avanços da ciência e da tecnologia nos pos-sibilitam entender melhor o planeta em que vivemos. Contudo, apesar dos volumosos investimentos e do enorme esforço em pes-quisa, a Terra ainda permanece misteriosa. O entendimento desse sistema multifaceta-do, físico-químico-biológico, que se modifi-ca ao longo do tempo, pode ser comparado a um enorme quebra-cabeças. Para enten-dê-lo, é necessário conhecer suas partes e associá-las. Desde fenômenos inorgânicos até os intrincados e sutis processos biológi-cos, o nosso desconhecimento ainda é enor-me. Há muito o que aprender. Há muito trabalho a fazer.
Nesta prova, vamos fazer um pequeno ensaio na direção do entendimento do nosso planeta, a Terra, da qual depende a nossa vida.
A figura abaixo representa o ciclo da água na Terra. Nela estão representados processos naturais que a água sofre em seu ciclo. Com base no desenho, faça o que se pede:
a) Considerando que as nuvens são formadas por minúsculas gotículas de água, que mudan-ça(s) de estado físico ocorre(m) no processo 1?
principal tipo de ligação que está sendo rom-pido/formado na água?
c) Cite pelo menos um desses processos (de 1 a 6) que, apesar de ser de pequena intensida-de, ocorre no sul do Brasil. Qual o nome da mudança de estado físico envolvida nesse processo?
Resposta
a) No processo 1 ocorrem duas mudanças de es-tado físico: H O2 ( ) H O hidrosfera evaporação 2 (g) atmosfera l condensação (liquefação) H O2 ( )l nuvem
b) Durante mudanças de estado físico da água ocorrem ruptura (evaporação) e formação (con-densação/liquefação) de ligações (pontes) de hi-drogênio.
c) Um processo que ocorre em pequena intensi-dade e freqüência no sul do Brasil é o 3:
H O2 ( ) H O nuvem solidificação (congelamento) 2 (s) neve l / granizo
Após a precipitação de H O2 (s)pode ocorrer o pro-cesso inverso (4), que é denominado fusão.
Cerca de 90% da crosta e do manto terres-tres são formados por minerais silicáticos. Entender muitos processos geoquímicos sig-nifica conhecer bem o comportamento dessas rochas em todos os ambientes. Um caso par-ticular desse comportamento na crosta é a solubilização da sílica (SiO2) por água a alta temperatura e pressão. Esse processo de dis-solução pode ser representado pela equação:
SiO2(s) +2 H O2 (aq) = H SiO4 4(aq)
Em determinado pH a 300oC e 500 atmosfe-ras, a constante de equilíbrio para essa disso-lução, considerando a água como solvente, é de 0,012.
a) Escreva a expressão da constante de equi-líbrio para esse processo de dissolução.
Questão 1
b) Determine a concentração em g L−1 de
H4SiO4 aquoso quando se estabelece o equi-líbrio de dissolução nas condições descritas.
Resposta
a) A expressão da constante de equilíbrio, consi-derando a água como solvente, é:
KC =[H SiO ]4 4 b) Determinação da concentração em g⋅L−1 de H SiO4 4: 0,012 mol H SiO 1 L sol. 96 g 4 4 conc. molar 144424443⋅ H SiO 1 mol H SiO 1,15 g L 4 4 4 4 m. molar 1 1442443 ≅ ⋅ −
Na superfície da Terra, muitos minerais constituintes de rochas sofrem transforma-ções decorrentes das conditransforma-ções superficiais determinadas pelas chuvas, pelo calor forne-cido pelo Sol e pela presença de matéria orgâ-nica. Por exemplo, minerais de composição alumino-silicática poderão originar a bauxita (minério de alumínio rico em A Ol2 3), ou
en-tão, laterita ferruginosa (material rico em ferro), dependendo da retirada de sílica e a conseqüente concentração seletiva de óxidos de alumínio ou ferro, respectivamente. O grá-fico representa as condições sob as quais se dá a solubilização em água da sílica (SiO )2 e da alumina (A Ol2 3) a partir desses minerais,
em função do pH.
a) Considerando o gráfico, diga que substân-cia predomina, em solução aquosa, sob as condições de pH 3.
b) E sob as condições de pH 8, que substância predomina em solução aquosa?
c) Em que faixa de pH a solubilização seletiva favorece a formação de material residual rico em A Ol2 3? Justifique.
d) A espécie H SiO4 4 formada na dissolução do SiO2, que também pode ser escrita como
Si(OH)4, em solução aquosa, apresenta cará-ter ácido ou básico? Justifique, usando as in-formações contidas no gráfico.
