Coleção 10 V - Livro 8 - Química - Professor

FRENTE

A

QUÍMICA Por falar nisso No nosso dia a dia, é comum dizer que os alimentos cozinham mais rapidamente em uma panela de pressão. Sabe por quê? Da mesma forma, você sabe explicar por que a acetona evapora mais rapidamente que a água? Ou por que as conservas de carnes têm maior durabilidade quando se u�liza a salga? Da mesma forma é sabido que a água salgada não sacia a sede; e também que o sal diminui a temperatura de congelamento da água evitando a formação de espessas camadas de gelo nas ruas pavimentadas (imagem de abertura deste módulo).

Para melhor entendimento dos assuntos acima abordados, podemos u�lizar as propriedades coliga�vas. Estas, por sua vez, como veremos a seguir, são propriedades que dependem exclusivamente do número de par�culas de soluto não volá�l em solução.

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A09 A10 A11 A12

Propriedades coliga�vas ............................................................... 208 Tonoscopia e tonometria .............................................................. 216 Ebulioscopia e crioscopia.............................................................. 221 Osmoscopia................................................................................... 226

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A09

ASSUNTOS ABORDADOS n P ropriedades c oligativ as n Principais propriedades coligativas n Efeito do número de part culas em soluç ão n Pressão máxima de vapor n

midade relativa do ar

PROPRIEDADES COLIGATIVAS conservação de alimentos em sal tem sido usada pela umanidade desde os tempos remotos. omo exemplo, podemos citar a carne de sol. Por outro lado, o aç ú car também produz um ef eito semelhante ao do sal, j á que os doces em conserva apresentam durabilidade igual ou superior das carnes de sol. ma coisa certa: tanto o sal quanto o aç ú car agem de f orma a retardar bastante a decomposiç ão da matéria orgâ nica.

M as como isso acontece? adição de sal ao alimento provoca a sa da de água, isto , a sua desidratação, o que di culta o desenvolvimento de micro organismos. uando adicionamos açúcar a um pedaço de mamão, por exemplo, podemos observar a perda de água pela fruta. ovamente, esse o princ pio usado nas conservas de doces a perda de água do alimento di culta a sobrevivência de micro organismos. abe se tamb m que a conservação dos alimentos em salmoura, uma solução de água saturada de sal, depende basicamente da quan�dade de sal em que nela se coloca, ou se a, da concentração das par�culas dissolvidas. Dessa forma, quanto maior a quan�dade de sal, maior a quan�dade de água re�rada do alimento e, portanto, mel or será sua conservação. e subs�tuirmos o sal pelo açúcar, resultados semel antes serão ob�dos, o que nos leva a concluir que a conservação do alimento depende da quan�dade de par�culas dissolvidas e não da natureza das par�culas. ote que o sal de cozinha (NaC  , por exemplo, i nico, enquanto o açúcar 12H 22O11) é uma substâ ncia molecular.

SAIBA MAIS Soluto não volátil: A quele que não vaporiza unto com o solvente, devido grande diferença entre seus pontos de ebuliç ão.

atos como os discu�dos acima envolvem as propriedades de soluç es e são muito comuns em nosso co�diano. as o que normalmente as pessoas não sabem que esses fatos podem ser tratados no mbito da u mica. s propriedades de soluç es de solutos nã o v olá teis são c amadas propriedades coliga�vas. oliga�vo signi ca depender do con unto . Por isso, de niremos propriedades coliga�vas como as propriedades que dependem exclusivamente do número de par�culas do soluto não volá�l em solução, independentemente de serem i nicas ou moleculares.

Figura 01 - Tanto o sal quanto o açúcar, quando empregados em conserva, aumentam a durabilidade dos alimentos.

208

C iências da Natureza e suas Tecnologias

lgumas propriedades sicas dos solventes puros são bastante dif erentes das propriedades de uma soluç ão. A água pura, por exemplo, solidi ca temperatura de o e pressão de atm. á a água de uma solução aquosa de sal solidi ca a uma temperatura inf erior a 0 oC . Desse modo, podemos explicar a existência dos icebergs, que são blocos de água pura congelada que utuam em águas salgadas.

O abaixamento da temperatura de solidi cação de uma solução em relação do solvente puro e o aumento da temperatura de ebulição de uma solução em relação do solvente puro são duas propriedades coliga�vas. azemos uso dessas propriedades quando, por exemplo, colocamos adi�vos nos radiadores dos autom veis para interferir tanto na temperatura de solidi cação quanto na temperatura de ebulição da água. ssim, em regi es muito quentes, usamos adi�vos para evitar que a água do radiador entre em ebulição e, em regi es muito frias, para evitar que a água do radiador congele.

oi acobus endricus van t o , qu mico e sico olandês, quem mel or entendeu a quan� cação dessas propriedades. an t o introduziu um fator que permi�u o cálculo do número de par�culas de soluto em solução.

Por exemplo, quando comparamos o efeito coliga�vo ebulioscópico (aumento da temperatura de ebuliç ão) em dois sistemas dis�ntos, um formado pela adição de uma quan�dade de mat ria igual a mol de a  em 1 k g de água e um outro f ormado pela adiç ão de 1 mol de sacarose, tamb m em g de água, veri camos que o efeito coliga�vo é maior no sistema que contém o cloreto de sódio. M as por que isso acontece?

Podemos explicar esse fen meno pela análise da dissoluç ão do soluto em água seguida de dissociaç ão. O NaC  sofre dissociação i nica liberando os ons do ret culo cristalino no meio aquoso. J á o aç ú car (C 12H 22O11) sof re dissociaç ão molecular. água NaC (s) → Na+ (aq) +

C

H

12 22

água O11 (s) → C

H

12 22

– +

+

n

n

t o momento, analisamos alguns fatos e veri camos a interferência dos efeitos coliga�vos nas propriedades sicas dos solventes. Observamos, tamb m, de forma bem simples e breve, a evolução dessas observaç es. Entretanto, demos atenção apenas aos aspectos qualita�vos dessas propriedades, ou sej a, sabemos que a dissoluç ão de um soluto altera o ponto de ebuliç ão, mas não determinamos quanto esse valor alterado.

+

+ –

A tonosc opia, que trata da diminuiç ão da pressão máxima de vapor de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volátil.

A eb uliosc opia, que trata do aumento da temperatura de ebulição do solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volátil.

A c riosc opia, que trata do abaixamento da temperatura de congelamento de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volátil.

A osmosc opia, que trata da pressão osmótica de uma soluç ão.

Efeito do número de partículas em soluç ã o

–

–

Principais propriedades coligativas

n

O11 (aq)

Estrutura do NaC

–

n

C  − (aq)

Cloreto (C –) + Sódio (Na )

–

+

NaC em água + – + –

–

+

+

+

+

+

–

+

+

–

+ + –

+ +

+

+ –

– + + –

+

+

+

+ – +

+ +

– +

A09  Propriedades coliga�vas

l m da conservação de alimentos, podemos citar outras situaç es em que as propriedades coliga�vas estão presentes o uso de adi�vos em radiadores de carros a u�lização de soluç es caseiras no tratamento de crianças desidratadas o derre�mento do gelo em rodovias empregando sais o congelamento rápido da água pura e o descongelamento lento de um ref rigerante; a ascensão da coluna de água em uma árvore a dessalinização das águas de mares e oceanos, que muito importante, se considerarmos que os recursos dricos potáveis do Planeta estão se exaurindo rapidamente.

– +

+

Figura 02 - Partículas representadas com cores fantasia e fora de escala de tamanho.

209

Q uí mica

eri que que, na dissolução de um mol de a , há liberação de dois mol de par�culas ons . Por m, na dissolução de mol de sacarose á liberação de mol de par�culas mol de moléculas C 12H 22O11 . omo o efeito coliga�vo depende exclusivamente do número de par�culas, podemos dizer que, no sistema com cloreto de sódio, esse ef eito é maior.

No caso do NaC , temos um soluto altamente solúvel e dissociável em água , portanto, um eletr lito forte.

Entretanto, em algumas situaç es, o soluto apresenta grau de dissociação inferior a . esses casos, o cálculo do número de par�culas determinado de forma diferente por meio de um f ator de correç ão.

Por exemplo, dissolvem se mol culas de cloreto de idrogênio em água, formando uma solução. Devido ionizaç ão do H C , o número de par�culas inicial diferente do número de par�culas no nal. forma encontrada por an t o foi u�lizar o grau de ionização ou dissociação da esp cie qu mica para determinar o número de par�culas. α= H C (aq)  → H

n cio

+

(aq) + C  − (aq)

H C ( aq ) → H 100

+

( aq )

Z ero

+ C − ( aq ) Z ero

R eage F orma F im

8

A09  Propriedades coliga�vas

omo vimos no quadro acima, colocamos mol culas de H C  das quais sofreram ionização, formando ons posi�vos e nega�vos. o nal do processo, temos que o número total de par�culas completamente diferente do número inicial dissolvemos mol culas e no nal temos par�culas, incluindo mol culas e ons posi�vos e nega�vos . ssim, o fen meno previsto inicialmente não está de acordo com o observado no nal.

oi analisando esse processo que an t o determinou o fator de correção para o cálculo do número de par�culas.

Esse fator cou con ecido como fator de an t o i), porém, f oi chamado por ele de f ator de medida da anormalidade da substâ ncia. i=

n° de part culas final ∴=i n° de part culas dissolvidas

∴=i

,

U ma outra maneira de se determinar o f ator de correç ão de an t o aplicando a f rmula

i = 1 + α(q − 1) em que n

i = f ator de V an´ t H of f = grau de ionizaç ão ou dissociaç ão q quantidade de part culas por f rmula

nn α n

P ressã o má xima de v apor uando veri camos situaç es co�dianas como o uso do solvente acetona nos sal es de beleza, podemos iden� car uma propriedade muito comum aos l quidos, a vola�lidade a facilidade com que um l quido evapora. propanona acetona evapora muito rapidamente e, por isso, o frasco deve ser man�do fec ado. om o álcool e�lico tamb m podemos observar certa rapidez na formação de vapor. Entretanto, a evaporação do álcool e�lico mais lenta que a evaporação da propanona e da mesma f orma é mais lenta para a água, o leo de cozin a, as gorduras, os leos lubri cantes etc.

O estudo dos perf umes também nos permite perceber a vola�lidade das subst ncias l quidas. Esse complexo sistema de subst ncias, as fragr ncias, extra das de animais selvagens, de plantas tropicais ou sinte�zadas em laborat rio, conseguem es�mular, o mais primi�vo dos nossos sen�dos, o olfato.

M as as f ragrâ ncias não estão presentes somente nos perf umes agradáveis e caros. Elas tamb m podem ser encontradas nos produtos de limpeza, como os detergentes e amaciantes, al m de talcos, desodorantes e at mesmo nos reves�mentos de assentos de autom veis, que apresentam c eiro de couro.

Figura 03 - O uso da acetona como solvente para se retirar esmalte deve ser feito de tal forma que seu frasco não fique por muito tempo aberto, para evitar que o líquido evapore.

210

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Mas por que alguns líquidos apresentam volatilidade? explicação da maior ou menor vola�lidade das subst ncias ou dos materiais l quidos feita com base no grau de intensidade das interaç es que ocorrem entre as mol culas. À medida que uma substâ ncia muda do estado sólido para o estado l quido, sua energia cin �ca aumenta. s mol culas que estão na super cie do l quido, diretamente em contato com o meio ambiente, conseguem vencer as forças de atração intermoleculares, desprendem se e evaporam.

Os �pos de forças que atuam entre as mol culas, na ordem decrescente de intensidade, são ligaç es de idrogênio,

dipolo permanente e f orç as de dispersão (também chamadas de dipolo induzido). É por isso que a acetona, que apresenta ligaç es de dipolo permanente rela�vamente fracas , evapora mais rapidamente do que a água, que possui ligaç es de idrogênio. uanto menor a intensidade das interaç es, maior a vola�lidade da subst ncia.

Outros fatores, como massa molar e super cie de contato, tamb m contribuem para o aumento da vola�lidade quanto menor a massa molar e maior a super cie de contato, maior a vola�lidade.

SAIBA MAIS Existe um quarto �po de interação c amado de dipolo on. Os dipolo ons são forças atrativas estabelecidas entre uma esp cie qu mica polar e um on. Por exemplo, quando dissolvemos cloreto de sódio (NaC  em água, á dissociação dos ons do re�culo cristalino seguido de solvatação desses pela água. s forças de atração estabelecidas entre os ons e as mol culas de água mol culas polares são ditas forças dipolo on.

Re�culo cristalino de cloreto de sódio

-H -O - C Figura 05 - Representação de ligações de hidrogênio (linhas pontilhadas) nas moléculas de água e de etanol.

211

A09  Propriedades coliga�vas

Na gura ao lado, temos mol culas de água e de etanol. A mbas interagem entre si por meio de ligaç es de idrogênio pontes de hidrogênio), representadas por lin as pon�l adas. Essas duas substâ ncias apresentam temperatura de ebulição, respec�vamente, de e . esses valores de temperatura, elas entram em mudanç a de estado, passando do estado l quido para o estado de vapor. sso ocorre porque as moléculas se desprendem umas das outras, ou sej a, há ruptura de ligaç es de idrogênio.

Opirus/ A rte

Figura 04 - Representação das interações dipolo-íon na solvatação dos íons cloreto (C-) de sódio (Na+). Representação em cores fantasia e fora de escala de tamanho.

u mica

o A ebuliç ão da água s ocorre temperatura de C e a 1 atm, assim como a ebuliç ão do etanol ocorre temperatura de , e da propanona ocorre a , mas a formação de vapor ocorre temperatura ambiente, por m para a água bastante lenta quando comparada formação de vapor do etanol e da propanona acetona . sso ocorre devido ao alto grau de associação entre as mol culas de água e intensidade de forças.

V amos imaginar a seguinte situaç ão: Em um recipiente fec ado e dotado de um êmbolo m vel, colocamos certa quan� dade de água, etanol e propanona, todos no estado l quido. Em seguida, movemos o êmbolo para uma nova posição, como mostra a gura, deixando um espaço vazio entre a super cie do l quido e o êmbolo, em que predomina pra�camente o vácuo.

Opirus/ A rte

mediatamente, as mol culas da super cie do l quido evaporam e preenc em o es paço vazio com uma velocidade muito grande. as, com o passar do tempo, a velo cidade de evaporação diminui. sso ocorre porque parte do vapor formado começa a condensar, o que signi ca que esse processo está na iminência de a�ngir o equil brio. o nal, a taxa de evaporação numericamente igual taxa de condensação, ou se a, o sistema a�ngiu o equil brio.

estado inicial água

17,5 mmHg

álcool

44 mmHg

acetona

200 mmHg

após certo tempo a 25 °C

A09  Propriedades coliga�vas

Figura 06 - Líquidos diferentes produzem pressões de vapor diferentes. Quanto maior a volatilidade de uma substância, maior será a sua pressão de vapor.

#Conceito P ressã o má xima de v apor a máxi ma pressão exercida pelo vapor de uma subst ncia quando em equil brio din mico com o estado l quido.

212

os três casos, par�mos de volumes iguais dos três l quidos. ontudo, no nal, a quan�dade de l quido que resta em cada um dos recipientes diferente. Observe que o volume de água maior que o volume de etanol que maior que o volume de propano na. o caso da propanona, temos a menor quan�dade de l quido e, ao mesmo tempo, a maior quan�dade de vapor. sso porque a propanona a subst ncia de maior vola�li dade. Por sua vez, das três subst ncias, a água a de menor vola�lidade. vola�lidade de uma subst ncia está diretamente relacionada com a sua pressão de vapor, ou se a, quanto mais volá�l, maior será a pressão de vapor da subst ncia. s colis es das mol culas gasosas com as paredes do recipiente imprimem um au mento de pressão que pode ser registrado no manô metro e, como não há nenhuma outra subst ncia no recipiente, podemos dizer que essa a pressão máxima exercida por uma subst ncia quando em equil brio din mico com o estado l quido. Essa pressão denominada de pressão máxima de vapor.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Umidade relativa do ar Em algumas regi es brasileiras, assim que c egam os meses de ul o, agosto e setembro, assis�ndo aos tele ornais, podemos veri car as várias reportagens sobre a queda da umidade rela�va do ar atmosf rico.

De maneira geral, podemos dizer que o ar atmosf rico não polu do uma mistura de gases como oxigênio, nitrogênio, gases nobres e vapor de água. presença de vapor de água na atmosfera fundamental para todos. ma queda na taxa de vapor de água do ar umidade rela�va , al m de indicar perigo de incêndio em áreas de vegetação, pode comprometer seriamente a saú de humana.

Mas o que é umidade relativa do ar (URA)? água em forma gasosa vapor d água está sempre presente na atmosfera. Porém, quando a dada temperatura, o vapor d água exerce uma pressão parcial numericamente igual pressão máxima de vapor da água naquela temperatura, dizemos que o ar está saturado, ou que apresenta umidade rela�va de . ontudo, se a pressão parcial de vapor de água na temperatura considerada for inferior pressão máxima de vapor, dizemos que o ar tem umidade rela�va inferior a . ssim, a umidade rela�va do ar determinada a par�r da quan�dade de vapor de água presente naquela temperatura e a quan�dade te rica que deveria aver para tornar o ar saturado naquela condição pressão máxima de vapor .

Por exemplo, na tabela abaixo temos os valores da pressão máxima de vapor da água em várias temperaturas.

P ressã o má xima de v apor da á gua em mmH g a v á rias temperaturas T ( oC )

P ( mmH g)

T ( oC )

P ( mmH g)

0

,

10

,

26

,

11

,

27

26,7 4

28

,

23 ,7 6

12

,

13

11,23

14

,

3 0

3 1,82

,

3 1

3 3 ,7 0

16

13 ,63

3 2

,

17

,

3 3

3 7 ,7 3

18

,

3 4

,

3 0,04

4 2,18

20

,

3 6

,

21

,

3 7

4 7 ,07

22

,

3 8

,

23

21,07

24

22,3 8

A09  Propriedades coliga�vas

16,4 8

, 4 0

,

J . V . Q U A G L I A NO; L . M . V A L A R I NO. Química. 3 . ed. io de aneiro, uanabara dois, . p. .

213

Q uí mica

o Se em um dia qualquer a uma temperatura de a pressão parcial de vapor de água for de , mm g, temos que a umidade rela�va do ar de , . as se a o , a umidade rela�va do pressão parcial do vapor de água fosse de , mm g a ar seria de .

U R A =

Pparcial de vapor d água Pmáxima de vapor

 =   =

, ,

 × 

,

U m f ato que podemos notar na tabela acima é que, quanto maior a temperatura, maior a pressão máxima de vapor da água, ou se a, medida que a temperatura aumenta, necessário mais vapor de água para saturar o ambiente.

P ressã o de v apor, temperatura de eb uliç ã o e c oz imento dos alimentos C ozer os alimentos em recipientes abertos pode ser demorado o su ciente para que a água presente se a toda vaporizada. Da a import ncia do estudo da pressão de vapor diretamente relacionada com a temperatura de ebulição dos l quidos. uando marcamos um intervalo de tempo para o cozimento de um alimento, estamos, na verdade, con ando no fato de que durante esse intervalo a água entra em ebulição e sua temperatura se manten a constante. as devemos levar em conta que a temperatura de ebulição depende da pressão externa exercida sobre a super cie do l quido. e o valor da pressão for de atm, dizemos que a temperatura registrada a temperatura normal de ebuliç ão.

A09  Propriedades coliga�vas

esse contexto, o estudo das panelas de pressão serve de suporte para explicar a ação da pressão sobre a temperatura de ebulição uma válvula de controle permite que o vapor escape somente quando ele a�nge uma pressão predeterminada e superior pressão atmosf rica. e for a água, por exemplo, o pressão normal atm , a temperatura de ebulição de C . M as se a água es�ver subme�da a uma pressão maior, ela entra em ebulição o a uma temperatura superior ao valor de C , e o tempo de cozimento dos alimentos diminui.

Figura 07 - O aumento da pressão interna na panela de pressão faz aumentar a velocidade de cozimento dos alimentos.

Por meio desse mecanismo de aç ão, podemos entender por que os l quidos entram em ebulição mais rapidamente em locais de altitude elevada. esses lugares, a pressão exercida sobre a superf cie do l quido menor e, portanto, a temperatura de ebulição inferior o temperatura ao n vel do mar, no caso, para a água. Observe o quadro abaixo.

T emperatura de eb uliç ã o da á gua em f unç ã o da pressã o

214

Temperatura de ebuliç ão da água/ oC

0

20

4 0

Pressão de vapor da água mm g

4 ,6

,

,

,

60

80

100

,

,

7 60

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios d e F ixaç ã o 01. Propriedades coliga�vas são aquelas que dependem da quan�dade de par�culas do soluto em solução, não interessando a natureza dessas par�culas. omo exemplo de propriedades coliga�vas temos a Ebulioscopia E , rioscopia (C ), Tonoscopia (T) e Osmoscopia (O). �lizando as letras entre parênteses, associe as propriedades coliga�vas com os fen menos descritos a seguir, quando se adiciona um soluto não volá�l a um solvente puro estuda o abaixamento da pressão de vapor. ( ) estuda o aumento da temperatura de ebuliç ão. ( estuda o abaixamento da temperatura de congelamento. ( estuda o aumento da pressão osm �ca. sequência correta de cima para baixo a E O c OE e OE b E O d O E 02.

atos co�dianos como a conserva de alimentos podem ser melhor entendidos quando analisados com base nas propriedades coliga�vas. Por exemplo, sabemos que um fruto quando imerso em uma calda de aç ú car apresenta durabilidade maior. I sso por-

que a calda de aç ú car atua nos alimentos produzindo o(a) a) b c) d e 03 .

aumento da prolif eraç ão de micro- organismo. diminuição da energia de a�vação. desidrataç ão do alimentos. elevação da temperatura do meio. diminuição da energia cin �ca das mol culas.

s propriedades coliga�vas são aquelas em que a quan�dade de par�culas do soluto interfere em propriedades do solvente puro. oi acobus endricus van t o , qu mico e sico olandês, quem mel or entendeu a quan� cação dessas propriedades. an t o introduziu um fator que permi�u o cálculo do número de par�culas de soluto em solução. seguir, temos algumas esp cies qu micas listadas. Determine, para cada uma delas, o fator de correção de an t o α= → a) C aC 2(aq)  α= → b) H 2SO4 (aq)  α= → c) C 6H 12O6(aq) 

α= → d) A 2(SO4 )3 (aq)  α= e) Na3 PO4 (aq) →

a) i = 3 ; b) i = 2,4 ; c) i = 1; d) i = 1,8; e) i = 4

Exercícios Complementares

obre as propriedades sicas da água, ulgue os itens . g de água s lida possui volume menor que quando no estado l quido. . a água salina congela em temperatura menor que a água potável. . na passagem para o estado gasoso, rompem se ligaç es de hidrogênio. . a mudança do estado s lido para o l quido resulta em aumento da entropia do sistema.

02. ( U F G G O ) A o preparar uma sopa, um cozinheiro colocou mais sal do que o necessário. Para reduzir a quan�dade de sal no caldo, ele acrescentou batatas descascadas. A pós al-

gum tempo, as batatas foram removidas e a sopa voltou a ter um gosto agradável. O fen meno, que levou redução da quan�dade de sal no caldo, foi a) a osmose. d o aumento da pressão de vapor. b) a dif usão. e) a adsorç ão. c a variação de p .

03 . ( Ac af e S C ) Em um laborat rio de qu mica existem quatrof rascos: - f rasco 1: água - f rasco 2: soluç ão aquosa de C aC 2 0,3 mol/ L - f rasco 3 : soluç ão aquosa de NaC  0,3 mol/ L - f rasco 4 : soluç ão aquosa de glicose 0,3 mol/ L ssinale a alterna�va correta que cont m a ordem crescente da pressão de vapor do solvente. a) f rasco 2 > f rasco 3 > f rasco 4 > f rasco 1 b) f rasco 1 > f rasco 4 > f rasco 3 > f rasco 2 c) f rasco 1 < f rasco 4 < f rasco 3 < f rasco 2 d) f rasco 2 < f rasco 3 < f rasco 4 < f rasco 1 04 . ( F C M M G ) água doce dos rios evapora se mais facilmente do que a água salgada do mar. água dos mares evapora se com mais di culdade, fundamentalmente, porque ela tem maior a quan�dade de sais dissolvidos. b) temperatura de ebuliç ão. c pressão osm �ca. d pressão de vapor.

215

A09  Propriedades coliga�vas

01. ( U F G G O ) O texto, a seguir, foi adaptado do livro Moléculas de P. W . A tk ins. água ocorre com enorme abund ncia na erra a propriedade mais estran a da água ser um l quido temperatura ambiente uma mol cula tão pequena deveria ser um gás, como am nia, metano a singularidade da água não se resume ao seu estado l quido a maioria dos s lidos mais densa do que os l quidos a par�r dos quais eles se congelaram, mas o gelo a 0° C é menos denso do que a água a odas as três formas da água gelo, l quido e vapor são abundantes na erra, mas muito pouco dela ac a se na forma adequada para o consumo umano muito salino da água total potável.

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A10

ASSUNTOS ABORDADOS n T onosc opia e tonometria n C onceito de tonoscopia n

baixamento da pressão máxima de vapor

TONOSCOPIA E TONOMETRIA t o momento, discu�mos o comportamento de um l quido puro quando aquecido at o ponto de ebulição. as algumas situaç es co�dianas nos mostram que um l quido puro entra em ebulição em uma temperatura inferior temperatura de ebulição do l quido em uma solução, nas mesmas condiç es de pressão. m bom exemplo o aquecimento de água para o preparo do caf . uando a água a�nge a fervura e acrescentamos o açúcar, podemos observar, imediatamente ap s o acr scimo do açúcar, que á uma brusca parada na fervura. as por que isso acontece? O que ouve com a pressão de vapor da água? pressão de vapor uma grandeza que mede a facilidade com que as mol culas escapam de um sistema. uanto maior a pressão de vapor, maior a vola�lidade da subst ncia. diminuição na pressão de vapor pode ser explicada em parte pelo aumento do número de interaç es entre as mol culas de água e as par�culas do soluto. as o soluto ocupa, inicialmente, a super cie do l quido e di culta a sa da das mol culas de água no estado de vapor. ssim, para que as mol culas de água voltem a produzir a mesma quan�dade vapor, devemos aquecer o sistema novamente. Esse �po de efeito causado na pressão máxima de vapor de um solvente, quando em solução com um soluto não volá�l, denominado efeito tonosc pico e pode ser mensurado por meio da tonometria (tónos, pressão e metria, medida).

C onc eito de tonosc opia A tonoscopia estuda o abaixamento da pressão máxima de vapor de um solvente quando a ele se adiciona um soluto não volá�l, formando uma solução. tonometria a parte da u mica que se preocupa em medir quan�ta�vamente o ef eito tonoscópico.

Ab aixamento da pressã o má xima de v apor par�r de agora passaremos a quan� car os fen menos coliga�vos nas soluç es. ntes, por m, devemos estabelecer um modelo de solução para inves�gação dessas propriedades.

O estudo prá�co das soluç es nos diz que, medida que adicionamos um soluto não volá�l, ocorre diminuição na pressão de vapor do solvente. De maneira emp rica, podemos determinar esse abaixamento com bastante precisão nas soluç es dilu das. as, nas soluç es concentradas, á desvios consideráveis entre os resultados emp ricos e aqueles previstos teoricamente. Portanto, os modelos de solução que devemos adotar para o estudo dos fen menos coliga�vos são aqueles em que a concentração do soluto não volá�l pequena o su ciente para que a solução se a tratada como uma solução dilu da. onsidere o grá co ao lado que relaciona a pressão de vapor de dois l quidos. Observe que, medida que a temperatura aumenta, tamb m aumenta a pressão de vapor dos dois l quidos. Por m, o l quido tem sua pressão de vapor aumentada mais rapidamente.

216

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Por exemplo, para a�ngir a pressão de mm g, temos que submeter o l quido a uma fonte de calor cu a temperatura é de 7 0 o . á o l quido deve ser aquecido a uma temo peratura de para a�ngir a mesma pressão. Portanto, podemos dizer que o l quido mais volá�l que o l quido . as, se misturar uma pequena quan�dade do l quido no l quido , de modo a formar uma solução, averá abaixamento da pressão de vapor do l quido . om base em dados experimentais, o sico e qu mico francês rançois arie aoult estabeleceu leis matemá�cas que relacionam o abaixamento da pressão máxima de vapor de um solvente quando em solução.

1º enunciado da Lei de Raoult O abaixamento rela�vo da pressão máxima de vapor de uma subst ncia quando em solução dilu da diretamente proporcional fração em quan�dade de mat ria do soluto (primeiro enunciado da L ei de R aoult). representação grá ca desse fen meno pode ser vista abaixo. eri que, no grá co, que a pressão máxima de vapor do l quido diminui de mm g para mm g, temperatura de 7 0 oC .

embre se de que a soma das fraç es em quan�dade de mat ria do soluto e do solvente em uma solução igual a .

Portanto, X 1 = 1 − X2 P2 − P =X P2 P2 − P = X

1

1

⋅ P2

P2 − P = (1 − X

2

)P2

P2 − P = P2 − X 2P2 −P =−X 2P2 P = X 2P2

Desse modo, temos que: 2º enunciado da Lei de Raoult pressão máxima de vapor de uma solução numericamente igual ao produto da pressão de vapor do solvente puro pela fração em quan�dade de mat ria do solvente na solução.

3º enunciado da Lei de Raoult rata se de outra relação que podemos deduzir a par�r do abaixamento rela�vo da pressão máxima de vapor, da fração em quan�dade de mat ria e da molalidade da solução.

Essa relação cons�tui o terceiro enunciado da ei de aoult.

O abaixamento rela�vo de pressão máxima de vapor de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volá�l, formando uma solução, diretamente proporcional molalidade.

P2 - P = k t .ω P2

P2 pressão de vapor do solvente puro X 1 fração em quan�dade de mat ria do soluto em soluç ão P pressão de vapor da solução par�r dessa expressão matemá�ca, podemos deduzir a relação entre a pressão máxima de vapor da solução, a fração em quan�dade de mat ria do solvente e a pressão máxima de vapor do solvente puro em solução.

C omo j á sabemos, a molalidade é uma concentraç ão que expressa a quan�dade de mat ria do soluto número de mol pela massa do solvente expressa em quilogramas. ω=

n1 m2 (k g)

embrando que as f rmulas matemá�cas acima representadas valem para soluç es moleculares. Para soluç es i nicas, devemos corrigir as express es pelo fator de an t o i .

P2 - P = k t ⋅ ω⋅ i P2 217

A10  Tonoscopia e tonometria

P −P ∆P A ssim, temos que =∴ X 1 2 = X 1 , em que P2 P2 ∆P = abaixamento rela�vo de pressão máxima de vapor P2

Q uí mica

Exercícios d e F ixaç ã o 01. ( U F P E ) O grá co abaixo representa a pressão de vapor eixo das ordenadas , em atm, em função da temperatura eixo das abcissas), em °C , de três amostras, I , I I e I I I . Se uma destas amostras f or de água pura e as outras duas de água salgada, podemos a rmar que

a) b c) d e)

a amostra I é a amostra de água salgada. a amostra a mais volá�l. a amostra I I é mais concentrada que a amostra I I I . a amostra a menos volá�l. na temperatura TI I I e 1 atm a amostra I I ainda não entrou em ebuliç ão.

A10  Tonoscopia e tonometria

02. ( U F U M G ) Os abitantes das regi es áridas percebem que os lagos de água salgada têm menor tendência para secar que os lagos de água doce.

Esse fato deve se a) menor dissoluç ão de gases atmosf éricos nos lagos de água salgada, devido elevada concentração salina que acentua o ef eito tonoscópico. b alta evaporação da água dos lagos salgados, em função do efeito ebuliosc pico causado pelos sais dissolvidos. c maior concentração de solutos eletr litos não voláteis dissolvidos nos lagos de água salgada, acentuando o efeito tonoscópico. d elevada presença de não eletr litos dissolvidos na água salgada, produzindo menor ef eito tonoscópico.

03. (UERN) U m prof essor pediu que quatro alunos realizassem uma experiência sobre a análise de interaç es intermoleculares presentes nos sistemas. Sabe- se que as substâ ncias são: água, álcool, éter e cetona. C ada aluno molhou o quadro com a substâ ncia que recebeu. Depois de algum tempo, conclu ram que se fosse usado um frasco com man metro em cada uma das substâ ncias, a pressão maior seria do(a)

218

a) éter. b) água. c) álcool. d) cetona.

