2ª Fase - Química

Constantes

Constante de Avogadro ($N_A$) = $\pu{6,02e23 mol-1}$
Constante de Faraday ($F$) = $\pu{9,65e4 C.mol-1}=\pu{9,65e4 A.s.mol-1}=\pu{9,65e4 J.V-1.mol-1}$
Carga elementar = $\pu{1,60e-19 C}$
Constante dos gases ($R$) = $\pu{8,21e-2 atm.L.K-1.mol-1}=\pu{8,31 J.K-1.mol-1}=\pu{1,98 cal.K-1.mol-1}$
Constante de Planck ($h$) = $\pu{6,63e-34 J.s}$
Velocidade da luz no vácuo = $\pu{3,0e8 m.s-1}$
Número de Euler ($e$) = $\pu{2,72}$

Definições

Pressão: $\pu{1 atm}=\pu{760 Torr}=\pu{1,01325e5 N.m-2}=\pu{1,01325 bar}$

Energia: $\pu{1 J}=\pu{1 N.m}=\pu{1 kg.m2.s-2}=\pu{6,24e18 eV}$

Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): $\pu{0 °C}$ e $\pu{1 atm}$, equivalente a um volume de um gás ideal de $\pu{22,4 L}$.

Condições ambiente: $\pu{25 °C}$ e $\pu{1 atm}$.

Condições padrão: $\pu{1 bar}$; concentração das soluções = $\pu{1 mol L-1}$ (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.

$(\mathrm{s})$ = sólido. ($\ell$) = líquido. (g) = gás. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias. u.m.a. = unidade de massa atômica. [X] = concentração da espécie química X em $\pu{mol L-1}$

$\ln X=\pu{2,3}\log X$
$\log 2=\pu{0,301}$
$\ln 2=\pu{0,693}$. $\ln 3=\pu{1,099}$. $\ln 5=\pu{1,609}$

Uma substância orgânica X é constituída de $\pu{18,06e23}$ átomos de carbono, $\pu{36,12e23}$ átomos de hidrogênio e $\pu{6,02e23}$ átomos de oxigênio. Sabendo-se que $\pu{0,174 g}$ dessa substância X contém $\pu{18,06e20}$ moléculas, responda às seguintes questões:

1. Escreva a fórmula empírica de X.

2. Escreva a fórmula molecular de X.

3. Desenhe as fórmulas estruturais de, no mínimo, 6 isômeros de X.

Considere a seguinte reação química, em que A, B e C são espécies químicas hipotéticas: $$\ce{A(s) + B(g) <=> 2 C(g)} \qquad K_c = \pu{2,0}.$$

No início, o sistema contém $\pu{1,0 mol}$ de $\ce{B(g)}$. Após atingir o equilíbrio, é adicionada uma quantidade “y” de $\ce{B(g)}$ no sistema, fazendo com que se atinja um novo equilíbrio em que as concentrações de $\ce{B(g)}$ e $\ce{C(g)}$ são iguais. Considere que o volume do sistema é constante e igual a $\pu{1 L}$.

A partir das informações fornecidas, determine os seguintes valores numéricos:

1. concentração, em $\pu{mol L-1}$, de $\ce{B(g)}$ e $\ce{C(g)}$ no primeiro equilíbrio;

2. número de mols dessa quantidade “y” adicionada;

3. concentração, em $\pu{mol L-1}$, de $\ce{B(g)}$ e $\ce{C(g)}$ no segundo equilíbrio.

Considere um experimento no qual o fundo de um balão de pescoço de cisne (B) foi posicionado sobre um suporte de aquecimento (A), enquanto seu pescoço se encontrava apoiado em um reservatório aberto (R), que, por sua vez, havia sido colocado sobre uma mesa de suporte (S).

A seguir, uma certa quantidade de mercúrio foi colocada no balão (B) e no reservatório (R), e uma campânula (C) foi colocada no reservatório (R), conforme a figura. Um dado volume de ar foi confinado dentro da campânula (C) e no balão (B). O experimento se iniciou com o aquecimento do mercúrio contido no balão (B), sendo mantido em temperatura elevada por um longo período. Depois desse período, o aquecimento foi interrompido e, em seguida, observou-se o sistema.

