Programa Nacional Olimpíadas de Química XX Olimpíada Norte-Nordeste de Química 17/05/2014

Programa Nacional Olimpíadas de Química XX Olimpíada Norte-Nordeste de Química

17/05/2014 Questão 1

O trinitroglicerol (conhecido comercialmente como nitroglicerina – [C3H5(NO3)3]) é um líquido

oleoso de coloração amarela levemente esverdeada, semelhante ao mel, utilizado como explosivo devido a sua instabilidade e capacidade de liberação de moléculas de gases. Sua temperatura não deve ultrapassar 30 o_{C e nem ser exposto a choques mecânicos. Seu efeito}

explosivo libera gases nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água. A partir destas informações, responda:

a) Equacione, balanceie e classifique a reação.

b) Para cada mol de trinitroglicerol quantos litros de gases são produzidos nas CNTP?

c) Qual é a energia liberada na detonação de 22,7 g de trinitroglicerol, sabendo que os calores de formação a 25 oCsão: Substância _ΔHf /kJ mol-1 C3H5(NO3)3() -353,6 CO2(g) -393,5 H2O(g) -241,8 N2(g) 0 O2(g) 0

d) Uma forma comum do trinitroglicerol funde-se a 3 oC. A partir dessa informação e da fórmula apresentada, determine se a substância é molecular ou iônica, justificando sua resposta.

Respostas:

a) 2C3H5(NO3)3() → 3N2(g) + 6CO2(g) + 1/2O2(g) + 5H2O(g) ou

4C3H5(NO3)3() → 6N2(g) + 12CO2(g) + O2(g) + 10H2O(g) – reação de decomposição

b) Do item a): 1 mol de C3H5(NO3)3() formam 29/4 moles de gás (N2, CO2 e O2)

E da lei de Avogadro, tem-se que 1 mol de qualquer gás nas CNPT ocupa um volume de 22,4 L. Logo: 22,4 L 1 mol de gás V 29/4 moles de gás 𝑉 = 22,4  𝐿 × 29 4  𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠  𝑑𝑒  𝑔á𝑠 1  𝑚𝑜𝑙  𝑑𝑒  𝑔á𝑠 = 162,4  𝐿  𝑑𝑒  𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠

c) M(C3H5(NO3)3) = (3×12 + 5×1 + 3×14 + 9×16) g mol = 227 g mol

ΔHr = 1,5×ΔH(N2, g) + 3×ΔH(CO2, g) + 1/4×ΔH(O2, g) + 2,5×ΔH(H2O, g) - ΔH(C3H5(NO3)3, )

ΔHr = 1,5×0 + 3×(-393,5 kJ mol-1) + 1/4×0 + 2,5×(-241,8 kJ mol-1) – (-353,6 kJ mol-1)

ΔHr = (-1180,5 – 604,5 + 353,6) kJ mol-1 = 1431,4 kJ mol-1

Fazendo : 1431,4 kJ 227 g

ΔH 22,7 g

ΔH = 143,1 kJ

d) Como o trinitriglicerol funde-se abaixo da temperatura ambientem espera-se que ele seja uma substância molecular. Pois, além disso, a fórmula molecular sugere que é mais provável ser uma substância molecular, uma vez que todos os elementos que compõem a fórmula são não-metais.

Questão 2

No descarte de embalagens de produtos químicos é importante que elas contenham o mínimo possível de resíduos, evitando ou minimizando impactos ambientais e/ou outras consequências indesejáveis. Sabendo-se que, depois de utilizada, em cada embalagem de hidróxido de sódio restam 4 g do produto, e na tentativa de mitigar este resíduo, analise os seguintes procedimentos:

Embalagem I: uma única lavagem, com 1 L de água;

Embalagem II: duas lavagens, com 0,5 L de água em cada vez. Com base nestas informações, responda:

a) Qual a concentração de NaOH, em mol L-1_{, na solução resultante da lavagem da}

embalagem I?

b) Considerando que, após cada lavagem, resta 0,005 L de solução no frasco, determine a concentração de NaOH, em mol L-1_{, na solução resultante da segunda lavagem da}

embalagem II e indique qual dos dois procedimentos de lavagem foi mais eficiente, justificando sua resposta.

c) Determine o pH da solução resultante da segunda lavagem da embalagem II (item b).

d) Qual o volume de ácido nítrico a 0,0025 mol L-1 _{necessário para neutralizar a solução}

resultante da segunda lavagem da embalagem II (item b). Dados: log 2 = 0,3.

Respostas:

a) Após o uso da embalagem I, restam 4 g de NaOH (resíduo) e este é lavado com 1 L de água.

