2ª Fase - Química

Considere um motor de combustão interna hipotético que opera em condição de combustão completa, com a admissão fixa de $\pu{200 L}$ de ar atmosférico (à pressão de $\pu{1 bar}$), cuja composição é de $\pu{20}\%$ oxigênio e $\pu{80}\%$ nitrogênio. O combustível, pentano, pode ser injetado em quantidade ajustável. Considere também que o calor gerado na combustão é completamente transferido para os gases após a combustão e que a reação é isobárica. Sabendo que a temperatura inicial do sistema é de $\pu{300,84 K}$, que a entalpia de combustão do pentano é de $\pu{-3440 kJ.mol-1}$ e que a capacidade calorífica molar à pressão constante da mistura dos gases (ou seja, misturas contendo quantidades variáveis de $\ce{CO2}$, $\ce{H2O}$, $\ce{N2}$, $\ce{O2}$) é igual a $\pu{40 J-1.K-1.mol-1}$, determine:

1. a equação química balanceada da combustão.

2. as quantidades, em mols e expressas com uma casa decimal, de $\ce{O2}$ e $\ce{N2}$ na câmara de combustão.

3. a temperatura dos gases após a combustão, na condição estequiométrica.

4. quanto deve ser alterada a quantidade de combustível, expressa na forma de porcentagem (número inteiro $\%$), em relação à quantidade estequiométrica, para que a temperatura dos gases de combustão seja $\pu{1600,84 K}$, levando em consideração uma condição de economia de combustível.

Considere um processo de osmose reversa conforme indicado na figura. Nesse processo, o pistão onde se encontra a solução sofre a ação de uma pressão ($\pi$) num processo de compressão que ocorre de modo reversível. O êmbolo que contém o solvente puro também é móvel. Com relação aos dois compartimentos, considere: i) eles são separados por uma membrana semipermeável, que permite apenas a passagem do solvente; ii) ambos possuem o mesmo volume inicial, com a base do compartimento possuindo uma área de $\pu{1 dm2}$ iii) a altura inicial do êmbolo móvel em relação à base é igual a $\pu{10 dm}$. A solução aquosa contém $\pu{0,2 mol}$ de uma substância, cuja massa molar é igual a $\pu{80 g.mol-1}$. Essa substância apresenta uma solubilidade de $\pu{4 g.L-1}$. Todo o processo ocorre à temperatura constante de $\pu{305 K}$. A partir dessas informações, apresente os cálculos e construa um gráfico da pressão osmótica ($\pi$, em $\pu{atm}$) em função do deslocamento do êmbolo (em $\pu{dm}$), conforme a figura, da posição inicial, como sendo igual a zero, até o valor de $\pu{9 dm}$.

Considere as reações químicas a seguir:

Escreva a estrutura química para os seguintes produtos:

1. X;

2. Z;

3. G;

Deseja-se preparar $\pu{500 mL}$ de uma solução com concentração total de cátions hipotéticos ($\ce{Q+}$, $\ce{R^2+}$ e $\ce{T^3+}$) igual a $\pu{2 mol.L-1}$. A proporção molar Q:R:T é igual a 6:3:1. Para isso, foram utilizados

• $m$ gramas do sal $\ce{QX}$ (massa molar = $\pu{60 g.mol-1}$ e pureza = $\pu{90}\%$);
• $60$ gramas do sal $\ce{RX2}$ (massa molar = $\pu{150 g.mol-1}$ e pureza = $P\%$);
• $20$ gramas do sal $\ce{TX3}$ (massa molar = $MM$ e pureza = $\pu{90}\%$).

Com base nessas informações, determine os seguintes valores numéricos:

1. massa utilizada ($m$) do sal $\ce{QX}$;

2. pureza ($P\%$) do sal $\ce{RX2}$;

3. massa molar ($MM$) do sal $\ce{TX3}$;

4. concentração, em $\pu{mol.L-1}$, do ânion $\ce{X-}$ na solução.

