Resolução 10. Resolução básica

QUÍMICA

1. Palíndromo – Diz-se da frase ou palavra que, ou se leia da esquerda para a direita, ou da direita para a esquerda, tem o mesmo sentido.

Aurélio. Novo Dicionário da Língua Portuguesa, 2a _{ed., 40}a _imp.,

Rio de Janeiro, Ed. Nova Fronteira, 1986, p.1251.

“Roma me tem amor” e “a nonanona” são exemplos de palíndromo.

A nonanona é um composto de cadeia linear. Existem quatro nonanonas isômeras.

a) Escreva a fórmula estrutural de cada uma dessas nonanonas.

b) Dentre as fórmulas do item a, assinale aquela que poderia ser considerada um palíndromo.

c) De acordo com a nomenclatura química, podem-se dar dois nomes para o isômero do item b. Quais são esses nomes? Resolução a) H₃C – C – (CH₂)₆ – CH₃ || O H₃C – CH₂ – C – (CH₂)₅ – CH₃ || O H₃C – (CH₂)₂ – C – (CH₂)₄ – CH₃ || O H₃C – (CH₂)₃ – C – (CH₂)₃ – CH₃ || O b) H₃C – (CH₂)₃ – C – (CH₂)₃ – CH₃ || O

c) Nome oficial: 5-nonanona. Nome usual: dibutil cetona.

2. Industrialmente, o clorato de sódio é produzido pela eletrólise da salmoura* aquecida, em uma cuba eletrolítica, de tal ma-neira que o cloro formado no anodo se misture e reaja com o hidróxido de sódio formado no catodo. A solução resultante contém cloreto de sódio e clorato de sódio.

2NaCl (aq) + 2H2O (l) ® Cl2 (g) + 2NaOH (aq) + H2 (g)

3Cl2 (g) + 6 NaOH (aq) ® 5 NaCl (aq) + NaClO3 (aq) + 3H2O (l)

Ao final de uma eletrólise de salmoura, retiraram-se da cuba eletrolítica, a 90 o_{C, 310 g de solução aquosa saturada tanto}

de cloreto de sódio quanto de clorato de sódio. Essa amostra foi resfriada a 25 o_{C, ocorrendo a separação de material}

sóli-do.

a) Quais as massas de cloreto de sódio e de clorato de sódio presentes nos 310 g da amostra retirada a 90 o_{C? Explique.}

b) No sólido formado pelo resfriamento da amostra a 25 o_C,

qual o grau de pureza (% em massa) do composto presen-te em maior quantidade?

c) A dissolução, em água, do clorato de sódio libera ou ab-sorve calor? Explique.

* salmoura = solução aquosa saturada de cloreto de sódio Resolução

a) Sendo a solução saturada a 90o _{C, lê-se no gráfico que}

100 g de água dissolvem: 40 g de NaCl; 170 g de NaClO₃, o que resulta em 310 g de solução.

b) Pelo resfriamento a 25o C, temos na solução:

100 g de NaClO₃ e 35 g de NaCl. Portanto, precipitam 70 g de NaClO₃ e 5 g de NaCl.

75 g ____ 100%

x ~ 93% 70 g ____ x

c) Absorve calor, pois o aumento de temperatura favorece sua dissolução.

3. Para aumentar a vida útil de alimentos que se deterioram em contacto com o oxigênio do ar, foram criadas embalagens compostas de várias camadas de materiais poliméricos, um dos quais é pouco resistente à umidade, mas não permite a passagem de gases. Este material, um copolímero, tem a se-guinte fórmula

( CH2 – CH2 )m ( CH2 – CH )n

| OH

e é produzido por meio de um processo de quatro etapas, esquematizado abaixo.

a) Dentre os compostos, vinil-benzeno (estireno) acetato de vinila propeno propenoato de metila, qual pode ser o monômero X ? Dê sua fórmu-la estrutural.

b) Escreva a equação química que representa a transforma-ção que ocorre na etapa Y do processo.