Com base nessas informações, responda se ocorreram as seguintes observações no sistema, justificando sucintamente a sua resposta:

1. transformações químicas no mercúrio contido no balão (B);

2. transformações químicas no mercúrio contido sob a campânula (C);

3. mudança no nível do mercúrio contido no balão (B);

4. mudança no nível do mercúrio contido na campânula (C).

Durante o inverno, pesquisadores de um laboratório de pesquisa espacial pretendem elevar a temperatura de uma câmara experimental de $\pu{17 °C}$ para $\pu{27 °C}$. Essa câmara possui uma área de $\pu{41 m2}$ e uma altura de $\pu{3 m}$. Para realizar esse aumento de temperatura, será utilizado gás natural, composto por 80% de metano e 20% de etano.

São fornecidos os seguintes dados:

• Calor específico molar do ar: $\pu{29,1 J.mol-1.K-1}$
• Massa molar média do ar seco: $\pu{28,96 g.mol-1}$
• Densidade do ar (faixa de temperatura de $\pu{17 °C}$ a $\pu{27 °C}$): $\pu{1,22 g.L-1}$
• Calor de combustão do metano: $\pu{-889,5 kJ.mol-1}$
• Calor de combustão do etano: $\pu{-1527,2 kJ.mol-1}$

Com base nas informações fornecidas, calcule os seguintes valores numéricos:

1. massa molar média do gás natural;

2. quantidade de calor necessário para aumentar a temperatura do ar na sala de $\pu{17 °C}$ para $\pu{27 °C}$;

3. massa de gás natural consumida para aquecer a sala.

Um objeto de madeira foi encontrado em um sítio arqueológico. Duas amostras (A e B) desse objeto foram submetidas à datação por radiocarbono. As amostras A e B apresentaram atividade, respectivamente, iguais a 10 e 12 desintegrações por minuto por grama de carbono. No entanto, constatou-se que a amostra B não foi devidamente manuseada, por isso apresentou uma contaminação por madeira “nova”.

Considere as seguintes informações:

I. A atividade do $^{14}\ce{C}$ em equilíbrio com a atmosfera é de 15 desintegrações por minuto por grama de carbono.

1. O tempo de meia-vida do $^{14}\ce{C}$ é de 5730 anos.

2. A atividade é diretamente proporcional à quantidade de átomos que sofrem decaimento.

A partir dessas informações, calcule os seguintes valores numéricos:

1. a diferença de idade, em anos, obtida a partir da análise das amostras A e B;

2. o percentual de contaminação da amostra B, sabendo que a amostra A é “pura” e que a B está contaminada.

O etilômetro é um instrumento utilizado na detecção da quantidade de etanol no ar expirado. Nesse dispositivo, o etanol proveniente da expiração de uma pessoa entra em contato com uma solução de dicromato de potássio em meio ácido (ácido sulfúrico). O etanol é oxidado a ácido acético, enquanto o crômio (VI), de cor amarelo-alaranjado, é reduzido a crômio (III), de cor verde. Como subprodutos, são gerados sulfato de potássio e água. Mediante detecção da variação de cor da solução, a quantidade de etanol é determinada.

1. Escreva a equação química balanceada, que representa a reação que ocorre no etilômetro.

2. Considere, hipoteticamente, um limite permitido de etanol de $\pu{0,05 mg.L-1}$. Em uma aferição, foi gerada uma quantidade de $\pu{0,0207 mg}$ de água no reservatório do etilômetro. Considerando o volume de $\pu{200 mL}$ para o reservatório do etilômetro, verifique se a quantidade de etanol presente nesse teste é superior ao limite estabelecido e apresente os cálculos.

Deseja-se separar os compostos orgânicos $\ce{R-NH2}$, $\ce{R-COOCH3}$, $\ce{R-OH}$, $\ce{R-COOH}$, solubilizados em éter dietílico, em que R é uma cadeia aromática sem substituintes.