04 . ( F amec a S P ) Pressão de vapor de uma subst ncia a pressão exercida pelo vapor quando existe um equil brio entre as fases l quida e de vapor em uma dada temperatura. pressão de vapor da água, a °C , é 26 mmH g. J á a umidade rela�va do ar indica a relação percentual entre a pressão real exercida pelo vapor na condição atual e a pressão de vapor na mesma condição.

Sabendo que R = 62,3 mmH g ⋅ L ⋅ mol ⋅ K , que em um dia ensolarado a temperatura média é de 27 °C e que a concentraç ão de água na atmosf era (condiç ão atual) é de 4 ,0 × 10 mol ⋅ L , correto a rmar que a umidade rela�va do ar , nessas condiç es, estará pr xima de a . d . b . e . c .

05 . ( P uc M , , , ,

G ) e am dadas as seguintes soluç es aquosas mol de glicose 6H 12O6) mol de carbonato de s dio a2C O3 ) mol de ácido n trico O3 ) mol de sacarose 12H 22O11)

Das soluç es acima, assinale a opção que representa a maior pressão de vapor a) X b) Y c) Z d) W 06 . ( U espi P I ) uando as manicures estão re�rando os esmaltes das unhas das suas clientes, elas usam uma soluç ão removedora base de acetona. uando entramos em um ospital sen�mos um c eiro caracter s�co de ter.

Q uando estamos abastecendo o carro com álcool estamos usando um combus�vel alterna�vo. ordem crescente de pressão de vapor para essas três subst ncias destacadas no texto será Dados: temperatura de ebuliç ão a pressão de 1 atm (acetona , oC , éter = 3 4 ,6 o e álcool combus�vel , oC ) a) éter < álcool < acetona b) éter < acetona < álcool c) álcool < acetona < éter d) álcool < éter < acetona e) acetona < éter < álcool

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. ( U E P B ) pressão de vapor de uma gasolina um importante par metro de especi cação pois de ne perdas por evaporaç ão no armazenamento, no transporte e manuseio do combus�vel.

C idade

c Em condiç es ambientes, a substâ ncia que apresenta menor pressão de vapor o sulfeto de carbono. d) Na pressão de 1atm, o etanol apresenta uma temperatura de ebulição de aproximadamente

T emperatura mé dia anual ( ° C )

J oão Pessoa

,

M oscou

06,0

M acapá

27 ,6

elo orizonte

21,2

M iami

26,0

uri�ba

,

Q uais cidades brasileiras apresentadas na tabela devem possuir a maior pressão de vapor para uma mesma amostra

.

03 . ( U F G D M S ) Em um mesmo local, a pressão de vapor de todas as subst ncias puras l quidas a tem o mesmo valor mesma temperatura. b tem o mesmo valor nos respec�vos pontos de ebulição. c tem o mesmo valor nos respectivos pontos de congelaç ão. d aumenta com o aumento do volume de l quido presente, temperatura constante. e diminui com o aumento do volume de l quido presente, temperatura constante.

04 . ( U F U M G ) A s substâ ncias que ocorrem na natureza encon-

de gasolina? a oscou e uri�ba b) M acapá e M iami

tram- se normalmente misturadas com outras substâ ncias

c) M acapá e J oão Pessoa d uri�ba e elo orizonte

ser conf undidas, na aparência, com substâ ncias puras. U ma

e

cias puras

elo orizonte e oão Pessoa

02. ( P U C M G ) O grá co abaixo apresenta a variação das press es de vapor do sulfeto de carbono, metanol, etanol e água em f unç ão da temperatura.

f ormando misturas homogêneas ou heterogêneas. A s misturas homogêneas, ao contrário das heterogêneas, podem f orma de dif erenciar as misturas homogêneas de substâ ndeterminar as propriedades sicas do sistema

em questão como ponto de f usão (PF ), ponto de ebuliç ão PE , densidade e condu�vidade el trica. onsiderando esse fato, as seguintes a rma�vas em relação água do mar estão corretas, E

E O

a) a densidade da água do mar é maior que a densidade da água pura. b a água do mar tem pressão de vapor superior

da

água pura. c a água do mar cont m compostos i nicos e moleculares dissolvidos. d a água do mar congela numa temperatura inferior

da

água pura.

05 . ( P U C M G )

onsidere as seguintes soluç es aquosas O6)

12

Y - 0,1 mol/ L de cloreto de sódio (NaC ) Z - 0,3 mol/ L de sulf ato de potássio (K 2SO4 ) , mol De acordo com o grá co, assinale a a rma�va O E . a) A substâ ncia que apresenta maior temperatura de ebulição ao n vel do mar a água. b ordem crescente de vola�lidade, a , das subst ncias é: água < etanol < metanol < sulf eto de carbono.

de ácido clor drico

)

onsiderando as propriedades das soluç es, assinale a a rma�va

O

E

a) Numa mesma pressão, a soluç ão Z apresenta a maior temperatura de ebuliç ão.

219

A10  Tonoscopia e tonometria

X - 0,1 mol/ L de f rutose (C 6H

Q uí mica

b

solução

c) A

soluç ão W

a que apresenta a maior pressão de vapor. apresenta uma temperatura de congelaç ão

maior que a soluç ão Y . d) Todas apresentam uma temperatura de ebuliç ão maior do que 100 oC a 1 atm.

06 . ( I T A S P ) C onsidere que, em determinada temperatura T P pressão de vapor da água pura P1 pressão de vapor da solução aquosa cu a concentração em

b) 0,2 mol/ L de sacarose c d

, mol , mol

de ácido clor drico de ácido clor drico

e

, mol

de idr xido de s dio

10. ( U nesp S P ) O abaixamento rela�vo da pressão de vapor de um solvente, resultante da adição de um soluto não volá�l, depende do número de par�culas dissolvidas na solução resultante.

Em quatro recipientes, denominados , , e D, foram pre-

relaç ão a dado soluto é C 1.

paradas, respec�vamente, soluç es de glicose, sacarose, ureia

P2 pressão de vapor da solução aquosa cu a concentração em relaç ão ao mesmo soluto é 2 C 1.

e cloreto de s dio, de forma que seus volumes nais fossem idên�cos, apresentando composiç es conforme especi cado

A essa temperatura T, tem- se: a) P1> P2 b) P1> P

na tabela:

c) P = P1 = P2 d) P2> P e) P1> P2

, mol de ácido clor drico 0,2 mol/ L de cloreto de potássio 0,2 mol/ L de sulf ato de sódio

Das soluç es acima, assinale a opção que apresenta menor pressão de vapor a) I b) I I c) I I I d) I V e) V

A10  Tonoscopia e tonometria

08 . ( P U C M G ) onsidere as soluç es aquosas abaixo.

I. soluç ão de sulf ato de cobre (C uSO4 ) 0,1 mol/ L II. soluç ão de cloreto de potássio (K C ) 0,4 mol/ L I I I . soluç ão de sulf ato de zinco (Z nSO4 ) 0,2 mol/ L I V . soluç ão de glicose (C 6H 12O6) 0,1 mol/ L onsiderando que as esp cies i nicas estão completamente ionizadas, assinale a a rma�va O E . a) A soluç ão I I I possui o menor ponto de ebuliç ão. b) A soluç ão I possui o menor ponto de congelamento. c solução tem ponto de ebulição mais baixo do que o ponto de ebuliç ão da soluç ão I . d Durante a ebulição, a pressão de vapor idên�ca para as quatro soluç es.

09. ( V unesp S P ) A uma dada temperatura, possui a menor pressão de vapor a solução aquosa a) 0, 1 mol/ L de sacarose 220

M assa dissolv ida ( g)

O6

180,2

18,02

O11

3 4 2,3

3 4 ,23

C

C O(NH 2)2

60,1

6,01

D

NaC 

,

,

S ub stâ nc ia

A C

07 . ( P U C M G ) e am dadas as seguintes soluç es aquosas I. 0,1 mol/ L de glicose II. 0,2 mol/ L de sacarose .

IV .

V .

M assa molar ( g/ mol)

Recipiente

C 6H

12

H

22

11

C om base nas informaç es fornecidas, correto a rmar que a odas as soluç es apresentam a mesma pressão de vapor. b) A soluç ão de sacarose é a que apresenta a menor pressão de vapor. c) A soluç ão de cloreto de sódio é a que apresenta a menor pressão de vapor. d) A soluç ão de glicose é a que apresenta a menor pressão de e

vapor. s press es de vapor das soluç es variam na seguinte ordem: ureia = cloreto de sódio > glicose.

11. ( F uv est S P ) Em uma mesma temperatura, foram medidas as press es de vapor dos três sistemas abaixo x g de benzeno , g de na aleno dissolvidos em g de benzeno massa molar do na aleno g mol z , g de na aceno dissolvidos em g de benzeno massa molar do na aceno g mol Os resultados, para esses três sistemas, foram , , , e 108,2 mmH g, não necessariamente nessa ordem. ais valores são, respec�vamente, as press es de vapor dos sistemas , , , a x z b x z c z x d x z e) z x

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A11

EBULIOSCOPIA E CRIOSCOPIA Em algumas regi es do rasil, tradição que o preparo do caf se dê da seguinte forma inicialmente aquece se a água at a fervura e, em seguida, com a água fervendo, acrescenta- se o aç ú car. O componente principal do aç ú car é a sacarose (C 12H 22O11). O resultado do acr scimo de açúcar água a interrupção brusca da fervura. antendo o sistema sobre a chama do fogão, a água novamente volta a ferver, por m a uma temperatura superior ao que ela se encontrava.

ASSUNTOS ABORDADOS n E b uliosc opia e c riosc opia n I mportâ ncia n R epresentaç ão gráf ica n L eis de R aoult para ebuliometria n L eis de R aoult para criometria

Da mesma f orma que o aç ú car aumenta a temperatura de ebuliç ão da água, ele tamb m promove a diminuição da temperatura de congelamento. água, pressão de atm, solidi ca temperatura de . ontudo, uma solução de água e açúcar, quando subme�da ao resfriamento, terá temperatura de in cio de congelamento da água abaixo de zero. ontudo, devemos nos lembrar de que nem todo soluto interfere dessa forma nas temperaturas de ebulição e solidi cação da água. Para que isso ocorra da forma descrita acima, o soluto em questão deve ter alto ponto de ebulição, ou se a, deve ser um soluto não volá�l. s propriedades descritas, nos exemplos acima, podem ser estudadas e mensuradas por dois ramos da qu mica denominados de ebulioscopia e crioscopia que, respec�vamente, estudam o aumento da temperatura de ebuliç ão e a diminuiç ão da temperatura de congelamento de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volá�l.

Para quan� car essa interferência nas temperaturas de ebulição e congelamento de um solvente, faremos uso, respec�vamente, da ebuliometria e da ebulioscopia. ssim, temos as seguintes de niç es n n

ebuliometria mede o aumento da temperatura de ebulição de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volátil formando uma solução. criometria mede o abaixamento da temperatura de congelamento de um solvente puro quando a ele se adiciona um soluto não volátil, formando uma soluç ão.

I mportâ nc ia Em nosso co�diano, podemos relacionar diversos fatos que envolvem essas propriedades coliga�vas. Em locais de baixas temperaturas, por exemplo, adicionam se, nos radiadores dos carros, adi�vos como o e�lenoglicol, que interferem no congelamento da água, evitando que ela se solidi que a o . Da mesma forma, esse adi�vo tamb m promove o aumento da temperatura do ponto de ebulição da água, permi�ndo que ela o se manten a l quida em temperaturas superiores a . O cozimento de um ovo, por exemplo, um outro fato que pode ser facilitado pelo efeito ebuliosc pico. O acr scimo de sal água produz aumento da temperatura de ebulição e, consequentemente, o cozimento do ovo ocorre de forma mais rápida. a medicina, as propriedades coliga�vas tamb m são muito empregadas. Por exemplo, podemos medir a capacidade de funcionamento dos rins por meio da análise da urina. A urina é f ormada por água, ureia e sais minerais em uma composiç ão pra�camente constante. Por isso, podemos medir a temperatura de congelamento da urina e compará la com os valores de temperatura de congelamento de nidos para um indiv duo sadio.

221

Q uí mica

as a import ncia das propriedades coliga�vas não se resume apenas a esses fatos. u�lização laboratorial dessas propriedades está diretamente relacionada determinação e iden� cação de subst ncias. Podemos calcular a massa molar de uma subst ncia tanto pela criometria quanto pela ebuliometria e nos dois casos f aremos uso da L ei de R aoult. imos que a adição de um soluto não volá�l a um solvente puro formando uma solução altera a pressão de vapor do solvente puro. Da mesma forma, as temperaturas de ebuliç ão e de congelamento também são alteradas, ou sej a, há aumento da temperatura de ebulição e diminuição da temperatura de congelamento. Essas duas propriedades são quan� cadas pela ebuliometria e pela criometria, respec�vamente.

Representação gráfica No diagrama a seguir, representamos os ef eitos de aumento de temperatura de ebulição e diminuição da temperatura de congelamento de um solvente puro em solução com um soluto não volá�l.

Leis de Raoult para ebuliometria Para a ebuliometria, podemos dizer que a variação da temperatura de ebulição de um solvente puro, quando a ele se adiciona um soluto não volá�l, diretamente proporcional molalidade da solução, sendo que a constante de proporcionalidade dita de constante ebuliométrica (ke . o caso das soluç es i nicas, devemos levar em conta o fator de an t o i .

S oluç õ es

F órmula

M oleculares

∆te = k e .ω

nicas

∆te = k e .ω.i

A11  Ebulioscopia e crioscopia

A constante ke de proporcionalidade uma caracter s�ca do solvente e indica o aumento da temperatura de ebulição de um solvente produzido pela presença de mol do soluto em g de solvente.

Leis de Raoult para criometria Para a criometria, podemos dizer que a variação da temperatura de solidi cação de um solvente puro, quando a ele se adiciona um soluto não volá�l, diretamente proporcional molalidade da solução, sendo que a constante de proporcionalidade dita de constante criométrica (kc . o caso das soluç es i nicas, devemos levar em conta o fator de an t o .

222

C iências da Natureza e suas Tecnologias

S oluç õ es

F órmula

M oleculares

∆tc = k c .ω

nicas

∆tc = k c .ω.i

A constante kc de proporcionalidade uma caracter s�ca do solvente e indica o abaixamento da temperatura de solidi cação de um solvente produzido pela presença de mol do soluto em g de solvente.

Exercícios d e F ixaç ã o

02. ( Ac af e S C ) Em pa ses de inverno rigoroso, pode ser adicionado an�congelante nos radiadores dos carros para evitar o congelamento da água. aseado nesse princ pio coliga�vo, f oi preparada, no laboratório, uma mistura de 10 cm3 de e�lenoglicol em 200 g de água.

Dados f rmula molecular do e�lenoglicol 2H 6O2; densidade do e�lenoglicol , g cm3 ; constante crioscópica molal da água (K c): 1,86 ° C ; densidade da água: 1,0 g/ cm3 ; C : 12 g/ mol, H : 1 g/ mol; O: 16 g/ mol.

O ponto de congelamento dessa mistura é: a , °C c , °C b , °C d) 1,67 ° C 03 . ( U niev angé lic a G O ) Em determinadas condiç es, as soluç es possuem comportamentos coliga�vos diferentes em relação aos solventes puros, pois o número de par�culas de soluto dissolvidas em solventes pode alterar signi ca�vamente as suas propriedades coliga�vas. o se dissolver em diferentes �pos de solutos em água, formar se ão soluç es com dif erentes comportamentos. essas condiç es, a temperatura de ebulição será maior ao dissolver , mol de a) cloreto de sódio (NaC ) em 100 mL de água. b) sacarose (C

H

12

O11) em 100 mL de água.

22

c) etanol (C 2H 6O) em 100 mL de água. d) glicose (C 6H 12O6) em 200 mL de água.

04 . ( U desc S C ) O sal é j ogado nas ruas e calç adas para derreter a neve em pa ses com inverno rigoroso, pois a temperatura de f usão do gelo diminui, liquef azendo- se em temperaturas mais baixas. Diferentes subst ncias qu micas podem ser u�lizadas para diminuir a temperatura de f usão do gelo. onsidere as subst ncias e respec�vas quan�dades a seguir I. 1 k g de C aC 2 II. 1 k g de NaC  I I I . 1 k g de sacarose (C 12H 22O11) ssinale a alterna�va correta das subst ncias acima, em relação temperatura de fusão do gelo. a) NaC  causa a maior diminuiç ão da temperatura de f usão do gelo. b) Sacarose causa a maior diminuiç ão da temperatura de f usão do gelo. c) C aC 2 causa a maior diminuiç ão da temperatura de f usão do gelo. d) C aC 2 e NaC  diminuem igualmente a temperatura de f usão do gelo, pois ambos são sais solúveis de cloro. e) NaC  causa a menor diminuiç ão da temperatura de f usão do gelo.

05 . ( U F U M G ) o passado se fazia sorvete, colocando o recipiente com seu preparado l quido em outro recipiente contendo a mistura de gelo com sal. Essa t cnica permi�a que o sorvete se formasse, pois a) a mistura de gelo com sal chega a temperaturas menores que 0 o , resfriando o l quido do sorvete at congelá lo. b) o gelo tem sua temperatura de congelamento aumentada pela presença do sal, resfriando o l quido do sorvete para congelá- lo. c) a temperatura de congelamento do gelo, pelo ef eito criosc pico, alterada, independentemente da quan�dade de sal. d) o sal diminui a temperatura de f usão do gelo, sem, contudo, alterar seu estado sico, fazendo com que o sorvete se f orme.

223

A11  Ebulioscopia e crioscopia

01. ( U E C E ) O cloreto de cálcio tem larga aplicaç ão industrial nos sistemas de ref rigeraç ão, na produç ão do cimento, na coagulação de leite para a fabricação de quei os, e uma excelente u�lização como controlador da umidade. ma solução de cloreto de cálcio u�lizada para ns industriais apresenta molalidade 2 e tem ponto de ebuliç ão 103 ,016 ° C sob pressão de 1 atm. abendo que a constante ebuliosc pica da água , ° C , o seu grau de dissociação i nica aparente a . b . c . d .

Q uí mica

Exercícios Complementares 01. ( U nitau S P ) C onsidere as seguintes soluç es A ) glicose 1 molal a  , molal C ) K 3 PO4 0,3 molal C omparando as temperaturas de ebuliç ão dessas três soluç es A , T e TC , a rma se O E E E que a) TA > T > TC b) TA = T > TC c) TA = T < TC d) TA < T < TC e) TA < T > TC 02. (UEM PR) U m pesquisador, para estudar processos de troca de calor e transformaç es de fases em solventes puros e soluç es, construiu um aparato que consis�a de uma panela de alum nio aberta a ser preenc ida com um l quido, contendo em seu interior um copo f eito de madeira. O copo ca suspenso dentro do l quido con�do na panela, amarrado por os plás�cos, não estando em contato direto com as paredes da panela de alum nio. ão á troca de l quidos entre a panela e o copo. respeito dos experimentos realizados nesse aparato e as conclus es que são ob�das pelo pesquisador, assinale a s alterna�va s correta s).

A11  Ebulioscopia e crioscopia

onsidere a pressão atmosf rica de atm e que o volume de l quido nos recipientes permanece constante. . Estando a panela preenc ida com água pura e o copo preenchido com uma soluç ão aquosa 2 mol/ L de NaC , o aquecimento do f undo da panela com uma chapa de aquecimento a 200 ° C f ará a água pura e a soluç ão entrarem em ebulição, ap s ser estabelecido um equil brio térmico no aparato. . Estando a panela preenc ida com uma solução aquosa 2 mol/ L de NaC  e o copo preenchido com água pura, o aquecimento do f undo da panela com uma chapa de aquecimento a 200 ° C f ará ambos entrarem em ebuliç ão, ap s ser estabelecido um equil brio t rmico no aparato. . o medir a temperatura do l quido dentro da panela e do l quido dentro do copo, ambos preenc idos com água pura, durante o aquecimento por uma chapa de aquecimento a 200 ° C , verificou se que ambos os l quidos apresentavam, ao mesmo tempo, temperaturas idênticas entre a temperatura ambiente e a temperatura de °C . . Estando a panela preenc ida com etanol e o copo preenchido com água pura, o aquecimento do f undo da panela com uma chapa de aquecimento a 200 ° C f ará somente o etanol entrar em ebuliç ão, após ser estabelecido um equil brio t rmico no aparato.

224

. O aumento ou a diminuição da pressão externa não causarão variação na temperatura de ebulição de água pura con�da na panela, desde que ela se a man�da aberta.

03 . ( Ac af e S C ) oi dissolvida uma determinada massa de etanol puro em 200 g de acetona acarretando em um aumento de 0,86 ° C na temperatura de ebuliç ão da acetona.

Dados: H : 1 g/ mol, C : 12 g/ mol, O: 16 g/ mol.

C onstante ebulioscópica molal da acetona (K eb) = 1,7 2 ° C .K g.mol massa de etanol dissolvida foi de a) 0,86 g. b , g. c) 2,3 g. d) 4 ,6 g.

04 . ( U F U M G ) as águas dos oceanos, encontram se diversos ons dissolvidos, como cloretos, s dio, sulfatos, bicarbonatos, magnésio, potássio entre outros, que contribuem para a sua constante salinidade. m estudante extraiu uma amostra de aproximadamente m de água do mar, acrescentou g de açúcar sacarose e fez algumas veri caç es quanto s propriedades dessa nova solução. om base em seus con ecimentos qu micos, marque, para as a rma�vas abaixo, erdadeira, alsa ou O em Opção. . pressão de vapor do sistema diminui a par�r da adiç ão do aç ú car. . O ponto de fusão da solução nal maior que o da inicial. . condu�bilidade el trica da solução resultante aumentou. . concentração dos ons presentes na solução nal permanece a mesma da soluç ão inicial.

05 . ( U F U M G ) O estudo das propriedades coliga�vas das soluç es permite nos prever as alteraç es nas propriedades de seu solvente. respeito das propriedades coliga�vas, assinale a alterna�va correta. a) Se f or colocada água com glutamato de monossódio dissolvido para congelar em uma geladeira, a temperatura de f usão da água na soluç ão permanecerá a mesma que a da água pura. b s propriedades coliga�vas independem do número de par�culas do soluto na solução, da natureza das par�culas e de sua vola�lidade. c e forem preparadas duas soluç es aquosas de mesma concentraç ão, uma de glutamato de monossódio e outra de aç ú car, a temperatura de ebuliç ão da água na primeira soluç ão será maior que a da água na soluç ão de aç ú car.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

d Em uma panela tampada, a pressão de vapor da solução

a

são de vapor da água pura porque a presença do sal facilita

b

g.

a evaporação do solvente.

c

, g.

06 . ( U espi P I ) Em pa ses frios, comum a u�lização de água e e�lenoglicol no radiador de carros para evitar o congelamento do l quido. Essa mistura pode baixar a temperatura de congelamento at ° C (a água pura congela a 0 ° C ).

Essa caracter s�ca se deve ao fato de que temperatura de in cio de congelamento do solvente de uma solução água

e�lenoglicol

menor que a tempera-

tura de in cio de congelamento do solvente puro água . b O e�lenoglicol reage com a água liberando energia que irá aquecer o radiador. c O e�lenoglicol cria uma camada protetora no radiador, impedindo a perda de calor no sistema. d) Q uanto menor a concentraç ão da soluç ão, menor será a temperatura de in cio do congelamento. e O composto formado nessa reação, o e�lenoglicol idrata-

d) 3 10 g. e

lução contendo vários sais dissolvidos. Entre as a rmaç es a seguir, assinale a que não é correta em relação água do mar. a

m dos sais dissolvidos na água do mar o cloreto de s dio.

b

pressão de vapor da água do mar

menor do que a da

água pura mesma temperatura. c) A temperatura normal de ebuliç ão da água do mar é maior do que a da água pura.

sal de cozinha, NaC , observou se, durante a dissoluç ão, um resf riamento do sistema.

C onsiderando- se a situaç ão descrita e outros conhecimentos sobre o assunto,

pre maior do que a temperatura normal de ebuliç ão de uma solução de sacarose de concentração, em mol , igual

b c d

quebra do re�culo cristalino do a  é um processo exotérmico. solução transfere energia, na forma de calor, para a vizinhanç a.

10. (UEL PR) O abaixamento da temperatura de congelamento apresenta algumas u�lidades prá�cas. m veis, se a água es�ver abaixo de

o radiador de auto-

° C , o que é comum nos

invernos de regi es muito frias, ela se solidi ca e aumenta o volume. om a dilatação da água, o radiador pode dani car se.

Então, para evitar que a água congele, um soluto, como o e�lenoglicol, pode ser adicionado água do radiador.

de uma solução ideal, correto a rmar que a

solvente puro. b

adicionam se an�congelantes água do radiador dos autom -

temperatura de in cio de congelamento. c

em massa,

lecular e não volátil. d O e�lenoglicol, por ser l quido, abaixa a temperatura de congelamento da água, ao contrário dos solutos sólidos, como

. o entanto, essas soluç es são

o NaC , que provocam um aumento da temperatura de con-

lterna�vamente,

empregam se, como solutos, etanol, glicerina ou e�lenoglicol, e se obtêm soluç es que congelam entre −10 e −

.

C alcule a massa de glicerina (C 3 H 8O3 que deve ser adicionada por quilo de água para que a soluç ão só comece a se

c não depende do solvente e

de uma soluç ão 1 mol/ k g contendo qualquer soluto mo-

congelamento da água rompa os alv olos do radiador. Do ponto de vista criosc pico, seriam �mos an�congelantes sais como

constante criosc pica

indica o abaixamento da temperatura de congelamento

veis para impedir que a expansão de volume que acompan a o

M gC 2 ou C aC 2, que, em soluç es aquosas a

onsiderando soluç es do mesmo soluto e solvente, quanto maior a concentraç ão do soluto na soluç ão, maior será sua

os pa ses que costuma ter um inverno rigoroso,

inconvenientes porque corroem o motor.

temperatura de in cio de congelamento de qualquer soluç ão é sempre maior que a temperatura de congelamento do

constante medida que o solvente se solidi ca.

solidif icar a −10° C .

quan�dade de a  dissolvida determina o grau de resf riamento do sistema.

do

temperatura de solidi cação da água do mar permanece

congelam em torno de

E O a rmar que

moléculas da água.

cloreto de s dio existente na água do mar.

08 . ( U F G D M S )

O

a) A dissoluç ão do NaC  aumenta a energia cin �ca m dia das

Em relação ao abaixamento de temperatura de congelamento

d) A temperatura normal de ebuliç ão da água do mar será sem-

e

g.

09. ( U F M G ) A o se preparar uma soluç ão aquosa concentrada de

do, possui menor ponto de f usão.

07 . ( U f al AL ) A água do mar pode ser considerada como uma so-

g.

gelamento da água. e

o caso em que o soluto insolúvel no solvente em estado s lido, quando o solvente começa a congelar, a solução ainda não congelada torna- se mais concentrada, diminuindo a temperatura de congelamento.

225

A11  Ebulioscopia e crioscopia

a

Dado: K c = 1,86 ° C / molal

aquosa de glutamato de monossódio é maior do que a pres-

FRENTE

A

QUÍMICA

MÓDULO A12

ASSUNTOS ABORDADOS n O smosc opia n Osmose n

eios ipo, iper e isot nicos

n Osmose inversa

OSMOSCOPIA A presenç a de f atos e acontecimentos co�dianos que podem ser entendidos e explicados pela osmoscopia muito comum em nossa vida diária. s ores, por exemplo, têm maior longevidade quando seus caules rec m cortados são mergul ados em água potável o mesmo ocorre com as fol as de alface e outros alimentos. s ameixas c egam a ter aumento de volume se colocadas em presença de água potável.

Por m, se os meios forem concentrados, o fen meno pode ser o inverso, ou se a, c lulas vegetais e animais perdem água quando em presença de soluç es altamente concentradas. salga de carnes para aumentar sua durabilidade um exemplo de fen meno em que ocorre desidratação das c lulas.

Os exemplos citados podem ser mais bem entendidos quando estudados dentro de um ramo da qu mica c amado de osmoscopia, que tem por função estudar as mudanças na pressão osm �ca de um sistema. Por isso de fundamental import ncia para o entendimento da osmoscopia o estudo da osmose.

O smose

Tempo

Difusão

Osmose é a transferência de solvente por meio de uma membrana semipermeável, mo�vada por uma diferença de gradiente de concentração. s membranas semipermeáveis são aquelas que permitem a passagem do solvente, mas não permitem a passagem do soluto de uma soluç ão.

Para mel or entendimento da osmose e, consequentemente, da pressão osm �ca, considere o seguinte experimento uando adicionamos certa quan�dade de sal a um copo contendo água, podemos notar que os re�culos cristalinos se espal am no interior do recipiente e se disseminam entre as moléculas de água ali presentes. I sso ocorre de maneira espontâ nea. A esse espal amento de par�culas entre as par�culas de outra substâ ncia é denominado de dif usão.

Figura 01 - Representação da difusão das partículas de um soluto (esferas em cor vermelha) em um solvente (esferas em cor azul). Imagem fora de escala de tamanho e em cores ilustrativas.

226

Figura 02 - O aquecimento de alimentos em meios ricos em açúcar e posterior armazenamento permite aumento de durabilidade em conservas.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Osmose Solução concentrada Água (solvente)

Pressão osmó ca

A o se colocar uma al quota dessa solução em um recipiente de membrana permeável ao solvente, mas não ao soluto aqui c amada de semipermeável e imediatamente introduzir esse sistema no interior de um outro recipiente contendo uma soluç ão menos concentrada, veremos que o solvente se movimenta de acordo com um gradiente de concentraç ão: da soluç ão menos concentrada para a solução mais concentrada. Esse movimento denominado osmose.

Pressão externa

Água doce Membrana semipermeável

Água salina

Figura 04 - A pressão externa que se deve exercer no tubo B para manter o nível em A estável é justamente a medida da pressão osmótica do sistema.

embre se de que essa expressão matemá�ca válida para soluç es moleculares. Em soluç es i nicas, necessário a introduç ão do f ator de correç ão i, c amado por an t o de fator de medida da anormalidade da subst ncia, o e c amado apenas de fator de an t o .

π= n = π n

⇒ soluç es moleculares i ⇒ soluç es i nicas

par�r da expressão matemá�ca da pressão osm �ca, podemos deduzir que: n Figura 03 - Devido à osmose, houve passagem de solvente do tubo da direita para o tudo da esquerda (solução), provocando o aumento do nível de volume nesse tubo. Partículas representadas com cores fantasia e fora de escala de tamanho.

πV = nR T n π = R T V  π =R T n   V  n

À concentraç ão constante em quantidade de matéria do soluto na soluç ão, a pressão osmótica é diretamente proporcional temperatura absoluta elvin da soluç ão.

πV = n R T , em que:

πV = nR T

nn πné

n π = R T V  π n =  R T V 

n n n n

a pressão osmótica.

V o volume de solução. n é a quantidade de matéria do soluto.

R a constante universal dos gases.

T a temperatura absoluta elvin .

Pressão osmótica

M eios h ipo, h iper e isotô nic os

Pressão osm �ca a pressão que devemos exercer sobre uma solução para evitar que ela gan e solvente de uma soluç ão menos concentrada, quando separada desta por uma membrana semipermeável.

Por meio do movimento de solvente atrav s de uma membrana semipermeável, quando mo�vada por um gradiente de concentração, podemos classi car os meios em três categorias meio ipot nico, ipert nico ou isot nico.

227

A12  Osmoscopia

Em , an t o , com base em suas análises, e principalmente em dados de pressão osm �ca dos bot nicos Pfe er e de ries, determinou a relação entre a pressão osm �ca e a composição da solução. plicou a segunda lei da termodinâ mica e deduziu uma equaç ão que relaciona a pressão osm �ca com a concentração em quan�dade de mat ria do soluto de uma solução. uas conclus es c egaram a uma equação análoga equação dos gases ideais

À temperatura constante, a pressão osmótica é diretamente proporcional concentração em quantidade de matéria do soluto.

Q uí mica

Osmose e tonicidade H2 O

H2 O

Isotônico

Hipotônico

Hipertônico

Meio I

Meio II

Meio III

H2 O

Por exemplo, na ilustração ao lado, temos uma c lula animal em três soluç es diferentes. a primeira solução, o volume da c lula permanece constante. sso indica�vo de que a c lula se encontra em um meio isot nico, ou se a, um meio de igual pressão osm �ca. á no meio , podemos observar que o volume da c lula aumentou, o que indica�vo de que a c lula gan ou solvente do meio. esse caso, dizemos que a c lula ipert nica em relação ao meio ou que o meio ipot nico em relação c lula. No meio I I I , vemos que ouve diminuição do volume celular. I sso nos indica que a célula perdeu solvente para o meio. Nesse caso, diz se que a c lula ipot nica em relação ao meio ou que o meio ipert nico em relação c lula.

amando o meio externo de

e a c lula de meio , podemos dizer que

Se πcélula = πsoluç ão, dizemos que as soluç es

e são isot nicas.

