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Seu pé direito nas melhores faculdades FUVEST 2a fase janeiro/2006 QUÍMICA 01. Íons indesejáveis podem ser removidos da água, tratando-a com resinas de troca iônica, que são constituídas por uma matriz polimérica, à qual estão ligados grupos que podem reter cátions ou ânions. Assim, por exemplo, para o sal C+A–, dissolvido na água, a troca de cátions e ânions, com os íons da resina, pode ser representada por: Resina tipo I – Removedora de cátions
Resina tipo II – Removedora de ânions
No tratamento da água com as resinas de troca iônica, a água atravessa colunas de vidro ou plástico, preenchidas com a resina sob a forma de pequenas esferas. O líquido que sai da coluna é chamado de eluído. Considere a seguinte experiência, em que água, contendo cloreto de sódio e sulfato de cobre (II) dissolvidos, atravessa uma coluna com resina do tipo I. A seguir, o eluído, assim obtido, atravessa outra coluna, desta vez preenchida com resina do tipo II. Supondo que ambas as resinas tenham sido totalmente eficientes, indique a) b) c) d)
os íons presentes no eluído da coluna com resina do tipo I. qual deve ser o pH do eluído da coluna com resina do tipo I (maior, menor ou igual a 7). Justifique. quais íons foram retidos pela coluna com resina do tipo II. qual deve ser o pH do eluído da coluna com resina do tipo II (maior, menor ou igual a 7). Justifique.
Resolução: Pelo enunciado, que fala sobre o tratamento da água, e pelos dados da reação, na qual o cátion é trocado só pelo H+ e o ânion é trocado só pelo OH–, temos as seguintes respostas: a) Os íons presentes no eluído da coluna com resina tipo I são: 2− SO 4 : sulfato
Cl – : H+:
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cloreto hidrogênio
b) Como há excesso de H+ no eluído, o pH será menor que 7. c) Os íons retidos pela coluna com resina do tipo II são: SO 24− : sulfato Cl –: cloreto Os íons H+ são neutralizados pelos íons OH– da troca. d) O pH do eluído final será neutro, ou seja, igual a 7.
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02. Considere uma solução aquosa diluída de dicromato de potássio, a 25ºC. Dentre os equilíbrios que estão presentes nessa solução, destacam-se: Constantes de equilíbrio (25ºC) H2O
2 HCrO −4
HCr O −4
H+
Cr2O72− +
.............
K1 = 2,0 x 10–2
.............
K2 = 7,1 x 10–7
íon dicromato
Cr O 24−
+
íon cromato
Cr2O72− +
H2O
2 H+
+ 2 Cr O 24−
.............
K3 = ?
H2O
H+
+ OH–
.............
Kw = 1,0 x 10–14
a) Calcule o valor da constante de equilíbrio K3. 2
/
2− Cr O2− ? b) Essa solução de dicromato foi neutralizada. Para a solução neutra, qual é o valor numérico da relação CrO4 2 7 Mostre como obteve esse valor. c) A transformação de íons dicromato em íons cromato, em meio aquoso, é uma reação de oxirredução? Justifique.
Resolução: a) Temos as seguintes fórmulas para as constantes: 2
CrO2 − . [H + ]2 4 K3 = Cr O 2 − 2 7 2
HCrO − 4 = 2,0 . 10–2 K1 = Cr O 2− 2 7
(K2)2 =
CrO2− 4
2
. [H + ]2
HCrO− 4
= (7,1 . 10–7)2
2
2 2 2 HCrO2 − CrO2 − . [H + ]2 CrO2 − . [H + ]2 4 4 4 2 2 . = Fazendo K1 . (K2) resulta: K1 . (K2) = = K3 2 Cr O 2− Cr O2− HCrO − 2 7 2 7 4
Portanto K3 = K1 . (K2)2 = 2,0 . 10–2 . (7,1 . 10–7)2 = 1,0 . 10–14 b) No meio neutro temos [H+] = 1,0 . 10–7 M 2
2 CrO2− . (1,0 . 10−7 )2 CrO2− −14 1,0 . 10 4 4 = K3 = 1,0 . 10–14 = ⇒ =1 −14 Cr O2 − Cr O 2− 1,0 . 10 2 7 2 7
c) Não, pois não ocorre variação no Nox. Cr2 O72−
+
H 2O
2 H+
+
2 Cr O 24−
↓ ↓
↓ ↓
↓
↓ ↓
+6 – 2
+1 –2
+1
+6 –2
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03. Uma balança de dois pratos, tendo em cada prato um frasco aberto ao ar, foi equilibrada nas condições-ambiente de pressão e temperatura. Em seguida, o ar atmosférico de um dos frascos foi substituído, totalmente, por outro gás. Com isso, a balança se desequilibrou, pendendo para o lado em que foi feita a substituição. a) Dê a equação da densidade de um gás (ou mistura gasosa), em função de sua massa molar (ou massa molar média). b) Dentre os gases da tabela, quais os que, não sendo tóxicos nem irritantes, podem substituir o ar atmosférico para que ocorra o que foi descrito? Justifique. Gás
H2
M/g mol–1
2
He 4
NH3 17
CO 28
Equação dos gases ideais: P . V = n . R . T
ar 29
O2 32
CO2 44
NO2 46
SO2 64
P = pressão V = volume n = quantidade de gás R = constante dos gases T = temperatura M = massa molar (ou massa molar média)
Resolução: PM RT b) O2 e CO2 podem substituir o ar atmosférico, por não serem tóxicos e possuírem massa molar maior do que a do ar.
