P2 - Química Geral 2021-2

CIÊNCIAS BIOLÓGICAS - QUÍMICA GERAL NOME DATA 12/08/2022 NOTA: /100 1. As figuras abaixo mostram situações nas quais estão envolvidos átomos verdes e vermelhos. Em cada situação diga se está ocorrendo um processo físico ou químico e justifique sua resposta. 2. Ao longo dos processos evolutivos as cores desempenham papeis muito importantes. O composto xantofila contém átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio na razão 20:28:1. Qual a fórmula química da xantofila, considerando que ela tem 6 átomos de oxigênio? 3. Os adeptos do ramo da homeopatia afirmam que soluções muito diluídas de certas substâncias têm efeito terapêutico. Para explorarmos essa questão, suponha que você preparou uma solução supostamente ativa, X, com molaridade de 0,1 mol.L-1. Dilua 10 mL dessa solução dobrando seu volume, dobrando novamente e assim por diante, 90 vezes. Quantas moléculas de C estarão presentes em 10 mL dessa solução final? 4. A droga conhecida como metanfetamina, C10H15N, sofre uma série de reações no organismo cujo resultado é a oxidação da droga sólida pelo gás oxigênio para produzir dióxido de carbono, água líquida e nitrogênio. Escreva a equação balanceada dessa equação global. Descubra qual a dose letal dessa droga no organismo e calcule o número de moléculas nessa situação. 5. A preservação do meio ambiente tem se tornado um assunto necessário para a sobrevivência do mundo. Nesse sentido, processes industriais estão sendo alterados para se tornarem menos agressivos à Natureza. Um desses processos é o tratamento da polpa de papel, no qual o cloro está sendo substituído, pois ele é um oxidante muito, que reage com compostos orgânicos para formar subprodutos tóxicos como furano e dioxinas. CIÊNCIAS BIOLÓGICAS - QUÍMICA GERAL a. Escreva a configuração eletrônica do átomo de cloro em seu estado fundamental. Quantos elétrons desemparelhados ocorrem no átomo? Escreva a configuração eletrônica esperada para o íon cloreto. A configuração do íon é idêntica ao átomo neutro de qual elemento? b. Quando o átomo de cloro recebe energia, do calor ou luz, um de seus elétrons de valência é promovido a um nível mais alto de energia. Prediga a configuração eletrônica do estado excitado de mais baixa energia do átomo de cloro. c. Quais são os números de oxidação do cloro nos alvejantes ClO2 e NaClO, KClO2.e NaClO4? d. Escreva os nomes dos compostos do item c 6. Os óxidos de nitrogênio são poluentes comuns, gerados em processos de combustão e em usinas termoelétricas. Esses compostos, além de causarem problemas respiratórios, atingem a estratosfera e afetam, entre outras parcelas, a camada de ozônio. Sobre esses compostos, responda: a. A energia de ligação do NO é de 632 kJ.mol-1 e a de cada ligação N—O em NO2 é de 469 kJ.mol-1. Use estruturas de Lewis e os valores da tabela 1 abaixo para explicar as diferenças entre as energias de ligação nas duas moléculas e o fato de as duas ligações do NO2 serem iguais. b. O comprimento da ligação do NO é de 115pm. Use a figura 1 abaixo para predizer o comprimento de uma ligação simples e de uma ligação dupla entre o nitrogênio e o oxigênio. Use a tabela 2 para estimar o comprimento de uma ligação tripla entre o nitrogênio e oxigênio. Prediga a ordem de ligação no NO a partir do comprimento da ligação e explique a