Resolução a) Acetato de vinila O H₃C – C O – CH ___ CH₂ ___ b) – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH + n NaOH | O | C ___ O → | ___ CH_{3 n} – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH – ¾® | + OH _n O + n CH₃ – C ONa grupo vinila H2C = CH |

4. Alcanos reagem com cloro, em condições apropriadas, pro-duzindo alcanos monoclorados, por substituição de átomos de hidrogênio por átomos de cloro, como esquematizado: Cl2 + CH3CH2CH3 £ “£luz Cl – CH2CH2CH3 + CH3CHCH3 | Cl 43% 57% CH3 CH3 CH3 | | | Cl2 + CH3 – C – H £ “luz£ Cl – CH2 – C – H + CH3 – C – Cl | | | CH3 CH3 CH3 64% 36%

Considerando os rendimentos percentuais de cada produto e o número de átomos de hidrogênio de mesmo tipo (primário, secundário ou terciário), presentes nos alcanos acima, pode-se afirmar que, na reação de cloração, efetuada a 25 o_C,

• um átomo de hidrogênio terciário é cinco vezes mais reativo do que um átomo de hidrogênio primário.

• um átomo de hidrogênio secundário é quatro vezes mais reativo do que um átomo de hidrogênio primário.

Observação: Hidrogênios primário, secundário e terciário são os que se ligam, respectivamente, a carbonos primário, secundário e terciário.

A monocloração do 3-metilpentano, a 25 o_{C, na presença de}

luz, resulta em quatro produtos, um dos quais é o 3-cloro-3-metilpentano, obtido com 17% de rendimento.

a) Escreva a fórmula estrutural de cada um dos quatro pro-dutos formados.

b) Com base na porcentagem de 3-cloro-3-metilpentano for-mado, calcule a porcentagem de cada um dos outros três produtos. Resolução a) H₂C – CH₂ – CH – CH₂ – CH₃ | | Cl CH₃ H₃C – CH – CH – CH₂ – CH₃ | | Cl CH₃ Cl | H3C – CH2 – C – CH2 – CH3 | CH3 25 o_C 25 o_C

H3C – CH2 – CH – CH2 – CH3 |

CH2 |

Cl

b) O 3-cloro-3-metilpentano é o produto da cloração no carbonoterciário, no qual há apenas 1 átomo de hidrogênio. Dessa forma,

1 H terciário →17% de reatividade e, então, cada H primário = 17

5 = 3,4%, e cada H secundário = = 4 . 3,4 = 13,6%. Portanto, H₂C – CH₂ – CH – CH₂ – CH₃ tem 6 hidrogênios | | primários = 6 . 3,4 = 20,4% Cl CH₃ H3C – CH – CH – CH2 – CH3 tem 4 hidrogênios | | secundários = 4 . 13,6 = Cl CH3 = 54,4% H₃C – CH₂ – CH – CH₂ – CH₃ tem 3 hidrogênios | primários = 3 . 3,4 = 10,2% CH2 | Cl Comentários:

1o_{) Os valores obtidos em b são aproximados e a soma das}

porcentagens é maior que 100.

2o_{) A monocloração do 3-metilpentano produz 6 produtos e}

não 4, pois os dois primeiros indicados no item a apresentam isomeria ótica.

5. Um ácido monocarboxílico saturado foi preparado pela oxida-ção de 2,0 g de um álcool primário, com rendimento de 74%. Para identificar o ácido formado, efetuou-se sua titulação com solução aquosa de hidróxido de sódio de concentração igual a 0,20 mol L–1_{. Gastaram-se 100 mL para consumir todo o}

ácido.

Elemento H C O

massa molar/ g mol–1 _{1 12 16}

a) Determine a massa molar do álcool empregado.

b) Escreva a fórmula molecular do ácido carboxílico resultan-te da oxidação do álcool primário.

c) Escreva as fórmulas estruturais dos ácidos carboxílicos,

Resolução a) n = M . V n = 0,20 . 0,1 n = 0,02 mol de ácido \ 0,02 mol de álcool. 2,0 g 100% x = 1,48 g x 74% 1,48 g 0,02 mol y = 74 g y 1 mol Portanto, 74 g . mol–1 b) C₄H₈O₂ O c) CH₃ – CH₂ – CH₂ – C OH O CH₃ – CH – C | OH CH₃

6. A L-isoleucina é um aminoácido que, em milhares de anos, se transforma no seu isômero, a D-isoleucina. Assim, quando um animal morre e aminoácidos deixam de ser incorporados, o quociente entre as quantidades, em mol, de D-isoleucina e de L-isoleucina, que é igual a zero no momento da morte, aumen-ta gradativamente até atingir o valor da consaumen-tante de equilí-brio. A determinação desses aminoácidos, num fóssil, permi-te datá-lo. O gráfico traz a fração molar de L-isoleucina, em uma mistura dos isômeros D e L, em função do tempo.

a) Leia no gráfico as frações molares de L-isoleucina indicadas com uma cruz e construa uma tabela com esses valores e com os tempos correspondentes.