Se πcélula > πsoluç ão, dizemos que a solução

ipert nica em relação solução .

Se πcélula < πsoluç ão, dizemos que a solução

ipot nica em relação solução .

s soluç es isot nicas são tamb m c amadas de isosm ticas ou de mesma tonicidade.

A dessaliniz aç ã o da á gua do mar O uso indevido dos recursos dricos como tamb m a falta desses zeram com que o ser umano se preocupasse com novas formas de obtenção de água potável. egundo relatos an�gos, rist teles á avia observado o fen meno da dessalinização das águas do mar. onsta, tamb m, que na dade dia os navegadores empregavam recursos como espon as para que o acúmulo de vapor de água se condensasse e resultasse em água l quida. Posteriormente, essa água era misturada água do mar em proporç es adequadas para se tornar potável.

M as por que dessalinizar a água do mar?

A12  Osmoscopia

água do mar c amada de água salina. Essa salinidade expressa em gramas de sal seco por quilograma de água do mar e apresenta valor m dio de g de sal por g de água do mar. Os principais ons presentes na água do mar podem ser veri cados na tabela abaixo, mas a composição dessas águas muito mais complexa, não sendo restrita a esses ons.

Nome

Representação

g/ k g de á gua do mar

C onc entraç ã o ( mol/ L )

C loreto

C −

,

,

Sódio

Na+

10,7 6

0,4 7

Sulf ato

SO24−

2,7 1

0,028

M agnésio

M g2+

,

C álcio

C a

0,4 12

0,010

Potássio

K +

0,4 0

0,010

icarbonato

H C O3 −

0,106

2,3 ⋅ 10−3

rometo

r−

0,067

8,3 ⋅ 10−4

−

0,0013

7 ,0 ⋅ 10−

F luoreto

228

2+

F

,

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Devido alta concentração de ons salinos, a água do mar impr pria para a maioria dos usos co�dianos e, principalmente, para uso umano. água do mar uma solução ipert nica em relação s soluç es presentes nos seres vivos. aso ingerida por seres umanos, esse l quido desencadeia um processo de desidratação, pois as c lulas apre sentam pressão osm �ca menor que a pressão osm �ca da água do mar. Essas c lulas são, portanto, ipot nicas em relação água do mar. Da a necessidade de dessalinizar a água do mar para uso dom s�co adequado.

O processo de dessalinização da água do mar de forma natural á existe desde o in cio dos tempos, pois ele f az parte do ciclo da água. M as, por necessidade, o ser humano teve que seguir os mesmos passos da natureza.

O smose inv ersa imos que o princ pio da osmose tem por base a transferência de solvente aqui a água por meio de uma membrana semipermeável, mo�vada por uma diferença de concentração dos meios. O sen�do de movimentação do solvente segue do meio me nos concentrado para o mais concentrado. a osmose inversa da água do mar, o prin c pio tamb m o mesmo, por m de forma não espont nea, ou se a, a água do mar f orç ada a se transf erir do meio mais concentrado para um outro meio de menor concentração. Para que isso ocorra, devemos aplicar uma força mec nica pressão sobre a solução de maior concentração at que ela supere o valor da pressão osm �ca. ssim, averá transferência do solvente.

Pa ses, como a rábia audita, dependem grandemente dessa forma de obtenção de água potável da água u�lizada por esse pa s ob�da por processo de dessali nização da água do mar do olfo P rsico . a alif rnia, Estados nidos, foi inaugurada uma usina de dessalinização capaz de produzir bil es de litros de água por dia. o rasil, devido abund ncia de recursos dricos, não u�lizamos esse recurso em gran de escala. u�lização se restringe apenas pesquisa cien� ca.

A12  Osmoscopia

Figura 05 - Dispositivos de membrana de instalação industrial de tratamento de água com base no sistema de osmose inversa.

229

Q uí mica

Exercícios d e F ixaç ã o 01. ( I F G O ) Em regi es onde não há disponibilidade de energia el trica, existe uma forma alternativa para se conseguir conservar alimentos. Em geral, o que mais se utiliza, como no caso das carnes, é acrescentar uma grande quantidade de sal. Popularmente, essas carnes são conhecidas como carne seca. propriedade coliga�va que mel or explica a conservação da carne pelo procedimento descrito é estudada pela a pressão de vapor. b) osmometria. c) crioscopia. d) endoscopia. e) tonoscopia.

02. ( F ac . S anta M arc elina S P )

aplicação de nitrogênio l quido

altera o processo de osmose nas c lulas alvo pois deixam de exis�r condiç es necessárias para processos osm �cos. ma dessas condiç es a presença de a) celulose. b) amido. c ons s dio. d ons potássio. e água l quida.

03. (UFRGS RS) ssinale a alterna�va que preenc e corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. ma solução in etável foi preparada de modo inadequado, pois, ao entrar na corrente sangu nea, promoveu o inc amento e a ruptura dos gl bulos vermel os.

A12  Osmoscopia

A soluç ão é portanto _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ em relaç ão ao soro sangu neo, e a concentração de soluto quela que deveria ter sido preparada. a ipot nica superior b ipot nica inferior c isot nica superior d ipert nica superior e ipert nica inferior 04 . ( U E C E ) puri cação da água por meio do processo de osmose citada, em , na obra ova tl n�da, de rancis acon . dessalinização de uma solução de sulfato de alum nio pelo processo citado acima ocorre u�lizando se uma membrana semipermeável. onsiderando a concentração em quan�dade de mat ria da solução , mol , admi�ndo se o sal totalmente dissociado e a temperatura de 27 ° C , a dif erenç a da pressão osm �ca

23 0

que se estabelece entre os lados da membrana no equil brio, medida em atmosf eras, é a , . b , . c , . d , .

05 . ( U E C E ) o adicionar um corante vegetal vermel o solúvel na água de um arro c eio de rosas brancas, um par�cipante da f eira de ciências de uma escola pú blica do interior do Estado do eará transformou as rosas brancas em rosas vermelhas.

O transporte do l quido at as p talas ocorreu por conta da a osmose do l quido. b) capilaridade da planta. c) porosidade da planta. d viscosidade do l quido.

06 . ( F P S P E ) osmose uma propriedade coliga�va de grande import ncia para os pro ssionais da área de saúde. Os pacientes que estão desidratados devido a enfermidades, f requentemente, necessitam receber água e nutrientes por via intravenosa. emodiálise um �po de osmose, por m tanto o solvente quanto as par�culas do soluto passam pela membrana semipermeável u�lizada. onsiderando a relação entre a osmose e as c lulas vivas, analise as proposiç es a seguir.

Osmose o movimento de mol culas de solvente água, por exemplo atrav s de uma membrana semipermeável de uma região de concentração mais baixa de soluto para uma região de concentraç ão mais alta de soluto (água + aç ú car).

Em uma c lula colocada em uma solução isot nica, o movimento l quido de água para dentro e para fora da célula é zero.

Em uma solução ipert nica, a concentração de solutos f ora da célula é menor do que dentro. A célula se desidrata porque á um uxo de água para fora da c lula.

Em uma solução ipot nica, a concentração de solutos fora da c lula maior do que dentro. O uxo l quido de água para dentro da célula f az com que a célula inche e talvez se rompa.

Estão corretas a) 1, 2, 3 e 4 . b) 3 e 4 , apenas. c) 2 e 3 , apenas. d) 1 e 2, apenas. e) 1 e 4 , apenas.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

sas de NaC  e glicose (C 6H siol gico

O , respec�vamente. O soro 12 6

04 . ( E nem M E C ) em água

cal

xido de cálcio, aO , cu a suspensão

muito usada como uma tinta de baixo custo,

empregado principalmente para a reposição

dá uma tonalidade branca aos troncos de árvores. Essa

de água e sais minerais perdidos pelo organismo. J á o soro

é uma prática muito comum em praç as pú blicas e locais

glicosado, além de sua f unç ão hidratante, atua como f onte

privados, geralmente usada para combater a proliferação

de energia para o organismo por meio do metabolismo da

de parasitas. Essa aplicação, tamb m c amada de caia-

glicose. Esses soros, quando in etados nas veias de pacien-

ção, gera um problema: elimina micro- organismos bené-

tes, devem apresentar pressão osm �ca similar

ficos para a árvore.

do san-

gue, para não dani carem os gl bulos vermel os.

Disponível em: http://super.abril.com.br.

onsiderando as informaç es do texto e considerando,

Acesso em: 1 abr. 2010 (adaptado).

ainda, que a constante universal dos gases se a igual a 0,082 atm⋅L ⋅mol ⋅K

, que o NaC  sof ra dissociaç ão comple-

ta em solução e que o soro siol gico se a uma solução ideal com pressão osm �ca igual a , atm a

, veri ca se,

com relação ao soro siol gico, que a ele apresenta pressão de vapor superior da água pura. b ele entra em ebulição em temperatura inferior de ebuliç ão da água pura.

destruição do microambiente, no tronco de árvores pintadas com cal, devida ao processo de a) dif usão, pois a cal se dif unde nos corpos dos seres do microambiente e os intoxica. b osmose, pois a cal re�ra água do microambiente, tornando o inviável ao desenvolvimento de microrganismos. c oxidação, pois a luz solar que incide sobre o tronco a�va fotoquimicamente a cal, que elimina os seres vivos do mi-

c sua pressão de vapor diminui com o aumento da temperatura. d ele congela em temperatura inferior

temperatura de

congelamento da água pura. e) a concentraç ão de NaC  é superior a 0,20 mol/ L .

02. ( F M J S P )

to que a adiç ão de água causou a destruiç ão das hemácias por meio da lise celular. É correto af irmar que o soro f isiológico e a água, em relaç ão emácia, são, respectivamente, a isot nico e ipot nica. ipert nico e isot nica.

c isot nico e ipert nica. d

ipot nico e ipert nica.

e

ipert nico e ipot nica.

03 . ( U F T M

aquece a cal, que mata os seres vivos do microambiente. e vaporização, pois a cal facilita a volatilização da água para a atmosfera, eliminando os seres vivos do microambiente.

adição de soro siol gico em uma amostra de

sangue não promoveu alteração no volume celular, enquan-

b

croambiente. d) aquecimento, pois a luz do Sol incide sobre o tronco e

M G )

rutas man�das imersas em caldas, como por

05 . ( U E F S B A) U m dos principais f atores na absorç ão de água pelas ra zes das plantas

a pressão osm tica.

seiva

essencial na absorç ão de água e, caso isso não ocorra, a planta não obtém a água de que tanto necessita e pode secar e morrer.

uando as plantaç es são muito irriga-

das, mas pouco drenadas, pode aver um acúmulo de sais minerais no solo, tornando- o impróprio para o plantio com o passar do tempo. erca de

da terra no raque era considerada f r�l, com

potencial para irrigaç ão, mas, atualmente, contém sais em demasia para que as sementes possam desenvolver.

exemplo pêssegos e gos, duram mais do que se es�vessem

lguns istoriadores acreditam que o colapso da civilização

expostas ao ar.

sumeriana, no sul do I raque, pode ter ocorrido não apenas

Essa maior durabilidade está diretamente relacionada a

pelos ataques de outros povos, mas tamb m pelo excesso

uma propriedade das soluç es con ecida como

de salinizaç ão do solo.

a) crioscopia.

onsiderando se essas informaç es, associadas ao fen me-

b) ebulioscopia.

no de osmose, correto a rmar que

c) tonoscopia.

a

seiva absorve água do solo quando menos concentra-

d pressão osm �ca.

da em minerais, em relação concentração de solutos na

e) detergência.

água de que se alimenta.

23 1

A12  Osmoscopia

01. ( E sc s D F ) Os soros siol gico e glicosado são soluç es aquo-

Q uí mica

b) A

aplicação excessiva de fer�lizantes, a exemplo de NH 4 NO3 s , no solo, que produz concentração de ons, na água, maior que a da seiva, impede que a planta obten a a água de que precisa para se desenvolver. c pressão osm �ca exercida pela seiva, no processo de absorç ão de água pelas plantas, é maior que a de água pobre em minerais dissolvidos. d s sementes de plantas se desenvolvem na presença de água de irrigação de pressão osm �ca menor do que a pressão osm �ca da solução no seu interior. e) O acú mulo de sais minerais nos solos pouco drenados torna os impr prios para o plan�o porque a pressão osm �ca exercida pela solução aquosa, formada na dissolução desses sais, maior que a da seiva das plantas.

A12  Osmoscopia

06 . ( U F T T O ) s propriedades coliga�vas de uma solução são aquelas que independem da natureza do soluto e estão relacionadas apenas a sua quan�dade. uanto a estas propriedades podemos a rmar. o adicionarmos um soluto em um solvente averá diminuiç ão do ponto de congelamento da soluç ão se o soluto for insolúvel na fase s lida do solvente. adição de um soluto não volá�l a uma solução leva a diminuiç ão do ponto de ebuliç ão dessa, pela maior atraç ão entre as moléculas. uando duas soluç es de concentraç es diferentes são separadas por uma membrana semipermeável, a pressão osm �ca faz com que o solvente passe da solução menos dilu da para a mais dilu da. relação quan�ta�va entre o abaixamento da pressão de vapor e a concentração de uma solução ideal estabelecida pela L ei de R aoult.

Estão O E as a rma�vas a) I e I I I b) I I e I V c) I e I V d) I I e I I I e) I I I e I V 07 . ( U E F S B A) O processo de conservação da carne bovina, que usa salmoura, uma soluç ão de cloreto de sódio, NaC (aq), é conhecido desde a I dade M édia e consiste em colocar o alimento em contato com o l quido, por tempo determinado, e, em seguida, deixá lo secar em locais cobertos e are ados.

A pós a secagem, a carne endurece e pode ser armazenada. onsiderando se esse processo, correto a rmar a) O contato da carne com a salmoura hidrata o alimento. b) A s células da carne perdem água quando em contato com a salmoura porque essa solução ipert nica. c conservação da carne um processo que envolve apenas transformaç es qu micas. d s bact rias decompositoras sobrevivem em meio desidratado e rico em ons a+ (aq) e C  (aq).

23 2

e) A secagem do alimento é f eita em locais cobertos e arej ados porque, durante a operaç ão, há liberaç ão de calor.

08 . ( E nem M E C ) Osmose é um processo espontâ neo que ocorre em todos os organismos vivos e essencial manutenção da vida. ma solução , mol de a (cloreto de sódio) possui a mesma pressão osm �ca das soluç es presentes nas c lulas humanas.

A imersão de uma célula humana em uma soluç ão 0,20 mol/ L de NaC  tem, como consequência, a a adsorção de ons a+ sobre a super cie da c lula. b difusão rápida de ons a+ para o interior da célula. c diminuição da concentração das soluç es presentes na c lula. d transferência de ons a+ da célula para a soluç ão. e) transf erência de moléculas de água do interior da célula para a soluç ão.

09. ( U F C G P B ) ma prote na de uma amostra de soro sangu neo f oi isolada e uma dispersão coloidal, contendo 684 mg dessa prote na, foi preparada com água su ciente para formar m de solução. Essa solução apresenta uma pressão osm �ca de 0,3 1 atm a 3 7 oC . onsiderando a prote na como sendo um composto covalente �pico, sua massa molecular aproximada Dados: R = 0,082 atm.L / mol.K a) 6 × 1023 g/ mol. b) 684 g/ mol. c , × 103 g/ mol. d) 12 × 103 g/ mol. e) 12 × 10 g/ mol.

10. ( U nif or C E ) ma solução isot nica aquela que apresenta concentração de ons ou mol culas semel ante aos l quidos corporais que podem ser incorporados e transf eridos para a corrente sangu nea por meio do processo osm �co. O soro glico siol gico um exemplo desse �po de solução, cu a concentração de glicose m v e de cloreto de s dio , m v . ssim, podemos a rmar que em m dessa solução teremos a , g de glicose e , g de cloreto de s dio. b , g de glicose e , g de cloreto de s dio. c , g de glicose e , g de cloreto de s dio. d , g de glicose e , g de cloreto de s dio. e) 10,0 g de glicose e 1,8 g de cloreto de sódio.

11. ( U F T T O ) ma solução foi preparada adicionando se , g de um carboidrato em 100 g de água. A soluç ão resultante possui uma pressão osm �ca de , atm e uma densidade de 1,024 g/ mL a 20 ° C .

A massa molar do carboidrato (em g/ mol) é: a . b) 280. c) 3 00. d) 3 23 . e) 3 4 3 .

FRENTE

A

QUÍMICA

Q uestã o 01. a O estudante p de c egar conclusão de que o efeito coliga�vo depende do número de par�culas do soluto não volá�l. b onsiderando que as garrafas PE eram de m , pouco provável que ocorra extravasamento do l quido. Podemos concluir que as par�culas que cons�tuem o açúcar, cu o principal componente é a sacarose (C 12H 22O11 apresentam uma grande quan�dade de espaços vazios entre os re�culos.

Exercícios d e A prof u nd amento 01.

m estudante, u�lizando recipientes caseiros garrafas PE de refrigerantes de m , colocou se água pura at enc ê las completamente. F ez isso em três garraf as e marcou- as com os números , e . Em seguida, com um funil comum, colocou gramas de açúcar na garrafa número . epe�u o mesmo procedimento para a garraf a nú mero 3 , porém colocando 80 gramas de aç ú car. F echou as garraf as e agitou os sistemas 2 e 3 até que ouvesse completa dissolução do açúcar. evou as três garrafas ao congelador e manteve as sob diminuição de temperatura. o a�ngir o , notou que, na garrafa número , ouve formaç ão de sólido. Na garraf a nú mero 2, a f ormaç ão de sólido só se iniciou quando a temperatura a�ngiu o valor de −0,22 oC . I maginando que o fen meno ocorreria da mesma maneira no sistema , fez alguns cálculos com base no número de par�culas que avia adicionado nele e concluiu que o pr ximo passo seria resf riar o sistema 3 a uma temperatura de −0,4 4 o . Efetuou o procedimento e comprovou que nessa temperatura iniciou se a f ormaç ão do sólido. a ue conclusão o estudante p de �rar da relação entre o número de par�culas e o efeito coliga�vo? b o in cio do experimento, o texto diz que o aluno enc eu as garrafas completamente com água pura. Entretanto, logo em seguida, o texto diz que o estudante acrescentou ge g de açúcar, respec�vamente, aos sistemas número e .

Por m, o texto não diz se ouve extravasamento de l quido.

Discuta com um colega ou um grupo de alunos se tal procedimento poss vel. Discuta tamb m a que conclusão se pode c egar sobre o volume ocupado por uma subst ncia no estado sólido.

02. ( Ac af e S C ) O abaixamento da pressão de vapor do solvente em soluç es não eletrol �cas podem ser estudadas pela ei de R aoult: P1 = X 1 ⋅ P2, onde P2 a pressão de vapor do solvente na soluç ão, P2 a pressão de vapor do solvente puro mesma temperatura e X 1 a fração molar do solvente. ual a variação da pressão de vapor do solvente em m dulo de uma solução que possui g de glicose em g da água a 4 0 ° C ?

Dados onsidere que a pressão de vapor da água a , mm g massa molar da glicose g mol massa molar da água = 18 g/ mol). a) 3 ,4 mmH g b , mm g c) 2,4 mmH g d) 1,1 mmH g

03 . ( I T A S P ) pressão de vapor de uma solução ideal contendo um soluto não volá�l dissolvido diretamente proporcional a) f raç ão molar do soluto. b fração molar do solvente. c pressão osm �ca do soluto. d) molaridade, em mol ⋅ L , do solvente. e) molalidade, em mol ⋅ k g , do solvente.

04 . ( U F U M G ) Observe o esquema representa�vo do cozimento de alimentos em uma panela de pressão e o diagrama de f ase da água apresentados a seguir e f aç a o que se pede.

a den� que a relação existente entre a pressão do vapor de água e sua temperatura de ebuliç ão no interior da panela de pressão. b ite e explique uma vantagem do cozimento de alimentos em panelas de pressão. c Explique o que ocorre com o tempo de cozimento do alimento caso se a abaixada a c ama do fogão logo que se inicia a sa da do vapor pela válvula, mantendo se, contudo, a fervura.

05 . ( I T A S P ) Explique por que água pura exposta atmosfera e sob pressão de 1,0 atm entra em ebuliç ão em uma temperatura de 100 , enquanto água pura exposta pressão atmosf rica de , atm entra em ebulição em uma temperatura de ° C .

Q uestã o 04 . a uanto maior a temperatura, maior a pressão do vapor da água no interior da panela b Economia de gás ou diminuição do tempo de cozimento Explicação temperatura da água na panela de pressão superior temperatura de ebulição de uma panela comum e, por consequência provoca redução no tempo de cozimento e também economia de gás. c) Não se altera Explicação ão averá mudança na temperatura de fervura.

23 3

Q uí mica Q uestã o 05 . m l quido entra em ebulição quando a pressão máxima de vapor iguala pressão atmosf rica do local. uanto maior a temperatura, maior a pressão máxima de vapor. uanto menor a pressão atmosf rica, menor a temperatura de ebulição do l quido.

06 . (UCS RS) O e�lenoglicol, C 2H 4 (OH )2, é colocado nos radiadores de carros, em pa ses de clima muito frio, para evitar o congela-

K eeW

são o aumento de temperatura de ebuliç ão, a constante

ebuliom trica e a molalidade da solução, respec�vamente.

mento da água, o que ocasionaria a ruptura do radiador quando a temperatura casse abaixo de ° C .

pressão máxima de vapor depende da temperatura.

nalise os casos das soluç es aquosas dadas abaixo e assinale a alterna�va em que o aumento da temperatura de ebulição de

massa de e�lenoglicol a ser adicionada, por quilograma de água, para que a solidi cação s ten a in cio a

, ° C , é de

solvente Dados: PM

O obedece relação citada acima. etanol

= 4 6 g/ mol, PM

glicose

= 180 g/ mol e PM

sacarose

=

3 4 4 g/ mol.

Dado: C onstante criométrica da água = 1,86 ° C .mol.k g- 1 a) 0,1 k g.

a) 100 mL de 1 molal de sacarose

b) 1 k g.

b

c) 3 ,3 3 k g. d) 1 24 0 g. e) 64 0 g.

m de molal de etanol

c

m de molal de sacarose

d

m de molal de glicose

e) 100 mL de 1 molal de glicose

07 . ( U F P E ) O grá co abaixo mostra a variação da pressão de vapor de algumas substâ ncias (Pv, em mm de g, no eixo das ordenadas em relação temperatura , em

, no eixo das abscissas .

ual entre essas subst ncias a mais volá�l?

10. ( U F P E ) Propriedades coliga�vas de uma solução são propriedades que dependem somente do número de par�culas do soluto na solução.

adição de uma pequena quan�dade de

soluto não volá�l a um solvente para formar uma solução dilu da ideal, permite estudar quan�ta�vamente a a elevação da pressão de vapor a par�r da constante ebulioscópica. b o abaixamento da temperatura de ebulição que ocorre com a adição de um soluto a um solvente. c a elevação da temperatura de solidi cação a par�r da constante crioscópica. d a pressão osm �ca estabelecida entre o solvente puro e a solução, separados por uma membrana semipermeável. e o aumento da temperatura de ebulição a par�r da constante crioscópica.

11. ( F uv est S P ) A porcentagem em massa de sais no sangue é de aproximadamente ,

vermel os de uma amostra de sangue foram coletados e separa-

a) 1

dos em três grupos. oram preparadas três soluç es, iden� cadas

b) 2

por X , Y e Z , cada qual com uma dif erente concentraç ão salina. A

c) 3

cada uma dessas soluç es foi adicionado um grupo de gl bulos

d) 4

vermel os. Para cada solução, acompan ou se, ao longo do tem-

e

po, o volume de um gl bulo vermel o, como mostra o grá co.

08 . (UERGS) FRENTE A  Ex ercí cios de A prof undamento

. Em um experimento, alguns gl bulos

relação entre a pressão osm �ca de uma solução

de cloreto de magn sio com grau de dissociação de

ea

pressão osm �ca de uma solução de glicose de mesma concentraç ão é igual a a

,

b) 1,00 c

,

d

,

e) 3 ,00 09. ( U F C G P B ) O aumento da temperatura de ebuliç ão de um solvente calculado a par�r da expressão ∆te = K 23 4

e

W , em que ∆te,

om base nos resultados desse experimento, mar que:

correto afir-

C iências da Natureza e suas Tecnologias

a) A porcentagem em massa de sal, na soluç ão Z , é menor do que , . b) A porcentagem em massa de sal é maior na soluç ão Y do que na soluç ão X . c solução e a água des�lada são isot nicas. d solução e o sangue são isot nicos. e adição de mais sal solução fará com que ela e a solução quem isot nicas.

tamento desse �po de solução, bem como dos l quidos puros, são compreendidos a par�r do que na qu mica con ecido como propriedades coliga�vas. obre esse assunto, e ap s a análise do grá co abaixo, marque a alterna�va O E

12. ( I F G O ) s panelas de pressão são muito u�lizadas na cozin a, pois diminuem o tempo de cozimento dos alimentos. A ilustraç ão a seguir mostra o interior de uma panela de pressão durante esse processo.

a) Durante a ebuliç ão, os três l quidos possuem a mesma pressão de vapor. b O composto o l quido mais volá�l.

M arque V quando verdadeiro e quando falso nas seguintes observaç es sobre o sistema ( ) A temperatura de ebuliç ão da água é menor que 100 ° C , por isso a�nge mais rápido o cozimento. pressão de vapor da água com sal menor que a pressão de vapor da água pura, por isso a temperatura de ebulição aumenta.

O alimento s irá cozin ar quando a água a�ngir o ponto de ebuliç ão. válvula de pressão a responsável por controlar a pressão no interior da panela.

Em qualquer al�tude, a água pura no interior da panela terá a mesma temperatura de ebuliç ão. sequência correta para as observaç es acima a) F , V , F , V , F b) F , V , F , F , F c) V , V , F , V , V d) V , F , V , F , F e) V , V , F , F , F 13 . ( U E G G O ) uitos seres vivos, abitantes de regi es geladas, a princ pio seriam incapazes de sobreviverem nesses locais. s baixas temperaturas congelariam seus uidos biol gicos, inviabilizando a sua sobrevivência. Entretanto, alguns organismos são capazes de produzirem subst ncias qu micas que, na presença desse uido, impedem o seu congelamento. O compor-

da curva

a mais concentrada.

14 . (PUC RS) anto distúrbios intes�nais graves quanto a disputa em uma maratona podem levar a perdas importantes de água e eletr litos pelo organismo. onsiderando que essas situaç es exigem a reposição cuidadosa de subst ncias, um dos modos de fazê lo por meio da ingestão de soluç es isot nicas.

Essas soluç es a contêm concentração molar de cloreto de s dio igual quela encontrada no sangue.

b contêm massa de cloreto de s dio igual massa de sacarose em dado volume. c têm solvente com capacidade igual do sangue para passar por uma membrana semipermeável. d apresentam pressão osm �ca igual pressão atmosf érica. e apresentam pressão osm �ca igual da água.

15 . ( F amec a S P ) oluç es isot nicas são aquelas que apresentam a mesma concentração de par�culas mol culas ou ons .

Se uma soluç ão de C a(NO3 )2 apresenta concentraç ão igual a 0,2 mol ⋅ L , ela será isot nica de uma solução de a) Na2SO4 de concentraç ão 0,2 mol ⋅ L . b) C aC 2 de concentraç ão 0,3 mol ⋅ L . c) C a(NO3 )2 de concentraç ão 0,3 mol ⋅ L . d) A (NO3 )3 de concentraç ão 0,2 mol ⋅ L . e) C 6H 12O6 de concentraç ão 0,2 mol ⋅ L .

23 5

FRENTE A  Ex ercí cios de A prof undamento

Disponível em: <http://www.quimica.seed.pr.gov.br/modules/galeria/uploads/2/ 763paneladepressao.jpg>. Acesso em: 10 Jun. 2015.

c Em press es inferiores a mm g, a nova temperatura de ebulição do composto seria maior do que . d endo que as curvas e representam soluç es do mesmo soluto no mesmo solvente, então conclui se que a solução

FRENTE

B

QUÍMICA Por falar nisso Na imagem de abertura desta página, temos a G ruta do L ago A zul, em onito, ato rosso do ul, rasil, com estalac�tes milenares.

Essas f ormaç õ es espeleológicas são resultados de processos rev ersí v eis de dissoluç ão e recristalizaç ão de sais. Da mesma f orma, a piscina natural de água lí mpida no interior da gruta também mantém rev ersibilidade de ev aporaç ão e condensaç ão de água. s mudanças de estado sico são processos revers veis.

C ontudo, nem toda reaç ão é rev ersí v el. A s combustõ es são reaç õ es quí micas irrev ersí v eis; j á a dissoluç ão e recristalizaç ão de sais são processos rev ersí v eis.

Nesse contex to, daremos iní cio ao estudo da rev ersibilidade das reaç õ es quí micas, bem como o estudo dos equilí brios quí micos e dos f atores que neles interf erem.

B 09 B 10 B 11 B 12

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas Noç õ es de equilí brio ..................................................................... 23 8 C onstante de equilí brio (K C ) ......................................................... 24 4 Deslocamento de equilí brio.......................................................... 25 0 Equilí brios iô nicos ......................................................................... 25 7

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B09

ASSUNTOS ABORDADOS n Noç õ es de eq uilí b rio n

onceito de reaç es revers veis

n

eversibilidade e equil brio rea cional

n epresentação gráfica do equil brio

NOÇÕES DE EQUILÍBRIO Por meio dos processos de evaporação, condensação, solidi cação e fusão, o ciclo idrol gico busca manter em constante equil brio as quan�dades de água nos três es tados sicos. Por m, isso s poss vel porque as mudanças de estado são processos revers veis. Para as transformaç es qu micas, nem sempre poss vel se ter uma reação revers vel, o que, de certa forma, pode contribuir para o aumento dos impactos am bientais. Portanto, al m da conscien�zação e do uso racional dos recursos naturais, o estudo da reversibilidade das reaç es qu micas, bem como o estudo dos equil brios qu micos, al m dos fatores que neles interferem, inserem se em um contexto de pre servação e sustentabilidade do planeta erra. onsidere a seguinte situação a água no estado l quido presente em rios, lagos e mares sofre evaporação e ascende atmosfera, onde mant m a umidade e forma as nuvens. as nuvens, a água pode ser encontrada no estado l quido, gasoso e at mes mo no estado s lido granizos . o sofrer precipitação, a água retorna crosta terrestre por meio das c uvas.

O ciclo idrol gico um processo natural e revers vel, ou se a, a água l quida forma vapor e o vapor se condensa retornando crosta terrestre na forma de água l quida c uva .

Pois bem, a par�r do exemplo de mudança de estado sico da água, podemos cons truir o conceito de reversibilidade.

23 8

ma transformação revers vel quando os reagentes são transformados em novos produtos, e estes, por sua vez, res�tuem os reagentes de que l es deram origem.

F onte: w ik imedia commons / Deutsche F otothek

Figura 01 - Ferro fundido sendo solidificado em forma especial. As mudanças de estado físico, por exemplo, fusão e solidificação, são processos reversíveis.

s mudanças de estado sico são processos revers veis. Podemos, por exemplo, aquecer um s lido at que ele entre em estado de fusão e se transforme em l quido.

Em seguida, ao ser subme�do ao resfriamento, retorna ao estado s lido. a indústria siderúrgica, muito comum fundir e depois solidi car os metais e suas ligas, a a vis ta que, por esse método, consegue- se moldar um f ormato adequado para que esses metais possam ser comercializados. fusão solidi cação das ligas metálicas pode ser repe�do diversas vezes, por se tratar de um processo revers vel.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

C onc eito de reaç õ es rev ersí v eis imos que as mudanças de estado sico são processos revers veis. ma subst ncia no estado s lido será fundida quando subme�da ao aquecimento na temperatura de fusão. Em seguida, essa mesma subst ncia, sob resfriamento, pode ser solidi cada. s mudanças de estado sico são fusão, vaporização sob a forma de evaporação, ebuli ção e calefação , condensação, liquefação, solidi cação e sublimação.