Logo: NaOH = 𝑛 𝑉 = 𝑚 𝑀×𝑉 NaOH = 4  g 40  g mol!! × 1  L = 0,1  mol L !!

b) Na primeira lavagem da embalagem II, a concentração de NaOH resultante é:

NaOH = 4  g

40  g mol!! × 0,5  L = 0,2  mol L

!!

Sabendo que para a segunda lavagem restaram 0,005 L de NaOH 0,2 mol L-1_{. E que na}

segunda lavagem foi utilizado 0,5 L, onde resultou em uma solução de NaOH diluída de concentração de:

A fórmula de diluição é dada por: NaOH _!×𝑉_! = NaOH _!×𝑉_! NaOH _! = NaOH !×𝑉! 𝑉_! = 0,2  mol L!! × 0,005  L 0,5  L = 2×10!!  mol L !! c) 𝑝𝑂𝐻 = -­‐log OH!

𝑝𝑂𝐻 = −log 2×10!! _{= 3×log 10 − log 2 = 3 − 0,3 = 2,7}

Como pH + pOH = 14

𝑝𝐻 = 14 − 𝑝𝑂𝐻 = 14 − 2,7 = 11,3

d) Para a neutralização da base com ácido, tem-se: nácido = nbase

[ácido]×Vácido = [base]×Vbase

𝑉_ácido = base ×𝑉base

ácido =

2×10!!  _{mol L}!! _{× 0,005  L}

0,0025  mol L!! = 0,004  L  ou  4  mL

Questão 3

O dióxido de carbono (CO2) é considerado um dos gases causadores do efeito estufa,

processo que contribui para o aquecimento global. Isso ocorre porque o dióxido de carbono, entre outros gases, é capaz de absorver parte da radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra, evitando que ela escape para o espaço, o que resulta num aumento significativo da temperatura. Uma forma de descrever o comportamento desse gás é através de seu respectivo diagrama de fases. Diante disso, pede-se:

a) Plote o diagrama de fases para o CO2 a partir dos seguintes dados:

(I) O ponto triplo é de 5,2 atm e -57 oC (II) O ponto crítico está em 72,8 atm e 31 oC

(III) A uma pressão de 1 atm, a fase de transição sólido-gás tem lugar a -78 oC

(IV) A uma pressão de 72,8 atm, a fase de transição sólido-líquido tem lugar a -21 oC (V) Identifique os eixos e indique a fase (estado físico) em cada região.

A partir do diagrama de fases, responda:

b) Para o CO2 a 5 atm e -50 oC, qual é a fase estável presente?

c) Quais as mudanças de fase que ocorrem quando a pressão de uma amostra de CO2 é

reduzida de 70 a 7 atm, em temperatura constante de 0 oC.

d) Quais as mudanças de fase que ocorrem quando a temperatura de uma amostra de CO2 é levada de -65 para -40oC, em pressão constante de 10 atm.

e) Em seu entendimento qual o significado físico de ponto triplo e de ponto crítico?

Respostas:

b) Fase gasosa

c) Fase líquida para fase gasosa

d) Fase gasosa passando pela fase líquida e alcançando a fase sólida (se considerar a temperatura mudando de -65 oC para -40 oC e, a sequência inversa, se considerar variação de -40 oC para -65 oC.

e) Ponto triplo é a ocorrência das três fases (sólida, líquida e gasosa) em equilíbrio a uma determinada pressão (5,2o_{atm) e temperatura (-57 C). E o ponto crítico é o momento que as}

fases gasosa e líquida se tornam indistinguíveis, ou melhor, tem comportamento de fluido.

Questão 4

“O Brasil possui um dos mais eficientes ciclos de reciclagem de alumínio do mundo. De acordo com a Associação Brasileira do Alumínio - ABAL, o índice supera os 35 % ante cerca de 29 % da média mundial. Segundo o consultor de Marketing da ALCOA, Eduardo Lima, anualmente vem crescendo no mundo o uso de alumínio primário reciclado em relação ao metal primário, passando de 17 % em 1960 para 33 % em 2004. A estimativa para 2020 é atingir os 40 %.” (fonte: http://sustentar.net/2013/sem-categoria/reciclagem-de-aluminio-deve-saltar-para-40).