a) d =
04. Uma mesma olefina pode ser transformada em álcoois isoméricos por dois métodos alternativos: Método A: Hidratação catalisada por ácido:
Método B: Hidroboração:
No caso da preparação dos álcoois
e com base nas informações fornecidas (método A e método B), dê a fórmula estrutural da olefina a ser utilizada e o método que permite preparar a) o álcool I. b) o álcool II. Para os itens a e b, caso haja mais de uma olefina ou mais de um método, cite-os todos. c) Copie, na folha de respostas, as fórmulas estruturais dos álcoois I e II e, quando for o caso, assinale com asteriscos os carbonos assimétricos.
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Resolução: a)
CH3
b)
1-metil-1-ciclohexeno
CH3
2,5-dimetil-1-ciclohexeno
CH3 c) álcool I
CH3
H2 C
H
C
CH3
H2C
C — OH
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
C — OH
C H2
C H2
sem carbonos assimétrico
H
3 carbonos assimétricos
05. Em solução aquosa, iodeto de potássio reage com persulfato de potássio (K2S2O8). Há formação de iodo e de sulfato de potássio. No estudo cinético desta reação, foram realizadas quatro experiências. Em cada uma delas, foram misturados volumes adequados de soluções-estoque dos dois reagentes, ambas de concentração 4,0 x 10–1 mol/L e, a seguir, foi adicionada água, até que o volume final da solução fosse igual a 1,00 L. Na tabela, estão indicadas as concentrações iniciais dos reagentes, logo após a mistura e adição de água (tempo igual a zero). Experiência 1 2 3 4
Concentrações iniciais em mol/L I–
S2 O82−
1,0 x 10–2 2,0 x 10–2 2,0 x 10–2 1,0 x 10–2
1,0 x 10–2 1,0 x 10–2 2,0 x 10–2 1,0 x 10–2
Temperatura (ºC) 25 25 25 35
Abaixo está o gráfico correspondente ao estudo cinético citado e, também, uma tabela a ser preenchida com os volumes das soluções-estoque e os de água, necessários para preparar as soluções das experiências de 1 a 4. a) Escreva a equação química balanceada que representa a reação de oxirredução citada. b) Preencha a tabela abaixo. c) No gráfico, preencha cada um dos círculos com o número correspondente à experiência realizada. Justifique sua escolha com base em argumentos cinéticos e na quantidade de iodo formado em cada experiência. velocidade da reação =
mols de I2 produzido = k x C I− x C S O 2 − tempo 8 8
C I− e C S O2 − = concentrações das respectivas espécies químicas, em mol/L. 8 8 k = constante de velocidade, dependente da temperatura experiência
1 2 3 4 FUV062FJAN
volume (mL) de soluçãoestoque de iodeto de potássio
volume (mL) de soluçãoestoque de persulfato de potássio
volume (mL) de água
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Resolução: a) 2 KI (aq) + K2S2O8 (aq) → I2 (aq) + 2 K2SO4 (aq) b) Para a experiência 1 temos: Minicial =
n n ⇒ 1,0 . 10–2 = 1,0 ⇒ n = 1,0 . 10–2 mol V
O número de mols de KI e de K2S2O4 são obtidos das soluções-estoque. −2
1,0 . 10 n ⇒ V = 0,025 L ou 25,0 mL ⇒ 4,0 . 10–1 = V V Temos então 250 mL da solução de KI, 250 mL da solução de K2S2O4 e para completar o volume de 1L, 500 mL de água. Aplicando o mesmo raciocínio para os outros experimentos, temos a seguinte tabela:
Mestoque =
Experiência
Volume (mL) KI
1 2 3 4
25 25 25 25
Volume (mL) K2S2O8 25 25 25 25
Volume (mL) H2O 500 500 500 500
c) Pela estequiometria da reação, para cada 2 mols de íons iodeto é formado 1 mol de iodo. Assim, as experiências 2 e 3 (que partem de 2,0 . 10–2 mol de I–) produzem 1,0 . 10–2 mol de I2 e as experiências 1 e 4 (que partem de 1,0 . 10–2 mol de I–) produzem 0,5 . 10–2 mol de I2. A curva mais alta corresponde ao experimento 3, que possui excesso de persulfato de potássio, já que quanto maior é a concentração de reagentes, maior é a velocidade da reação. A curva seguinte é a do experimento 2. A terceira curva mais alta é a do experimento 4, que foi realizada em uma temperatura mais elevada (quanto maior a temperatura, maior é a agitação das partículas e maior é a velocidade da reação). Note que tanto o experimento 4 quanto o experimento 1 possuem o mesmo excesso de K2S2O4. A última curva é a do experimento 1.