F ormaç ã o e dec omposiç ã o da á gua as transformaç es qu micas, tamb m temos processos revers veis. Por exemplo, sob condiç es reacionais adequadas, o gás idrogênio reage com oxigênio formando água. equação qu mica representa�va do processo reacional mostrada a seguir 2H

2

g

O2 g

ormação   → 2 H 2O g

ma vez formada, a água no estado gasoso pode ser levada ao estado l quido por condensação, que por sua vez, pode ser solidi cada e assim por diante. ontudo, por si s , a água no estado gasoso não consegue res�tuir os gases idrogênio e oxigênio. Para que isso ocorra, necessário o consumo de energia. decomposição da água um processo endot rmico. Por isso, na atmosfera, durante as descargas el tricas raios, re l mpagos , á condiç es energ �cas para decompor a água. decomposição da água na presença de descarga el trica denominada de eletr lise.

Desc arg a el trica → 2H 2 H 2O g 

2

g

O2 g

Portanto, caso a atmosfera forneça condiç es adequadas para que as reaç es de formação e decomposição da água ocorram, teremos um processo revers vel e natural.

2H

2

g

O2 g

ormação  2 H 2O g  Decomposição

representação de reversibilidade de uma reação feita u�lizando se uma seta du  pla com meia ponta de cada lado   , indicando que as reaç es ocorrem simulta neamente nos dois sen�dos. Dessa forma, devemos entender que os reagentes for mam os produtos da reação, e medida que os produtos são formados, eles res�tuem os reagentes. Água gaseificada produção de água gasei cada com di xido de carbono gasoso pode ser represen tada de acordo com a equação qu mica abaixo. eri que que o gás carb nico, al m de ser dissolvido, reage com a água formando ácido carb nico. dissolução de O2 O  → H

2

2

O3 aq

ontudo, em nen um momento, podemos visualizar o gás carb nico, at porque trata se de um gás incolor e inodoro. as as evidências que demonstram a presença desse gás no sistema são bastante claras. s abrir uma garrafa de água gasei cada que percebemos o escape de gás, formando bol as no interior do l quido o que indi ca que á gás dissolvido . Para que ocorra liberação de O2 g da água gasei cada, necessário que o ácido carb nico sofra decomposição liberando O2 g e água reação representada a seguir .

H

2

escape de O2 O3 aq  →

O

O2 g

2

esse sen�do, podemos dizer que a dissolução do di xido de carbono em água, sob alta pressão, e o escape do gás em condiç es de baixa pressão garrafa aberta são revers veis. seguir, temos essa reversibilidade representada por meio de equação.

O2 g

dissolução de O2   O    H escape de O2

2

2

O3 aq

Figura 02 - A presença de bolhas, quando colocamos água gaseificada em um copo, evidencia a presença de CO2(g) que estava dissolvido na á gua sob condições adequadas de pressão.

23 9

ontebrio i imedia commons B09  Noç õ es de equilí

O2 g

u mica

Estalactites e estalagmites Existem centenas de cavernas e grutas no rasil. ontudo, a presença do ser umano nessas grutas, embora fundamental para nos revelar taman as belezas, sempre afeta o con�nuo processo de sua formação. O ambiente se perturba em função dos danos si cos e das variaç es de temperatura, da concentração de gás carb nico e da iluminação.

Devido ao processo de formação dessas grutas que são cons�tu das de roc as sedi mentares, sua cons�tuição qu mica rica em carbonato de cálcio a O3 . l m de va lor ist rico, as grutas tamb m são exemplos de meios reacionais de reaç es qu micas revers veis envolvendo a dissolução e a recristalização de sais, permi�ndo a formação de estalac�tes e estalagmites.

O uso indiscriminado do calcário (C aC O3 ) como matéria- prima para f abricaç ão de produtos como cimento, pasta de dentes, fármacos, papel, �ntas e outros levou des truição de várias grutas. liás, o uso do calcário realmente muito importante. a correção de acidez do solo, por exemplo, durante o plan�o, u�liza se o calcário. Princi palmente o calcário dolom �co, rico em carbonato de magn sio M gC O3 ).

Formação das estalactites e estalagmites Em locais não polu dos, as c uvas apresentam p ácido. Essa acidez decorre da re ação entre o gás carb nico da atmosfera com a água das c uvas. esse processo, formado o ácido carb nico, de acordo com a reação a seguir dissoluç ão de C O2 C O2(g) + H 2O() → H 2C O3 (aq)

A o ser precipitada em solos ricos em calcário, essas águas ácidas reagem com o carbonato de cálcio dissolvendo as formaç es roc osas. esse processo de dissolução, f ormado o bicarbonato de cálcio ou hidrogenocarbonato de cálcio (C a(H C O3 )2).

H 2C O3 (aq) +

→ C a(H C O3 )2(aq) C aC O3 (s) 

Essa solução permeia as roc as e vai in ltrando at a�ngir a parte superior das gru tas teto onde escorre. Em condiç es adequadas de temperatura e pressão, a solu ção aquosa de idrogenocarbonato de cálcio res�tui o ácido carb nico e o carbonato de cálcio. O ácido carb nico sofre decomposição liberando gás carb nico e água. á o carbonato de cálcio é recristalizado no estado sólido. Os sólidos f ormados no teto das grutas são formaç es c amadas de estalac�tes contudo, parte da água contendo o bicarbonato de cálcio escorre a�ngindo o c ão, local onde se formam as estalagmites.

→ C aC O3 (s) + C a(H C O3 )2(aq) 

O2(g)

as grutas, al m das belas formaç es de estalac�tes e estalagmites, o carbonato de cálcio pode ser recristalizado sob a f orma de calcita e aragonita. A dif erenç a entre a calcita e aragonita está no arranj o geométrico dos dois cristais. A aragonita apresenta baixa estabilidade e se transforma em calcita cristal de geometria rombo drica .

B09  oç es de equil brio

F onte: w ik imedia commons

Figura 03 - Nas grutas, o processo reversível de dissolução e recristalização do calcário permite a formação de estalactites (teto) e estalagmites (chão).

H 2O v

24 0

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Reversibilidade e equilíbrio reacional o in cio desta aula, discu�mos a reversibilidade na dissolução do gás carb nico em água água gasei cada . Para o entendimento da dissolução do O2 no l quido, pode mos estabelecer que após a introduç ão do gás sob alta pressão na garraf a, as moléculas de C O2 em estado de agitação colidem com a super cie do l quido e se dissolvem. o mesmo tempo, moléculas de C O2 aq escapam do l quido e retornam ao estado gasoso.

Essa reversibilidade con�nua formando um processo din mico. sso signi ca que as velocidades de dissolução e de escape são iguais. por isso que, uma vez a�ngida a reversibilidade, a pressão do sistema permanece constante. dissoluç ão de C O2   C O2(g) + H 2O()   H 2C O3 (aq) escape de C O2

par�r dessa análise, podemos enumerar algumas caracter s�cas dos sistemas re vers veis em equil brio. Para valores de temperatura, pressão e concentração constan tes, temos que: n n n n n n

oda reação qu mica em sistema fec ado revers vel em maior ou menor grau s velocidades das reaç es direta e inversa são iguais s concentraç es dos reagentes e produtos permanecem constantes A s propriedades macroscópicas (concentraç ão, massa, densidade, cor) não se alteram mais; s propriedades microsc picas formação de complexo ativado, colis es etc. continuam acontecendo; Os sistemas qu micos, em geral, buscam espontaneamente um equil brio.

m equil brio qu mico s se mant m estável enquanto o sistema em reação se man �ver isolado. e ouver troca de calor com o meio, o sistema vai buscar uma nova situação de estabilidade e se a ustar a um novo equil brio.

Os equil brios qu micos podem ocorrer entre subst ncias nos diversos estados si cos s lido, l quido ou gasoso. em dizer que em um equil brio podem exis�r dois ou mais estados sicos.

Representação gráfica do equilíbrio E m termos de v eloc idade Os equil brios podem ser representados gra camente em termos de velocidades. o estudo da dissolução do gás carb nico em água, vimos que o sistema revers vel e camin a para o equil brio quando as velocidades das reaç es de dissolução e escape do C O2 se igualam.

B09  oç es de equil brio

Observe que no in cio não á produto, por isso a velocidade de formação dos produ tos no tempo igual a zero nula. Observe tamb m que para as velocidades de formação dos produtos curva em cor roxa e de consumo dos reagentes curva em cor vermel a a�ngem o mesmo valor no tEquil brio. sso signi ca que, medida que os reagentes são transf ormados em produtos, estes são transf ormados em reagentes, caracterizando a situação de equil brio qu mico din mico. Di zemos din mico porque o processo não se encerra e as velocidades são constantes e não nulas. sso indica que as reaç es con�nuam aconte cendo em n vel microsc pico.

Por convenção, costuma se dizer que a velocidade de consumo dos reagentes para formar os produtos a velocidade da reação direta. Por outro lado, a velocidade de consumo do produto para formar os reagen tes c amada de velocidade da reação inversa.

R eaç ão direta

  R eagentes   Produtos eação inversa 24 1

Q uí mica

E m termos de c onc entraç ã o Em uma transformação qu mica, os reagentes diminuem de concentração enquanto que os produtos aumentam, isso at certo ponto, ou se a, at a�ngir o equil brio. par�r do equil brio, as concentraç es de reagentes e produtos permanecem constantes. m fato importante que devemos lembrar que as concentraç es dos reagentes e dos produtos, no equil brio, são obrigatoriamente constantes, por m nem sempre são iguais. Podemos ter três situaç es, descritas nos grá cos a seguir

n n n

o gráfico , temos uma situação de equil brio em que a concentração dos reagentes é menor que a concentraç ão dos produtos. o gráfico , temos uma situação de equil brio em que a concentração dos reagentes igual concentração dos produtos. o gráfico , temos uma situação de equil brio em que a concentração dos reagentes é maior que a concentraç ão dos produtos.

Exercícios d e F ixaç ã o

B09  Noç õ es de equilí brio

01. (Unioeste PR) U m equil brio qu mico é estabelecido quando a uma reação qu mica cessa. b somente a velocidade da reação de formação torna se constante. c) a concentraç ão dos produtos e a dos reagentes permanecem constantes. d) a concentraç ão dos produtos e dos reagentes são iguais. e) a temperatura torna- se constante.

02. ( U E C E ) Os estudos pioneiros sobre equil brio qu mico efe�vados por laude ert ollet forneceram subs dios para a o�mização de certos processos de interesse da indústria qu mica tais como a esteri cação, a s ntese do amon aco etc. obre reaç es revers veis e equil brio qu mico assinale a a rmação verdadeira. a o equil brio qu mico, as cores dos reagentes e produtos podem ser alteradas. b o momento do equil brio as reaç es direta e inversa deixam de acontecer. c) A o contrário do inibidor, o catalisador aumenta apenas a velocidade da reação direta. d o equil brio, as concentraç es de reagentes e produtos se mantêm constantes.

24 2

03 . ( U nirg T O ) gura a seguir descreve uma reação ipot �ca em equil brio qu mico. obre este processo reacional podese a rmar que

a O composto no ponto de equil brio foi totalmente consumido. b O composto no ponto de equil brio foi totalmente consumido. c O composto forma se a par�r do ponto de equil brio d o ponto de equil brio não á alteraç es das concentraç es do reagente ou produto.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. ( U f ac AC ) ma reação a�nge o equil brio qu mico I. Q uando não há mais reagentes, somente produtos. . uando as concentraç es dos reagentes são iguais s concentraç es dos produtos. . uando a velocidade da reação direta igual velocidade da reação inversa. . uando as concentraç es de reagentes e produtos tornam- se constantes. . uando não existe mais reação qu mica. s a rmaç es corretas são a) I e I I b) I I e I I I c) I I I e I V d) I V e V e) I I I e V 02. ( U F P E ) uando o equil brio qu mico alcançado por um sistema: . as concentraç es de todas as esp cies reagentes e produtos tornam- se iguais. . os produtos reagem com a mesma velocidade na qual são f ormados. . ambas, as reaç es direta e inversa, con�nuam ap s o equil brio ser a�ngido, com a mesma velocidade. . as concentraç es das esp cies nos reagentes e produtos permanecem constantes. . todas as esp cies qu micas param de reagir.

01. A temperatura do sistema em que ocorre a reaç ão permanece igual do ambiente. . s reaç es direta e inversa apresentam, no estado de equil brio, a mesma velocidade. . Os par�cipantes da reação em equil brio encontram se todos na mesma f ase: aquosa, gasosa ou sólida. . o estado de equil brio, as concentraç es dos par�cipantes da reaç ão não se alteram. . rata se de uma reação revers vel que ocorre simultaneamente nos dois sen�dos.

05 . ( U f op M G ) A propanona (C 3 H 6O pode ser produzida a par�r do 2- propanol (C 3 H 8O , u�lizando se um catalisador base de zinco e cobre, de acordo com a seguinte equaç ão:

C 3 H 8O(g)

→ ←

C 3 H 6O(g) + H

2(g)

ssinale a alterna�va cu o grá co mel or representa a variaç ão das velocidades das reaç es direta e inversa quando o propanol reage para formar uma mistura em equil brio com propanona e hidrogênio.

03. (Unificado RJ) O grá co a seguir representa a variação das concentraç es das subst ncias , e durante a reação em que elas tomam parte.

B09  Noç õ es de equilí brio

A equaç ão que representa a reaç ão é: a) X + Z → Y b) X + Y → Z c) X → Y + Z d) Y → X + Z e) Z → X + Y 04. (UEPG PR) obre as caracter s�cas de uma reação que a�nge o estado de equil brio qu mico, a uma dada temperatura, assinale o que f or correto.

24 3

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B10

ASSUNTOS ABORDADOS n C onstante de eq uilí b rio ( K c ) n

lassificação dos equil brios

n

onstante de equil brio

c

n

onstante de equil brio

p

n R elaç ão entre K

c

eK

p

) )

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO (Kc) O estudo dos equil brios qu micos teve seu in cio no nal do s culo , e s foi integralmente concre�zado na segunda metade do s culo . Em , na iminência da Primeira uerra undial, o qu mico alemão ritz aber, untamente com o engen eiro arl osc , avia desenvolvido um m todo de produção da am nia. Para isso, eles reagiam nitrogênio e hidrogênio em estado gasoso em um recipiente f echado e os submeo �am temperatura de e pressão de atm. reação qu mica de produção da am nia pode ser representada pela equação:  N2(g) + 3 H 2(g)   2 NH 3 (g) Observe que reagentes e produtos estão no mesmo estado sico, logo, o sistema homogêneo.

Classificação dos equilíbrios De maneira geral, classi camos os equil brios qu micos quanto ao número de fases (homogeneidade) e quanto molecularidade.

Q uanto ao nú mero de f ases uanto ao número de fases, os equil brios podem ser classi cados em omogêneos ou eterogêneos. Equil brios omogêneos são aqueles cu os par�cipantes estão em uma mesma fase sica. o caso do processo de produção da am nia, temos um equil brio omogêneo, pois todos os par�cipantes estão no estado gasoso.  N2(g) + 3 H 2(g)   2 NH 3 (g) Os equil brios eterogêneos são aqueles que envolvem subst ncias em fases de agregação diferentes. a decomposição do carbonato de cálcio em xido de cálcio e di xido de carbono, por exemplo, temos um equil brio eterogêneo.  C aC O3 (s)   C aO(s) + C O2(g) Q uanto à molec ularidade Os sistemas qu micos em equil brio podem ser classi cados em moleculares ou i nicos. Os sistemas em que todos os par�cipantes são mol culas são ditos moleculares.  C O(g) + NO2(g)   C O2(g) + NO(g) ontudo, se ouver par�cipação de pelo menos um on, o equil brio dito i nico.  NH 3 (g) + H 2O()   NH 4

+

(aq) + OH - (aq)

C onstante de eq uilí b rio ( K c ) Para entender o processo de produção da am nia, aber e osc fizeram uma análise quantitativa do equil brio. Para isso, eles definiram uma relação matemática denominada de constante de equil brio. uando expressa em termos de concentraç ão em quantidade de matéria de reagentes e produtos, essa constante é dita de K c. e for expressa em termos de pressão parcial dos reagentes e produtos, a constante é dita de K p.

24 4

C iências da Natureza e suas Tecnologias

C onstante de eq uilí b rio K c

onsidere a seguinte reação elementar, gen rica, revers vel, em que todas as subst ncias par�cipantes se encontram na fase gasosa.

V 1  b g  cC (g) + dD(g) V 2

a g

aber e osc par�ram do princ pio de que, no equil brio, as velocidades das reaç es direta e inversa são iguais. omo a expressão de velocidade relaciona as concentraç es dos par�cipantes, aber e osc c egaram a uma relação matemá�ca em termos de concentraç ão de produtos e reagentes, a constante de equil brio em termos de concentração c). direta v1 b g  →

eação direta a g

inversa v2 dD g  →

eação inversa c g

Expressão de velocidade para as reaç es direta: V

1

inversa

= k

= k

2

.

a

1

b

. Dd

c

2

o equil brio, as velocidades das reaç es direta V k

a

1

.

k k

=V

2

b

=k

2

1

=

1

c

=

c a

c a

2

C hamando de K K

c

) são iguais.

2

. Dd

×Dd × b =

c

e inversa

1

k

1

k

, temos

2

×Dd × b

C á lc ulo da c onstante K c

Q uando determinadas, as subst ncias reagem entre si. Elas o fazem sempre em proporç es estequiom tricas de nidas, de acordo com os coe cientes da equação qu mica devidamente balanceada. Para isso, considere a reação de produção de am nia  N2(g) + 3 H 2(g)   2 NH 3 (g) O in cio de uma reação revers vel se dá quando uma parte da quan�dade inicial de subst ncias reagentes interage entre si em quan�dades estequiom tricas, transformando se em certa quan�dade de produtos que permanece constante temperatura . diferença entre a quan�dade inicial de subst ncias reagentes e a quan�dade que, efe�vamente, se transformou em produtos aquela que ca em equil brio, na temperatura .

Reação

1 N2(g)

3 H 2(g)

2 NH 3 (g)

I ní c io

2 mol/ L

4 mol/ L

Z ero

Reage/Forma

,

mol

,

mol

,

mol

E q uilí b rio

,

mol

,

mol

,

mol

K c =

1

C á lc ulo do K c

2 3 2

×

= ∴K c 3 2

,

, 2 × , 3

∴K

c

B10  C onstante de equilí brio (K c)

a par�r da quan�dade de reagente que restou em equil brio e da quan�dade de produtos formados que feito o cálculo da constante de equil brio , nessa temperatura. Por se tratar de cálculos essencialmente experimentais, usaremos alguns exemplos prá�cos para demonstrá los.

0,3 3 6 =

24 5

Q uí mica

ssim, a constante de equil brio dada pelo quociente da concentração dos produtos pela concentração dos reagentes, elevados a expoentes matemá�cos que são numericamente iguais aos respec�vos coe cientes estequiom tricos de cada par�cipante na reação.

Aná lise numé ric a da c onstante de eq uilí b rio omo a constante de equil brio uma relação entre concentraç es de produtos sobre a concentração dos reagentes, seu valor nos informa a extensão com que uma transformação ocorre. constante de equil brio calculada para uma dada temperatura. lteraç es na temperatura acarretam uma modi cação na constante de equil brio do sistema. o exemplo estudado, se o valor da constante menor que , podemos concluir que o estado de equil brio tal que a quan�dade de reagentes maior que a quan�dade de produtos, ou se a, a reação direta processa se em menor extensão do que a reação inversa. e o valor da constante maior que , podemos concluir que a quan�dade de produtos maior que a quan�dade de reagentes, ou se a, a reação direta processa se em maior extensão que a reação inversa. onsidere a reação ipot �ca abaixo, bem como os valores de concentração dos par�cipantes no equil brio.

1 A2( g) oncentraç es em mol.L - 1

+

1 B 2( g)

0,20

2

= c 2

.

= ∴ c

0,3 0

,

2



, 2 . ,

2 AB ( g) 0,3 0

= ∴ c

,

ote que a constante de equil brio adimensional e maior do que . par�r desse valor, podemos dizer que a reação teve um bom rendimento. De maneira geral, o valor num rico da constante de equil brio nos dá a extensão da reação, ou se a, se ouve maior ou menor transf ormaç ão dos produtos nos reagentes. n n n

K

< 1: indica que a concentraç ão dos produtos é menor que a concentraç ão C dos reagentes.

K C indica que as concentraç es dos produtos e dos reagentes são iguais.

K C > 1: indica a concentraç ão dos produtos é maior que a concentraç ão dos reagentes.

C onstante de eq uilí b rio ( K p)

B10  C onstante de equilí brio (K c)

imos at o momento que a constante de equil brio, em termos de concentração em quan�dade de mat ria por volume c , dada pelo produto das concentraç es dos produtos da reação dividido pelo produto das concentraç es dos reagentes, todas elevadas a expoentes iguais aos seus respec�vos coe cientes estequiom tricos na equação qu mica balanceada do equil brio considerado.

Para reaç es como,  1H 2(g) + 1 C 2(g)   2H C (g)

K c=

[H

C ]

[H 2 ] × [C

2

2 ]

C ontudo, nem sempre temos facilidade em medir a quan�dade de mat ria pelo volume do recipiente. á casos, por exemplo, em que a determinação da pressão parcial dos componentes mais fácil que concentração em mol . Para essas situaç es, podemos expressar a constante de equil brio em termos de pressão.

24 6

C iências da Natureza e suas Tecnologias

C á lc ulo da c onstante K

p

onsidere o seguinte experimento Em um sistema fec ado, man�do temperatura constante , foram introduzidos gases mon xido de carbono e oxigênio, cu as press es parciais foram determinadas, respec�vamente, em , atm e , atm. reação se processou formando gás di xido de carbono e, ap s certo tempo, quando o equil brio qu mico foi a�ngido, veri cou se que a pressão parcial do gás oxigênio era de , atm. ual a constante de equil brio p a essa temperatura T? 2C O ( g) n cio

2,4 atm

R eage/ f orma Equil brio

+

O 2( g)



2 C O 2( g)

1,8 atm

Z ero

, atm

,

atm

, atm

, atm

,

atm

, atm

o estudo dos gases, vimos que a pressão parcial de um gás diretamente proporcional quan�dade de mat ria número de mol . Desse modo, podemos fazer os cálculos em termos de pressão parcial da mesma forma que zemos no item anterior, em relaç ão ao nú mero de mol. ogo, a constante de equil brio da reação pode ser determinada por

p2 (C O2 ) = ∴ p p2 O × p O2

= p

, 2 = ∴ p , 2× ,

Para a expressão da constante de equil brio tado gasoso.

Relação entre Kc e K

, p

, só participam substâ ncias no es-

p

V imos que para uma reaç ão elementar, ou sej a, que ocorre em uma ú nica etapa, gen rica, revers vel, em que todas as subst ncias se encontram na fase gasosa, a

g

b

g

   c C (g) +

d D(g)

podemos expressar as constantes de equil brio c e p da seguinte maneira K

c

=

c a

×Dd e K × b

p

=

pc (C ) × pd (D) pa × pb

A relaç ão entre as duas express es pode ser ob�da u�lizando se da equaç ão de C lapey ron ( P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T e a concentração em quan�dade de mat ria n ( = ).

V

n

V Desse modo, temos: PC =

⋅R ⋅ T ∴ P =

⋅ ⋅

B10  C onstante de equilí brio (K c)

P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T ∴P = ⋅ ⋅

PD = D ⋅ ⋅ P =

⋅ ⋅

PA =

⋅ ⋅

24 7

Q uí mica

ubs�tuindo esses valores na expressão da constante de equil brio em termos de pressão, temos: K

p

=

K

p

=

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ c a

K p= K

c

× D⋅ ⋅ a × ⋅ ⋅

c

× Dd⋅ × b⋅

c a

⋅ ⋅

d b

d b

⋅ (R T)(c+d)- (a+b) ∆n

 1  p ⋅  R T  em que ∆n envolve apenas os coe cientes das subst ncias que par�cipam da reaç ão na f ase gasosa.

K p= K

∆n K ou K = c c ⋅ (R T)

Exercícios d e F ixaç ã o 01. Dadas as reaç es qu micas a seguir

O2 , mol . a que no equil brio 2 b o aumento na pressão fará com que o equil brio se desloque no sen�do de formação do gás idrogênio. c) K c = K p (R T)2. d) a diminuiç ão da temperatura não af etara a reaç ão. e) a temperatura de 800 °C , o processo e espontâ neo, portanto, ∆G > 0.

C onsiderando a classi cação dos equil brios qu micos, temperatura de e pressão de atm, qual is reaç es representam equil brios omogêneos e qual is representam equil brios eterogêneos? e

equil brios qu micos omogêneos

equil brio eterogêneo.

02. ( P uc M G ) onsidere o equil brio correspondendo ao processo de interconversibilidade entre oz nio e oxigênio, o qual acontece na estratosfera e responsável principal da absorç ão da radiação ultravioleta solar.  2O3 (g)   3 O2 (g) A f orma O E de expressar a constante , desse equil brio, O2 O2 3 a) K = 3 c) K = O O3 2 O b) K = 2 O3

3 2

O2 d) K = O3

2 3

B10  C onstante de equilí brio (K c)

03 . ( U F M A) ma reação levemente exot rmica, mas importante do ponto de vista industrial, é a combinação do vapor d água com o mon xido de carbono. Essa reação conduz a formação dos gases idrogênio e di xido de carbono. onsiderando a temperatura de 800 ° , a constante de equil brio (K c) para essa reaç ão será igual a unidade. Para um sistema a essa temperatura e que cont m as concentraç es iniciais dos gases de vapor d água e mon xido de carbono de , e 2,0 mol.L , respec�vamente, é correto a rmar

24 8

04 . ( U F C E ) onsiderando um reservat rio man�do temperatura constante, tem se estabelecido o equil brio qu  mico PC  (g)   PC  (g) + C  (g) . Sendo que as press es parciais no equil brio são pPC  = , atm , pPC 3 = 0,3 0 atm e pC 2 = 0,10 atm . ssinale a alterna�va correta para o valor de p (em atm) da reaç ão. a , b) 0,10 c , d) 0,20 e , 05 . ( U desc S C ) alcule a constante de equil brio, em termos de concentração, para a reação representada pela equação qu mica abaixo, sabendo que nas condiç es de temperatura e pressão em que se encontra o sistema existem as seguintes concentraç es dos compostos no equil brio O , mol O2 , mol O2 , mol  2 NO(g) + O2(g)   2 NO2(g) a , mol b) 0,0066 mol/ L c) 0,066 mol/ L d) 0,66 mol/ L e) 6,66 mol/ L

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. ( U E G G O ) Q uando um sistema a�nge o equil brio, reagentes

a)

e produtos estão presentes no sistema. No entanto, a equação qu mica que representa a reação não informa quanto

b) c)

de cada subst ncia está presente no equil brio. Essa informação pode ser ob�da por meio do cálculo da constante de

d)

equil brio da reação.  A reaç ão X + Y  

, em equil brio, apresenta o se-

guinte diagrama de concentraç ão para reagentes e produtos numa determinada temperatura:

e) 04 . ( U nitau S P )

fumaça do cigarro pode conter quan�dades

expressivas de mon xido de carbono O . o sangue, o O compete com o O2 na formação de complexo com a emoglobina b .

K c = 210.

constante de equil brio da reação abaixo

C O(g) + H

 .O2(aq)   O2(g) + H b.C O(aq)

C onsiderando que o C O no sangue de um f umante atingiu 2,1 × 10 mol/ L e o O2 8,8 × 10 mol/ L , o percentual aproximado de emoglobina formando complexo com O está entre a

, e ,

A constante desse equil brio, a essa temperatura, a) 4 2

b

, e ,

c

, e ,

b) 3 .22 c) 3 2

d

, e ,

e acima de ,

d) 22/ 4 3 e) 1/ 3 2

05 . ( U nitau S P ) U ma cultura de células de linf ossarcoma

reto a rmar que g

 g   C (g) + D(g) K = 120

. a) Em oC a constante de equil brio terá valor igual a b) o equil brio averá maior quan�dade de reagentes que de produtos. c) o equil brio, as quan�dades de reagentes e produtos serão iguais. d o equil brio, averá maior quan�dade de produtos que de reagentes. e) e o valor da constante baixar para , a velocidade de reaç ão cairá pela metade.

03 . ( U E P B ) eralmente, as reaç es qu micas são revers veis, isto , ocorrem simultaneamente no sen�do reagente → produto e no sen�do produto → reagente. Suponha que 0,4 0 mol de uma substâ ncia A é aquecida num tubo f echado a uma dada temperatura. Estabelecido o equil brio, veri ca- se que há 0,3 0 mol de uma substâ ncia C no sistema. ual o grau de dissociação de nas condiç es da experiên cia? R eaç ão: 2A  

apresenta uma mistura de adenilato total cons�tu do de P

mol ,

DP

× 10 mol e

P

mol/ L .

C onsiderando  2 A DP   A TP + A M P e que os nucleo�deos estão em equil brio din mico para a reação acima, a constante de equil brio da reação apresenta valor de a) 3 × 10 b , c) 1,1 d) 3 ,2 e) 3 × 10+ 4 06 . ( U nimontes M G ) Em um reator com capacidade de , , f oram misturados 1,0 mol de N2, 3 ,0 mol de H 2 e , mol de NH 3 . mistura reacional em equil brio tem uma constante (K c , a para a reação  N2(g) + 3 H 2(g)   2NH 3 (g). a b c d

uando a mistura reacional a�ngir o equil brio, terá, no reator menor quan�dade de gás idrogênio. igual quan�dade dos gases reagentes. maior quan�dade do gás produzido. menor quan�dade de gás am nia.

24 9

B10  C onstante de equilí brio (K c)

02. ( U f am AM ) reação qu mica gen rica, abaixo representada, possui constante de equil brio igual a , a oC . É cor-

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B11

ASSUNTOS ABORDADOS n D esloc amento de eq uilí b rio n

uociente de equil brio

n

rau de equil brio α)

c

ou Q p)

n Deslocamento de equil brio

DESLOCAMENTO DE EQUILÍBRIO A té o momento, determinamos constantes de equil brios em termos de concentração em quan�dade de mat ria e em termos de pressão parcial, respec�vamente chamadas de K c e K p. Em todos os casos exempli cados, as subst ncias reagentes e os produtos se encontravam em estado de equil brio. Por m, na maioria das vezes, esse fato não ocorre. Par�mos de situaç es em que as reaç es estão a camin o do equil brio, mas ainda não o a�ngiram. esse caso, não podemos de nir uma relação que nos traduza a constante de equil brio. emos uma situação reacional acontecendo e camin ando para o equil brio, mas sem c egar a ele. Portanto, se as concentraç es de produtos e reagentes forem relacionadas em uma razão, a relaç ão não produzirá uma constante, pois o sistema ainda não a�ngiu o equil brio. ssim, a relação entre as concentraç es dos produtos pelas concentraç es dos reagentes elevados aos seus respec�vos expoentes estequiom tricos c amada de quociente de concentração. Da mesma forma, se forem fornecidas as press es parciais, para subst ncias gasosas, de nimos um quociente de pressão parcial. ontudo, esses quocientes não podem ser chamados de K c e K p, mas sim de Q c e Q p, respec�vamente, quociente de concentraç ão e quociente de pressão.

Q uoc iente de eq uilí b rio ( Q

ou Q p)

c

Para exempli car tal situação, considere que, em um sistema fec ado de volume litro, foram colocados mol de g , mol de g e mol de g . antendo a temperatura do sistema constante, e sabendo que a constante de equil brio de processo reacional vale , determine as concentraç es de cada um dos par�cipantes no equil brio.

A

2

g

2

(g) 

g

ma vez que o sistema não a�ngiu o equil brio, devemos calcular o quociente de equil brio (Q c . forma de cálculo a mesma prevista para o cálculo da constante de equil brio, por m não devemos c amá lo de constante, porque o sistema não a�ngiu o equil brio.

A2( g) n cio C álculo do Q

+

1 mol/ L

c

Q c =

B

( g)

2



1 mol/ L 2

×

2 mol/ L 2

Q c ∴=

2AB ( g)

Q c 4 ∴=

×

omparando os valores de Q c e K c, temos que o quociente (Q c encontrado tem valor menor que a constante de equil brio c). Se Q c < K c, para que o sistema a�n a o equil brio, ele deve ser deslocado para a direita de tal forma que a concentração de aumente e as concentraç es de e diminuam at a�ngir o valor do c.

Portanto, podemos propor que: A2( g)

B

2

( g)



2AB ( g)

n cio

1

1

2

R eage/ f orma

x

x

x

Equil brio 25 0

+

x

x

x

C iências da Natureza e suas Tecnologias

2

= c

× + x ∴ −x

=

+ x2 ∴ = x× x

∴= c

+ x2 ∴= x2

+ x2 ∴ x2

− x = + x ∴ x = mol

L ogo, as concentraç es de equil brio são , mol.

