XX ONNeQ - Programa Nacional Olimpíadas de Química

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 oC 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 oC são:
Substância
ΔHf /kJ mol-1
C3H5(NO3)3()
-353,6
CO2(g)
H2O(g)
N2(g)
O2(g)
-393,5
-241,8
0
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
29
22,4 𝐿 × 4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑔á𝑠
𝑉=
= 162,4 𝐿 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑔á𝑠
c) M(C3H5(NO3)3) = (3×12 + 5×1 + 3×14 + 9×16) g mol-1 = 227 g mol-1
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.
Massa fórmula do NaOH: M(NaOH) = 40 g mol-1
Logo:
NaOH =
NaOH =
𝑛
𝑚
=
𝑉 𝑀×𝑉
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!
0,2 mol L!! × 0,005 L
=
=
= 2×10!! mol L!!
𝑉!
0,5 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
𝑉ácido
base ×𝑉base
2×10!! mol L!! × 0,005 L
=
=
= 0,004 L ou 4 mL
ácido
0,0025 mol L!!
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:
a)
80
60
Pressão/atm
sólido
líquido
v
40
ponto
crítico
5
gasoso
ponto triplo
1
0
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Temperatura/oC
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 (5,2oatm) 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.
b) Determine a massa de alumínio produzida em uma cuba eletrolítica com corrente constante
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 de O2 nas CNTP serão produzidos?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Resposta:
Al2O3
2Al
→
+
3/2O2
102 g
3/2 × 22,4 L
1t
V
1 𝑡 ×
𝑉=
10! 𝑘𝑔
10! 𝑔
3
×
× 2 ×22,4 𝐿
1 𝑡
1 𝑘𝑔
= 32,94×10! 𝐿 de 𝑂!
102 g
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Dados: Constante de Faraday = 9,6 × 104 C mol-1.
Respostas:
a) Al2O3 → 2Al3+ + 3O2No 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 60 s
×
= 540000 s = 5,4×10! s
1 h
1 min
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
27 𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑙 × 432×10! C
𝑚=
= 402,9×10! g de Al ≈ 403 kg de Al
3×96500 C
c) A reação da conversão de bauxita em alumínio metálico:
Al2O3
→
2Al
102 g
54 g
306 t
m
+
3/2O2
𝑚=
306 t × 54 g
= 162 t de Al
102 t
Cálculo da pureza da bauxita:
162 t de Al
100 % de bauxita
81 t de Al
𝑚=
p
100 % de bauxita × 81 t de Al
= 50 % de bauxita
162 t de Al
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
102 g
+
3/2O2
3/2 × 22,4 L
1t
V
1 𝑡 ×
𝑉=
10! 𝑘𝑔
10! 𝑔
3
×
×
1 𝑡
2 ×22,4 𝐿
1 𝑘𝑔
= 32,94×10! 𝐿 de 𝑂!
102 g
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:
a) A fórmula estrutural, sendo que seu nome sistemático é ácido etanodioico.
b) Quantas moléculas de ácido oxálico estão contidas num extrato de carambola contendo
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)
HO
O
O
C
C
OH
b) Massa molar, M(C2H2O4) = 90 g mol-1
6,02 × 1023 moléculas
90 g
1,8 × 10–2 g
x
1,8×10!! g 6,02×10!" moléculas
𝑥=
= 12×10!" moléculas de ácido tartárico