Resposta
a) Em uma solução aquosa com pH ≤4, a subs-tância predominante é o íon Al(aq)3+ proveniente da solubilização do Al2O3.
b) Sob pH 8, a substância predominante é o H SiO4 4que provém da solubilização do SiO2. c) A formação do material residual (sólido) rico em Al2O3 é favorecida com um pH no qual esse óxi-do é pouco solúvel.
Então, aproximadamente, temos: 5 ≤pH favorável ≤9
d) A espécie H SiO4 4ou Si(OH)4apresenta caráter ácido uma vez que o equilíbrio SiO2(s) +2 H O2 ( )l H SiO4 4(aq) é fortemente deslocado para a direita (Princípio de Le Chatelier) ao redor de pH 10 (solução básica). Isso ocorre devido à diminuição da concentração do ácido H SiO4 4que reagiu com íons OH−da solução.
As condições oxidativas/redutoras e de pH de-sempenham importantes papéis em diversos processos naturais. Desses dois fatores depen-dem, por exemplo, a modificação de rochas e a presença ou não de determinados metais em ambientes aquáticos e terrestres, disponíveis à vida. Ambos os fatores se relacionam forte-mente à presença de bactérias sulfato-reduto-ras atuantes em sistemas anaeróbicos. Em alguns sedimentos, essas bactérias podem de-compor moléculas simples como o metano, como está simplificadamente representado pela equação abaixo:
CH4+H SO2 4 = H S2 +CO2+2 H O2
Questão 3
a) Considerando o caráter ácido-base dos rea-gentes e produtos, assim como a sua força re-lativa, seria esperado um aumento ou dimi-nuição do pH da solução onde a bactéria atua? Justifique.
b) Nas condições padrão, esse processo seria endotérmico ou exotérmico? Justifique com o cálculo da variação de entalpia dessa reação nas condições padrão.
Dados- Entalpias padrão de formação em kJ mol−1 : CH4 = − ; H SO75 2 4 = −909;
H S2 = − ; CO21 2 = −394; H O2 = −286.
Resposta
a) A atuação de bactérias causa um aumento do pH do meio, uma vez que, durante o processo, há o consumo de um ácido forte (H SO )2 4 e a produ-ção de um ácido fraco (H S)2 e de um óxido ácido (CO )2 , que origina o H CO2 3 , outro ácido fraco. Esses eletrólitos mais fracos liberam menos íons H+, causando a variação já citada no pH.
b) O processo é exotérmico ( H∆ <0). Veja o cál-culo da variação de entalpia:
∆HR ∆H ∆H fprodutos 0 freagentes 0 =
∑
−∑
∆HR 1 ∆H 1 ∆H fH2S 0 fCO2 0 = ⋅ + ⋅ + +2 ⋅ H −[1⋅ H + ⋅1 H ] fH2O 0 fCH4 0 f 2SO4 0 ∆ ∆ ∆ H ∆HR = ⋅ −1 ( 21) + ⋅ −1 ( 394) + +2⋅ −( 286)−[1 ( 75)⋅ − + ⋅ −1 ( 909)] ∆HR = −3 kJA matéria orgânica viva contém uma relação
14C /12C constante. Com a morte do ser vivo,
essa razão vai se alterando exponencialmente com o tempo, apresentando uma meia-vida de 5600 anos.
Constatou-se que um riacho, onde ocorreu uma grande mortandade de peixes, apresenta-va uma quantidade anômala de substâncias orgânicas. Uma amostra da água foi retirada para análise. Estudando-se os resultados analíticos referentes à relação14C / 12C, con-cluiu-se que a poluição estava sendo provoca-da por uma indústria petroquímica e não pela decomposição natural de animais ou plantas que tivessem morrido recentemente.
a) Como foi possível, com a determinação da relação14C /12C, afirmar com segurança que o problema tinha se originado na indústria petroquímica?
b) Descreva, em poucas palavras, duas fmas pelas quais a presença dessa matéria or-gânica poderia ter provocado a mortandade de peixes.