-1

, mol.

-1

, mol.

-1

G rau de eq uilí b rio ( α) Denominamos grau de equil brio α de uma reação qu mica em relação a um determinado reagente a razão entre o nú mero de mol consumido desse reagente e o seu nú mero de mol inicial. α=

nreagente consumido ninicial desse reagente

Para reaç es de decomposição de uma subst ncia grau de equil brio de grau de dissociação.

→ g  α=

g

, por exemplo, c amamos o

g

ndissociado ninicial

O grau de dissociaç ão entre zero e 1, ou sej a,

um número puro e pode assumir valores compreendidos

0 < α < 1.

Enquanto a constante de equil brio varia somente com a temperatura, o grau de dissociaç ão (α varia com a temperatura, com as concentraç es em quan�dade de mat ria das subst ncias par�cipantes da reação e com a pressão, quando ouver pelo menos uma substâ ncia na f ase gasosa.

C á lc ulo experimental do grau de eq uilí b rio ( α) C onsidere o seguinte experimento. queceu se em um recipiente fec ado , mol de iodeto de hidrogênio decompondo- o em gás hidrogênio e gás iodo. À temperatura o de , o equil brio qu mico foi a�ngido e veri cou se a presença de , mol de gás iodo no sistema. Q ual o grau de dissociação do nessas condiç es? 

H 2( g)

+

I 2( g)

n cio

0,80 mol

zero

zero

R eage/ f orma

0,60 mol

0,3 0 mol

0,3 0 mol

Equil brio

0,20 mol

0,3 0 mol

0,3 0 mol

= α

ndissociado 0,60 ∴ = α ∴ = α ninicial 0,80

,

B11  Deslocamento de equilí brio

2 H I ( g)

ou

25 1

Q uí mica

D esloc amento de eq uilí b rio O entendimento dos fatores que alteram um equil brio teve in cio no s culo com estudos como o do qu mico francês enri e atelier , que prop s, em , uma explicação para tais fen menos. ei de e atelier uando um sistema em equil brio perturbado por um ou mais f atores (concentraç ão, pressão, temperatura), o sistema por si só reage e atinge uma nova condição de equil brio, na tentativa de anular esse fator. om base na lei de e atelier, podemos analisar as condiç es de equil brio do C O2, incluindo os oceanos. A concentraç ão do C O2 na atmosf era, de certa f orma, manteve se constante durante a evolução da vida na erra. Por m, nos três últimos s culos, a concentração desse gás sofreu grandes alteraç es em decorrência da atividade umana. O uso desmedido de combust veis f sseis e o grande desenvolvimento industrial, associados s queimadas de florestas e de lix es, produziram enormes quantidades de gás carb nico. ançado na atmosfera, esse gás provoca o aumento da temperatura de nosso planeta por causa da absorç ão de ondas de calor ondas de infravermel o .

Desse modo, podemos dizer que, segundo e atelier, duas condiç es de equil brio f oram alteradas para o C O2 a concentração e a temperatura, que �veram seus valores aumentados. om o aumento da temperatura, sabemos que a energia cin �ca de um gás aumenta e as mol culas passam a executar movimentos mais intensos, ou se a, realizam tra et rias com maior velocidade. sso produz um aumento no número de colis es entre as moléculas de C O2 e a super cie das águas do mar, resultando um aumento da dissoluç ão do C O2, o que perturba o equil brio á existente.

B11  Deslocamento de equilí brio

Em termos de concentração, podemos explicar, de maneira semel ante, o que acabamos de f azer: o aumento na concentraç ão do C O2 também produz aumento de colis es e consequentemente maior dissoluç ão. omo vimos, as reaç es qu micas ocorrem em determinadas condiç es de concentraç ão, temperatura e pressão. uando essas condiç es são alteradas, elas interferem na extensão reacional e modi cam o estado de equil brio, mas por si só o sistema reacional busca um novo estado de equil brio de acordo com as novas condiç es.

Figura 01 - Dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) são os principais gases causadores de efeito estufa.

25 2

Para melhor entender essa situaç ão, vamos analisar isoladamente a interf erência de cada um dos três f atores concentração, pressão e temperatura no equil brio das reaç es.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

SAIBA MAIS necessidade de produção de am nia, no m do s culo e in cio do s culo , era us� cada em termos de uso agr cola produção de fer�lizantes e tamb m para a produção de derivados nitrogenados u�lizados nas fabricação de explosivos.

Diversos m todos de s ntese da am nia á aviam sido desenvolvidos desde meados do s culo , mas em todos eles o rendimento reacional era bastante pequeno, exigindo altos custos de produção. oi nesse contexto que dois qu micos alemães se destacaram ritz aber e arl osc . aber era um bril ante qu mico, mas não dispun a de equipamentos que permi�ssem o desenvolvimento de novos testes experimentais que levassem ao aumento da produ�vidade rendimento da am nia. Esse problema foi resolvido por arl osc , que pro etou novos equipamentos que permi�am p r em prá�ca as condiç es te ricas defendidas por aber. união do aber e osc resultou em um grande avanço na produção da am nia, no in cio do s culo .

F ator c onc entraç ã o

3.00

Equilíbrio inicial H2

Novo equilíbrio H2 NH3

NH3

N2 1.00 N2

N2(g) + 3H2(g)

Adição de N2

sso indica que o sistema reage de acordo com o princ pio de L e C hatelier, isto é, por menor que sej a a perturbaç ão na concentração de um dos par�cipantes do estado de equil brio, o sistema reage para eliminar essa interf erência. Dessa forma, um novo estado de equil brio será a�ngido.

Podemos representar o sistema por meio de duas extens es reacionais uma que ocorre no sen�do direto, sen�do de f ormaç ão do produto (NH 3 e outra que ocorre no sen�do inverso, sen�do de decomposição do produto ) nos rea3 gentes iniciais N2 e H 2. V ej a equaç ão a seguir.

Direta   1 N2 (g) + 3 H 2 (g)   2 NH 3 (g) nversa

iniciais

O resultado do estudo dos f atores temperatura e pressão no estado de equil brio qu mico pode ser visto na tabela a seguir com os rendimentos percentuais da am nia, ob�dos em diferentes valores de temperatura e pressão.

Rendimento % da amônia quando se variam a pressã o e a temperatura

2NH3(g) Tempo

eri que que o sistema se encontra inicialmente em equil brio, mas uma adição de nitrogênio representada pela curva azul produz alteração nas concentraç es do idrogênio e da am nia. concentração do idrogênio representada pela curva em cor verde diminui, enquanto a concentração da am nia representada pela curva em cor vermel a aumenta.

R eagentes   

F atores temperatura e pressã o

∆H < 0

Produto  f inal

P ressã o ( atm)

200

3 00

4 00

5 00

4 00

3 8,7

4 7 ,8

,

60,6

27 ,4

,

,

4 8,8

,

26,0

3 2,2

3 7 ,8

12,8

18,4

,

28,3

8,80

13 ,0

17 ,0

20,8

600

F ator temperatura Em uma primeira análise, podemos dizer que o aumento da temperatura, man�da a pressão constante, favorece a extensão da reação que ocorre com a decomposição da am nia reação endot rmica, reação inversa , pois o rendimento percentual de am nia diminui com o aumento de temperao o tura de , a para , a C . Por outro lado, isso nos permite dizer que a reação de formação da am nia exot rmica, ou se a, favorecida com a diminuição de temperatura reação exot rmica, reação direta .

25 3

B11  Deslocamento de equilí brio

2.00

T emperatura ( ° C )

Concentração (mol/L)

O resultado do estudo da variação da concentração no estado de equil brio qu mico pode ser visto a seguir, no grá co representa�vo da s ntese da am nia a par�r das subst ncias simples nitrogênio (N2) e hidrogênio (H 2).

O favorecimento de uma das extens es reacionais, quando se altera a concentraç ão de um dos participantes, pode ser explicado em termos de propriedades microsc picas pela teoria das colis es. O aumento da concentraç ão de nitrogênio (N2 provoca aumento do número de colis es efetivas entre os reagentes 2 e H 2). A ssim há consumo de hidrogênio, que diminui de concentraç ão, e f ormaç ão de NH 3 , que aumenta de concentração no novo estado de equil brio.

Q uí mica

F ator pressã o Em relação ao fator pressão, uma vez mantidos constantes os demais fatores, podemos verificar no quadro que o rendimento percentual de formação da am nia aumenta medida que a pressão aumenta. Por exemplo, de , a atm para , a atm. sso se torna mais claro quando analisamos a reação em termos de proporção volumétrica. Na equaç ão apresentada a seguir, temos os reagentes e os produtos que guardam entre si uma proporção volum trica de . Ou mel or, a formação da am nia diminui o nú mero total de moléculas e consequentemente diminui a pressão total do sistema. Portanto, o aumento de pressão favorece a extensão da reação que ocorre com diminuição de volume, ou se a, no sen�do da formação de am nia. ontração volum trica   1 N2 (g) + 3 H 2 (g)   2 NH 3 (g) Expansão volum trica

R eagentes   

Produto  2 V olumes

4 V olumes

M as o que diz L e C hatelier sobre essa alteraç ão?

De acordo com o princ pio de e atelier, um sistema sempre reage de maneira contrária ao f ator que nele produz uma alteraç ão. A ssim, quando aumentamos a pressão total do sistema, ele reage na tenta�va de anular essa alteração. o caso da formação da am nia, podemos veri car que o aumento da pressão de atm para atm, eleva o rendimento percentual de formação da am nia de , para , , o que signi ca que o sistema reage na tenta�va de diminuir a pressão total do sistema e favorece exatamente a extensão da reação, que causa diminuição da pressão total do sistema (diminuiç ão do nú mero de moléculas).

De maneira geral, podemos dizer que um processo qu mico sempre reage na tenta�va de minimizar a ação externa de um fator nele aplicado. e amos a reação qu mica genérica representada a seguir:

2

g +

2

R eaç ão direta   g   eação inversa

R eagentes   

3

∆ <

g

Produto  2 V olumes

4 V olumes

B11  Deslocamento de equilí brio

O equilíbrio será deslocado no sentido da reação direta, se houver: n

A umento da concentraç ão dos reagentes A

n

edução da concentração do mos retirar o 3;

n

A umento da pressão total do sistema;

n

3

, isto ,

2

e ou

2

;

medida que a reação ocorre, deve-

edução da temperatura do sistema, pois a reação direta

exot rmica.

O equilíbrio será deslocado no sentido da reação inversa, se houver: n n n n

25 4

R eduç ão da concentraç ão dos reagentes A umento da concentração do

2

e ou

2

;

; 3

R eduç ão da pressão total do sistema; umento da temperatura do sistema, pois a reação inversa

endot rmica.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios d e F ixaç ã o onsidere o equil brio qu mico abaixo

H 2(g) + I 2(g)  2H I (g)

K c = 100 a 3 00 ° C

oram inseridos em um recipiente vazio de , mol de I 2(g), 2 mol de H 2(g) e 2 mol de H I (g) sob temperatura constante de 3 00 ° C . uando o equil brio for a�ngido, a concentração das esp cies qu micas será a mol , 2 mol e mol .

2 b mol , mol e mol .

2 2 c mol , 2 mol e mol .

2 d mol , 2 mol e mol .

2 02. ( U F M A) O qu mico alemão ritz aber foi agraciado com o prêmio obel em por seu trabal o sobre a s ntese da am nia. De uma maneira simpli cada, o processo ocorre conforme a equação abaixo N2(g) + 3 H 2(g)  2NH 3 (g) os valores da constante de equil brio e da entalpia de reação são , x 8 e − , , respec�vamente. om relação a esse processo verdadeiro a rmar que a) A reaç ão é endotérmica. b O aumento na pressão desfavorece a formação de am nia. c O aumento na pressão modi ca a constante de equil brio. d constante de equil brio diminui se aumentarmos a temperatura. e adição de um catalisador modi ca o valor da constante de equil brio da reação.

03 . ( F und. O sw aldo C ruz S P )

onsidere o equil brio qu mico

2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3 (g) O deslocamento para a direita será conseguido com: a re�rada de O2(g). b re�rada de O2(g). c) adiç ão de SO3 (g). d) adiç ão de O2(g). e) diminuiç ão da pressão do sistema.

04 . ( E sc s D F ) O smog fotoqu mico a ige um grande número de cidades e pode se f ormar sempre que uma grande quan�dade de gases de exaustão automo�vos con nada por uma camada de inversão t rmica, aumentando a quan�dade de fumaça marrom e nebulosa. Os xidos de nitrogênio contribuem em larga escala para o smog fotoqu mico, por isso algumas estratégias têm sido estudadas para diminuir a quan�dade de O emi�do para a atmosfera em decorrência da queima de combus�vel nos motores dos ve culos. ma das estrat gias u�liza solução aquosa de ureia, O NH 2)2, borrif ada diretamente na chama de combustão para reduzir o O, estabelecendo o seguinte equil brio

2 C O(NH 2)2(aq) + 6 NO(g) 

(g) + 2 C O2(g) + 4 H 2O (g)

2

De acordo com o princ pio de e atelier, um fator que pode ser u�lizado para tornar mais e ciente a remoção de O a) diminuiç ão da pressão total sobre o sistema. b diminuição da quan�dade de ureia. c adição de vapor d água. d adição de gás carb nico. e) adiç ão de um catalisador.

05 . ( E nem M E C ) Os refrigerantes têm se tornado cada vez mais o alvo de pol �cas públicas de saúde. Os de cola apresentam ácido fosf rico, subst ncia pre udicial xação de cálcio, o mineral que é o principal componente da matriz dos dentes. cárie um processo din mico de desequil brio do processo de desmineralizaç ão dentária, perda de minerais em razão da acidez. Sabe- se que o principal componente do esmalte do dente um sal denominado idroxiapa�ta. O refrigerante, pela presença da sacarose, faz decrescer o p do bio lme placa bacteriana , provocando a desmineralização do esmalte dentário. Os mecanismos de defesa salivar levam de a minutos para normalizar o n vel do p , remineralizando o dente. equação qu mica seguinte representa esse processo Dismineralizaç ão

 C a (PO4 )3 OH (s)   M ineralizaç ão

a2+ (aq) + 3 PO4 (aq) + OH (aq)

G R OI SM A N, S. Impacto do refrigerante nos dentes é avaliado sem tirá-lo da dieta. Disponível em: http://www.isaude.net. Acesso em: 1 maio 2010 (adaptado).

C onsiderando que uma pessoa consuma ref rigerantes diariamente, poderá ocorrer um processo de desmineralizaç ão dentária, devido ao aumento da concentração de a) OH , que reage com os ons a2+ , deslocando o equil brio para a direita. b) H + , que reage com as idroxilas O , deslocando o equil brio para a direita. c) OH , que reage com os ons a2+ , deslocando o equil brio para a esquerda. d) H + , que reage com as idroxilas O , deslocando o equil brio para a esquerda. e) C a2+ , que reage com as idroxilas O , deslocando o equil brio para a esquerda.

06 . A 1 000 oC de temperatura (constante) aquece- se 1,2 mol de tri xido de enxofre gasoso em um recipiente fec ado de capacidade igual a litros. �ngido o equil brio, veri cou se que o grau de dissociação do tri xido de enxofre a gás di xido de enxofre e gás oxigênio foi de .

Dado: R = 0,082 atm.L .mol- 1.K - 1 ual o valor de p dessa reaç ão? a b c

d

e

25 5

B11  Deslocamento de equilí brio

01. ( Ac af e S C )

Q uí mica

Exercícios Complementares 01. ( I T A S P ) s ntese de metanol a par�r de gás de água presentada por: C O(g) +

re-

2 H 2(g)  C H 3 OH (g)

om base no princ pio de e atelier poss vel prever como se pode aumentar a quan�dade de metanol, par�ndo de uma certa quan�dade de mon xido de carbono. alteração que O contribuiria para este aumento a umento da quan�dade de idrogênio a volume constante. b umento da pressão pela introdução de arg nio a volume constante. c) Diminuiç ão da temperatura pelo resf riamento do sistema. d umento da pressão pela redução do volume. e ondensação do metanol medida que ele se forma.

02. ( M ac k enz ie S P ) O aumento da produç ão de C C 4 , no sistema em equil brio acima, pode ser ob�do C H C 3 (g) + C 2(g)  C C 4 (g) + H C (g) a com a diminuição da quan�dade de 3 . b) com o aumento da pressão total, a temperatura constante. c com a diminuição da quan�dade de 2. d) com o decréscimo da pressão total, a temperatura constante. e com a diminuição da quan�dade de .

03. (PUC RJ) Podemos a rmar que o equil brio qu mico da reação de obtenção de cloreto de idrogênio a par�r dos gases idrogênio e cloro, dada abaixo, pode ser deslocado no sen�do da formação do produto pelo seguinte recurso H 2(g) + C 2(g)  2 H C (g) a) aumentando- se a pressão do sistema. b) diminuindo- se a pressão do sistema. c) diminuindo- se a pressão parcial de C 2. d) aumentando- se a pressão parcial de C 2. e) adicionando- se um catalisador ao meio reacional.

B11  Deslocamento de equilí brio

04 . ( P U C M G ) onsidere o equil brio 2(g) + 3 H 2(g)  2 NH 3 (g) A adiç ão de hidrogênio (H 2 ) ao sistema terá como ef eito deslocar o equil brio no sen�do a esquerdo e aumentar o valor da constante de equil brio . b direito e aumentar o valor da constante de equil brio . c esquerdo e diminuir o valor da constante de equil brio . d direito e não mudar o valor da constante de equil brio .

05 . ( P U C M G ) onsidere o equil brio abaixo, que corresponde dissoluç ão de cloreto de prata em água: A gC (s) + H 2O() + energia  A g+ (aq) + C - (aq) + H 2O()

25 6

ual das aç es a seguir favorecerá a dissolução desse sal? a) adiç ão de H C . b) aumento da temperatura do sistema. c) adiç ão de um catalisador da reaç ão de dissoluç ão. d adição de g r.

06 . ( M ac k enz ie S P )

o equil brio a seguir

endotérmica   N2(g) + O2(g)   2 NO(g) exot rmica

. . .

umentando se a pressão do sistema, o equil brio desloca se no sen�do endot rmico.

Diminuindo se a temperatura do sistema, o equil brio desloca se no sen�do da reação indireta. dicionando se um catalisador, o equil brio desloca se no sen�do exot rmico.

Das a rmaç es feitas, a) I , I I e I I I estão corretas. b) somente I está correta. c) somente I I está correta. d) somente I e I I estão corretas. e) somente I I e I I I estão corretas.

07 . ( U nitau S P ) oram preparadas várias soluç es aquosas em alta concentração, codi cadas como solução O3 ), solução a ), soluç ão C (C aO), soluç ão D (NH 4 C  e solução E (H C  . amb m foram preparadas duas soluç es diferentes, cada uma com os compostos qu micos descritos nas equaç es de equil brio e abaixo, com valores da constante de equil brio , x e , x 3 , respec�vamente. ssinale a alterna�va que relaciona em sequência as cores das soluç es dos equil brios e , e das misturas resultantes do equil brio solução , equil brio solução , equil brio solução , equil brio solução D e equil brio solução E. o

O)6 2+ (aq) + 4 C  (aq)  2 C or rósea 2 C rO4 (aq) + 2 H C or amarela +

o 4 (aq) + 6 H 2O() (I ) C or azul

(aq)  C r2O7 (aq) + H 2O() (I I I ) C or alaranj ada

a) R óseo, alaranj ado, alaranj ado, azul, amarelo, alaranj ado e azul. b) A zul, amarelo, azul, alaranj ado, amarelo, alaranj ado e róseo. c) R óseo, alaranj ado, amarelo, róseo, amarelo, alaranj ado e azul. d) A zul, alaranj ado, alaranj ado, azul, amarelo, amarelo e róseo. e) R óseo, alaranj ado, alaranj ado, azul, alaranj ado, amarelo e azul.

FRENTE

B

QUÍMICA

MÓDULO B12

EQUILÍBRIO IÔNICO a introdução ao estudo dos equil brios, falamos que os equil brios qu micos estão presentes nos mais diversos meios e são de extrema import ncia para todos n s. as cavernas, por exemplo, discutimos a import ncia do equil brio na formação de estalactites e estalagmites. alamos tamb m da import ncia dos equil brios na produção de água gaseificada e da import ncia dos equil brio na produção de am nia pelo processo aber osc .

ASSUNTOS ABORDADOS n E q uilí b rio iô nic o n Equil brio i nico ácido base n Deslocamento de equil brio i nico n L ei da diluiç ão de Ostw ald

seguir, veremos os equil brios de produção da água gasei cada e do da produção da am nia. dissoluç ão de C O2   C O2(g) + H 2O()   H 2C O3 (aq) escape de C O2

N2(g) +

formação da am nia   3 H 2(g)   2 NH 3 (g) decomposição da am nia

eri que que, nos equil brios acima representados, s par�cipam subst ncias moleculares, não avendo par�cipação de ons. ontudo, os equil brios envolvem esp cies qu micas i nicas e podem ser encontrados desde os oceanos at o corpo umano.

Os arrecifes de coral são s lidos de formação roc osas que estão em equil brio dinâ mico em termos de precipitaç ão e dissoluç ão. São de origem orgâ nica, f ormados principalmente pelo acúmulo de exoesqueletos de carbonato de cálcio secretados por alguns cnidários que vivem em col nias. Em simbiose com os p lipos dos corais, vivem as algas zooxantelas. Encontrados somente em mares de águas quentes, cuj as temperaturas, ao longo do ano, não são menores que 20 ° C , os arrecif es de coral são ricos reservat rios de biodiversidade. omo modelo simpli cado para descrever a existência dos arrecifes de coral nos mares, pode se empregar o seguinte equil brio qu mico f ormaç ão

 C a2+ (aq) + 2 H C O3− (aq)   C aC O3 (s) + C O2 (g) + H 2O() dissoluç ão

o processo de formação dos arrecifes de coral, á par�cipação de ons. Portanto, trata se de um equilibro i nico.

Para mel or entendimento do tema equil brio i nico, vamos a mais um exemplo. reação do cloro gasoso com água pode ser representada pela equação qu mica a seguir C 2(g) + 2 H 2O()  H C O(aq) + H 3 O+ (aq) + C −(aq) Em primeiro lugar, observe que a dissolução gera um sistema em equil brio din mico e que, nesse sistema, á par�cipação de esp cies qu micas moleculares e i nicas. Por isso, ele denominado equil brio qu mico i nico.

Figura 01 - Na imagem, vemos um arrecife de coral e peixes sob a luz do Sol no aquário de Singapura. Na formação de um arrecife de coral, há reações químicas que envolvem equilíbrio iônico.

25 7

u mica

#Definição E q uilí b rio iô nic o pode ser de nido como todo equil brio em que ocor re par�cipação de, pelo menos, uma esp cie qu mica na forma de on, se a nos reagentes, se a nos produtos da reaç ão.

Podemos analisar os equil brios i nicos da mesma maneira que analisamos os equi l brios moleculares, expressando a reação por uma constante de equil brio em termos de concentraç ão de produtos e reagentes. seguir, u�lizaremos três situaç es de equil brios para exempli car as express es de constante de equil brio.

(I ) C 2(g) + 2 H 2O()  H C O(aq) + H 3 O+ (aq) + C −(aq)

K c(I ) =

(I I ) H C O(aq) + H 2O()  H 3 O+ (aq) + C O−(aq)

K c(I I ) =

O ⋅ 3

(I I I ) 1 C 2(g) + 3 H 2O()  2 H 3 O+ (aq) + 1 C O−(aq) + 1 C −(aq) K c(I I I ) =

O+ ⋅  − 2 3

O + ⋅ O − O + 2 O ⋅ O − ⋅  − 3 2

Pela análise da expressão matemá�ca da constante de equil brio C ) do processo , podemos veri car que ela o resultado do produto das outras duas express es . sso ocorre sempre que um equil brio matemá�cas de equil brio C (I I I ) = K C (I ) . K C qu mico acontece em duas ou mais etapas.

E q uilí b rio iô nic o á c ido- b ase o dia a dia, u�lizamos as palavras ácido e base como atributos de uma determinada substâ ncia ou material. A ssim, dizemos que uma laranj a é muito ácida porque há nela componentes que a quali cam como mais ou menos ácida. ontudo, o conceito de aci dez é f eito com base em comportamento ou na relaç ão com outros meios, e não como atributo da mat ria. esse sen�do, uma subst ncia s considerada ácida ou básica em função das poss veis interaç es com outras subst ncias. egundo rr enius, ácido toda esp cie qu mica que, em presença de água, reage formando ons + . Os ons + não são estáveis e em meio aquoso reagem com a água formando ons idr nio ou idrox nio 3 O+ . Por exemplo, o ácido sul drico 2S) em meio aquoso reage segundo a equação qu mica abaixo.   H 3 O+ (aq) + H S−(aq) H 2S(aq) + H 2O()  Da mesma f orma, podemos representar os equil brios básicos. am nia em meio aquoso interage com a água formando ons O −. Pelo conceito de A rrhenius, base é qualquer esp cie qu mica que em presença de água produz ou libera ons O - . Seguindo esse conceito, a am nia uma base. uando o equil brio i nico estabelecido, a par�r da ionização de um ácido de rr enius, a constante de equil brio , costumeiramente, c amada a. Se no processo, es�ver envolvido uma base de rr enius, temos o K b.

B12  Equil brio i nico

  H 3 O+ (aq) + H S−(aq) H 2S(aq) + H 2O()    NH 3 (g) + H 2O() 

NH

+ 4

(aq) + OH −(aq)

K

a

= 3

O+ ⋅

−

K

2

b

=

+ 4

⋅O

−

3

Nesses dois casos, podemos veri car que as reaç es ocorrem em extensão no sen �do dos produtos e em maior extensão no sen�do dos reagentes, pois se trata de ele trólitos f racos.

25 8

C iências da Natureza e suas Tecnologias

E letrólitos f ortes e f rac os s evidências de que um eletr lito considerado forte ou fraco depende da quan�dade de ons formados pelo eletr lito quando em solução aquosa. m eletr lito como o ácido clor drico  , por exemplo, considerado forte, pois em solução aquosa ele ioniza produzindo grandes quan�dades de ons. ão podemos ver os ons. Para isso, u�lizamos evidências que comprovam a existência dessas esp cies qu micas, como a condu�vidade el trica do meio. quan�dade de ons presentes em uma solução pode ser veri cada pela condu�vidade el trica dessa solução, o que pode ser feito por meio de uma montagem como a da gura ao lado igura . e ouver muitos ons em solução, então a luz da l mpada será intensa caso contrário, se a quan�dade de ons for baixa, a luz da l mpada será fraca. par�r da condu�vidade el trica do meio, podemos determinar as constantes de equil brio dos eletr litos. uando se trata de um ácido, temos o a; mas se o eletrólito f or uma base, temos o K b. A medida de f orç a de um ácido ou uma base pode ser dada pelo valor dessas constantes, ou se a, quanto maior o valor do a ou do K b, maior será, respec�vamente, a força ácida ou básica.

Figura 02 - À esquerda, vemos dispositivo utilizado para evidenciar a quantidade de íons presentes em solução. Quanto maior a quantidade de íons, maior será o brilho da lâmpada. À direita, vemos a condutividade elétrica da solução aquosa de ácido clorídrico. Imagem fora de escala de tamanho e em cores ilustrativas.

Por exemplo, a seguir, temos as ionizaç es em solução aquosa de três ácidos o ácido clor drico, o ácido nitroso e o ácido cian drico. Á c ido

C onstante á c ida ( K a)

F orç a do eletrólito

H C 

1,0 ⋅ 107

F orte

−4

F raco

4 ,7 ⋅ 10

H NO2

, ⋅ 10−10

H C N

F raco

ma vez que eletr litos fracos terão constantes de equil brios com valores num ricos muito pequenos, como o ácido cian drico, faz se necessário o uso de logaritmos para maior comodidade de expressá los.

O emprego dos logaritmos nas constantes de equil brio cria uma nova forma de expressão chamada pK , ou sej a, caso se aplique logaritmo em uma constante ácida (K a), teremos o pK a; porém, se tratar de uma base (K b) teremos o pK b.

Para os eletr litos listados na tabela a seguir, veri que que o maior p a é o do ácido cian drico. ontudo, esse ácido o mais fraco dos três. ssim, conclu mos que quanto maior o pK a de um ácido, mais f raco o ácido será. Á c ido

C onstante á c ida ( K a)

F orç a do eletrólito

H C 

1,0 ⋅ 10 7

F orte

−7 ,0

H NO2

4 ,7 ⋅ 10

-4

F raco

+ 3 ,3

F raco

,

H C N

, ⋅ 10- 10

pK

a

= −log K

a

B12  Equilí brio iô nico

D esloc amento de eq uilí b rio iô nic o o processo de dissolução do cloro em água para o abastecimento público, vimos que são f ormados dois ácidos, o H C O e o H C . O H C  ioniza em grande extensão nesse meio. sso porque se trata de um eletr lito forte ácido forte , gerando os ons 3 O+ e C −). No entanto, a ionizaç ão do H C O ocorre em pequena extensão, pois depende do p do meio.

Na presenç a de H C  o H C O permanece na f orma molecular, não se ionizando.

25 9

Q uí mica

  H C O(aq) + H 3 O+ (aq) + C −(aq) C 2(g) + 2 H 2O()  ituaç es como essa são comuns na u mica temos um eletr lito fraco e precisamos alterar o seu grau de ionização. as, em que extensão a ionização do O ocorre? Por que o H C O em p ácido valores inferiores a ioniza tão pouco?

O que se pode fazer para alterar essa extensão reacional?

E f eito do í on c omum nicialmente podemos observar que a ionizaç ão do H C O depende em parte da ionizaç ão do H C , ou se a, o on 3 O+ é comum aos dois ácidos. C omo a concentraç ão de H 3 O+ proveniente da ionização do  é muito grande, o H C O tem a sua ionizaç ão diminu da, por se tratar de um ácido fraco quando comparado ao . Esse �po de interferência em um equil brio c amado efeito do on comum.   H 3 O+ (aq) + C −(aq) H C (aq) + 2 H 2O()    H 3 O+ (aq) + C O−(aq) H C O(aq) + 2 H 2O()  Diante dessa situação, vamos inves�gar o que acontecerá com a ionização do  se for adicionada ao equil brio uma solução de propriedades básicas, como o aO aq . O idr xido de s dio uma base forte e apresenta grau de dissociação de . Portanto, ao ser adicionado em água, ocorre liberação dos ons a+ e OH −. O on O − neutraliza a acidez produzida no meio pela dissoluç ão do C 2 em água.   H C O(aq) + H 3 O+ (aq) + C −(aq) C 2(g) + 2 H 2O() 

→ Na+ (aq) + OH −(aq) NaOH (aq)  A neutralizaç ão pode ser representada da seguinte maneira:

→ H 2O() H 3 O+ (aq) + OH −(aq)  C omo a concentraç ão do on 3 O+ inicial pra�camente o resultado da ionização do H C , podemos dizer que a adiç ão de NaOH neutraliza a concentraç ão de H 3 O+ proveniente do , deixando o meio livre para a ionização do O, pois não há mais nen um on comum no sistema. Portanto, a ionização do H C O aumenta.

L ei da diluiç ã o de O stw ald O ácido ac �co ou ácido etanoico 3 C OOH ) é de grande importâ ncia, principalmente no uso dom s�co. omercializado com o nome de vinagre, ele um ácido fraco e seu processo de ionizaç ão pode ser representado de acordo com a equaç ão a seguir: H 3 C −C O O H ( aq ) + H 2O

B12  Equilí brio iô nico

uan�dade de matéria em mol

n

zero

zero

uan�dade de mol dissociado

nα

nα

nα

uan�dade de mol no equil brio

n−nα

nα

nα

n (1 − α )

nα V

nα V

C oncentraç ão molar no equil brio  n  V  

26 0

 H 3 O + ( aq ) + H 3 C −C O O −( aq )

V

C iências da Natureza e suas Tecnologias

expressão da constante de equil brio K a) é dada por: H 3 O+  H 3 C C OO−  K i= [H 3 C - C OOH ]

K i=

( nV α ).( nV α )

(

n(1- α ) V

)

 n2 α2   V  K i  2 × =   V   n(1 − α)  K i=

n α2 V (1 − α)

Sabemos que a constante de equil brio s varia quando se altera a temperatura.