Considere que os compostos são insolúveis em água e que estão disponíveis as seguintes soluções aquosas:

I. ácido clorídrico 5% (m/m);

1. bicarbonato de sódio 5% (m/m);

2. hidróxido de sódio 5% (m/m).

Com base nessas informações,

1. apresente as equações químicas que representam as etapas de separação de cada um dos compostos orgânicos, utilizando uma única vez cada uma das soluções a frio;

2. indique as fases em que cada um dos reagentes e produtos estará dissolvido.

Considere as seguintes equações termoquímicas, envolvendo substâncias hipotéticas e suas respectivas variações de entalpia, em $\pu{kJ.mol-1}$, a $\pu{25 °C}$:

I. $\ce{A + B -> C + D}$ $\qquad \Delta H = +150$

1. $\ce{C + F -> G}$ $\qquad \Delta H = -200$

2. $\ce{2 G + 3 H -> 2 I}$ $\qquad \Delta H = +90$

3. $\dfrac{3}{2}\ce{J} + \ce{Y -> D} + \dfrac{1}{2}\ce{F}$ $\qquad \Delta H = +190$

V. $\ce{B + T -> Y}$ $\qquad \Delta H = -155$

1. $\ce{J -> H + F}$ $\qquad \Delta H = -40$

1. Apresente todas as equações termoquímicas balanceadas utilizadas para obter o valor numérico do calor de formação do composto A, formado por meio da reação representada pela seguinte equação química:

$$\mathbf{I+T\to A}.$$

1. Calcule o valor numérico do calor de formação ($\Delta H$) do composto A.

2. Dado que o valor da variação da energia de Gibbs da reação $\mathbf{I+T\to A}$ é $\pu{994,45 kJ.mol-1}$, calcule o valor numérico da variação da entropia em $\pu{kJ.K-1.mol-1}$.

Uma tira de gelatina incolor foi imersa em uma solução aquosa, contendo $\ce{K4Fe(CN)6}$, $\ce{NaOH}$ e fenolftaleína. Após certo tempo, a tira foi retirada da solução e deixada secar ao ar. Então, uma gota de uma solução aquosa de $\ce{FeCl3}$ foi depositada na extremidade esquerda da tira de gelatina. Sabe-se que $\ce{Fe^3+}$ reage com o íon $\ce{[Fe(CN)6]^4-}$, formando um composto azul solúvel em água.

Foram observados os seguintes resultados:

1. antes de se adicionar $\ce{FeCl3(aq)}$, a gelatina apresentava-se inteiramente vermelha;

2. uma hora após se adicionar $\ce{FeCl3(aq)}$, a extremidade direita da tira permanecia vermelha, a região central estava incolor e a extremidade esquerda estava azul;

3. duas horas após se adicionar $\ce{FeCl3(aq)}$, a metade esquerda da tira estava azul, e a metade direita, incolor;

4. três horas após a adição de uma gota de $\ce{FeCl3(aq)}$, toda a tira apresentava-se azul.

Com base nas informações fornecidas, explique a cor da tira de gelatina em cada uma das etapas descritas acima, utilizando, sempre que possível, equações químicas para justificar sua resposta.

Considere uma célula eletrolítica constituída por duas placas de platina imersas numa solução aquosa $\pu{1 mol.L-1}$ em ácido clorídrico. Uma das placas foi recoberta por cloreto de prata e conectada ao polo negativo de uma fonte de tensão. Após as devidas conexões, foi aplicada uma corrente elétrica contínua de $\pu{1,5 A}$ durante $\pu{10,72 min}$.

Com base nas informações fornecidas e considerando-se que não há formação de gases no catodo, responda às seguintes questões:

1. Apresente as semiequações químicas que representam as semirreações que ocorreram no anodo e no catodo e indique a polaridade dos eletrodos.

2. Apresente a equação química que representa a reação global.

3. Determine o valor numérico da variação de massa do catodo e do anodo.