Resposta
a) Os dejetos orgânicos de uma petroquímica contêm substâncias derivadas do petróleo, que por sua vez é uma mistura formada, principalmen-te, de hidrocarbonetos que foram gerados da ma-téria orgânica proveniente da decomposição de se-res vivos. Como a formação do petróleo iniciou-se há milhões de anos, a relação14C/12C é acen-tuadamentemenorno petróleo que a encontrada em detritos orgânicos oriundos da decomposição natural de animais ou plantas que morreram re-centemente.
b) A matéria orgânica pode ter provocado a morte dos peixes de várias maneiras:
•
envenenamento direto dos peixes;•
consumindo o O2dissolvido na água;•
impedindo a dissolução de O2atmosférico;•
impedindo a entrada de luz na água do riacho, causando um desequilíbrio no ecossistema aquático.A síntese de alimentos no ambiente marinho é de vital importância para a manutenção do atual equilíbrio do sistema Terra. Nesse con-texto, a penetração da luz na camada superior dos oceanos é um evento fundamental. Ela possibilita, por exemplo, a fotossíntese, que leva à formação do fitoplâncton, cuja matéria orgânica serve de alimento para outros seres vivos. A equação química abaixo, não-balan-ceada, mostra a síntese do fitoplâncton. Nes-sa equação o fitoplâncton é representado por uma composição química média.
CO2+ NO−3 +HPO24− +H O2 +H+ =
= C106H263 110O N16P+138 O2
a) Reescreva essa equação química balancea-da.
b) De acordo com as informações do enuncia-do, a formação do fitoplâncton absorve ou li-bera energia? Justifique.
Questão 5
c) Além da produção de alimento, que outro benefício a formação do fitoplâncton fornece para o sistema Terra?
Resposta
a) A equação química corretamente balanceada fica assim:
106 CO2+16 NO3−+HPO42−+122 H O2 +18 H+→ →C106H263 110 16O N P +138 O2 b) A formação do fitoplâncton absorve energia. O texto do enunciado diz que "a penetração da luz na camada superior dos oceanos é um evento fundamental" para que ocorra essa reação, sen-do, portanto, um processo que ocorre com absor-ção de energia solar.
c) A formação do fitoplâncton também tem por be-nefício a produção de oxigênio molecular (O2), fundamental para os processos aeróbicos de pro-dução de energia para muitos seres vivos, além da absorção de CO2pela fotossíntese.
É voz corrente que, na Terra, tudo nasce, cresce e morre dando a impressão de um processo limitado a um início e a um fim. No entanto, a vida é permanente transforma-ção. Após a morte de organismos vivos, a de-composição microbiológica é manifestação de ampla atividade vital. As plantas, por exem-plo, contêm lignina, que é um complexo poli-mérico altamente hidroxilado e metoxilado, multi-ramificado. Após a morte do vegetal, ela se transforma pela ação microbiológica.
A substância I, cuja fórmula estrutural é mostrada no esquema anterior, pode ser con-siderada como um dos fragmentos de lignina.
Esse fragmento pode ser metabolizado por certos microorganismos, que o transformam na substância II.
a) Reproduza a fórmula estrutural da subs-tância II, identifique e dê os nomes de três grupos funcionais nela presentes.
b) Considerando as transformações que ocor-rem de I para II, identifique um processo de oxidação e um de redução, se houver.
Resposta
a) Na estrutura II, têm-se as seguintes funções or-gânicas e os respectivos grupos funcionais:
b) No processo temos duas oxidações e uma re-dução. Através da variação dos Nox dos átomos de carbono verifica-se:
Existem várias hipóteses quanto à origem da Terra e sobre os acontecimentos que ge-raram as condições físico-químico-biológicas dos dias de hoje. Acredita-se que o nosso pla-neta tenha se formado há cerca de 4550 mi-lhões de anos. Um dos estágios, logo no iní-cio, deve ter sido o seu aquecimento,
princi-Questão 7
palmente pela radioatividade. A figura mos-tra a produção de energia a partir de espé-cies radioativas e suas abundâncias conheci-das na Terra.
a) Quantas vezes a produção de energia ra-diogênica (radioativa) era maior na época inicial de formação da Terra, em relação aos dias atuais?
b) Quais foram os dois principais elementos responsáveis pela produção de energia radio-gênica na época inicial de formação da Terra? c) E nos dias de hoje, quais são os dois princi-pais elementos responsáveis pela produção dessa energia?