Entretanto, uma análise matemá�ca dessa expressão nos mostra que podemos alterar o volume V ) e o grau de ionizaç ão (α . omo o volume aparece no denominador da expressão, ao aumentá lo averá tamb m o aumento do grau de ionização, pois o quociente deve permanecer constante. E isso de grande import ncia, pois se trata de outra maneira de se interferir na ionização dos eletr litos fracos, como o ácido ac �co (H 3 C - C OOH ), o ácido hipocloroso (H C O) e outros.

Essa observação foi feita pelo qu mico alemão il elm Ost ald , que f ez um estudo aprof undado das constantes de dissociaç ão dos ácidos. Ostw ald, rr enius e an t off foram muito importantes no estudo das propriedades f sico qu micas dos materiais, pois contribu ram grandemente no mel oramento de m todos e aparel os de pesquisas, al m de reunir e incentivar um grande número de pesquisadores e cientistas a estudar essas propriedades.

Conceito da lei da diluição de Ostwald: O grau de ionizaç ão de um eletr lito fraco aumenta tendendo para medida que a diluição da solução tende ao máximo in nito . o quadro a seguir, podemos veri car o efeito da diluição na ionização do ácido ac �co.

Efeito da diluição na ionização do ácido acético (CH3 C O O H ) C oncentraç ão (mol L

)

−1

G rau de ionizaç ão (α)

10−1

10−2

,

,

10−3

10−4

,

,

K i =

B12  Equilí brio iô nico

U ma análise matemática mais criteriosa da constante de equil brio i nico para eletr litos fracos leva nos a sugerir uma pequena modificação. sso ocorre porque se trata de um ácido f raco (H C O, por exemplo , portanto o termo −α toma o valor aproximado de . Dessa forma, a constante de ionização do O pode ser reescrita da seguinte maneira: n ⋅ α2 ∴ K i = ℳα2 V

26 1

Q uí mica Q uestã o 01. a ácido ac �co b) H C OOH + H 2O  H 3 O+ + H C OOc c O+ .

OOOO 3

Exercícios d e F ixaç ã o 01. ( U f op M G ) tabela abaixo relaciona as constantes de ionização em solução aquosa de alguns ácidos, a oC : Nome

F órmula

K a

C H 3 C OOH

1,8 ⋅ 10- 3

Á cido f órmico

H C OOH

1,7 ⋅ 10- 4

lizados pela indústria alimen�cia gura o benzoato de s dio,

Á cido f luor drico

H F

2,4 ⋅ 10- 4

ob�do pela reação do ácido benzoico

02. ( U desc S C ) O grau de ionizaç ão (α) indica a porcentagem das mol culas dissolvidas na água que sofreram ionização, sendo que a constante de ionizaç ão K a indica se um ácido é f orte, moderado ou f raco.

Par�ndo desses pressupostos, escol a a alterna�va abaixo que apresenta a ordem decrescente de ionizaç ão dos ácidos considerando soluç es aquosas a 1mol/ L H C N (K a = 6,1×10 ), H F (K a = 6,3 ×10 ), C H 3 C OOH (K a = 1,8×10 ) e H C lO4 a , C N> C C lO4 > F > C H C N> H C lO4 >

C OOH C OOH 3 OOH > lO4 > H F H F > C H 3C H C H C 3 C

3

> H F > > H F > H C lO4 > > C H 3C OOH >

H C lO4 H C N H C N OOH H C N

B12  Equilí brio iô nico

 03. (PUC RJ) o equil brio O   H 3 O+ + C N- , a concen2 tração dos ons - irá aumentar, se adicionarmos solução a) um ácido b) uma base c) um sal de ácido e base f ortes d um xido qualquer e um solvente org nico 04 . ( U E G G O ) A presenç a de tampão é f undamental para manter a estabilidade de ecossistemas menores, como lagos, por exemplo. ons fosfato, originários da decomposição da mat ria org nica, formam um tampão, sendo um dos equil brios expressos pela seguinte equação  H 2PO 4 (aq)   H PO 4 (aq) + H + (aq) e no equil brio foram medidas as concentraç es molares PO4 mol. , PO 4 mol. e + , mol. , o 2 valor da constante de equil brio

26 2

c) 0,1 d) 0,01

cido ac �co

a) Dentre os compostos acima, o ácido mais f raco é _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . b) A equaç ão de ionizaç ão do ácido f órmico em água é_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . c expressão da constante de equil brio a para a ionizaç ão representada pela equaç ão do item (b) é:

a) H b) H c) H d) H e) H

a) 2 b) 0,2

05 . ( U F T T O ) Dentre os conservantes an�microbianos mais u�7

H O2) com o hi-

dr xido de s dio.

Se em uma soluç ão aquosa 0,07 2 mol/ L de ácido benzoico, no equil brio apresenta uma concentração de ons idr nio O+ de , x mol , qual o valor de a (constante de 3 ionizaç ão ácida) desse ácido? a) 6,3 × 10 b

, × 10

c , × 10 d) 6,1 × 10 e) 2,1 × 10 06 . ( F G V S P ) equaç ão:

reação da am nia com a água representada na

 NH 3 (aq) + H 2O ()   NH constante de equil brio a

o

,

4

+

(aq) + OH (aq) × 10 e a

C é 1,8 × 10 .

o

onsidere as seguintes a rmaç es sobre o sistema em equil brio . a reação qu mica classi cada como reação exot rmica II. o aumento da temperatura resulta em um aumento da concentração de ons idroxila . a adição de ons am nio resulta numa redução do p do sistema. ão corretas as a rmaç es a) I , I I e I I I . b) I e I I , apenas. c) I e I I I , apenas. d) I I e I I I , apenas. e) I I I , apenas.

07 . ( F uv est S P ) onsidere uma solução aquosa dilu da de ácido ac �co , que um ácido fraco, mantida a °C . A alterna�va que mostra corretamente a comparação entre as concentraç es, em mol , das esp cies qu micas presentes na soluç ão é + a O + b O + c O + d O + e O

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

Para se converterem os ons carbonato e bicarbonato dessa amostra em ácido carb nico, H 2C O3 , f oram consumidos 20 mL da solução ácida. Pelo uso de indicadores apropriados, poss vel constatar se que, na reação I , foram consumidos m dessa soluç ão ácida e, na reaç ão I I , os m restantes. onsiderando se essas informaç es, correto a rmar que, na amostra de água analisada, a proporç ão inicial entre a concentração de ons carbonato e a de ons bicarbonato era de a) 1 : 1 c) 1 : 3 b) 1 : 2 d) 1 : 4 02. (UEM PR) onsidere que, a , temos uma solução ácida aquosa ácido monopr �co com concentração , mol e cu o grau de ionização do ácido . essa temperatura, o valor da constante de ionização do ácido (K a , aproximadamente, a , x . d , . b , x . e , x . c , x .

03 . ( P U C C ampinas S P ) Para aumentar efe�vamente a concentração de ons carbonato no equil brio H C O3− (aq) +

 OH − (aq)   H 2O(aq)

dever se ia adicionar a) H C . b) H 2SO4 .

+

C O23 − (aq)

c) NaOH . d) H 2O.

04. (PUC PR) Dada a equação em equil brio  H C N(g) + H 2O()   H 3 O+ (aq) + C N (aq)

∆H

< 0

ssinale a alterna�va correta diminuição da temperatura desloca o equil brio para a esquerda. b adição de um ácido forte, desloca o equil brio para a direita. c Para aumentar o rendimento da reação, devemos diminuir a pressão. d) O H C N (aq) é um ácido muito f orte. e) A adiç ão de uma base, aumenta a concentraç ão do C N . a

05 . ( U F T M M G ) Observe a tabela que considera volumes iguais de quatro soluç es aquosas de ácidos com mesma concen-

tração em quan�dade de mat ria mol⋅L mados da constante de equil brio a).

S oluç õ es aq uosas

K

a

e valores aproxi-

( 25 ° C )

H C N

, x

- 10

H C O

, x

-8

C H 3 - C OOH

, x

H NO2

, x

-4

obre essas soluç es, pode se a rmar que a) H C O (aq) é o mais ionizado. b) H C N (aq) é o que apresenta maior acidez. c) H NO2(aq) é o mais ionizado. d) H 3 OO aq) é o que apresenta maior acidez. e) H C N (aq) é o mais ionizado.

06 . ( F G V S P ) Estudos ambientais revelaram que o ferro um dos metais presentes em maior quan�dade na atmosfera, apresentando se na forma do on de ferro idratado, e 2O)6 3 + . O on de ferro na atmosfera se idrolisa de acordo com a equaç ão e

 O)6 3 +  

2

e

O) O

2

(Química Nova, vol.

2+

+ H

, n.

+

,

. daptado

m experimento em laborat rio envolvendo a idr lise de ons de ferro em condiç es atmosf ricas foi realizado em um reator de capacidade de 1,0 L . F oi adicionado inicialmente , mol de e 2O6 3 + e, ap s a reação a�ngir o equil brio, avia sido formado , mol de ons + . constante de equil brio dessa reação nas condiç es do experimento tem valor aproximado igual a a , × 10 . d , × 10 . b , × 10 . e , × 10 . c , × 10 .

07 . ( Ac af e S C ) am nia pode ser u�lizada na s ntese de fer�lizantes, explosivos e produtos de limpeza. á o idr xido de s dio pode ser u�lizado para desentupir encanamentos, na produção de sab es e detergentes e na extração de celulose nas indústrias de papel. Em de uma solução aquosa de idr xido de s dio de concentração , mol foram adicionados , mol de am nia. onsidere que o volume da solução permaneça constante constante K b = 1,8 × 10 . ssinale a alterna�va que cont m concentração aproximada dos ons am nio. a) 1,8 × 10 mol/ L c , × 10 mol/ L b) 1,2 × 10 mol/ L d) 1,8 × 10 mol/ L

26 3

B12  Equilí brio iô nico

01. ( U F M G ) Para determinar se a quan�dade de ons carbonato, C O 23− , e de ons bicarbonato, H C O 3− , em uma amostra de água, adiciona- se a esta uma soluç ão de certo ácido. s duas reaç es que, então, ocorrem estão representadas nestas equaç es I) C O 23− (aq) + H + (aq) → H C O 3− (aq) II) H C O 3− (aq) + H + (aq) → H 2C O3 (aq)

FRENTE

B

QUÍMICA

Exercícios d e A prof u nd amento  01. ( U espi P I ) O sistema Ni(s) + 4 C O(g)   Ni(C O)4 (g) é um sistema qu mico dito em equil brio. O equil brio qu mico caracterizado por apresentar: a velocidade das reaç es direta e indireta igual a zero e concentraç es de reagentes e produtos iguais. b velocidade das reaç es direta e indireta igual a zero e concentraç es de reagentes e produtos constantes. c velocidade das reaç es direta e indireta igual a zero e concentraç es de reagentes e produtos variáveis. d velocidade da reação direta igual da reação indireta e concentraç es de reagentes e produtos iguais. e velocidade da reação direta igual da reação indireta e concentraç es de reagentes e produtos constantes.

02. (UFRN) O equil brio qu mico se caracteriza por ser uma din mica em n vel microsc pico. Para se ter uma informação quan�ta�va da extensão do equil brio qu mico, usa se a grandeza constante de equil brio. onsidere a �rin a a seguir.

E

E, icardo. Fundamentos da Química, volume único. ão Paulo oderna, . p. . daptado

plicada ao equil brio qu mico, a ideia que o personagem tem sobre equil brio a) correta, pois, no equil brio qu mico, metade das quantidades sempre é de produtos, e a outra metade é de reagentes. b não correta, pois, no equil brio qu mico, as concentraç es de produtos e as de reagentes podem ser dif erentes, mas são constantes. c) correta, pois, no equil brio qu mico, as concentraç es de reagentes e as de produtos sempre são iguais, desde que o equil brio não se a perturbado por um efeito externo. d não correta, pois, no equil brio qu mico, as concentraç es dos produtos sempre são maiores que as dos reagentes, desde que o equil brio não se a afetado por um fator externo.

03 . ( U F G G O ) s p rolas contêm, ma oritariamente, entre diversas outras substâ ncias, carbonato de cálcio (C aC O3 ). Para obtenç ão de uma p rola ar� cial composta exclusivamente de a O3 , um analista, inicialmente, misturou 22 g de C O2 e 4 0 g de C aO. 26 4

esse sen�do, conclui se que o reagente limitante e a massa em excesso presente nessa reação são, respec�vamente, a) C O2 e 22 g. b) C aO e 10 g. c) C O2 e 12 g. d) C aO e 20 g. e) C O2 e 8 g.

04 . ( U F G G O ) U m reator com capacidade de 10 L f oi preenchido com 3 0 mol de PC  s e aquecido a . p s o per odo de cinco oras, veri cou se a decomposição de do s lido em PC 3 (s) e C 2 g , a�ngindo as condiç es de equil brio qu mico. essas condiç es, o valor da constante de equil brio , aproximadamente, igual a: a , mol . b , mol . c) 4 ,0 mol/ L . d) 2,4 mol/ L . e) 0,6 mol/ L .

05 . ( Ac af e S C ) Dois litros de ácido etanoico (1,0 mol/ L ) f oram misturados com dois litros de etanol , mol . Estabelecido o equil brio, do álcool foi esteri cado.

O nome do ster formado e o valor de c desse equil brio são a metanoato de me�la e , . b etanoato de e�la e , . c etanoato de e�la e , . d etanoato de e�la e , .

06 . ( F uv est S P ) isomerização catal �ca de para nas de cadeia não rami cada, produzindo seus is meros rami cados, um processo importante na indústria petroqu mica.

A uma determinada temperatura e pressão, na presenç a de um catalisador, o equil brio

 C H 3 C H 2C H 2C H 3 (g)   (C H 3 )2C H C H 3 (g) n- butano isobutano a�ngido ap s certo tempo, sendo a constante de equil brio igual a , . esse processo, par�ndo exclusivamente de , g de n butano, ao se a�ngir a situação de equil brio, x gramas de n butano terão sido conver�dos em isobutano.

O valor de x é a) 10,0. b) 20,0. c , . d) 4 0,0. e , .

C iências da Natureza e suas Tecnologias

s opç es abaixo se referem a equil brios qu micos que

.

foram estabelecidos dentro de cilindros providos de êmbolos. e o volume interno em cada cilindro for reduzido metade,

.

a temperatura permanecendo constante, em qual das opç es abaixo o ponto de equil brio será alterado?  a) H 2(g) + I 2(g)   2 H I (g).  b) C aC O3 (s)   C aO(s) + C O2(g).  c) PbS(s)+ O2(g)   Pb(s) + SO2(g).  d) C H 4 (g)+ 2 O2(g)   C O2(g) + 2 H 2O(g).  e) F e2O3 (s) + 3 C O(g)   2 F e(s)+ 3 C O2(g).

08 . ( U E C E ) A o que tudo indica, as lentes fotossens veis foram inventadas nos laborat rios da empresa orning lass em

or s nc.

. Elas têm a propriedade de escurecer na presença do

sol e retornar s condiç es primi�vas em ambiente coberto. tente para os seguintes fen menos .

deslocamento do equil brio

.

reação de oxidorredução

III.

ef eito f otoelétrico;

.

efeito termoi nico

V .

aç ão de indicador.

adição de mais carbono, ap s o sistema a�ngir o equil brio, favorece a formação de mais gás metano. reação de formação do metano exot rmica.

III.

O nú mero de moléculas de metano f ormada é o mesmo de moléculas de hidrogênio consumidas na reaç ão.

.

O resfriamento do sistema em equil brio de

para

provoca uma diminuição da concentração de metano. a) I b) I I c) I e I I d) I I e I I I e) I I I 10. (UEL PR) U ma parte do C O2 f ormado durante o processo da respiração dissolve se no sangue e um dos componentes responsáveis pela const ncia de seu p . Entretanto, a perda ou o acúmulo excessivo de O2 no sangue pode provocar uma pequena variação em seu p .

C onsidere, a uma dada temperatura, a seguinte reaç ão e a sua respec�va constante de equil brio

 C O2(g) + H 2O   H + (aq) + H C O3 (aq)

orrespondem a fen menos que ocorrem nas lentes fotossen-

K =

+

O3−

⋅ O2

s veis somente os itens

C om base nessas informaç es, correto a rmar que

a) I I e I V .

a

b) I e I I .

b) A o aumentar o pH do meio, a reaç ão é deslocada para a esquerda.

c) I V e V .

c O acúmulo excessivo de O2 diminui o pH .

d) I I I e V .

09. (Ibmec RJ) um recipiente fec ado, de volume constante, idrogênio gasoso reage com excesso de carbono s lido, formando gás metano, como descrito na equaç ão: Essa reação foi realizada em duas temperaturas,

d

o instante em que diminuir o p do meio, o valor de aumenta.

e O excesso de

O3 provoca uma diminuição de p .

11. ( E nem M E C ) U ma das etapas do tratamento da água é a de-

 C (s) + 2H 2(g)   C H 4 (g) a

e, em

ambos os casos, a concentraç ão de metano f oi monitorada, desde o in cio do processo, at certo tempo ap s o equil brio ter sido a�ngido. O grá co apresenta os resultados desse experimento:

Concentração de metano

constante de equil brio varia com a concentração de água.

sinfecção, sendo a cloração o m todo mais empregado. Esse método consiste na dissoluç ão do gás cloro numa soluç ão sob pressão e sua aplicaç ão na água a ser desinf ectada. A s equaç es das reaç es qu micas envolvidas são C 2 (g) + 2 H 2O ()

→ ←

H C lO (aq) + H 3 O+ (aq) + C  (aq)

H C O (aq) + H 2O ()

→ ←

H 3 O+ (aq) + C O (aq) pK

a

log

a

,

A aç ão desinf etante é controlada pelo ácido hipocloroso, que 800 K 900 K

possui um potencial de desinfecção cerca de

vezes supe-

rior ao â nion hipoclorito. O pH do meio é importante, porque in uencia na extensão com que o ácido ipocloroso se ioniza.

Para que a desinfecção se a mais efe�va, o p da água a ser tratada deve estar mais pr ximo de a) 0.

Tempo

A pós as informaç es, foram feitas algumas consideraç es. ssinale a alterna�va que indica consideraç es corretas

b

.

c) 7 . d

.

e) 14 .

26 5

FRENTE B  Ex ercí cios de A prof undamento

07 . ( I T A S P )

FRENTE

C

QUÍMICA Por falar nisso O entendimento mais signi ca�vo dos aspectos que envolvem a u mica Org nica passa, necessariamente, pela noção de isomeria e por conceitos como is meros cons�tucionais, is meros geom tricos e is meros p�cos, sem dizer dos conceitos de a�vidade p�ca, luz polarizada e outros. import ncia fundamental que subst ncias op�camente a�vas assumem na cons�tuição e funcionamento dos seres vivos explicitada, por exemplo, nos mecanismos de ação enzimá�ca �po c ave fec adura . Diversos outros exemplos podem ser col idos no estudo de fármacos.

O estudo da isomeria p�ca teve in cio em com ouis Pasteur imagem de abertura dessa página , que, ao visitar uma vin cola, p de observar s lidos cristalinos que se formavam nos barris durante o processo de envel ecimento dos vin os. oi dada, aos cristais encontrados, a denominação racematos ou racêmicos do la�m, racemus signi ca cac o de uvas.

Em estudos posteriores, Pasteur percebeu que os cristais eram imagens especulares um do outro. Pacientemente, u�lizando uma pinça, ele fez a separação manual dos dois �pos de cristais por catação e cou ainda mais surpreso quando veri cou que as propriedades sicas, como ponto fusão, ebulição, solubilidade etc. eram as mesmas para os dois cristais, mas se diferenciavam quando colocados na presenç a de luz polarizada.

Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C 09 C 10 C 11 C 12

someria cons�tucional................................................................. 268 Estereoisomeria geom trica......................................................... 27 3 Estereoisomeria p�ca .................................................................

Propriedades sicas dos compostos org nicos ............................ 288

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C09

ASSUNTOS ABORDADOS n I someria c onstituc ional

ISOMERIA CONSTITUCIONAL O in cio do processo de inves�gação sobre isomeria começou na d cada de do s culo . Dois qu micos alemães, ustus iebig e riedric ler 1882), estudando isoc ianato de prata, também chamado de f ulminato de prata, e o c ianato de prata, descobriram que essas duas subst ncias �n am a mesma f rmula molecular. Depois de discuss es e novas inves�gaç es, iebig e ler, a princ pio, ainda divergiram quanto ao signi cado de seus resultados. ontudo, concordaram que os dois compostos eram diferentes, mas que �n am a mesma composição percentual em massa. L ogo, mesma f órmula molecular.

Em , ns acob erzelius recebeu para análise os trabal os desses dois cien�stas sobre a suposta descoberta de dois compostos com propriedades sicas e qu micas diferentes e mesma f rmula molecular g O . erzelius viu que os trabal os eram consistentes e classi cou esses dois compostos como isô meros, do grego iso, mesmo, e meros, parte, porç ão. H oj e os denominamos cianato de prata g O e isocianato de prata g O e os classi camos como is meros inorgâ nicos.

Outro caso bastante exempli cado de isomeria o da s ntese da ureia por ler em ao aquecer o cianato de am nio. reação a seguir, ilustra a transformação do cianato de am nio compostos inorg nico em ureia org nico . ∆ NH 4 C NO(s)  → C O(NH 2)2()

O estudo da isomeria nos remete import ncia das representaç es das f rmulas estruturais qu micas. ma interpretação correta da construção de uma f rmula qu mica sinal de uma boa iden� cação das classes funcionais estudadas. onsidere, por exemplo, que temos um total de dois átomos de carbono (2 C ), seis átomos de hidrogênio (6 e um átomo de oxigênio O . om esse con unto de átomos, podemos estabelecer a representação de duas f rmulas qu micas de cons�tuiç es diferentes, mas de mesma f órmula molecular, isto é, C 2H 6O. H3C CH2 OH etanol

H3C O CH3 metoximetano

Opirus/ A rte

C2H6O

Figura 01 - Fórmulas em bastão e bola. À esquerda, temos a representação do etanol; à direita, fórmula do metoximetano. Imagens ilustrativas e fora de escala de tamanho.

26 8

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Dessa forma, podemos de nir isomeria como sendo o f en meno em que duas ou mais subst ncias apresentam a mesma f órmula molecular, mas f órmulas estruturais dif erentes.

Em termos de classi caç es, podemos dividir o estudo das isomerias em isomeria cons�tucional, tamb m c amada de isomeria plana e estereoisomeria, também chamada de isomeria espacial.

A dif erença entre as isomerias cons�tucionais de função e de tautomeria reside no f ato de que na tautomeria temos um equil brio qu mico din mico. a isomeria de função, as subst ncias não mantêm equil brio.

Outros casos de isomerias cons�tucionais de função

Isomeria constitucional someria cons�tucional o fen meno em que duas ou mais subst ncias qu micas têm a mesma f rmula molecular, mas f rmulas estruturais diferentes, por causa de diferentes conec�vidades dos átomos na cons�tuição da estrutura molecular.

Podemos veri car cinco casos de isomeria cons�tucional de tautomeria, de f unç ão, de cadeia, de posiç ão e de compensaç ão ou metameria.

Isomeria constitucional dinâmica ou de tautomeria o caso em que as subst ncias qu micas pertencem a classes funcionais diferentes, mas coexistem em equil brio qu mico din mico. Os exemplos mais �picos são os casos de tautomeira alde do enol e a tautomeria entre cetonas enol. conversão entre os compostos ocorre pela movimentação dos el trons pi e do on pr ton + ) dentro da molécula: OH H2C CH

O H3 C C

H

Figura 02 - Tautomeria aldoenólica

OH H2C C CH3

O H3C C CH3

Figura 03 - Tautomeria cetoenólica

Isomeria constitucional de função

Isomeria constitucional de cadeia Ocorre isomeria cons�tucional de cadeia quando as subst ncias qu micas apresentam a mesma f rmula molecular, mas se diferenciam na cons�tuição da cadeia carb nica.

Por exemplo, com a f rmula molecular construir três alcanos dif erentes.

H

, podemos

12

Note que a primeira cadeia carb nica do �po não ramicada a segunda possui uma rami cação e a terceira cadeia carb nica duplamente rami cada. Portanto, o que diferencia a cons�tuição das subst ncias o grau de rami cação das cadeias carb nicas. ogo, são is meros de cadeia. o caso da classe funcional amina, podemos modi car a cons�tuição da cadeia carb nica sem alterar a classe funcional. Ou se a, podemos ter uma amina de cadeia carb nica omogênea e outra de cadeia carb nica eterogênea, mas de mesma f rmula molecular. E isso cons�tui um caso de isomeria cons�tucional de cadeia.

o caso em que as subst ncias qu micas pertencem a classes f uncionais dif erentes, mas têm a mesma f órmula molecular.

Isomeria constitucional de posição É o caso em que as subst ncias qu micas apresentam a mesma f órmula molecular e a mesma classe f uncional, mas dif erem na posiç ão de um grupo, sej a um grupo f uncional, sej a um grupo ligante.

C om a f órmula molecular C 3 H 8O, por exemplo, podemos construir dois álcoois, cuj a ú nica dif erenç a é a posiç ão do grupo f uncional.

M as, se as classes f uncionais são dif erentes, por que não considerá- las um caso de isomeria dinâ mica ou tautomeria?

26 9

C09  someria cons�tucional

o in cio deste m dulo, dissemos que, com um con unto de dois átomos de carbono (2 C ), seis átomos de hidrogênio (6 H ) e um átomo de oxigênio O , podemos estabelecer a representação de duas f rmulas qu micas de cons�tuiç es funcionais dif erentes. A s duas f órmulas estão representadas a seguir e nelas podemos veri car que as classes funcionais são álcool e ter.

Q uí mica

o caso dos alcenos e dos alcinos, a diferença marcante entre os is meros está na localização das ligaç es dupla e tripla.

hex-1-eno

hex-3-eno

but-1-ino

but-2-ino

Isomeria constitucional de compensação ou metameria isomeria de compensação um caso interessante para discu�r. maginemos uma situaç ão em que sej am f ornecidos os três éteres a seguir: H3C O CH CH3 CH3 metoxiisopropano

H3C O CH2 CH2 CH3

H3C CH2 O CH2 CH3

metoxipropano

etoxietano

Observe que todos eles têm a mesma f rmula molecular, meros entre si.

4

H

O. Portanto, são is -

10

as que �po de isomeria cons�tucional eles apresentam?

O met xi isopropano is mero de cadeia dos demais, pois apresenta cadeia carb nica rami cada em relação aos outros dois. as que �po de isomeria existe entre o etoxietano e metoxipropano?

Observe as f rmulas estruturais a seguir H3C O CH2 CH2 CH3

H3C CH2 O CH2 CH3

metóxi-propano

etóxi-etano

ão is meros de função? De tautomeria? ão, pois pertencem mesma classe funcional.

De cadeia? ão, pois a classi cação das duas cadeias carb nicas abertas, saturadas, eterogêneas e não rami cadas.

a mesma são

C09  someria cons�tucional

De posiç ão de heteroátomo? A parentemente, sim. Dizemos aparentemente, porque o eteroátomo parece mudar de posição na cadeia carb nica. O que de fato não ocorre. a verdade, o que realmente aconteceu foi a compensação no taman o das cadeias laterais em relação ao eteroátomo. Observe que, na representação a seguir, ouve a diminuição de um átomo de carbono da cadeia carb nica da lateral esquerda e, ao mesmo tempo, ouve aumento de um átomo de carbono da cadeia carb nica da lateral direita. Portanto, os efeitos se compensam e a cadeia carb nica não altera seu comprimento. metoxipropano

etoxietano

H3C O CH2 CH2 CH3

H3C CH2 O CH2 CH3

1C

3C

2C

3C

Dizemos, então, que se trata de um caso de isomeria de compensaç ão de cadeias laterais em relaç ão ao heteroátomo.

A isomeria de compensaç ão também é chamada de metameria e decorre dos processos reacionais de obtenç ão dos compostos.

27 0

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios d e F ixaç ã o 01. ( U niv ag M T ) Os teres etoxietano e metoxipropano á foram u�lizados como anest sicos, exercendo e ciente ação paralisante sobre o sistema nervoso.

O �po de isomeria plana presente entre os teres mencionados é de a) cadeia. b) tautomeria. c) compensaç ão. d) f unç ão. e) posiç ão.

02. (Ibmec RJ) elacione o �po de isomeria com as estruturas apresentadas a seguir. Depois, assinale a alterna�va que corresponda a sequência correta ob�da 1. Tautomeria 2. I someria de posiç ão 3 . M etameria

04 . ( I F G O ) O ciclopentano e pent a) cadeia b) geométricos c p�cos d) posiç ão e) compensaç ão

eno são is meros

05 . ( U E C E ) Os hidrocarbonetos são compostos orgâ nicos f ormados unicamente por carbono e hidrogênio unidos tetraedricamente por ligação covalente. Os idrocarbonetos são a c ave principal da qu mica org nica, visto que são eles que f ornecem as coordenadas principais para f ormaç ão de novas cadeias e, posteriormente, para a nomenclatura de outros compostos. ssinale a alterna�va cu os idrocarbonetos são cons�tu dos de mol culas diferentes. a)

4 . I someria f uncional b)

c)

d)

d) 4 , 1, 3 , 2 e) 3 , 4 , 1, 2 03 . ( M ac k enz ie S P ) C onsidere a nomenclatura I U PA C dos seguintes hidrocarbonetos. . me�l ciclobutano. . me�l pentano.

I I I . pentano. . ciclo exano.

V . pent- 2- eno. alterna�va que relaciona corretamente compostos isom ricos é a) I e I I I . b) I I I e V . c) I e V . d) I I e I V . e) I I e I I I .

06 . ( U E C E ) em de uma or, cura a dor, mas causa morte e pavor. a aspirina, o rem dio mais con ecido do mundo. ont m o ácido ace�lsalic lico existente em ores do gênero Spirae, muito usadas em buquês de noivas. l m de curar a dor, esse ácido também é usado para proteger o coraç ão de doenç as, pois ele também impede a f ormaç ão de coágulos, mas, se usado indiscriminadamente, pode causar a morte.

V ej a a estrutura de uma molécula desse ácido e assinale a a rmação verdadeira.

C09  someria cons�tucional

a) 1, 3 , 4 , 2 b) 1, 3 , 2, 4 c) 1, 4 , 3 , 2

a b

ua massa molar está abaixo de g mol. a estrutura existem dois carbonos primários, seis carbonos secundários e um carbono terciário. c Pode ser is mero de um ster que possua a seguinte f rmula qu mica H 8O4 . d Possui cinco ligaç es π pi e vinte ligaç es σ (sigma).

27 1

Q uí mica

xtraeylaiaria a do nária e na ocontenpeito nale

Exercícios Complementares 01. (Uem PR) onsidere a estrutura abaixo, onde tuinte, e assinale o que f or correto.

um subs�-

01. Se X = OC H 3 , a molécula apresenta cadeia aberta, normal, homogênea e insaturada. . e , o nome o cial P do composto isopropil- pentanal.

04 . Se X = H , a molécula possui 4 carbonos primários, 2 carbonos secundários e 2 carbonos terciários.

08. Se X = NH 2, a molécula é uma amida.

16. Q uando X = OC H 3 e quando X = C H 3 , os compostos f ormados são is meros de função.

C09  someria cons�tucional

02. ( P U C S P ) São conhecidas algumas substâ ncias com a f órmula C 3 H 8O. nalisando o total de is meros de f rmula 3 H 8O encontramos a um ster e dois ácidos carbox licos. b duas cetonas e dois alde dos. c uma cetona e um alde do. d) dois éteres e três álcoois. e) um éter e dois álcoois.

03. (Unisc RS) A seguir, é apresentado um conj unto de cinco a rmaç es a respeito de propriedades sico qu micas e estruturais de misturas homogêneas ou substâ ncias puras derivadas de solventes org nicos.

Preenc a os parênteses com para verdadeiro e para f also. asolina e etanol formam uma mistura omogênea temperatura ambiente. mistura de água e etanol subme�da des�lação simples origina etanol puro, des�lado a °C e água pura a 100 °C , sob pressão de 1 atmosf era.

O propano ol is mero de função da propanona.

O acetato de e�la e o ter die�lico apresentam cadeias heterogêneas.

O biodiesel um mono ster ob�do na transesteri caç ão de um óleo ou uma gordura.