No ciclo do nitrogênio, espécies contendo nitrogênio podem sofrer processos de redução e oxidação em ambientes naturais e tecnológicos. Entre esses processos, estão a fixação biológica do $\ce{N2}$, a nitrificação em solos aerados e a desnitrificação parcial em ambientes com baixa disponibilidade de oxigênio. Considerando as seguintes espécies nitrogenadas,

$$\ce{NO}, \ce{NO3-}, \ce{N2}, \ce{N2O}, \ce{NH4+}, \ce{NO2-},$$

1. escreva a semirreação balanceada de redução do $\ce{N2}$ em meio ácido, que forma como produto uma das espécies apresentadas;

2. determine o número de oxidação do nitrogênio em $\ce{NO}$, $\ce{NO3-}$, $\ce{N2}$, $\ce{NH4+}$, $\ce{NO2-}$ e o número de oxidação médio do nitrogênio em $\ce{N2O}$;

3. organize as espécies nitrogenadas fornecidas em uma sequência compatível com o ciclo do nitrogênio, seguindo sucessivamente os processos de fixação biológica do $\ce{N2}$, nitrificação e desnitrificação. Se necessário, uma mesma espécie intermediária poderá aparecer mais de uma vez na sequência.

Escreva 3 (três) reações químicas de produção de $\ce{H2(g)}$. Empregue, como reagentes, apenas as substâncias $\ce{Li}$, $\ce{H2O}$ e $\ce{CH4}$, reagindo individualmente ou combinadas duas a duas. Na sua resposta, indique:

1. o estado físico de cada reagente e produto;

2. a estequiometria da reação;

3. as condições básicas para que a reação ocorra;

4. qual reação deve render mais $\ce{H2(g)}$ por mol de reagente, considerando reação completa.

Considere a seguinte reação global:

$$\ce{2C2H5OH (l) + O2(g) -> CH3COOCH2CH3(l) + 2H2O(l)}.$$

São fornecidos os seguintes dados termodinâmicos a $\pu{298 K}$:

Substância	Entalpia Padrão de Formação: $\Delta H^\circ_\mathrm{f}$ ($\pu{kJ.mol-1}$)	Entropia Molar Padrão: $S^\circ_\mathrm{m}$ ($\pu{J.mol-1.K-1}$)
$\ce{C2H5OH(l)}$	$\pu{-277,7}$	$\pu{160,7}$
$\ce{O2(g)}$	$\pu{0,0}$	$\pu{205,0}$
$\ce{CH3COOCH2CH3(l)}$	$\pu{-480,0}$	$\pu{259,4}$
$\ce{H2O(l)}$	$\pu{-285,8}$	$\pu{69,9}$

Com base nessas informações, faça o que se pede.

1. A partir do etanol, considere a seguinte rota sintética em duas etapas para obtenção do acetato de etila: a primeira etapa envolve a oxidação completa do etanol a ácido acético; a segunda etapa envolve uma esterificação com etanol. Escreva as equações químicas e as condições necessárias em cada etapa.

2. Determine a variação de entalpia padrão da reação global a partir dos valores de entalpia padrão de formação.

3. Calcule a variação da entropia padrão da reação global.

4. Calcule a variação da energia de Gibbs padrão da reação global a $\pu{298 K}$.

Considere os elementos neutros em seu estado fundamental que possuem os números atômicos $16$, $19$ e $34$.

1. Determine o número de elétrons desemparelhados dos elementos de números atômicos $16$ e $34$ e o número de elétrons da camada de valência do elemento de número atômico $19$.

2. O elemento de número atômico $16$ forma, com hidrogênio, um hidreto binário estável e o elemento de número atômico $34$ forma, com flúor, um composto estável, no qual o átomo central estabelece quatro ligações simples com átomos de flúor. Com base na Teoria da Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência, determine o número de pares de elétrons não ligantes nos átomos centrais dessas duas espécies.

3. Forneça o nome da geometria molecular dos compostos formados no item b.

Uma dada solução aquosa consiste em uma mistura de um ácido forte, $\ce{HX}$, e um ácido fraco, $\ce{HY}$ ($K_a = 1 \cdot 10^{-6}$). Uma base forte ($\ce{ZOH}$), de concentração igual a $\pu{0,1 mol.L-1}$, foi usada para titular $\pu{100 mL}$ da solução ácida. Um total de $\pu{20 mL}$ da solução alcalina foi utilizado para atingir o ponto de equivalência, obtendo-se um pH final igual a $9$. A partir dessas informações, apresente os valores numéricos das concentrações (em $\pu{mol.L-1}$) dos seguintes ácidos na solução ácida inicial:

1. $\ce{HX}$;

2. $\ce{HY}$.

As figuras abaixo apresentam peças de ferro submersas em meios aquosos com concentrações diferentes de íons e/ou oxigênio.

1. Considerando as regiões X e Y de cada barra em cada figura, qual é a área catódica e qual é a área anódica em cada item (em cada figura)? Explique simplificadamente.

2. Qual proteção contra a corrosão seria mais adequada para cada caso (itens 1 a 4): proteção anódica ou catódica? Explique simplificadamente.