Resposta a) A partir da figura temos: t 0 anos t 4,55 bilhões anos 9,5 1,8 5,3 = = ≅
A energia radioativa, na época da formação da Terra, era, aproximadamente, 5,3 vezes maior que a dos dias atuais.
b) Os dois isótopos que mais contribuíram para a produção de energia radioativa na época inicial de formação da Terra podem ser reconhecidos na figura: 40K e 235U.
c) Nos dias atuais os principais isótopos contri-buintes para a liberação de energia radiogênica são o 238U e 232Th (vide figura).
Coincidentemente, duas equipes independen-tes de geólogos brasileiros encontraram dois meteoritos. Um foi encontrado em Cabaceiras, Paraíba, na região do polígono das secas e o outro em São Félix do Xingu, na Amazônia. Os dois eram, essencialmente, constituídos por ferro metálico. Um deles (A), no entanto, apresentava uma película de Fe O2 3⋅H O2 de 300×10−6 m de espessura, enquanto que o outro (B) apresentava uma superfície pouco alterada. Suspeita-se que ambos tiveram a mesma origem, tendo, portanto, a mesma composição química original. O gráfico abaixo representa a formação de Fe O2 3⋅H O2 em função do tempo, em presença de ar atmosfé-rico com umidades relativas diferentes.
a) Qual dos meteoritos, A ou B, caiu na re-gião do Xingu? Justifique.
b) Escreva a equação química que representa a formação da substância que recobre a su-perfície do meteorito.
c) Há quanto tempo, pode-se estimar, caiu na Terra o meteorito que foi encontrado oxidado?
Resposta
a) O meteorito A foi encontrado na região do Xin-gu. Nessa região, a elevada umidade relativa fa-vorece a formação da película de Fe O2 3 ⋅H O2 . Já o meteorito B é proveniente da região seca de Cabaceiras, uma vez que nessas condições de baixa umidade a formação da película de óxido nãoé favorecida.
b) A equação balanceada que representa a for-mação do Fe O2 3 ⋅H O2 é:
4 Fe(s) +3 O2(g) +2 H O2 (g) →2 Fe O2 3 ⋅H O2 (s)
c) O gráfico mostra que o meteorito oxidado (A) deva ter caído na região do Xingu há 8,6 anos, aproximadamente.
O nitrogênio é importantíssimo para a vida na Terra. No entanto, para que entre nos ci-clos biológicos é fundamental que ele seja transformado, a partir da atmosfera, em substâncias aproveitáveis pelos organismos vivos. O diagrama abaixo mostra, de modo simples, o seu ciclo na Terra. Os retângulos representam os reservatórios naturais con-tendo quantidades de compostos de nitrogê-nio. No diagrama estão representados os pro-cessos envolvidos, as quantidades totais de nitrogênio e, em cada retângulo, as espécies predominantes.
a) Quais dos processos representam oxidação de uma espécie química em outra?
b) Em qual espécie química desse ciclo o ni-trogênio apresenta o maior número de oxida-ção? Qual é o seu número de oxidação nesse caso? Mostre como chegou ao resultado.
c) Qual é o número total de moles de átomos de nitrogênio no sistema representado?
Resposta
a) Os processos que representam oxidação de uma espécie química em outra são a nitrificação, a fixação II e o decaimento: − − + NH2 nitrificação NO3 5 Nox máximo N2 fixação II NO3 5 − + Nox máximo
b) A espécie química na qual o nitrogênio possui maior número de oxidação é o NO3−. Nela, o nitro-gênio possui número de oxidação máximo:
NOx 23 1 − − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 1 x⋅ + −3( 2)= −1 x = +5
c) Cálculo da quantidade, em mols, de átomos de nitrogênio presentes em cada espécie química: 2,8 10 mols N 2 mols N 1 mol N 5,6 10 20 2 2 f. química 20 ⋅ ⋅ = ⋅ 1 24 34 mols N 1,0 10 mols NH 1 mol N 1 mol NH 17 2 2 f. química ⋅ − ⋅ − = 1 244 443 =1,0 10⋅ 17mols N 1,0 10 mols NO 1 mol N 1 mol NO 16 3 3 f. química ⋅ − ⋅ − = 1 24 43 =1,0 10⋅ 16 mols N
Cálculo da quantidade total, em mols, de átomos de nitrogênio no sistema representado:
5,6 10⋅ 20 +1,0 10⋅ 17 +1,0 10⋅ 16 ≅5,6 10⋅ 20 átomos de nitrogênio.