diferença com os valores calculados. c. Quando o NO, no ar poluído, reage com o NO2, forma-se um produto em que forma-se uma ligação entre dois átomos de N. Desenhe a estutura de Lewis de cada reagente e do produto e indique a carga formal de cada átomo. d. O NO2 reage com o NO3 para formar um produto no qual o átomo de O está entre dois átomos de N. Desenhe a estrutura de Lewis do produto mais provável e indique a carga formal de cada átomo. e. Escreva a equação química balanceada da reação do produto da parte (d) com água para formar um ácido. O ácido produzido age como agente poluente secundário no meio ambiente. Dê o nome do ácido. f. Se 4,05 g do produto da parte (d) reagem com ágia, como na parte (e), para produzir 1,00L de solução ácida, qual será a concentração do ácido? g. Determine o número de oxidação do nitrogênio em NO, NO2 e os produtos das partes (c) e (d). CIÊNCIAS BIOLÓGICAS - QUÍMICA GERAL Tabela 1 Figura 1 Figura 2 CIÊNCIAS BIOLÓGICAS - QUÍMICA GERAL 7. Corantes industriais são moléculas intensamente coloridas e a maioria delas apresentam muitas ligações múltiplas e frequentemente são aromáticas. Por que isso é importante para as propriedades dos corantes? Resolução (a) Processo físico, pois tanto os átomos quanto a forma como estão agrupados é a mesma em ambas as situações, o que muda é a forma como as moléculas da substância estão arranjadas no espaço. (b) Processo químico, os átomos têm sua composição alterada, formando novos elementos. (c) Processo químico, os átomos se rearranjam formando novas substâncias. Proporção da xantonila: 20 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜𝑠 − 28 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 − 1 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 Considerando que ela possui 6 átomos de oxigênio, tem-se:  Quantidade de carbonos: 20 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜𝑠 − 1 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑋 − 6 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 𝑋 = 20 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜𝑠 . 6 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 1 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑿 = 𝟏𝟐𝟎 𝒄𝒂𝒓𝒃𝒐𝒏𝒐𝒔  Quantidade de hidrogênios: 28 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 − 1 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑋 − 6 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 𝑋 = 28 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 . 6 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 1 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑿 = 𝟏𝟔𝟖 𝒉𝒊𝒅𝒓𝒐𝒈ê𝒏𝒊𝒐𝒔  A fórmula química para a xantonila com 6 oxigênios é: C120H168O6.  A solução X tem concentração inicial, C1 = 0,1 mol.L-1, e volume inicial, V1 = 10 mL = 0,010 L, é diluída para o dobro do volume da solução, V2 = 20 mL = 0,020 L. A concentração final, C2, é: 𝐶1. 𝑉1 = 𝐶2. 𝑉2 𝐶2 = 𝐶1. 𝑉1 𝑉2 𝐶2 = 0,1 𝑚𝑜𝑙. 𝐿−1. 0,010 𝐿 0,020 𝐿 𝑪𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑳−𝟏 Ao diluir a solução para o dobro do volume, a concentração diminuiu para a metade da concentração inicial.  Foram realizadas 90 diluições sucessivas, dobrando sempre o volume. Assim, para encontrar a concentração final, deve-se dividir a concentração inicial por 2 elevado ao número de diluições realizadas: 𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶1 290 𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 0,1 𝑚𝑜𝑙. 