b) Complete sua tabela com os valores da fração molar de D-isoleucina formada nos tempos indicados. Explique. c) Calcule a constante do equilíbrio da isomerização

L-isoleucina = D-isoleucina

d) Qual é a idade de um osso fóssil em que o quociente entre as quantidades de D-isoleucina e L-isoleucina é igual a 1? Resolução a) X L t₁₀3 1 0 ---0,68 50 0,50 125 0,44 200 0,42 300 0,42 450 b) L D 3 t X X 10 1 0 0 ---0,68 0,32 50 0,50 0,50 125 0,44 0,56 200 0,42 0,58 300 0,42 0,58 450 em que: X_L + X_D = 1 c) _D D C L L D T D L T L C C n D _V n K n L n V X n X X n X 0,58 K K 1,38 0, 42 ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ = = = = ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ = = = ⇒ = d) Para quociente = 1 X_D = X_L = 0,5 Portanto, t = 125 . 103 anos.

7. Uma jovem senhora, não querendo revelar sua idade, a não ser às suas melhores amigas, convidou-as para festa de ani-versário, no sótão de sua casa, que mede 3,0 m x 2,0 m x 2,0 m. O bolo de aniversário tinha velas em número igual à idade da jovem senhora, cada uma com 1,55 g de parafina. As velas foram queimadas inteiramente, numa reação de combustão completa. Após a queima, a porcentagem de gás carbônico, em volume, no sótão, medido nas condições-ambiente, au-mentou de 0,88 %. Considere que esse aumento resultou, exclusivamente, da combustão das velas.

Dados:

massa molar da parafina, C22H46 310 g mol–1

volume molar dos gases nas

condições-ambiente de pressão e temperatura 24 L mol–1

a) Escreva a equação de combustão completa da parafina. b) Calcule a quantidade de gás carbônico, em mols, no

só-tão, após a queima das velas.

c) Qual é a idade da jovem senhora? Mostre os cálculos. Resolução a) 2 C₂₂H₄₆(s) + 67 O₂(g) ® 44 CO₂(g) + 46 H₂O(l) b) volume do sótão = 3,0 . 2,0 . 2,0 = 12 m3 = 12000 L 12000 L ________ 100% V ________ 0,88% V = 105,6 L 1 mol ________ 24 L x ________ 105,6 L x = 4,4 mol

4,4 mol de CO₂ proveniente das velas mais a quantidade inicial não fornecida.

c) 2 . 310 g ________ 44 mol

m ________ 4,4 mol m = 62 g de velas 1 vela ________ 1,55 g

n ________ 62 g n = 40 velas Portanto, 40 anos.

8. Ácido nítrico é produzido pela oxidação de amônia com ex-cesso de oxigênio, sobre um catalisador de platina, em uma seqüência de reações exotérmicas. Um esquema simplificado desse processo é

a) Escreva as equações químicas balanceadas das reações que ocorrem no reator, na torre de oxidação e na torre de absorção. Note que, desta última, sai NO(g), nela gerado. A maior parte desse gás é aproveitada na própria torre, onde há oxigênio em excesso. Duas reações principais ocor-rem nessa torre.

b) A velocidade da reação que ocorre na torre de oxidação, ao contrário da velocidade da maioria das reações quími-cas, diminui com o aumento da temperatura. Baseando-se em tal informação, explique o que deve ser o dispositivo A.

Resolução

a) No reator:

4 NH₃ + 5 O₂ ® 4 NO + 6 H₂O

Na torre de oxidação e, posteriormente, na torre de absorção:

2 NO + O₂ ® 2 NO₂ Torre de absorção:

2 NO₂ + H₂O ® HNO₂ + HNO₃ 3 HNO₂ ® H₂O + HNO₃ + 2 NO

b) O dispositivo A deve ser um refrigerador, de forma que o NO seja injetado a baixa temperatura na torre de oxidação, aumentando a velocidade de sua conversão a NO₂. 9. Recentemente, foi lançado no mercado um tira-manchas, cujo

componente ativo é 2Na₂CO₃. 3H₂O₂. Este, ao se dissolver em água, libera peróxido de hidrogênio, que atua sobre as manchas.

a) Na dissolução desse tira-manchas, em água, forma-se uma solução neutra, ácida ou básica? Justifique sua resposta por meio de equações químicas balanceadas.