A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, a b c d e

27 2

04. (UERN) Dos compostos de f órmula molecular igual a C 4 H 10O, assinale, a seguir, o que apresenta maior ponto de ebuliç ão. a utanona b utan ol c utan ol d ter die�lico 05. (Uerj RJ) O ácido cianú rico é um agente estabilizante do cloro usado como desinfetante no tratamento de águas. Esse ácido pode ser representado pelas duas f órmulas estruturais a seguir:

Em relação isomeria, essas duas estruturas representam compostos classi cados como a olig meros b taut meros c estereois meros d diastereois meros 06 . ( U E C E ) Os compostos org nicos podem ser classi cados conforme os átomos cons�tuintes, os radicais ligantes ou a natureza das ligaç es. Essas caracter s�cas agrupam os compostos por semel ança que formam, assim, as funç es orgâ nicas. Duas substâ ncias orgâ nicas, X e Z , apresentam as seguintes caracter s�cas Características

X

Z

de massa de carbono

,

,

de massa de oxigênio

4 3 ,24

4 3 ,24

Ponto de ebuliç ão (° C ) sob pressão de 1atm s f rmulas estruturais corretas de mente:

14 1 e

são, respec�va-

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C10

ESTEREOISOMERIA GEOMÉTRICA

ASSUNTOS ABORDADOS

L iv re rotaç ã o nos alc anos

n E stereoisomeria geomé tric a

A estrutura tridimensional de um alcano mostra- nos que a geometria do carbono é do �po tetra drico e a ligação pode ser descrita por meio de orbitais ibridizados em sp3 . Portanto, uma ligação simples. omo a energia de rotação em torno do eixo de uma ligação simples rela�vamente pequena , cal mol , á rotação em torno dessa ligação, mesmo em temperatura ambiente. Por isso que c amamos o fen meno de livre rotação.

n ivre rotação nos alcanos n Estereoisomeria geom trica em idrocarbonetos c clicos

representação a seguir mostra a livre rotação do etano.

Figura 01 - Duas conformações do etano. A rotação em torno da ligação simples C – C converte os diferentes confôrmeros. Imagem fora de escala de tamanho e em cores ilustrativas.

Opirus/ A rte

Note que, na representaç ão acima, ouve uma rotação de o em torno do eixo de ligação entre os dois átomos de carbono ligação simples . Esse �po de fen meno produz is meros conformacionais, tamb m c amados conf rmeros ou rot meros, que possuem conteúdos energ �cos diferentes entre si.

27 3

u mica

#Conceito E stereoisomeria a parte da u mica que estuda os is meros em que os átomos apresentam a mesma conec�vidade, por m diferentes arranj os espaciais.

C ontudo, quando analisamos a estrutura de um alceno, deparamo- nos com uma situaç ão bastante dif erente em relaç ão aos alcanos. Os alcenos se caracterizam por apresentar ligação dupla entre átomos de carbono. sso modi ca completamente a li berdade de rotação da mol cula, ou se a, impede a livre rotação. Esse fen meno cria condiç es para um novo caso de isomeria, denominado estereoisomeria geom trica. estereoisomeria pode ser dividida em duas grandes áreas a estereoisomeria geom trica e a estereoisomeria p�ca. esta aula, estudaremos a estereoisomeria geom trica.

C ondiç õ es de oc orrê nc ia de estereoisomeria geomé tric a Para que ocorra estereoisomeria geom trica, são necessárias duas condiç es o im pedimento de livre rotação e ligantes diferentes entre si nos carbonos impedidos de livre rotação. O impedimento de livre rotação, pode acontecer pela presença de dupla ligação entre átomos de carbonos ou então em cadeias carb nicas fec adas.

R1

R3 C

R2

R1

R3

R2

R4

C R4 R1 R2

R3 R4

em essas condiç es, não á estereoisomeria geom trica. seguir, temos duas representaç es por meio de modelo varetas e bolas, tamb m conhecido como bastão e bolas, para o but- 2- eno.

(1)

plano imaginário

(2)

Essas representaç es podem ser diferenciadas visualmente pela disposição espacial a par�r de um plano imaginário que passa pelos carbonos da dupla ligação. n n

Em , temos dois ligantes metil do mesmo lado superior e dois átomos de hidrogênio do lado inf erior do plano imaginário.

Em , temos os dois ligantes metil, assim como os átomos de idrogênio em lados opostos ao plano imaginário.

C10  Estereoisomeria geom trica

omo a dupla ligação impede a livre rotação, podemos a rmar que se trata de duas subst ncias diferentes. Essa diferença pode ser comprovada em laborat rio por meio da determinaç ão dos pontos de f usão, ebuliç ão, densidade, solubilidade, entre outros.

S istemas de nomenc latura dos estereoisô meros geomé tric os S istema cis/ trans nomenclatura dos estereois meros geom tricos foi estabelecida com base nas semel anças estruturais dos grupos ligantes. Para designar que os grupos semel an tes, em alguns casos iguais, estão do mesmo lado do plano imaginário, u�lizamos a palavra cis do la�m, deste lado se os grupos semel antes estão em lados opostos do plano imaginário, u�lizamos a palavra trans do la�m, atrav s .

27 4

C iências da Natureza e suas Tecnologias

A ssim, na representaç ão anterior, temos que:

(1) n n

(2)

O composto (1) tem grupos ligantes iguais do mesmo lado do plano. Portanto, trata- se de um cis.

O composto (2) tem grupos ligantes iguais em lados opostos ao plano. Portanto, trata- se de um trans.

L ogo, os nomes são: n n

C omposto (1): cis- but- 2- eno.

C omposto (2): trans- but- 2- eno.

Outros exemplos C

C

C

C

C C

C C

H H cis-1,2-dicloroeteno

H H trans-1,2-dicloroeteno

ontudo, nem sempre poss vel ver as diferenças e as semel anças entre os grupos ligantes aos carbonos impedidos de livre rotação. ma das raz es disso que o sistema cis/trans não expressa o crit rio adotado número at mico, massa, volume do grupo etc.) para comparar os grupos. onsidere a subst ncia a seguir, em que não podemos ver nen um crit rio de semelhanç a entre os grupos ligantes.

esse caso, desaconsel ável aplicar o sistema cis/trans de nomenclatura, pois não á uma ordem de prioridade para estabelecer uma convenção. ssim, podemos concluir que em qualquer outro caso de estereois mero geom trico com três ou quatro grupos subs�tuintes diferentes entre si desaconsel ável aplicar o sistema cis/trans.

S istema E/ Z

C10  Estereoisomeria geométrica

s di culdades para c egar a um consenso do que poderia ser considerado cis e trans levaram os cien�stas a buscarem um novo sistema de nomenclatura. Da união dos ingleses obert a n e ristop er ngold e do su ço ladimir Prelog , surgiu o sistema E/Z de nomenclatura para estereois meros com três ou quatro subs�tuintes diferentes.

Os s mbolos E e Z têm origem no alemão e signi cam E = Entgegen, opostos.

Z = Zusammen, j untos.

Nesse sistema, é estabelecida uma ordem de prioridade que obedece ao nú mero at mico dos elementos ligantes aos carbonos impedidos de livre rotação. uando as maiores prioridades estão do mesmo lado do plano imaginário, usa se o s mbolo Z para designar o estereois mero. Por m, se as maiores prioridades es�verem em lados opostos, u�liza se o s mbolo E para designar o estereois mero.

27 5

Q uí mica

e amos o exemplo anteriormente citado

eguindo a ordem de prioridadedos maiores números at micos, temos que o iodo e o bromo são as maiores prioridades e estão do mesmo lado do plano imaginário. Portanto, temos um caso de estereois mero Z e o nome correto do composto é (Z)- 1- bromo- 1- cloro- 2- f luoro- 2- iodoeteno.

De acordo com a P , os s mbolos E e devem ser grafados em itálico, entre parênteses e preceder o nome do composto. amos dar o nome do estereois mero a seguir

Nesse caso, temos uma situaç ão em que há empate de prioridade entre os grupos ligantes do lado direito da dupla ligação átomo de carbono dos grupos me�l e e�l. Os casos de empate devem ser resolvidos pela análise do número at mico dos ligantes seguintes. o exemplo acima, temos que o carbono do grupo me�l está ligado a três outros átomos de idrogênio, portanto devemos somar três vezes o número at mico do idrogênio . o e�l, o primeiro átomo de carbono está ligado a dois átomos de idrogênio e um átomo de carbono, portanto devemos somar duas vezes o número at mico do idrogênio com o número at mico do carbono . ssim, podemos concluir que o e�l tem maior prioridade quando comparado ao me�l.

CH3 C CH3 > CH3

H C CH3 > CH3

H C CH2 CH3 > H

H C CH3 > H

H C H>H H

Figura 02 - Ordem de prioridade de alguns grupos orgânicos

e ouver dupla ou tripla ligação no grupo ligante, o átomo que realiza dupla ou tripla ligação com o átomo de carbono deve ter seu número at mico quan� cado, respec�vamente, duas e três vezes. por essa regra que grupos insaturados guardam a seguinte ordem de prioridade.

C CH >

CH CH2 >

CH2 CH3

E stereoisomeria geomé tric a em h idroc arb onetos c í c lic os C10  Estereoisomeria geométrica

ssim como a ligação dupla, as cadeias carb nicas tamb m impedem a livre rotação.

Portanto, se ouver dois ligantes diferentes entre si em pelo menos dois carbonos do ciclo, j á temos um caso de estereoisomeria geométrica.

H3 C H

CH3 H

H

H cis-1,2-dime lciclopropano

H3 C H

H H

CH3

H trans-1,2-dime lciclopropano

Figura 03 - Existem dois is meros diferentes para o , dime�lciclopropano, um is mero com dois grupos me�la do mesmo lado do anel (cis) e outro com dois grupos me�la em lados opostos (trans). Os dois is meros não se interconvertem.

27 6

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios d e F ixaç ã o 01. (PUC RJ)

a representação abaixo, encontram se as es-

truturas de duas substâ ncias com as mesmas f órmulas moleculares.

apresenta(m) isomeria geométrica a) A penas 2. b) A penas 3 . c) A penas 1 e 2. d) A penas 1 e 3 . e) A penas 2 e 3 .

04 . (UCS RS) a re�na existem c lulas fotorreceptoras que contêm uma subst ncia c amada re�nal, responsável pelo processo da visão. incidência de luz provoca a transformação qu mica do re�nal, conforme mostra a representação abaixo. Essa transformação gera um impulso el trico que enviado ao c rebro, onde interpretado, formando a imagem que vemos.

Essas subst ncias guardam uma relaç ão de isomeria: a) de cadeia. b) de posiç ão. c) de f unç ão. d) geométrica. e p�ca.

02. (PUC RS) nalise as informaç es a seguir.

Em relação ao dibu�l alato, correto a rmar que composto orgâ nico a) da f unç ão dos éteres. b de cadeia alifá�ca. c) de f órmula molecular C 16H 22O4 . d de elevada solubilidade em água. e) de isomeria cis-trans.

um

o processo da visão representado simpli cadamente acima ocorre a uma isomerização do �po trans–cis. b uma isomerização do �po cis–trans. c) f ormaç ão de carbono quaternário. d) f ormaç ão de carbono quiral. e subs�tuição de dupla ligação.

05 . ( E sc s D F ) A s gorduras trans, f ormadas durante o processo de idrogenação industrial que transforma leos vegetais l quidos em gordura s lida temperatura ambiente, são u�lizadas para melhorar a consistência dos alimentos e tamb m aumentar a vida de prateleira de alguns produtos. O consumo excessivo de alimentos ricos em gorduras trans pode causar: aumento do colesterol total e ainda do colesterol ruim D colesterol, redução dos n veis do colesterol ruim D colesterol e redução dos n veis de colesterol bom - H DL - colesterol. É importante lembrar que não há inf ormação dispon vel que mostre bene cios saúde a par�r do consumo de gordura trans.

Adaptado de: http://www.anvisa.gov.br/faqdinamica/asp/ usuario.asp?usersecoes=28&userassunto=104. Acesso em 26 de abril de 2009.

Dentre os compostos a seguir, o que também apresenta uma estrutura trans é:

03 . (Uergs RS) Dos compostos orgâ nicos a seguir

27 7

C10  Estereoisomeria geométrica

Em , algumas indústrias brasileiras começaram a abolir voluntariamente o uso dos plas� cantes alatos em brinquedos e mordedores, entre muitos outros itens fabricados em P ex vel des�nados primeira inf ncia, pois os alatos causam uma s rie de problemas saúde, incluindo danos ao gado, aos rins e aos pulm es, bem como anormalidades no sistema reprodu�vo e no desen volvimento sexual, sendo classi cados como prováveis carcinogênicos humanos. A f órmula a seguir representa a estrutura do dibu�l alato, principal subst ncia iden� cada nas amostras estudadas, que pode causar esses ef eitos irrevers veis muito graves quando inalado, ingerido ou posto em contato com a pele.

Q uí mica

Exercícios Complementares 01. (UCS RS) O ácido oleico, cu a estrutura qu mica está representada abaixo, forma se durante a decomposição de formigas mortas, sendo um sinal qu mico para que as outras formigas as re�rem do nin o.

H

O C

H

OH

nalise a veracidade ou falsidade das proposiç es abaixo, sobre o ácido oleico. ( ) De acordo com a nomenclatura I U PA C , ele é denominado ácido cis octadec enoico.

Ele possui dois átomos de carbono primário e quatorze átomos de carbono secundário.

Ele apresenta cadeia aberta, normal, insaturada e eterogênea. ssinale a alterna�va que preenc e corretamente os parênteses, de cima para baixo. a b c d e 02. ( F atec S P ) O rasil o terceiro produtor mundial de perfumes e cosm �cos e ocupa o primeiro lugar no consumo de perf umes.

Dentre as mol culas apresentadas, as que possuem is meros geométricos são: a , , , e . b) 1, 2 e 3 , apenas. c) 2, 3 e 4 , apenas. d e , apenas. e e , apenas.

04 . ( U espi P I ) Os �pos de isomeria, representados por , , , na coluna 2, ref erentes aos pares de compostos relacionados na coluna , são respec�vamente C ompostos

I someria

Propanona e isopropenol

I

utanal e me�lpropanal

II

Cis - but- 2- eno e trans - but- 2- eno

III

(fapesp.br/eventos/2011/08/química/Claudia_Rezende.pdf Acesso em: 04.05.2013.)

Os compostos geranial, linalol e neral, representados a seguir, estão presentes na grande maioria dos perf umes dispon veis no mercado.

OH CHO CHO

I. Geranial

II. Linalol

III. Neral

C10  Estereoisomeria geométrica

obre os compostos representados, correto a rmar que a o composto um alde do. b) o composto I I I é saturado. c os compostos e são is meros. d os compostos e são is meros. e) os compostos I , I I e I I I são álcoois.

03 . ( E sc s D F ) O óleo de j asmim, muito ú til em perf umaria, pode ser extra do das p talas das flores com o uso de gordura de porco desodorizada. A lgumas moléculas identificadas no extrato deste leo podem ser representadas pelas seguintes f órmulas:

27 8

H 3 C - OC H a b c) I d) I e) I -

3

e H 3 C - C H 2 - OH

IV

unção Posição p�ca automeria unção adeia p�ca Posição G eométrica; I I - Posiç ão; I I I - Tautomeria; I V - F unç ão Tautomeria; I I - G eométrica; I I I - Posiç ão; I V - C adeia Tautomeria; I I - C adeia; I I I - G eométrica; I V - F unç ão

05 . ( F G V S P ) lguns ácidos graxos são essenciais ao omem, isto , o ser umano não consegue sinte�zá los, necessitando adquiri- los por meio da alimentaç ão. O ácido alf a- linolênico um ácido essencial mega , cu a f rmula estrutural está representada na gura.

ndique a alterna�va que apresenta o nome correto para o ácido alf a- linolênico. a) Á cido trans,trans,trans- , , tetradecatrienoico. b) Á cido cis,cis,cis , , octadecatrienoico. c) Á cido trans,trans,trans , , octadecatrienoico. d) Á cido cis,cis,cis- , , octadecatrienoico. e) Á cido trans,trans,trans- , , octadecatrienoico.

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C11

ESTEREOISOMETRIA ÓPTICA

ASSUNTOS ABORDADOS

ertas observaç es, mesmo quando feitas a par�r de fatos co�dianos, levam a descobertas que trazem bene cios gigantescos para a umanidade. ma delas foi feita por ouis Pasteur, em , ao visitar uma vin cola. Durante a visita, Pasteur p de observar s lidos cristalinos que se formavam nos barris durante o processo de envel ecimento dos vin os. oi dada, aos cristais encontrados, a denominação racematos ou racêmicos do la�m, racemus signi ca cac o de uvas.

n E stereoisometria óptic a n L uz polarizada n Estereoisomeria ptica em cadeias f echadas

O interesse de Pasteur pelos cristais foi tão grande que ele executou diversas reaç es qu micas com esses cristais at que ouvesse a formação de novos cristais salinos tartarato duplo de s dio e am nio , veri cando um fato espetacular os cristais salinos ob�dos eram imagens especulares um do outro. Pacientemente, u�lizando uma pinça, ele fez a separação manual dos dois �pos de cristais por catação e cou ainda mais surpreso quando veri cou que as propriedades sicas, como ponto fusão, ebulição, solubilidade etc.) eram as mesmas para os dois cristais. ntrigado com esses resultados, Pasteur resolveu medir os desvios do plano de vibração da luz polarizada de cada uma das soluç es que con�n am os diferentes �pos de cristais. luz polarizada aquela que apresenta um único plano de vibração em relação direção de propagação. ais uma vez obteve resultados surpreendentes n

n

n

a)

Os dois cristais, quando em solução aquosa, desviavam a luz polarizada em valores de ngulos idênticos, por m, em sentidos opostos, ou se a, um desviava para a direita, enquanto o outro desviava para a esquerda.

Q uando os dois cristais eram adicionados j untos e em partes iguais, f ormando uma única solução e esta era submetida luz polarizada, não se observava nen um desvio. Pasteur c amou essa solução de racemato, pois se comportava da mesma forma que os cristais obtidos diretamente dos barris de envel ecimento dos vin os os cristais racêmicos .

Outro fato observado que um dos desvios coincidia com o desvio apresentado pelo ácido tartárico, um ácido carbox lico á bastante estudado naquela poca. b) CO–2 Na+ H C OH HO C H CO–2 Na4+

Desenhos dos cristais de tartarato de amônio e sódio rados dos rascunhos originais de Pasteur. Um dos cristais é ‘ ‘destro’’ e o outro, ‘‘sinistro’’.

Tartarato de amônio e sódio

busca incessante pelo entendimento do fen meno levou Pasteur a sugerir que a a�vidade p�ca das subst ncias decorria da estrutura tridimensional dos átomos de carbono. egundo ele, o carbono ocuparia o centro de um tetraedro e em cada um dos v r�ces averia um ligante diferente, tornando a mol cula assim trica. proposta do carbono tetra drico não gan ou a con ança dos demais cien�stas e logo caiu em descr dito, at que em an t o e e el propuseram as mesmas ideias defendidas anteriormente por Pasteur. Esses dois cien�stas c egaram s mesmas conclus es, na mesma poca, mas em localidades dif erentes e sem conhecer o trabalho um do outro. Segundo eles, o átomo de carbono saturado ocupava o centro de um tetraedro. an t o e e el tentavam us� car os postulados de e ul que diziam que o carbono era tetravalente.

27 9

u mica

#Conceito E stereoq uí mic a: trata- se de um ramo da u mica Org nica que se encarrega de estudar as estruturas qu micas em três dimens es, al m dos casos de estereois meros.

E stereoisô meros: são estruturas qu micas que se diferenciam unica mente pelo arranj o tridimensional de seus subs�tuintes.

s contribuiç es de Pasteur, e ul , an t o , e el e vários outros cien�stas de ram origem ao que denominamos atualmente estereoqu mica e, untamente com ela, a estereoisomeria p�ca.

L uz polariz ada estereoisomeria p�ca estuda os comportamentos das estruturas qu micas tridi mensionais quando em presenç a de luz plano- polarizada.

M as o que é luz plano- polarizada? uando observamos a luz emi�da por uma l mpada incandescente, estamos visua lizando a luz não polarizada, ou se a, os feixes de ondas eletromagn �cas apresentam diversas direç es de vibração em relação direção de propagação. ontudo, quando essa luz atravessa um polar metro ela se torna polarizada. par�r da , s apresenta um plano de vibração em relação direção de propagação.

O polar metro um aparel o que mede a rotaç ão da luz polarizada por meio de uma solução de subst ncia op�camente a�va. e a a imagem abaixo. luz não polarizada atravessa o primeiro prisma, c amado de prisma polarizador, onde sofre a polarização. Em seguida, a luz polarizada atravessa um tubo contendo uma subst ncia org nica e posteriormente um segundo prisma o prisma analisador. par�r do prisma analisador, podemos veri car a ação da subst ncia presente no tubo sobre o plano de vibração da luz polarizada. e ouver desvio, dizemos que a subst n cia presente no tubo op�camente a�va. aso contrário, dizemos que se trata de uma subst ncia op�camente ina�va.

Luz não polarizada

Luz polarizada

Fonte de luz

C11  Estereoisometria p�ca

Polarizador

Tubo de amostra contendo moléculas orgânicas

Representação esquemá ca de um polarímetro. A luz plano-polarizada passa através de uma solução contendo moléculas orgânicas op camente Analisador Observador a vas, que giram o plano de polarização da luz.

H á dois comportamentos para as subst ncias op�camente a�vas que podem ser determinados quando analisamos as soluç es aquosas dessas subst ncias em um po lar metro. essas condiç es, as soluç es aquosas dessas subst ncias podem desviar ou não a luz plano polarizada. avendo desvio, a subst ncia presente em solução aquosa c amada op�camente a�va mas se não ouver desvio, a subst ncia presente na so lução aquosa c amada de op�camente ina�va.

28 0

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Para mel or compreender esse comportamento p�co, faremos uma analogia com nossas mãos. uando nos deparamos com um espel o e levantamos a mão esquerda em frente a ele, podemos observar que a imagem levanta a mão direita. Dizemos, en tão, que nossas mãos são estruturas não sobrepon veis, estruturas quirais, pares de enan�omorfos ou an�podas p�cos, pois ao tentar sobrepor a mão esquerda mão direita, isso não poss vel. espelho

espelho CO2H CO2H H C NH2 H 2N C H H

mão mão esquerda direita

tenta va de sobreposição

C OH CH3

HO

Enan ômeros

C H CH3

CO2H H2HN C H NH2

#Conceito S ub stâ nc ias dextrógiras ou dextrorrotatórias: são aquelas que desviam o plano de vibração da luz polarizada para a direita.

S ub stâ nc ias lev ógiras, lev orrotatórias ou sinistras: são aquelas que desviam o plano de vibração da luz polarizada para a esquerda.

C OH H CH3 Tenta va de sobreposição H HO

De f orma idên�ca, o mesmo ocorre com as mol culas quirais, ou se a, mol culas assimetrias não podem ter suas imagens sobrepostas. A s imagens especulares (enan� meros do ácido amino idroxibutanoico não se sobrep em observe os grupos NH 2 e OH , acima). a�vidade p�ca decorre da assimetria molecular. De maneira geral, podemos di zer que todas as mol culas assim tricas são op�camente a�vas. ontudo, o caso mais comum de assimetria molecular decorre da presenç a do carbono assimé tric o, estereogê nio ou c arb ono q uiral, que, na verdade, o átomo de carbono que possui quatro ligantes dif erentes entre si.

Por exemplo, um dos ácidos de grande interesse no estudo da estereoisomeria óp�ca o ácido lá�co. Esse ácido enquadra se na f rmula geral do �po , o que im plica a presenç a de quatro ligantes dif erentes entre si. Portanto, essa molécula tem um átomo de carbono quiral, assim trico ou estereogênio o que implica a�vidade p�ca na mol cula. eri que a seguir ma vez que o ácido lá�co possui assimetria molecular, podemos dizer que existem dois comportamentos para ele na presenç a de luz H polarizada um ácido lá�co dextr giro e um ácido lá�co lev giro.

CH3 C CO2H

C

Z

Y OH Ácido lá co: uma molécula de fórmula geral do po CHXYZ

C11  Estereoisometria p�ca

A representação simb lica para dextr giro feita pelo sinal alg brico posi�vo . Da mesma forma, indicamos o comportamento lev giro pelo sinal alg brico nega�vo .

H X

Espelho

Observe, na representação ao lado, que os dois ácidos lá�cos dextr giro e lev giro são ima gens especulares um do outro, portanto, são grandezas não sobrepon veis, enan�omorfos, enanci meros ou an�podas p�cas.

H HO C H3 C

H CO2H

(+)–ácido lá co

HOC2 C

OH CH3

(–)–ácido lá co

28 1

Q uí mica

Cálculo do número enantiomorfos O ácido lá�co tem um carbono estereoa�vo assim trico e apresenta dois is meros com a�vidades p�cas diferentes um dextr giro e um lev giro. ontudo, subst ncias orgâ nicas com dois ou mais carbonos assimétricos dif erentes têm um nú mero maior de comportamentos p�cos a�vos. omo exemplo, considere o ácido

amino H

H3C C*

idroxibutanoico.

H O C*

C OH

OH NH2

Observe que, nesse ácido, existem dois carbonos assim tricos, quirais ou estereogênios carbonos marcados com asterisco. as quantos is meros estereoa�vos existem?

De acordo com an t o podemos determinar o número de is meros p�cos a�vos por uma função exponencial do �po n, em que n é o nú mero de carbonos assimétricos diferentes. Portanto, temos quatro is meros p�cos a�vos, pois 2 = 4 ). seguir, temos quatro is meros p�cos a�vos do ácido amino idroxibutanoico.

Observe que, na presença de um espel o, á dois pares de imagens não sobrepon veis.

H

CO2H NH2 C

H2 N

C H

CH3

CO2H H C C

OH

HO

CH3

H

H

CO2H NH2 C C

HO

CH3

H

H2 N H

CO2H H C C

OH

CH3

Os quatro estereoisômeros do ácido 2-amino-3-hidroxibutanoico

C á lc ulo do nú mero de rac ê mic os uando Pasteur inves�gou os cristais encontrados nos barris de envel ecimento de vin os e notou que a solução aquosa desses cristais não �n a a�vidade p�ca na presença de luz polarizada, ele as denominou soluç es racêmicas. Esses cristais eram cons�tu dos por dois enan� meros, uma vez que �n am a�vidade p�ca quando em soluç es separadas.

C11  Estereoisometria p�ca

dextrógiro H2 N

CO2H H C C

HO

H

CH3

Desvia a luz polarizada para a direita

28 2

+

omo vimos, o comportamento p�co dos enan� meros interessante quando analisados separadamente em solução aquosa, são op�camente a�vos, mas, se prepararmos duas soluç es em partes iguais dos diferentes ena� meros e as misturarmos, teremos uma nova solução em que os comportamentos p�cos se cancelam. levógiro Racemato esse sen�do, o desvio do plano da luz CO2H CO2H CO2H polarizada do is mero dextr giro para H2 N H H NH2 H NH2 C C C a direita compensado pelo desvio do is mero lev giro para a esquerda.

C C C OH HO H H OH H omo os dois desvios são idên�cos, poCH CH 3 3 CH3 r m em sen�dos opostos, o valor nal de desvio do plano da luz polarizada da Não desvia a luz Desvia a luz polarizada polarizada mistura racêmica é nulo. para a esquerda

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Portanto, o número de racêmicos corresponde metade do número de estereois meros a�vos, pois são formados pela mistura em partes iguais de dois enan�omorfos.

Da se dizer que o racêmico ina�vo por compensação externa dos efeitos p�cos. o caso do ácido

amino

idroxibutanoico, temos H H O

H 3C

C*

C*

C

OH

OH NH2 n

2

IOA = 2 n MR = 2

IOA = 2 1 MR = 2

#Conceito Racêmicos são comportamentos p�cos ob�dos a par�r da mistura em partes iguais de estereois me ros p�cos enan�omorfos. Por isso, os racêmicos ou racematos são op� camente ina�vos na presença de luz plano- polarizada.

IOA = 4 MR= 2

onde, n = número de carbonos quirais ou estereogênios diferentes IOA = Isômeros o camente a vos MR = Misturas Racêmicas

C á lc ulo do nú mero de diastereoisô meros ol culas com dois ou mais carbonos assim tricos diferentes formam vários este reois meros p�cos a�vos que podem ser agrupados em pares. uando os dois este reois meros são imagens especulares, temos um par de enan� meros ou an�podas p�cos. ontudo, nem todos os pares são enan�omorfos. uando isso ocorre, temos os casos de diastereois meros p�cos.

#Conceito

D iastereoisô meros são pares de estereois meros não enan�omorfos entre si, ou se a, não são imagens especulares.

Espelho

C H

CH3

Espelho

CO2H H2 N H C C

OH

A

HO

CH3

H

CO2H H NH2 C C HO

B

AC par diastereoisômero

CH3 C

H

H2 N H

CO2H H C C

OH

CH3 D

BD par diastereoisômero

Em casos simples como esse em que temos apenas quatro estereois meros p�cos, rela�vamente fácil determinarmos quais são os pares enan� meros e quais são os pares diastereois meros. Por m, imagine uma subst ncia como a glicose que cont m quatro carbonos assim tricos diferentes entre si. uantos pares de diastereois meros são poss veis?

Em primeiro lugar, devemos determinar o número de is meros pticos ativos O e o número de pares racêmicos P . embre se de que de acordo com an t H of f , temos: n 4 I OA = 2= 2= 16 NPR =

2n 1 3 2= 8 = 2n−= 2

O

H C H

C*

OH

HO

C*

H

H

C*

OH

H

C*

OH

C11  Estereoisometria p�ca

CO2H H NH2 C

CH2OH Glicose

28 3

u mica

Para determinarmos quantos pares de diastereois meros são poss veis, podemos proceder da seguinte maneira os dezesseis is meros op�camente a�vos podem se combinar dois a dois para formar os poss veis pares. Do total de pares poss veis, temos que oito são pares enan�omorfos, portanto, formam racêmicos. Os demais pares são pares de diastereois meros. ogo, devemos determinar o número total de pares poss veis e subtrair oito pares racêmicos . udo isso pode ser feito com a a uda da matemá �ca, por meio da análise combinat ria.

Diastereois meros = C

16,2

− 8=

−

.

. − 8= 14 ! .2.1

− 8=

14 ! .2!

2n ,2

Portanto, a glicose produz

n−1

.

2

⇒ − 8= 120 − 8= 112

diastereois meros.

I sô mero meso ou mesógiro análise dos fen menos de isomeria p�ca em função da assimetria molecular condição fundamental. e a mol cula tem estrutura assim trica, ela tem a�vidade p �ca. Por m, não podemos vincular a a�vidade p�ca presença de carbonos assim tricos. ol culas com um único carbono assim trico são sempre op�camente a�vas, mas, nos casos em que á dois ou mais carbonos assim tricos, não podemos a rmar o mesmo. H á casos em que a molécula não apresenta carbono assimétrico, mas tem a�vidade p�ca. os casos em que os dois carbonos assim tricos são diferentes, todos os is meros p�cos terão a�vidade p�ca. ontudo se eles forem iguais, isso á não ocorre para to dos um dos is meros p�cos será op�camente ina�vo por compensação interna. Esse is mero denominado de is mero meso ou mesógiro.

Espelho

H

H OH

HO2C

HO

HO2C

C

C

C

C

H HO C CO2H Plano simetria

CO2H

HO H

CO2H

C OH

HO

H

Enan ômeros do ácido tartárico

CO2H H

meso-ácido tartárico

O plano de simetria presente no isômero meso, torna a molécula simétrica.

C11  Estereoisometria p�ca

Modelo de bolas e varetas do ácido tartárico.

#Conceito I sô meros meso são is meros op� camente ina�vos por compensação interna. Só ocorrem em moléculas que possuem nú meros pares de carbonos estereogênios (assimétricos) e iguais entre si.

28 4

Estereoisomeria óptica em cadeias fechadas Da mesma forma que analisamos a isomeria ptica em cadeias carb nicas aber tas, tamb m devemos analisá la nas cadeias carb nicas fec adas, ou se a, devemos f azer tudo isso com base na assimetria da molécula. M oléculas assimétricas têm atividade ptica.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

C onsidere as substâ ncias a seguir: Plano de simetria

Plano de simetria

Moléculas assimétricas

H3C

H CH3 2 O *

H CH3 1 6

2

3

1

5

3

4

6

* H

4

5

me lcicloexano (aquiral)

2-me lcicloexanona

H

Moléculas assimétricas

CH3 * H

H cis-1,2-dime lciclopropano

H3C * H

H

H * CH3

H trans-1,2-dime lciclopropano

Em quais dessas mol culas temos estereoisomeria p�ca? n n

n

n

O metilcicloexano uma mol cula que tem plano de simetria. Portanto, não apresenta atividade ptica nem is meros pticos. metilcicloexanona tem um carbono assim trico e uma mol cula assim trica. ogo, tem dois is meros pticos ativos dextr giro e lev giro e uma mistura racêmica.

