainda aquecida, o ovo é recolocado sobre o bocal da garrafa e, durante o processo de resfriamento da garrafa, ele passa para seu interior conforme desenho C. Explique o fenômeno que ocorre no experimento descrito e justifique por que o ovo, após o resfriamento, passa pelo bocal da garrafa. Resposta da questão 1: a) Não. Moléculas diferentes. b) Três. c) A - C - D. C = sólido; A = líquido e D = gasoso Resposta da questão 2: a) Correto. b) Correto. c) Correto. d) Incorreto. e) Correto. GABARITO: [Resposta do ponto de vista da disciplina de Matemática] e) Correto. Da equação química, obtemos o sistema x 2z x 2w. Logo, devemos ter z = 2, x = 4, w = 6 e y = 2y. Portanto, como x y z w 4 2 6 15 5, segue que essa soma é um múltiplo inteiro de 5. [Resposta do ponto de vista da disciplina de Química] a) Correto. O nitrato de amônio pode ser produzido por uma reação de neutralização entre ácido nítrico e NH : HNO NH NH4NO. b) Correto. Considerando-se o rendimento de 100% para a reação de combustão do nitrato de amônio, é correto afirmar que a quantidade de explosivo utilizada na referida demolição da arquibancada do estádio Mané Garrincha produziu mais de 9,0 10 5 kj de energia. c) Correto. O aproveitamento dos resíduos sólidos resultantes de uma implosão como a citada no texto I é uma medida mitigadora do impacto ambiental causado por essa ação. d) Incorreto. Por meio de filtração simples ou centrifugação de uma solução aquosa não saturada de nitrato de amônio, não é possível a obtenção de nitrato de amônio sólido. e) Correto. Após se balancear a equação xnh + yo 2 zn 2 + wh 2 O, que representa a combustão da amônia usando-se os menores valores inteiros positivos para seus coeficientes estequiométricos, verifica- w 7
se que o resultado da soma x + y + z + w é um múltiplo inteiro de 5: equação 4NH + O 2 2N 2 + 6H 2 O (x + y + z + w = 4 + + 2 + 6 = 15 = 5). Resposta da questão : a) De acordo com o gráfico quanto menor o número de átomos de carbono na cadeia da molécula do álcool primário de cadeia linear (região hidrofóbica), maior a solubilidade do mesmo em 100 g de água. b) O ponto de fusão do 1-dodecanol é de 24 C e ele é praticamente insolúvel em água (de acordo com o gráfico), esse experimento foi realizado a 15 C, então, o químico observou uma mistura bifásica na qual o álcool estava no estado sólido e flutuando na água (a densidade do 1-dodecanol é menor do que a de soluções diluídas de etanol em água). Resposta da questão 4: Teremos: A: Equilíbrio entre a fase sólida e gasosa (S G). B: Ponto triplo: equilíbrio entre a fase sólida, líquida e gasosa (S L G). C: Equilíbrio entre a fase sólida e líquida (S L). D: Equilíbrio entre a fase líquida e gasosa (L G). E: Ponto crítico, no qual a temperatura é muito elevada e a pressão também. Neste ponto, não se distingui mais gás líquido de gás. Resposta da questão 5: a) A água apresenta um comportamento anômalo quanto à variação de densidade em temperatura de congelamento, isto é, quando muda do estado líquido para sólido, sua densidade aumenta (ao contrário de grande parte de substâncias). Sendo assim, o gráfico que representa o comportamento da água seria o gráfico II. b) A fusão da água é um processo endotérmico, pois ocorre com absorção de calor. c) Nas regiões I e III a água encontra-se nos estados sólido e líquido respectivamente. Nessas situações as moléculas absorvem calor aumentando seu grau de agitação. d) Durante a fusão a energia absorvida é convertida em energia potencial no sistema que, aumenta sua desorganização. Isso significa que as moléculas de água se afastam diminuindo aagregação do sistema. 8
Resposta da questão 6: A substância A se funde durante 15 minutos, enquanto a substância B se funde durante 20 minutos. Assim, podemos afirmar que a substância A se funde mais rapidamente. A temperatura ambiente em ambas as substâncias se encontram na fase líquida, com A apresentando ponto de ebulição 50 C e B apresentando ponto de ebulição 118 C. Nesse caso, a mistura homogênea deverá ser separada por destilação fracionada, recolhendo-se o líquido mais volátil. Resposta da questão 7: a) Exemplo de reação em que não houve transferência de elétrons (não houve alteração do Nox): Reações de formação do Fe(OH) ou do Cr(OH) : Fe (aq) OH (aq) Fe(OH) (s) Cr (aq) OH (aq) Cr(OH) (s) Exemplo de reação em que houve transferência de elétrons (alteração do Nox): b) Teremos: Fe(s) 2H (aq) H (g) Fe (aq) 2 6 2 Cr (aq) Fe (aq) Fe (aq) Cr (aq) Observação: Na decantação a água pode ser retirada por sifonação. Resposta da questão 8: a) Podemos citar o processo de fusão da sílica juntamente com os fundentes. Além disso, podemos citar também o banho Float, que consiste numa simples mistura de materiais, sem transformações. b) Oxido de alumínio (A 2O ) e óxido de sódio (Na 2 O). c) De acordo com o enunciado, o vidro tem tempo de degradação muito longo (mais de mil anos). Dessa forma seu descarte no ambiente poderá gerar acúmulo desse material, aumentando a presença de substâncias estranhas aos ecossistemas onde ocorre o descarte. Além disso, a reutilização do vidro diminui o consumo de matérias primas e de energia que seriam necessários para a produção industrial de mais material dessa natureza. 9