𝐿−1 290 𝑪𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 = 𝟖 . 𝟏𝟎−𝟐𝟗 𝒎𝒐𝒍. 𝑳−𝟏  Quantidade de mol em solução de 10 mL = 0,010 L: 8 . 10−29 𝑚𝑜𝑙 − 1 𝐿 𝑋 − 0,010 𝐿 𝑋 = 8 . 10−29 𝑚𝑜𝑙 . 0,010 𝐿 1 𝐿 𝑿 = 𝟖 . 𝟏𝟎−𝟑𝟏 𝒎𝒐𝒍  Quantidade de moléculas em 10 mL: 1 𝑚𝑜𝑙 − 6,02 . 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 8 . 10−31 𝑚𝑜𝑙 − 𝑋 𝑋 = 8 . 10−31 𝑚𝑜𝑙 . 6,02 . 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 1 𝑚𝑜𝑙 𝑿 = 𝟒, 𝟖 . 𝟏𝟎−𝟕 𝒎𝒐𝒍é𝒄𝒖𝒍𝒂𝒔 Após 90 diluições, 10 mL da solução final possui 4,8 . 10-7 moléculas.  Oxidação da metanfetamina: 𝟐 𝑪𝟏𝟎𝑯𝟏𝟓𝑵(𝒔) + 𝟓𝟓 𝟐 𝑶𝟐 (𝒈) → 𝟐𝟎 𝑪𝑶𝟐 (𝒈) + 𝟏𝟓 𝑯𝟐𝑶(𝒍) + 𝑵𝟐 (𝒈)  Dose letal: As informações acerca da dose letal de metanfetamina não foram encontradas na literatura, entretanto o trabalho de PANTALEÃO (2012) aponta que doses de 400 a 500 mg de metanfatamina podem não ser letais para usuários crônicos, assim tomamos a dose de 500 mg de metanfetamina como letal. Em gramas: 500 𝑚𝑔 . 1𝑔 1000𝑚𝑔 = 𝟎, 𝟓 𝒈  Número de moléculas na dose letal: Massa molar da metanfetamina: 𝑀𝑀 (𝐶10𝐻15𝑁) = 10 𝐶 + 15 𝐻 + 1 𝑁 = 10 . 12,011 + 15 . 1,008 + 1 . 14,007 𝑀𝑀 (𝐶10𝐻15𝑁) = 149,237 𝑔/𝑚𝑜𝑙 1 𝑚𝑜𝑙 − 149,237 𝑔 − 6,02 . 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 0,5 𝑔 − 𝑋 𝑋 = 6,02 . 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 . 0,5 𝑔 149,237 𝑔 𝑿 = 𝟐, 𝟎 . 𝟏𝟎𝟐𝟏 𝒎𝒐𝒍é𝒄𝒖𝒍𝒂𝒔 A dose letal de metanfetamina é de 0,5 g, ou seja, 2,0 . 1021 moléculas. Referência: PANTALEÃO, Lorena do Nascimento. Análise toxicológica de anfetaminas e benzodiazepínicos em amostras de cabelo por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas. 2012, 150 f. Dissertação – Mestrado. Universidade de São Paulo. São Paulo, 2012. a)  Configuração eletrônica do cloro no estado fundamental: C (Z = 17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5  No estado fundamental, o cloro apresenta 1 elétron desemparelhado: Subnível p  Configuração eletrônica do íon cloreto: Na forma de cloreto, o cloro ganhou um elétron, assim sua configuração eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 , fica idêntica ao argônio, ou seja, ao receber um elétron o cloro atinge a configuração eletrônica de uma gás nobre. b) No estado fundamental, o nível de energia mais alto do cloro é o 3p, quando recebe energia um dos seus elétrons de valência é promovido a um nível de energia mais alto. Após o nível 3p, tem-se o nível de energia 3d. Assim, a configuração eletrônica do cloro no estado excitado de mais baixa energia é: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d1. c) Número de oxidação (Nox):  ClO2: Nox (Cl) + 2 . Nox (O) = 0 Nox (Cl) + 2 . (-2) = 0 Nox (Cl) – 4 = 0 Nox (Cl) = + 4  NaClO: Nox (Na) + Nox (Cl) + 2 . Nox (O) = 0 + 1 + Nox (Cl) + 2 . (-2) = 0 Nox (Cl) – 4 + 1 = 0 Nox (Cl) = + 4 – 1 Nox (Cl) = + 3  KClO2: Nox (K) + Nox (Cl) + 2 . Nox (O) = 0 + 1 + Nox (Cl) + 2 . (-2) = 0 Nox (Cl) – 4 + 1 = 0 Nox (Cl) = + 4 – 1 Nox (Cl) = + 3  NaClO4: Nox (Na) + Nox (Cl) + 4 . Nox (O) = 0 + 1 + Nox (Cl) + 4 . (-2) = 0 Nox (Cl) – 8 + 1 = 0 Nox (Cl) = + 8 – 1 Nox (Cl) = + 7 d) Nome dos compostos:  ClO2: Dióxido de cloro  NaClO: Hipoclorito de sódio  KClO2: Clorito de potássio  NaClO4: Perclorato de sódio a) A principal diferença entre o NO e o NO2 é que no primeiro existe uma ligação