90 g
c)
HO
O
O
C
C
OH + KOH
KO
O
O
C
C
OK
(etanodioato de potássio ou tartarato de potássio) d) A equação balanceada: C2H2O4 + ½O2 → 2CO2 + H2O
Para 2 moles temos:
1 mol de O2 nas CNPT
2C2H2O4 + O2 → 4CO2 + 2H2O
22,4 L
20 % do Volume de Ar Atmosférico
x
100 %
x = 112 L de Ar Atmosférico
89
90
Ac
(227)
Th
232,04
140,91
91
Pa
231,04
60
Nd
144,24
92
U
238,03
61
Pm
(145)
93
Np
(237)
62
Sm
150,36
94
Pu
(244)
(269)
63
Eu
151,96
95
Am
(243)
Rg
(272)
Gd
157,25
96
Cm
(247)
80
81
Hg
Tl
200,59
204,38
112
113
Cn
(285)
65
Tb
158,93
97
Bk
(247)
Uut
(284)
66
Dy
162,50
98
Cf
(251)
118,71
82
Pb
207,20
114
121,75
83
Bi
209,98
115
Se
78,960
67
Ho
(288)
68
Er
I
127,60
126,90
84
85
Po
(209)
116
(291)
69
Tm
168,93
99
100
101
(252)
(257)
Md
(258)
At
(210)
117
Uus
70
Yb
173,04
102
No
(259)
Hélio
Neônio
Argônio
Flúor
Te
167,26
Fm
79,904
53
164,93
Es
Br
52
Uuq Uup Uuh
(289)
Cloro
35
Bromo
Oxigênio
Enxofre
Selênio
34
Iodo
Sb
35,453
Xenônio Criptônio
114,82
Sn
Cl
32,066
Astato
Índio
112,41
Tálio
Cádmio
Prata
Ouro
Paládio
Rutênio
Paládio
Irídio
Platina
64
Ds
In
51
S
Ununóctio Radônio
(266)
Cd
50
74,922
17
Ununséptio
Mt
111
49
Unútrio
(265)
110
Copernício Mercúrio
Hs
196,97
48
72,640
16
Lutécio
140,12
Pr
(262)
195,08
69,723
As
18,998
18
2
He
4,003
Laurêncio
139,91
59
Bh
109
Au
65,390
Ge
33
F
15,999
Itérbio
Ce
(263)
108
Pt
79
Ga
32
O
Nobélio
58
Sg
192,22
78
107,87
Zn
Califórnio Disprósio
La
(262)
190,23
106,42
Ag
Térbio
57
Db
Ir
Pd
47
Berquélio
ACTINÍDEOS u
(261)
107
77
46
63,546
Roentgênio
LANTANÍDEOS u
Rf
106
102,91
58,696
Cu
Gadolínio
226,02 Actinídeos
105
Os
Rh
Ni
Cúrio
Ra Ac-Lr
104
186,21
76
45
Darmstádtio
223,02
89-103
183,84
Re
101,07
58,933
Európio
88
180,95
W
75
Ru
Co
Amerício
87
178,49
Ta
74
(98)
44
Meitnério
137,33 Lantanídeos
Hf
73
95,940
55,845
Samário
Ba La-Lu
72
92,906
Tc
Fe
Plutônio
57-71
91,224
Mo
Ósmio
56
88,906
Nb
43
Hássio
87,620
Zr
42
54,938
Promécio
Y
41
Mn
Netúnio
Sr
40
51,996
Rênio
39
50,943
Cr
Bóhrio
38
47,867
V
Neodímio
44,956
Ti
Urânio
Sc
31
30,974
Telúrio
30
P
Polônio
29
15
Ununhéxio
28
28,086
14,007
Túlio
27
Si
N
Mendelévio
26
14
Ununpênio Bismuto Antimônio Arsênio
25
12,011
Érbio
24
26,982
C
Férmio
23
Al
Silício
22
Gálio
21
Zinco
12
Cobre
11
Níquel
10
Cobalto
9
Ferro
8
Tecnécio Manganês
7
Tugstênio Molibdênio Crômio
6
Seabórgio
40,078
5
Protactínio Praseodímio
Ca
4
Vanádio
20
3
Nióbio
24,305
Titânio
Mg
Estanho Germânio
13
Unilquádio Chumbo
12
Hólmio
10,811
Alumínio
9,012
132,91
Fr
B
Eiinstênio
Be
Fósforo Nitrogênio
9
Carbono
8
Boro
7
Tântalo
Cs
6
Dúbnio
55
5
Cério
85,468
4
Tório
Rb
17
Zircônio
37
16
Háfnio
39,098
15
Ruterfórdio
K
14
Lantânio
19
13
Actínio
Frâncio
Césio
Rubídio
Potássio
22,990
2
Escândio
Na
Magnésio
11
Cálcio
Sódio
6,941
Estrôncio
Li
Bário
Lítio
3
Berílio
1,008
Ítrio
H
Rádio
Hidrogênio
1
1
10
Ne
20,180
18
Ar
39,948
36
Kr
83,800
54
Xe
131,29
86
Rn
(222)
118
Uuo
(294)
71
Lu
174,97
103
Lr
(262)