Resposta da questão 9: a) Éter etílico é miscível em benzeno e ambos não são miscíveis em água, então teremos: b) O procedimento adequado seria a destilação fracionada, pois tem-se uma mistura homogênea de dois líquidos com pontos de ebulição distantes. c) Teremos: Rótulo Ponto de ebulição/ C Solubilidade em água Informações adicionais 16,0 (elevadas forças Solúvel intermoleculares, Reage com solução de A (A é polar e apresenta presença de grupo NaHCO grupo OH) (A é ácido) OH) 76,7 (maior superfície Imiscível B de contato do que Mais denso que a água (B é apolar) C) C Conclusão: 47,7 (menor superfície de contato do que B) Imiscível (C é apolar) Reage com água de bromo (C possui insaturação) d) A reação é uma esterificação: Resposta da questão 10: A partir das propriedades citadas, conclui-se que o material é um metal. Os metais sólidos são formados por retículos cristalinos ordenados e organizados, e podem apresentar várias formas. Uma das principais características dos metais ou das ligas metálicas é a condução elétrica e a condução térmica (condução de calor). Como existe certa facilidade de perda de elétrons pelos metais, criou-se a teoria da nuvem eletrônica que explica, basicamente, a ligação entre metais iguais ou de tipos diferentes. Os átomos dos metais têm facilidade de perder elétrons e virarem cátions, ou seja, apresentam baixa energia de ionização. Com isso ocorre a formação de camadas de cátions envolvidas por elétrons livres, como se fosse um mar de elétrons em volta desses cátions. O metal se torna um conjunto de cátions mergulhados em uma nuvem de elétrons deslocalizados. Esta nuvem funciona como uma cola mantendo os cátions no retículo cristalino. A este fenômeno chamamos de ligação metálica. 10
Algumas Propriedades dos Metais: Condutibilidade elétrica: o metal é capaz de conduzir corrente elétrica. Condutibilidade térmica: o metal é um bom condutor de calor. Maleabilidade: o metal pode ser conformado na forma de chapas de várias espessuras, inclusive muito finas. Ductibilidade: o metal pode ser conformado na forma de fios de vários diâmetros, inclusive muito finos. Resposta da questão 11: a) De acordo com a tabela, o ponto de fusão da substância contida no frasco é o 2 C e o ponto de fusão o é 77 C. Como o 2 C (S L) 25ºC 77ºC (L G), concluímos que o estado de agregação da substância é líquido. o b) A solubilidade da substância em água a 25 C é 0,1 g/100 g de HO. 2 Então 0,1 g 100 g (H2O) mg 200,0 g (H2O) m 0,2 g (massa que se dissolveu de X) Foram adicionados 56,0 g da substância X, logo 55,8 g (56,0 g 0,2 g) não dissolveu. c) Como a 25ºC a densidade da substância X é1,59 g/cm e este valor é maior do que a densidade da água, que é de1,00 g/cm, conclui-se que X fica na parte inferior do recipiente. Resposta da questão 12: a) O nome do fenômeno que ocorre com o titânio é alotropia. O titânio metálico é considerado um bom condutor térmico, pois a ligação presente no retículo cristalino é metálica. Nesse caso, existem elétrons livres. O minério de urânio é um péssimo condutor de eletricidade, pois apresenta ligação iônica e, nesse caso, os íons ficam presos no retículo. b) Somando a primeira equação com a segunda multiplicada por dois, teremos: Então, 2FeTiO 7C 2 6C 2TiC 4 2FeC 2TiC 4 4Mg 2Ti 4MgC 2 6CO 2FeTiO 7C 6C 4Mg 2FeC 6CO2 2Ti 4MgC 2 2 2FeTiO 7C 2 6C 4Mg 2FeC 6CO2 2Ti 4MgC 2 2 152 g 2 48 g 100 % 760 kg mti mti 240 kg 11
Resposta da questão 1: Teremos: O éter absorve calor do meio externo (recipiente com álcool) para evaporar; logo, a temperatura deve diminuir com o passar do tempo. Resposta da questão 14: a) A dissolução do cloreto de cálcio em água é um processo endotérmico, ou seja, absorve calor. Com o resfriamento da solução, a solubilidade do CaC 2 diminui e ocorre cristalização. Para separar os cristais de CaC 2 formados deve ser feita uma filtração simples. b) A partir da equação química, teremos: CaCO (s) 2 HC (aq) CaC 2(aq) H2O( ) CO 2(g) 100 g 111 g 0,80 625 g m CaC 2 555 g m CaC 2 Resposta da questão 15: O fenômeno que ocorre é físico. Parte do ar escapa da garrafa quando ela é aquecida e a pressão interna da garrafa diminui. Quando o ovo é colocado sobre o bocal da garrafa (resfriada), ele é empurrado para dentro da garrafa, devido à diferença de pressão (Pexterna P interna). 12