06. Industrialmente, HCl gasoso é produzido em um maçarico, no qual entram, nas condições-ambiente, hidrogênio e cloro gasosos, observando-se uma chama de vários metros de altura, proveniente da reação entre esses gases. a) Escreva a equação química que representa essa transformação, utilizando estruturas de Lewis tanto para os reagentes quanto para o produto. b) Como se obtém ácido clorídrico a partir do produto da reação de hidrogênio com cloro? Escreva a equação química dessa transformação. c) Hidrogênio e cloro podem ser produzidos pela eletrólise de uma solução concentrada de cloreto de sódio (salmoura). Dê as equações que representam a formação de cada um desses gases. d) Que outra substância é produzida, simultaneamente ao cloro e ao hidrogênio, no processo citado no item anterior? Número atômico (Z): hidrogênio ..............1; Resolução: a) H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g) ou, utilizando-se estrutura de Lewis: H — H (g) + Cl — Cl (g) → 2 H — Cl (g) (fórmula estrutural)
cloro .....................17
xx xx xx H x x H (g) + x x Cl x x Cl x x (g) → 2 H x x Cl x x (g) (fórmula eletrônica) xx xx xx H O+ (aq) + Cl– (aq) b) HCl (g) + H2O (l) 3 144444444424444444443 H C l (aq )
O ácido clorídrico HCl (aq) é obtido através da dissolução do HCl gasoso em água, produzindo a ionização do gás. (dissociação iônica) c) NaCl → Na+ + Cl– salmoura H2O → H+ + OH– (ionização da água) + – H + 1e → 1/2 H2 (cátodo) eletrólise aquosa Cl– – 1e– → 1/2 Cl2 (ânodo) NaCl + H2O → 1/2 H2 + 1/2 Cl2 + NaOH 1444444442444444443 gases formados
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d) NaOH (hidróxido de sódio)
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07. O valor biológico protéico dos alimentos é avaliado comparando-se a porcentagem dos aminoácidos, ditos “essenciais”, presentes nas proteínas desses alimentos, com a porcentagem dos mesmos aminoácidos presentes na proteína do ovo, que é tomada como referência. Quando, em um determinado alimento, um desses aminoácidos estiver presente em teor inferior ao do ovo, limitará a quantidade de proteína humana que poderá ser sintetizada. Um outro alimento poderá compensar tal deficiência no referido aminoácido. Esses dois alimentos conterão “proteínas complementares” e, juntos, terão um valor nutritivo superior a cada um em separado. Na tabela que se segue, estão as porcentagens de alguns aminoácidos “essenciais” em dois alimentos em relação às do ovo (100%). Alguns aminoácidos essenciais Lisina Fenilalanina Metionina Leucina
Arroz 63 110 82 115
Feijão 102 107 37 101
a) Explique por que a combinação “arroz com feijão” é adequada em termos de “proteínas complementares”. A equação que representa a formação de um peptídio, a partir dos aminoácidos isoleucina e valina, é dada abaixo. b) Mostre, com um círculo, na fórmula estrutural do peptídio, a parte que representa a ligação peptídica. c) Determine o valor de x na equação química dada. d) 100 g de proteína de ovo contêm 0,655g de isoleucina e 0,810 g de valina. Dispondo-se dessas massas de aminoácidos, qual a massa aproximada do peptídio, representado na página ao lado, que pode ser obtida, supondo reação total? Mostre os cálculos. Massa molar (g/mol): valina .....117; isoleucina .....131; água .....18
Resolução: a) Arroz e feijão juntos compensam a deficiência de aminoácidos em relação ao ovo (100%). Observe:
arroz (63% de lisina): inferior a 100% feijão (102% de lisina): superior a 100%
Há uma compensação ao se alimentar com os dois produtos. b)
CH3 H
H3C — CH2 — CH
H
C N
CH3
H3C
C
O
H
H H
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valina → peptídeo + água 234 g 460 g 36 g x x = 0,585 g (excesso de 0,225 g)
isoleucina + valina → 0,655 g 0,585 g 262 g isoleucina —— 0,655 ———————
O
C
d) isoleucina + 262 g —— 0,655 g ——
Teremos:
CH
N
c) Como foram usados dois mols de cada aminoácido, e cada ligação peptídica forma 1 mol de água, o número de mols de moléculas de água formados na reação é 2.