A reciclagem do alumínio é de grande importância ambiental e energética, uma vez que esse processo economiza cerca de 95 % de energia elétrica. O alumínio é obtido a partir da eletrólise ígnea do óxido de alumínio, presente na bauxita. Diante dessas informações, resolva as seguintes questões:

a) Equacione a reação da eletrólise e indique os produtos obtidos, respectivamente, no cátodo e no ânodo. -80 -60 -40 -20 0 20 40 80 60 40 5 1 0

Temperatura/

_C

Pres

sã

o/

atm

gasoso

líquido

sólido

de 8.000 A durante 150 h.

c) Considerando uma massa de 306 t de bauxita, onde foram obtidas 81 t de alumínio, determine o grau de pureza desse minério.

d) Para cada tonelada de Al2O3 , quantos litros deO2 nas CNTP serão produzidos?

--- Resposta: Al2O3 → 2Al + 3/2O2 102 g 3/2 × 22,4 L 1 t V 𝑉 = 1  𝑡 × 10!  _𝑘𝑔 1  𝑡 × 10 !  _𝑔 1  𝑘𝑔 × 32 ×22,4  𝐿 102  g = 32,94×10!  𝐿 de 𝑂! ---

Dados: Constante de Faraday = 9,6 × 104 C  mol-1_.

Respostas:

a) Al2O3→ 2Al3+ + 3O2-

No ânodo (–): 3O2- → 3/2 O2 + 6e–

No cátodo (+): 2Al3+ _{+ 6e}– _{→ 2Al}

---Equação global: 2Al3+ + 3O2- → 2Al + 3/2O2

b) 𝑖 = 8000  A = 8×10!  _A ∆𝑡 = 150  h×60  min 1  h × 60  s 1  min= 540000  s = 5,4×10!  s 𝑄 = 𝑖×∆𝑡 = 8×10!  _{A × 5,4×10}!  _{s = 432×10}!  _C Sendo: Al3+ _{+ 3e}– _{→ Al} 3 × 96500 C --- 27 g de Al 432 × 107 C --- m 𝑚 = 27  𝑔  𝑑𝑒  𝐴𝑙 × 432×10!  C 3×96500  C = 402,9×10!g de Al≈ 403  kg de Al c) A reação da conversão de bauxita em alumínio metálico:

Al2O3 → 2Al + 3/2O2

102 g 54 g

𝑚 = 306  t × 54  g_{102  t} = 162  t de Al Cálculo da pureza da bauxita:

162 t de Al 100 % de bauxita

81 t de Al p

𝑚 = 100  %  de bauxita × 81  t de Al

162  t de Al = 50  % de bauxita

d) A relação de energia é dada no texto: 95% menos no caso da reciclagem. Assim, a produção de alumínio reciclado, usando a mesma energia é 19 vezes maior (95/5 = 19). Logo, a produção será 403 × 19 = 7657 kg de Al.

Resposta:

dAl2O3 → 2Al + 3/2O2

102 g 3/2 × 22,4 L 1 t V 𝑉 = 1  𝑡 × 10!  _𝑘𝑔 1  𝑡 × 10 !  _𝑔 1  𝑘𝑔 × 32 ×22,4  𝐿 102  g = 32,94×10!  𝐿 de 𝑂! Questão 5

A carambola é uma planta subtropical pertence à família das Oxalidacea, espécie Averrhoa

carambola. Algumas subespécies têm sido utilizadas para polir metais, especialmente bronze,

uma vez que ela dissolve manchas e ferrugem devido, provavelmente, ao seu alto teor de ácido oxálico. É também utilizada, na Índia, para estancar hemorragias e aliviar sangramento de hemorroidas. No Brasil, a carambola é recomendada a diabéticos como hipoglicemiante (abaixa o teor de açúcar do sangue), como diurética e para dores renais e de vesícula. No entanto, o ácido oxálico pode ser altamente tóxico para doentes renais. Em pessoas com a saúde renal normal, a toxina é filtrada pelo rim e eliminada do organismo, sem qualquer problema. Mas se o rim não funciona, a toxina concentra-se no sangue, atinge os neurônios e provoca soluços e convulsões. Pacientes renais são proibidos de comer o fruto ou qualquer derivado, sendo o ácido considerado uma neurotoxina (age no sistema nervoso). Casos de morte já foram registrados, pois a forte convulsão é praticamente irreversível. A cura pode se dar através de hemodiálise. A respeito do ácido oxálico, pede-se:

1,8 × 10-2 _{g da substância?}

c) Equacione a reação de neutralização total do ácido oxálico com hidróxido de potássio. d) Determine o volume nas CNTP, de ar atmosférico necessário para a combustão completa

de 2 moles de ácido oxálico, considerando 0,2 a fração molar do oxigênio na atmosfera.