b) A solução aquosa desse tira-manchas (incolor) descora rapidamente uma solução aquosa de iodo (marrom). Com base nos potenciais-padrão de redução indicados, escre-va a equação química que representa essa transformação. c) No experimento descrito no item b, o peróxido de

hidrogê-nio atua como oxidante ou como redutor? Justifique. Semi-reação de redução Ereduçãoθ / volt

H2O2 (aq) + 2H+ (aq) + 2e– = 2H2O (l) 1,77

I2 (s) + 2e– = 2I– (aq) 0,54

O2 (g) + 2H2O (l) + 2e– = H2O2 (aq) + 2OH– (aq) –0,15

Resolução

a) 2 Na₂CO₃ . 3 H₂O₂(s) _⎯⎯⎯→H O_{2 2 Na}

2CO3(aq) + 3 H2O2(aq)

2 2− 3

CO _{(aq) + 4 H2O(l) ì 4 OH}–_{(aq) + 2} < _H2CO3> _(aq)

2 2− 3

CO (aq) + 2 H₂O(l) ì 4 OH–(aq) + 2 CO₂(g)

Logo, temos que a solução resultante é básica.

b) Semi-reações I₂(s) + 2 e– ® 2 I–(aq) H₂O₂(aq) + 2 OH–_{(aq) ® O}

2(g) + 2 H2O(l) + 2 e–

Reação global

I₂(s) + H₂O₂(aq) + 2 OH–_{(aq) ® 2 I}–_{(aq) + O}

2(g) + 2 H2O(l)

c) Pelas semi-reações do item b, temos que o peróxido de hidrogênio é o agente redutor, pois perde elétrons. 10.Define-se balanço de oxigênio de um explosivo, expresso em

percentagem, como a massa de oxigênio faltante (sinal nega-tivo) ou em excesso (sinal posinega-tivo), desse explosivo, para transformar todo o carbono, se houver, em gás carbônico e todo o hidrogênio, se houver, em água, dividida pela massa molar do explosivo e multiplicada por 100. O gráfico abaixo traz o calor liberado na decomposição de diversos explosi-vos, em função de seu balanço de oxigênio.

Um desses explosivos é o tetranitrato de pentaeritritol (PETN, C₅H₈N₄O₁₂). A equação química da decomposição desse ex-plosivo pode ser obtida, seguindo-se as seguintes regras:

l Átomos de carbono são convertidos em monóxido de

car-bono.

l Se sobrar oxigênio, hidrogênio é convertido em água. l Se ainda sobrar oxigênio, monóxido de carbono é

conver-tido em dióxido de carbono.

l Todo o nitrogênio é convertido em nitrogênio gasoso

diatômico.

a) Escreva a equação química balanceada para a decomposi-ção do PETN.

b) Calcule, para o PETN, o balanço de oxigênio.

c) Calcule o DH de decomposição do PETN, utilizando as entalpias de formação das substâncias envolvidas nessa transformação.

d) Que conclusão é possível tirar, do gráfico apresentado, relacionando calor liberado na decomposição de um

ex-Substância O PETN massa molar / g mol–1 _{16 316}

Substância PETN(s) CO2 (g) CO (g) H2O (g) 1 Entalpia de formação kJ mol− –538 –394 –110 –242 Resolução a) C₅H₈N₄O₁₂ ® 2 CO + 4 H₂O + 3 CO₂ + 2 N₂ b) C₅H₈N₄O₁₂ + 1 O₂ ® 5 CO₂ + 4 H₂O + 2 N₂ balanço de O₂ = – 32 316 . 100 = –10,1% c) C₅H₈N₄O₁₂ ® 2 CO + 4 H₂O + 3 CO₂ + 2 N₂ DH = H_p – H_R DH = (2 H_CO + 4 H_H2O + 3 H_CO2 + 2 H_N2) – (H_C5H8N4O12) DH = [2 (–110) + 4 (–242) + 3 (–394) + 2 (0)] – (–538) DH = – 220 – 968 – 1182 + 538 DH = – 1832 kJ/mol

d) A energia liberada terá seu valor máximo para um balanço de oxigênio igual a zero, não tendo excesso e nem falta de oxigênio para a combustão completa do explosivo.

COMENTÁRIO

Ocorreu distribuição da prova em 18% de Química Geral, 36% de Físico-química e 46% de Química Orgânica.

A questão 7 só fornece dados para a resolução do item a. Para dar as respostas dos itens b e c, o candidato deve interpretar o aumento de 0,88% de forma distinta do enunciado.

Na questão 9, apesar de falar-se em semi-reação, apresentou-se como equilíbrio. A prova apresentou 60% de questões difíceis e 40% de questões médias.