OH
peptídeo + 1,15 g 36 g H2O y y = 0,09 g
água 0,09 g
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08. Considere os seguintes dados:
a) Qual dos alcenos (A ou B) é o mais estável? Justifique. Neste caso, considere válido raciocinar com entalpia. A desidratação de álcoois, em presença de ácido, pode produzir uma mistura de alcenos, em que predomina o mais estável.
b) A desidratação do álcool
, em presença de ácido, produz cerca de 90% de um determinado alceno.
Qual deve ser a fórmula estrutural desse alceno? Justifique. Resolução: a) Em uma reação exotérmica, os reagentes têm maior entalpia que os produtos; quanto maior o calor liberado na reação, maior a entalpia dos reagentes. As duas equações representam reações exotérmicas (∆H < 0), e as reações são idênticas. Logo, o alceno B é mais estável por ter menor entalpia que o alceno A. b) Desidratação do álcool citado: HO
CH3
CH3 H+ → − H 2O
CH2 e
(mais estável 90%)
09. O malonato de dietila e o acetoacetato de etila podem ser empregados para preparar, respectivamente, ácidos carboxílicos e cetonas. A preparação de um ácido, a partir do malonato de dietila, é feita na seqüência: Reação I. Formação de um sal de sódio
Reação II. Introdução de grupo alquila
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Reação III. Hidrólise ácida
Reação IV. Perda de CO2 por aquecimento
Analogamente, pode-se obter a 2-hexanona partindo-se do acetoacetato de etila:
Dê as quatro equações químicas que representam as reações I, II, III e IV para essa transformação. Resolução:
I. H2C
II. Na+
COOC2H5
+ CH3CH2O–Na+ → Na+ : CH
COCH3
: CH
COOC2H5
COOC2H5 COCH3
COOH IV. CH3CH2CH2CH
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COCH3
+
COCH3
CH3CH2OH
CH3CH2CH2Br → H3C — CH2CH2 — CH
+
COCH3
III. CH3CH2CH2 — CH
COOC2H5
+
→ CH3CH2CH2 — CH
H2O
COOC2H5
COOH + COCH3
C2H5OH
O ∆
+
COCH3
→ CH3 — C — CH2 — CH2 — CH2 — CH3
+
CO2
NaBr
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10. Constrói-se uma pilha formada por: • um eletrodo, constituído de uma placa de prata metálica, mergulhada em uma solução aquosa de nitrato de prata de concentração 0,1 mol / L. • outro eletrodo, constituído de uma placa de prata metálica, recoberta de cloreto de prata sólido, imersa em uma solução aquosa de cloreto de sódio de concentração 0,1 mol / L. • uma ponte salina de nitrato de potássio aquoso, conectando esses dois eletrodos. Constrói-se outra pilha, semelhante à primeira, apenas substituindo-se AgC l (s) por AgBr (s) e NaCl (aq, 0,1 mol/L) por NaBr (aq, 0,1 mol / L). Em ambas as pilhas, quando o circuito elétrico é fechado, ocorre produção de energia. a) Dê a equação global da reação da primeira pilha. Justifique o sentido em que a transformação se dá. b) Dê a equação da semi-reação que ocorre no pólo positivo da primeira pilha. c) Qual das pilhas tem maior força eletromotriz? Justifique sua resposta com base nas concentrações iônicas iniciais presentes na montagem dessas pilhas e na tendência de a reação da pilha atingir o equilíbrio. Para a primeira pilha, as equações das semi-reações de redução, em meio aquoso, são: Ag+ (aq) + e– → Ag (s) AgCl (s) + e– → Ag (s) + Cl– (aq) Produtos de solubilidade: AgCl = 1,8 x 10–10; AgCl = 5,4 x 10–13 Resolução: a) Ag (s) + Cl– (aq) → AgCl (s) + e– Ag+ (aq) + e– → Ag (s)
semi-reação oxidação (–) semi-reação redução (+)
Ag+ (aq) + Cl– (aq) → AgCl (s) b) Ag+ (aq) + e– → Ag (s) c) A força eletromotriz da segunda pilha será maior, pois como a solubilidade do brometo de prata é menor, a tendência de formação do sal em questão será maior.
COMENTÁRIO DA PROVA DE QUÍMICA Mesmo os alunos bem preparados devem ter tido dificuldades na resolução das questões propostas pela FUVEST neste Vestibular 2a. fase 2006. A prova foi extremamente exigente, o que pode comprometer a seleção dos melhores candidatos.
DISTRIBUIÇÃO DAS QUESTÕES Estequiometria 10% Eletroquímica 15%
pH e pOH 10%
Equilíbrio Químico 10% Estado Gasoso 10%
Química Geral 5% Soluções 10%
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Reações Orgânicas 30%