Respostas: a) O C O C OH O H

b) Massa molar, M(C2H2O4) = 90 g mol-1

90 g 6,02 × 1023 _moléculas

1,8 × 10–2 _{g x}

𝑥 = 1,8×10!!  g 6,02×10!"  moléculas

90  g = 12×10!" moléculas de ácido tartárico c) O C O C OH O H

+

                                                                                                                                                       (etanodioato  de  potássio  ou  tartarato  de  potássio)  

d) A equação balanceada: C2H2O4 + ½O2→ 2CO2 + H2O

Para 2 moles temos: 2C2H2O4 + O2→ 4CO2 + 2H2O

1 mol de O2 nas CNPT 22,4 L 20 % do Volume de Ar Atmosférico

x 100 %

1 18 Hi dr og ên io₁ Hé lio2 H 2 13 14 15 16 17 He 1,008 4,003 Lí tio 3 Ber íli o 4 Bor o 5 Ca rb on o 6 Ni tro gê ni o 7 Ox ig ên io 8 Fl úor 9 Ne ôn io 10 Li Be B C N O F Ne 6,941 9,012 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 20,180 Sódi o 11 Ma gn és io12 Al um íni o 13 Si líc io 14 Fósf or o 15 Enx of re 16 Cl or o 17 Ar gôni o 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 22,990 24,305 26,982 28,086 30,974 32,066 35,453 39,948 Pot ás si o 19 Cá lc io 20 Es cândi o 21 Ti tâni o 22 Vanádi o 23 Cr ôm io 24 Ma ng an ês25 Fer ro 26 Co ba lto 27 Ní qu el 28 Co br e 29 Zi nco 30 Gá lio 31 Ge rmâ ni o 32 Ar sêni o 33 Sel êni o 34 Br om o 35 Cr ip tô ni o 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39,098 40,078 44,956 47,867 50,943 51,996 54,938 55,845 58,933 58,696 63,546 65,390 69,723 72,640 74,922 78,960 79,904 83,800 Ru bí di o 37 Es trônc io38 Ítrio 39 Zi rcôni o 40 Ni ób io 41 Mo lib dê nio42 Tecnéci o 43 Ru tê ni o 44 Pal ádi o 45 Pal ádi o 46 Pr at a 47 Cá dm io 48 Ín dio 49 Es tanho 50 Ant im ôni o 51 Tel úr io 52 Io do 53 Xenôni o 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 85,468 87,620 88,906 91,224 92,906 95,940 (98) 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,75 127,60 126,90 131,29 Cé si o 55 Bár io 56 57-71 Há fn io 72 Tânt al o 73 Tugst êni o 74 Rê ni o 75 Ós mi o 76 Iríd io 77 Pl at ina 78 Ou ro 79 Me rc úr io 80 Tál io 81 Ch um bo 82 Bi sm ut o 83 Pol ôni o 84 As tat o 85 Ra dô ni o 86 Cs Ba La-Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 132,91 137,33 Lantanídeos 178,49 180,95 183,84 186,21 190,23 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,20 209,98 (209) (210) (222) Fr ânci o 87 Rá di o 88 89-103 Ru te rfó rd io 104 Dú bn io 105 Seabór gio 106 Bóhr io 107 Há ss io 108 Me itn ér io 109 Da rm stá dt io 110 Ro ent gêni o 111 Co pe rn íc io112 Un út rio 113 Un ilq uá di o 114 Un un pê ni o 115 Un un hé xi o 116 Un un sé pt io117 Un un óc tio 118

Fr Ra Ac-Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

223,02 226,02 Actinídeos (261) (262) (263) (262) (265) (266) (269) (272) (285) (284) (289) (288) (291) (294) LANTANÍDEOS u Lant âni o 57 Cé rio 58 Pr as eodí m io 59 Ne od ím io60 Pr om éc io61 Sam ár io 62 Eur ópi o 63 Ga do lín io64 Tér bi o 65 Di sp ró si o 66 Hó lm io 67 Ér bi o 68 Túl io 69 Ité rb io 70 Lut éci o 71 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 139,91 140,12 140,91 144,24 (145) 150,36 151,96 157,25 158,93 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174,97 ACTINÍDEOS u Ac tíni o 89 Tór io 90 Pr ot ac tíni o 91 Ur ân io 92 Ne tú ni o 93 Pl ut ôni o 94 Am er íc io 95 Cú rio 96 Ber quél io97 Ca lif ór ni o 98 Ei ins têni o 99 Fér m io 100 Me nd elé vio101 No bé lio 102 Laur ênci o 103 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr (227) 232,04 231,04 238,03 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (262)