tripla entre o nitrogênio e o oxigênio e o segundo a molécula apresenta uma ligação simples e uma dupla em ressonância, conforme pode ser observado a partir da estrutura de Lewis: A energia de ligação é proporcional a energia de dissociação: em uma ligação tripla é superior a uma ligação dupla N = O (630 kj/mol), ao mesmo tempo que no caso da ressonância, será observada uma energia intermediária entre a ligação simples N – O e dupla N = O. b) A qualidade da figura 1 impede a leitura com clareza da imagem. Ordem de ligação: Para o NO: Ordem de ligação (OL) = (nº de e − orbitais ligantes – nº de e− orbitais antiligantes)/2 OL= (8 − 3)/2 = 2,5 Para o NO2: Ordem de ligação (OL) = (nº de e − orbitais ligantes – nº de e− orbitais antiligantes)/2 OL= (3 − 2)/2 = 1,5 c) NO + NO2  N2O3 Estrutura de Lewis: : O = N – O – N = O :  Carga formal dos nitrogênios: Carga formal = 5 – (2+3) = 0  Carga formal dos oxigênios: Carga formal = 6 – (4 + 2) = 0 d) NO2 + NO3  N2O5 Estrutura de Lewis: : O = N – O – N = O : l l : O : : O :  Carga formal dos nitrogênios: Carga formal = 5 – (4) = + 1  Carga formal dos oxigênios que formam 2 ligações com o nitrogênio: Carga formal = 6 – (4 + 2) = 0  Carga formal dos oxigênios que formam 1 ligação com o nitrogênio: Carga formal = 6 – (6 + 1) = -1 e) N2O5 + H2O  2 HNO3 HNO3: ácido nítrico f) Por estequiometria: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 − 2 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3  Massa molar do N2O5: 108,01 g/mol  Massa molar do HNO3: 63,01 g/mol 1 𝑚𝑜𝑙 . 108,01𝑔. 𝑚𝑜𝑙−1𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 − 2 𝑚𝑜𝑙𝑠 . 63,01𝑔. 𝑚𝑜𝑙−1𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3 108,01𝑔 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 − 126,02 𝑔 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3 Partindo de 4,05 g de N2O5, obtém-se: 108,01𝑔 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 − 126,02 𝑔 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3 4,05𝑔 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 − 𝑚 𝑚 = 4,05𝑔 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 . 126,02 𝑔 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3 108,01𝑔 𝑑𝑒 𝑁2𝑂5 𝒎 = 𝟒, 𝟕𝟐𝟓 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝑵𝑶𝟑 .. .. .. .. .. .. +1 +1 -1 -1 .. .. .. .. .. ..  Concentração do ácido: 𝐶 = 𝑛 𝑉 , 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑛 = 𝑚 𝑀𝑀 → 𝐶 = 𝑚 𝑀𝑀 . 𝑉 𝐶 = 4,725 𝑔 63,01𝑔. 𝑚𝑜𝑙−1 . 1,00 𝐿 𝑪 = 𝟎, 𝟎𝟕𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑳−𝟏 g) Número de oxidação (Nox):  NO: Nox (N) + Nox (O) = 0 Nox (N) + (- 2) = 0 Nox (N) = + 2  NO2: Nox (N) + 2 . Nox (O) = 0 Nox (N) + 2 . (- 2) = 0 Nox (N) = + 4  N2O3: 2 . Nox (N) + 3 . Nox (O) = 0 2 . Nox (N) + 3 . (- 2) = 0 Nox (N) = +6/2 Nox (N) = +3  N2O5: 2 . Nox (N) + 5 . Nox (O) = 0 2 . Nox (N) + 5 . (- 2) = 0 Nox (N) = +10/2 Nox (N) = +5 As ligações duplas conjugadas, conforme ocorre em compostos aromáticos, possuem uma energia menor associada a excitação eletrônica, visto que os níveis de energia estão aproximados pelo caráter ressonante de suas ligações. Como a energia é inversamente proporcional ao comprimento de onda, quanto menor a energia, maior é o comprimento de onda associado as transições eletrônicas. O comprimento de onda está associado a coloração emitida pelos corantes.