Comentário: a questão foi respondida entenden-do-se que"quantidades totais de nitrogênio" refe-re-se a mols de N2 , mols de −NH2 e mols de NO3−.
Entretanto, a literatura especializada informa que o valor 2,8 10⋅ 20 refere-se ao número total de mols de átomos de N existentes na atmosfera.
A Terra é um sistema em equilíbrio altamen-te complexo, possuindo muitos mecanismos auto-regulados de proteção. Esse sistema ad-mirável se formou ao longo de um extenso processo evolutivo de 4550 milhões de anos. A atmosfera terrestre é parte integrante des-se intrincado sistema. A sua existência, den-tro de estreitos limites de composição, é es-sencial para a preservação da vida. No gráfi-co abaixo, pode-se ver a abundância relativa de alguns de seus constituintes em função da altitude. Um outro constituinte, embora mi-noritário, que não se encontra na figura é o ozônio, que age como filtro protetor da vida na alta atmosfera. Na baixa atmosfera, a sua presença é danosa à vida, mesmo em concen-trações relativamente baixas.
a) Considerando que o ozônio seja formado a partir da combinação de oxigênio molecular com oxigênio atômico, e que este seja formado a partir da decomposição do oxigênio molecu-lar, escreva uma seqüência de equações quí-micas que mostre a formação do ozônio. b) Tomando como base apenas o gráfico e as reações químicas citadas no item a, estime em que altitude a formação de ozônio é mais favorecida do ponto de vista estequiométrico. Justifique.
Resposta
a) A seqüência de equações das reações que le-vam à formação de ozônio é:
O2 2 [O] O2 +[O] O3
b) Analisando-se as equações do itema, pode-se concluir que a razão molar estequiométrica [O]/O2
é 2/3. Admitindo-se que a abundância relativa da figura também seja molar, pode-se concluir que a altitude na qual a formação de ozônio é mais fa-vorecida é ao redor de 120 km.
Comentários:
1) Considerando-se somente a segunda equação do itema, a relação estequiométrica seria 1 : 1, dando uma altitude aproximada de 130 km (ponto de intersecção das curvas).
2) As respostas possíveis para o itemb, basea-das no gráfico fornecido, não são compatíveis com os dados existentes na literatura de Química Ambiental. Nós sabemos que a camada de ozônio estende-se, aproximadamente, de 14 km a 40 km de altitude.
Os gêiseres são um tipo de atividade vulcânica que impressiona pela beleza e imponência do espetáculo. A expulsão intermitente de água em jatos na forma de chafariz é provocada pela súbita expansão de água profunda, supe-raquecida, submetida à pressão de colunas de água que chegam até à superfície. Quando a pressão da água profunda supera a da coluna de água, há uma súbita expansão, forman-do-se o chafariz até a exaustão completa, quando o ciclo recomeça.
a) Se a água profunda estiver a 300 Co e sua densidade for 0,78 g cm−3, qual será a pres-são (em atmosferas) de equilíbrio dessa água supondo-se comportamento de gás ideal? R = 82 atm cm−3mol−1K−1.
b) Nas imediações dos gêiseres, há belíssimos depósitos de sais inorgânicos sólidos que se formam a partir da água que aflora das pro-fundezas. Dê dois motivos que justifiquem tal ocorrência.
Resposta
a) Admitindo-se o comportamento de um gás ideal para a água, o cálculo da pressão pode ser feito pela expressão:
p dRT M = p 0,78 82 573 18 = ⋅ ⋅ p ≅2 036 atm
b) Como a temperatura e a pressão nas águas profundas dos gêiseres são mais elevadas que as da superfície, ocorre a solubilização de certos sais que, nas condições ambiente, não estariam dissolvidos.
Quando ocorre a expulsão da coluna de água, essas condições se alteram e, aliadas à evaporação/ebuli-ção, favorecem a cristalização desses sais.
Comentário:o enunciado apresenta um erro nas unidades da constante universal dos gases. O cor-reto é:
R =82 atm cm⋅ 3 ⋅mol−1 ⋅K−1