O cis- 1,2- dimetilciclopropano tem dois carbonos assimétricos, mas apresenta plano de simetria e isso torna a mol cula opticamente inativa. Entretanto, o cis , dimetilciclopropano tem is mero ptico, por m inativo por compensação interna, ou se a, a estrutura que representamos o estereois mero ptico meso.

No caso do trans- 1,2- dimetilciclopropano temos dois carbonos assimétricos iguais e a mol cula assim trica. esse caso, temos dois estereois meros pticos ativos dextr giro e lev giro , uma mistura racêmica e um meso.

Exercícios d e F ixaç ã o 01. ( U nif or C E ) A alanina (ácido 2- amino- propanoico) é um aminoácido que faz parte da estrutura das prote nas.

O H3 C OH NH2

02. (UFRGS RS) Na série Breaking Bad, o personagem Prof essor alter ite começou a produzir metanfetamina a par�r da extração de pseudoefedrina de rem dios contra resfriados. estrutura da , pseudoefedrina mostrada abaixo.

OH H N

Alanina

ocorrência de estereoisomeria, pode se a r-

mar que alanina apresenta um número de estereois meros igual: a) 0 b) 2 c) 4 d) 6 e) 8

(1S,2S)- Pseudofedrina

O número poss vel de is meros espaciais o�camente a�vos para a pseudoef edrina é a) 0. b) 2. c) 3 . d) 4 . e) 6.

28 5

C11  Estereoisometria p�ca

Em relação

Q uí mica

03 . ( U nif or C E ) Extra do de frutas c tricas, o álcool per lico

com o sudas que duzir

um

óleo que pode ser inalado. A substâ ncia age diretamente no sistema nervoso central e no tecido pulmonar inibindo a proliferação de c lulas cancer genas, sem afetar as saudáveis. O álcool per lico tem efeito em tumores de pele, mama, p ncre-

te, várias gestantes que a u�lizaram �veram bebês com mãos, braços, p s e pernas atro adas efeito teratogênico . Posteriormente, veri cou se que a talidomida apresentava quiralidade e que apenas a talidomida era teratogênica, enquanto a talidomida que minimizava o en oo ma�n

as. Observando a estrutura qu mica do álcool per lico, correto a rmar que o seu número de carbonos quirais igual a:

o canol nato, adeiom ama.

O

H

O N

N

OH

O

O

talidomida e a (+ ) talidomida são a is meros de cadeia. b taut meros.

CH2

H3 C

c is meros de função. d enan� meros.

ácido perílico

e is meros de compensação.

a) 0 b) 1 c) 3 d) 6 e) 10 04 . ( U E C E )

o ol o

umano, especi camente na re�na, o

cis re�nal se transforma no trans re�nal pela ação da luz e, assim, produz impulso elétrico para f ormar a imagem; por isso, o ser humano precisa de luz para enxergar. Esses dois compostos são is meros.

Observe as quatro mol culas a seguir: I.

C C

Br

III. H3 C

C

Br

H

CH

C

Br H3 C

na f ormaç ão de estruturas de células e de ácidos nucleicos.”

Fonte: http://www.brasilescola.com/biologia/carboidratos.htm.

Acesso em: 02 out. 2014.

Dentre os diversos carboidratos importantes para a vida das c lulas, destacam se a glicose e a frutose, cu as estruturas qu micas são mostradas abaixo O

H

CH2OH

C H

Br II.

Br

06 . ( I F S C ) arboidratos são mol culas org nicas formadas por carbono, idrogênio e oxigênio. lic dios, idratos de carbono e aç ú cares são outros nomes que esses podem receber. São as principais fontes de energia para os sistemas vivos, uma vez que a liberam durante o processo de oxidação. Par�cipam tamb m

C

IV. CH3

Br

H

H

Br

C

C

CH2

H

C

OH

HO

C

H

H

C

H

C

C

O

HO

C

H

OH

H

C

OH

OH

H

C

OH

C11  Estereoisometria p�ca

Br

o que diz respeito s mol culas apresentadas, assinale a a rmação verdadeira. a s mol culas e são is meros de cadeia e e são is meros de posiç ão. b s mol culas e são is meros de posição e a mol cula pode apresentar isomeria geométrica trans e isomeria p�ca. c s mol culas e são taut meros, e a mol cula pode apresentar isomeria geométrica cis e isomeria p�ca. d s mol culas e não são is meros.

05 . (UCS RS) talidomida, cu a estrutura qu mica encontra se representada abaixo, foi comercializada pela primeira vez na leman a em . indústria farmacêu�ca que a desenvolveu acreditou que a mesma era tão segura que a prescreveu para mul eres grávidas para combater en oos ma�nais. nfelizmen28 6

CH2OH Glicose

CH2OH Frutose

obre as mol culas exibidas acima, assinale no cartão- resposta a soma da s proposição es O E .

01. A massa molar das moléculas apresentadas é a mesma, tendo o valor de g mol cada uma. . frutose um is mero funcional da glicose.

04 . A f órmula da glicose e da f rutose é C n(H 2O)n, onde n é igual a 6.

08. Tanto a glicose quando a f rutose possuem 4 carbonos assimétricos. . frutose um poliálcool alde do ou uma aldose, enquanto a glicose é uma poliálcool cetona ou uma cetose.

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. ( U F V M G ) O colesterol ve a abaixo sua f rmula estrutural um composto normalmente produzido no gado e tem um papel importante em vários aspectos do metabolismo dos organismos animais, sendo precursor de vários orm nios.

H2 C CH3 H

H HO

H3 C

04 . ( U E C E ) A glicose é um carboidrato muito importante, sendo um dos principais produtos da fotoss ntese. um cristal sólido de sabor adocicado, de f órmula molecular C 6H 12O6, encontrado na natureza na forma livre ou combinada. encontrada nas uvas e em vários frutos. ndustrialmente ob�da a par�r do amido. o metabolismo, a glicose uma das principais f ontes de energia e f ornece 4 calorias de energia por grama. ua degradação qu mica durante o processo de respiração celular dá origem energia qu mica.

H OH

OH

Colesterol

O

HO

O E O a rmar que o colesterol a) é um álcool secundário. b não apresenta a�vidade p�ca. c um composto parcialmente aromá�co. d) possui oito átomos de carbono terciários.

02. ( U niev angé lic a G O ) m professor de qu mica construiu um modelo tridimensional do 1,2- dicloroetano e mostrou aos alunos essa importante mol cula u�lizada na produção do pol mero P . O modelo da mol cula foi colocado de f rente a um espelho. imagem re e�da no espel o foi a de a um is mero de cadeia. b uma mol cula idên�ca. c um is mero de posição. d um is mero p�co.

03 . (UCS RS) O sarin, apontado pelo governo dos Estados nidos como a arma qu mica u�lizada nos ataques ocorridos na ria, ob�do em laborat rio na forma l quida, mas se vaporiza facilmente. exposição em grandes doses dessa subst ncia pode causar convuls es, perda da consciência, paralisia e insu ciência respirat ria, o que pode levar morte. ua estrutura qu mica está representada abaixo

O

H OH

OH

Glicose

a estrutura da glicose, poss vel observar a geração de is meros p�cos que se apresentam em um total de a) 16. b) 8. c) 4 . d) 2.

05 . ( U E P A) O ácido propi nico nome comum o responsável pelo c eiro caracter s�co do quei o su ço. Durante o per odo principal de maturação deste �po de quei o, Propionibacterium shermanii e micro organismos similares, convertem ácido lá�co (nome comum), que é produzido, também, por meio da f ermentaç ão bacteriana da lactose ou aç ú car do leite, pelo Streptococcus lactis aos ácidos propi nico e ac �co nome comum e a di xido de carbono. O gás O2 gerado responsável pela formação dos buracos caracter s�cos do quei o su ço. respeito das estruturas abaixo correto a rmar que O CH3CH OH

C

OH

O CH3CH2C

O OH

H 3C

C

OH

Ácido propiônico

O F ssinale a alterna�va correta sobre a mol cula do sarin. a Possui duas ligaç es covalentes pi. b) A presenta somente átomos de carbono hibridizados na f orma sp2. c) A presenta f órmula molecular C 4 H 10F O2P. d) Possui um átomo de carbono assimétrico. e) A presenta dois átomos de carbono secundários.

a O ácido lático e o ácido propi nico são is meros de f unç ão. b O ácido lático e o ácido propi nico apresentam atividade óptica. c O ácido lá�co e ácido ac �co tem seus nomes P , respec�vamente ácido propanoico e ácido etanoico. d perda de uma mol cula de água no ácido lá�co, gera uma insaturaç ão. e O ácido propi nico e o ácido ac �co são solúveis em água, mas o ácido lá�co não solúvel em água.

28 7

C11  Estereoisometria p�ca

P

FRENTE

C

QUÍMICA

MÓDULO C12

ASSUNTOS ABORDADOS n P ropriedades f í sic as dos c ompos-

tos orgâ nic os

n nteraç es intermoleculares n F atores que alteram o ponto de ebuliç ão n F atores que alteram o ponto de f usão n Solubilidade dos compostos orgâ nicos

PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS ão raro nos depararmos com situaç es co�dianas em que o estado sico de um material ques�onado. Os estados s lido, l quido e gasoso são propriedades que podem ser determinadas sem a necessidade de se alterar a cons�tuição qu mica da mat ria. Por isso, são denominadas propriedades sicas. Dentre elas, podemos citar o ponto de fusão, o de ebulição, a solubilidade e a densidade as principais propriedades sicas de uso comum. abemos, por exemplo, que a água em condiç es ambientes se encontra no estado l quido. abemos, tamb m, que ao ser resfriada a , a água se solidi ca formando gelo e a densidade diminui. por isso que o gelo utua na água. Outro aspecto interessante o princ pio da solubilidade de alguns materiais. De forma bem simples, podemos dizer que, para re�rar a su eira do nosso corpo, devemos u�lizar sab es e água, pois os materiais são solúveis nesse meio, na maioria dos casos. Por m, a e ciência dos sab es diminui bastante quando se trata de um material como a graxa. anto verdade que, nas o cinas, os mec nicos preferem �rar o excesso de graxa u�lizando, inicialmente, a gasolina ou outro solvente de grande semel ança de polaridade com a graxa e somente depois eles u�lizam os sab es para a completa igienização.

C ontudo, ao analisarmos substâ ncias pouco conhecidas no dia a dia, torna- se bastante di cil dizer o estado sico em que elas se encontram ou o seu princ pio de solubilidade. sso porque o con ecimento das propriedades sicas resultado de experimentaç es laboratoriais. A priori não podemos concluir nada sobre a solubilidade de um material com base apenas na sua nomenclatura ou na sua massa molar. Devemos, antes de mais nada, testar experimentalmente a solubilidade do material em diversos meios para que ten amos dados su cientemente seguros para ulgar se o material solúvel ou pra�camente insolúvel no solvente considerado.

Figura 01 - Para a água, há um grande número de ligações de hidrogênio mantendo as moléculas coesas nos estados sólido e líquido. Na imagem, vemos água na iminência de entrar em ebulição. A elevada temperatura de ebulição da água se deve às ligações de hidrogênio.

28 8

C iências da Natureza e suas Tecnologias

I nteraç õ es intermolec ulares A ntes de iniciar o estudo das propriedades sicas, como ponto de f usão, de ebuliç ão, densidade e solubilidade, devemos recordar as forças intermoleculares. sso de fundamental import ncia, pois as propriedades sicas são de nidas pelas interaç es estabelecidas entre as moléculas.

D ipolos permanentes A s f orç as intermoleculares do �po dipolo permanente dipolo permanente ocorrem em moléculas polares, como o H C  momento dipolo el trico diferente de zero. esse �po de interação, o polo posi�vo sofre a atração do polo nega�vo, mantendo as mol culas de  coesas entre si nos estados s lido e l quido.

–

HC

+

L igaç õ es de h idrogê nio Q uando átomos de idrogênio são envolvidos em interaç es dipolo dipolo pode ocorrer, em alguns casos, que a intensidade de interação se a superior ao valor normal esperado. força de interação um fen meno eletrostá�co e portando depende da intensidade das cargas posi�va e nega�va dos átomos envolvidos. uanto maior a intensidade de carga posi�va e menor a dist ncia entre elas, maior será a intensidade da força eletrostá�ca. Da o fato de o átomo de idrogênio ser exceção em algumas situaç es.

Por exemplo, vamos discu�r o caso da mol cula de água (H 2O . O oxigênio um átomo de alta eletronega�vidade e, quando ligado ao átomo de idrogênio, torna o extremamente posi�vo. omo o átomo de idrogênio muito pequeno, em comparaç ão aos demais átomos, temos uma situaç ão de alta intensidade de f orç a. Nesse caso, dizemos que a interaç ão dipolo- dipolo é tão intensa que f oge aos valores esperados para esse �po de interação. emos, então, um caso de força do �po ligação de idrogênio, an�gamente chamada de ponte de hidrogênio. M as atenç ão! ligação de idrogênio não uma ligação covalente, pois não ocorre sobreposiç ão de orbitais. Trata- se apenas de uma interação sica eletrostá�ca.

Da mesma f orma, as f orç as intermoleculares dipolo permanente/ dipolo permanente também ocorrem nas subst ncias org nicas. gura a seguir mostra as interaç es entre as moléculas de clorometano (H 3 C - C  , vistas a par�r de representaç es de modelos computacionais.

H C

H

C H

Note que as moléculas são polares e se alinham de f orma que o polo posi�vo regi es escuras, pobres em el trons se a atra do pelo polo nega�vo regi es claras, ricas em el trons . Essas forças eletrostá�cas atra�vas mantêm as mol culas coesas nos estados s lido e l quido, mas são rompidas quando a subst ncia sofre vaporização.

C omo a condiç ão necessária para a ocorrência de ligaç ão de idrogênio a presença de um átomo ligado covalentemente a , O ou , podemos ter ligaç es de idrogênio também em compostos orgâ nicos que contenham alguns grupos funcionais,como álcoois, ácidos carbox licos e aminas. as mol culas desses compostos, no estado l quido ou no estado s lido, ocorrem interaç es do �po ligaç es de idrogênio.

O etanol, que um álcool, e o ácido ac �co ácido etanoico que um ácido carbox lico, são exemplos de compostos org nicos que fazem ligaç es de idrogênio entre as suas mol culas. Observe que as ligaç es de idrogênio entre as mol culas estão representadas por pon�lhados.

28 9

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

Figura 02 - Representação de ligações de hidrogênio (pontilhado) na água.

Imagem fora de escala e em cores ilustrativas

Q uí mica

Ligação de hidrogênio ácido acé co (ácido carboxílico))

Etanol (álcool)

Figura 03 - Representação de ligações de hidrogênio (pontilhado) no etanol e no ácido etanoico. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

As f orç as de dispersã o ou dipolos induz idos s forças intermoleculares us� cam as propriedades sicas em mol culas polares.

Entretanto, essas mol culas não são únicas na natureza. Existem mol culas que são apolares, ou se a, o somat rio vetorial igual a zero. esse �po de subst ncia, a nuvem eletr nica está simetricamente distribu da em volta da mol cula. Portanto, não á região de maior nem de menor densidade eletr nica, mas as mol culas não deixam de interagir. R esta saber como elas f azem isso. ol culas apolares estabelecem interaç es por meio da movimentação instant nea de nuvens eletr nicas. uando a dist ncia entre essas mol culas se torna muito pequena, o núcleo dos átomos de uma das mol culas exerce atração sobre a eletrosfera da outra e, consequentemente, consegue polarizá la. esse momento, o movimento instant neo dos el trons cria regi es de alta e de baixas densidades eletr nicas, permi�ndo a atração entre elas.

Essa polarização dita força dipolar induzida, pois s existe a uma dist ncia muito pequena entre as duas esp cies e resultante da movimentação temporária de elétrons. L embre- se! F orç as dipolo instantâ neo são f racas e f áceis de serem rompidas.

– +

– +

– +

–

Figura 04 - Forças de dispersão atrativas são causadas pelos momentos de dipolos elétricos temporários.

F atores q ue alteram o ponto de eb uliç ã o

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

De maneira geral, podemos dizer que o ponto de ebulição alterado pelo �po de força intermolecular, pela super cie de contato e pela massa molar. O ponto de fusão tamb m é alterado por esses f atores e ainda podemos incluir o arranj o molecular no estado sólido.

T ipo de f orç a intermolec ular uando se determinam experimentalmente os pontos de ebulição do tolueno, do o benzalde do e do fenol, encontramos, respec�vamente, os seguintes valores C , o o 17 8 C e 182 . omo podemos us� car esses resultados?

H

O

CH3

tolueno PE = 110 °C –1 M = 92g mol

290

C

benzaldeído PE = 178 °C M = 106g mol–1

OH

fenol PE = 182 °C M = 94g mol–1

C iências da Natureza e suas Tecnologias

n

n

O tolueno é um hidrocarboneto apolar que estabelece f orç as intermoleculares do tipo dipolo induzido, resultantes da movimentação instant nea das nuvens de elétrons.

O benzalde do possui o grupo formila, que polariza a molécula, contudo o anel benzênico ainda mantém uma alta apolaridade. Nesse caso, temos dois tipos de f orç as intermoleculares, e o f ato de o ponto de ebuliç ão ter aumentado em relaç ão ao do tolueno decorre da presenç a do grupo f ormila, que interage mais f ortemente com outros grupos f ormilas por dipolos permanentes. Outro f ator que podemos considerar é o aumento da massa molar.

O fenol tem massa molar praticamente igual massa molar do tolueno, porém possui um grupo OH , que polariza a molécula e estabelece f orç as intermoleculares do tipo ligaç ão de hidrogênio. I sso j ustif ica o aumento do ponto de ebuliç ão em relaç ão ao do tolueno e tamb m em relação ao do benzalde do, uma vez que possui massa molar menor que a do benzalde do.

Superfície de contato super cie de contato um fator importante que us� ca a dif erenç a dos pontos de ebuliç ão quando se analisam subst ncias is meras entre si. Por exemplo, experimentalmente, podemos determinar os pontos de ebuliç ão dos alcanos is meros que apresentam seis átomos de carbono.

n

M assa molar A seguir, temos os pontos de ebulição, determinados experimentalmente, dos seis primeiros alcanos de cadeia carb nica não rami cada.

C H

3-me lpentano 2-me lpentano PE = 60,0°C PE = 63,0°C

2,3-dime lbutano 2,2-dime lbutano PE = 58,0°C PE = 50,0°C n

n

Nesse caso temos que a massa molar (84 g mol −1) e as interaç es intermoleculares forças do tipo dipolo induzido) são as mesmas para todos. C ontudo, o comprimento das cadeias carb nicas alterado medida que partimos do pentano, cadeia carb nica não ramif icada, e chegamos ao 2,2- dimetilbutano, que tem cadeia carb nica com duas ramificaç es. sso nos leva a crer que o comprimento das cadeias carb nicas é um f ator que altera o ponto de ebuliç ão, j á que as demais variáveis permanecem constantes.

Outra observação que podemos levantar a posição da ramif icaç ão. V erif ique que a ramif icaç ão, quando localizada mais ao centro da cadeia carb nica, diminui menos o ponto de ebuliç ão quando comparado a um outro composto de cadeia carb nica não ramificada.

C ompare os pontos de ebuliç ão do 3 - metilpentano e do metilpentano em relação ao do exano.

H 3 C −C H 4

3

H 3 C C H 2C H 3

metano etano propano PE = − , o PE = − , o PE = − , o H 3 C C H 2C H 2C H butano PE = − , o

H 3 C C H 2C H 2C H 2C H pentano = PE , o 3

3

H 3 C C H 2C H 2C H 2C H 2C H exano = PE , o 3

Podemos analisar o ef eito da massa molar sobre o ponto de ebuliç ão da seguinte f orma: n

n

hexano PE = 68,7°C

De f orma geral, podemos dizer que, quanto mais ramificada for a cadeia carb nica, menor serão a superf cie de contato, o grau de interação intermolecular e o ponto de ebulição, desde que as demais variáveis permaneç am constantes.

O aumento da massa molar decorre do aumento de grupos carb nicos na cadeia carb nica, portanto, á aumento do comprimento da cadeia carb nica e da nuvem eletr nica, que por sua vez intensifica as forças intermoleculares dipolo induzido, no caso dos alcanos , aumentando o ponto de ebulição.

V erif ique que os quatro primeiros alcanos são gases em condiç es ambientes.

F atores q ue alteram o ponto de f usã o U ma análise dos pontos de f usão e ebuliç ão dos alcanos lineares com at átomos de carbonos, experimentalmente determinados e representados no gráf ico abaixo, nos permite concluir que á um aumento regular dessas propriedades f sicas medida que a mol cula aumenta de tamanho.

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

n

300 200 100 0 100 200

1

2

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Número de átomos de carbono Ponto de fusão Ponto de ebulição

291

Q uí mica

A s f orç as intermoleculares presentes nos alcanos são f orç as de dispersão, pois são substâ ncias apolares. C ontudo, com o aumento do tamanho da molécula, aumentam a nuvem eletr nica e a super cie de contato, o que produz aumento na intensidade da força dipolar induzida. sso, de certa forma, us� ca o aumento do ponto de ebulição. á o ponto de fusão pode ser explicado de forma análoga, contudo, levando se em consideração o arran o molecular, uma vez que no estado s lido á uma proximidade muito grande entre as moléculas. in uência do fator espacial no estado s lido, ou se a, do arran o tridimensional das mol culas, pode ser claramente veri cado quando se analisa o ponto de fusão dos alcanos c clicos com at oito átomos de carbono no ciclo, representado no grá co ao lado.

200

Observe que o ponto de fusão se apresenta maior quando o cicloalcano tem número par de átomos de carbono, mesmo tendo a massa molar menor. O ponto de f usão do ciclobutano, por exemplo, maior que o ponto de fusão do ciclopentano. sso decorre do arranj o mais organizado das moléculas do ciclobutano no estado sólido, em relaç ão ao do ciclopentano.

Ponto de fusão Ponto de ebulição

100

À medida que os cicloalcanos aumentam muito de tamanho, essa dif erenç a entre os pontos de f usão se torna menos acentuada. V amos comparar as dif erenç as entre o ciclobutano e o ciclopentano e também a dif erenç a entre os pontos de f usão do cicloexano e do cicloeptano.

0

100

200 3

4 5 6 7 Tamanho do anel

ciclopropano –1 M = 42g mol PF =–127,6°C PE = –32,7°C

ciclobutano –1 M = 56g mol PF =–50,0°C PE = –12,5°C

ciclopentano –1 M =70g mol PF =–93,9°C PE = +49,3°C

cicloexano –1 M =84g mol PF =+6,6°C PE = +80,7°C

cicloeptano –1 M =98g mol PF =–12,0°C PE = +118,5°C

S olub ilidade dos c ompostos orgâ nic os a tabela a seguir, temos os valores de solubilidade de alguns compostos orgâ nicos em água. m ponto interessante de nir o solvente. olventes diferentes apresentam dif erentes solubilidades para uma mesma substâ ncia.

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

Nome

M etano

F órmula

C H

Solubilidade

2,3 . 10- 3 g/ L

4

C lorometano C H 3C  0,7 4 g/ L

M etanol C H 3 OH in nita

E tanol

P ropan- 1- ol

H 3 C - C H 2OH

H 3 C - C H 2- C H 2OH

in nita

in nita

B utan- 1- ol H 3 C - C H 2- C H 2- C H 2OH 8g/ L

eri que que os compostos polares álcoois e aletos org nicos são mais solúveis que os apolares alcanos , pois a água um solvente polar. o entanto, entre os compostos polares, são mais solúveis aqueles que realizam ligaç es de idrogênio, caso dos álcoois. m outro fato que podemos veri car que, medida que a cadeia carb nica dos álcoois aumenta, a solubilidade diminui. sso está de acordo com o princ pio da solubilidade dos alcanos, pois a cadeia carb nica dos álcoois apolar.

292

C iências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios d e F ixaç ã o 01. (UEL PR) O ter me�lico e o álcool e�lico apresentam a mesma massa molecular, são f ormados pelo mesmo nú mero de átomos e também apresentam a mesma f órmula molecular (C 2H 6O . Entretanto, as suas temperaturas de ebulição são muito diferentes, isto ter me�lico , e álcool e�lico , . ssinale a alternativa que explica o fato do ter met lico e o álcool et lico apresentarem diferenças na temperatura de ebuliç ão. a s mol culas do álcool e�lico podem formar interaç es do �po pontes de idrogênio entre si, enquanto as mol culas do ter me�lico não podem. b O álcool e�lico cont m água e portanto aumenta o seu ponto de ebuliç ão. c s mol culas do álcool e�lico podem formar interaç es fortes do �po an der aals entre si, enquanto as mol culas do ter me�lico não podem. d s mol culas do álcool e�lico podem formar interaç es fortes do �po forças de ondon entre si, enquanto as mol culas do ter me�lico não podem. e s mol culas do álcool e�lico podem formar interaç es fortes do �po dipolos induzidos entre si, enquanto as mol culas do ter me�lico não podem.

eles têm alto potencial nocivo e cancer geno e, em determinados casos, efeito t xico cumula�vo.

O Estado de S. Paulo, 17 de agosto de 2001 Pela leitura do texto, poss vel a rmar que

.

certos compostos aromáticos podem provocar leucemia. . existe um composto org nico volá�l com nove átomos de carbono. . solventes industriais não incluem compostos org nicos halogenados.

Está correto apenas o que se a rma em a) I b) I I c) I I I d) I e I I e) I e I I I 04 . ( U F T M M G ) Os sintomas de uma pessoa apaixonada, como respiração ofegante e ba�mento card aco acelerado, são causados por um uxo de subst ncias qu micas, entre elas a serotonina.

HO CH2

CH2

NH2

N H Serotonina

A interaç ão mais importante presente nessa estrutura é: a eletrostá�co. b) V an der W aals. c) ligaç ão de hidrogênio. d) dipolo- dipolo. e) dispersão de L ondon.

05 . (Uerj RJ) vitamina , cu a estrutura mostrada a seguir, apresenta vários grupos idr los, o que facilita sua dissolução na água. Por esta razão, ao ser ingerida em excesso, eliminada pelos rins.

a O me�lpropano tem momento de dipolo. b O me�lpropano apresenta rami cação, o que não o caso do butano. c penas o metilpropano pode formar ligação de idrogênio. d O butano mais pesado que me�l propano.

03 . ( F uv est S P ) A contaminaç ão por benzeno, clorobenzeno, trime�lbenzeno e outras subst ncias u�lizadas na indústria como solventes pode causar efeitos que vão da enxaqueca leucemia. on ecidos como compostos org nicos voláteis,

OH

O

O

OH OH

OH

onsiderando suas atraç es interat micas e intermoleculares, esse caráter idrossolúvel us� cado pelo fato de a vitamina apresentar uma estrutura composta de a) heteroátomos. b ons aglomerados. c) dipolos permanentes. d) carbonos assimétricos.

293

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

02. ( P U C M G ) utano e me�lpropano, cu os modelos de bolas são mostrados abaixo, são apolares e têm a mesma f órmula molecular, mas, enquanto o butano tem ponto de ebulição de , o , o me�lpropano tem ponto de ebulição de , oC . ssinale a explicação O E para isso.

Q uí mica

Exercícios Complementares 01. ( U f sc ar S P ) A sacarose (aç ú car comum), cuj a estrutura é mostrada na gura, um dissacar deo cons�tu do por uma unidade de glicose ligada frutose.

HO

O

(Disponível em: http://www.mundoeducacao.com/quimica/os-acidos-carboxilicos.htm.)

HO OH HO

HO O

O HO OH

OH

A solubilidade da sacarose em água deve se a) ao rompimento da ligaç ão entre as unidades de glicose e f rutose. b

s ligaç es de idrogênio resultantes da interação da água com a sacarose. c s forças de van der aals, resultantes da interação da água com a unidade de glicose desmembrada. d s forças de dipolo dipolo, resultantes da interação da e

água com a unidade de f rutose desmembrada. s forças de natureza on dipolo, resultantes da interação do dipolo da água com a sacarose.

02. ( F P S P E ) Die�l ter e butanol são is meros com f rmula molecular C 4 H 10O e apresentam diferentes propriedades sicas, qu micas e aplicaç es prá�cas. Por exemplo, a pressão de vapor do die�l ter Pa quase vezes maior que

C12  Propriedades sicas dos compostos org nicos

a pressão de vapor do butanol , Pa na temperatura ambiente. obre as propriedades do die�l ter e do butanol na temperatura ambiente, podemos a rmar que a O die�l ter mais volá�l que o butanol. b maior pressão de vapor do die�l ter devido formação de ligaç es de idrogênio. c ma mistura equimolar butanol die�l ter em equil brio com os vapores apresenta mais butanol no vapor do que o die�l ter. d s interaç es intermoleculares de van der aals são as responsáveis pela diferença entre as press es de vapores. e entalpia padrão de vaporização do die�l ter será maior que a do 1- butanol.

03 . (UERN) Entre os principais compostos da função dos ácidos carbox licos u�lizados no co�diano temos o ácido metanoico, mais conhecido como ácido f órmico, e o ácido etanoico ou ácido ac �co. O ácido f rmico assim c amado porque foi ob�do pela primeira vez atrav s da des�lação de formigas vermel as. Esse ácido o principal responsável pela dor

294

intensa e coceira sen�da na picada desse inseto. O ácido ac �co o principal cons�tuinte do vinagre, que usado em temperos na cozinha, em limpezas e na preparaç ão de perfumes, corantes, seda ar� cial e acetona.

cerca desses dois compostos, correto a rmar que a não se dissolvem em água. b) ambos possuem o mesmo ponto de ebuliç ão. c o ácido ac �co possui ponto de ebulição menor. d o ácido ac �co menos volá�l que o ácido f rmico.

04 . ( U nic amp S P ) uito se ouve sobre aç es em que se u�lizam bombas improvisadas. os casos que envolvem caixas eletr nicos, geralmente as bombas são f eitas com dinamite (TNTtrinitrotolueno), mas nos atentados terroristas geralmente são u�lizados explosivos plás�cos, que não liberam odores. C ães f arej adores detectam TNT em razão da presença de res duos de D dinitrotolueno , uma impureza do TNT que tem origem na nitraç ão incompleta do tolueno.

Se os cães conseguem f arej ar com mais f acilidade o DNT, isso signi ca que, numa mesma temperatura, esse composto deve ser a menos volá�l que o , e portanto tem uma menor pressão de vapor. b mais volá�l que o , e portanto tem uma menor pressão de vapor. c menos volá�l que o , e portanto tem uma maior pressão de vapor. d mais volá�l que o , e portanto tem uma maior pressão de vapor.

05 . ( U nitau S P ) s subst ncias qu micas álcool estado l quido , sulf ato de cálcio (estado sólido), hélio (estado gasoso), nitrogênio estado gasoso , xido de potássio estado s lido e ácido uor drico solução l quida apresentam os seguintes �pos de ligação entre átomos, ons ou mol culas, respec�vamente, a i nica, covalente polar, an der aals, i nica, covalente apolar e ponte de hidrogênio. b covalente polar, i nica, i nica, covalente apolar, an der W aals, e ponte de hidrogênio. c an der aals, covalente polar, i nica, i nica, covalente apolar e ponte de hidrogênio. d covalente polar, i nica, an der aals, i nica, i nica e ponte de hidrogênio. e covalente polar, i nica, an der aals, covalente apolar, i nica e ponte de idrogênio.

FRENTE

C

QUÍMICA

Exercícios d e A prof u nd amento 01. ( I T A S . . . .

P ) onsidere as a rmaç es Propanal um is mero da propanona.

E�l me�l ter um is mero do propanol.

Propanol um is mero do propanol.

Propilamina um is mero da trime�lamina.

Estão O E a) Todas. b) A penas I , I I e I I I . c) A penas I e I I . d) A penas I I e I V . e) A penas I I I e I V .

02. (Uerj RJ) a tenta�va de conter o trá co de drogas, a Pol cia ederal passou a controlar a aquisição de solventes com elevado grau de pureza, como o ter etoxi etano e a acetona propanona . o e, mesmo as niversidades s adquirem estes produtos com a devida autorização daquele rgão. alterna�va que apresenta, respec�vamente, is meros funcionais destas substâ ncias é: a) butanal e propanal b) 1- butanol e propanal c) butanal e 1- pronanol d) 1- butanol e 1- propanol 03 . ( U F P I ) Dados os pares de compostos: . e�l n propilamina e die�lamina II. Propanol- 1 e propanol- 2 . cido butanoico e ácido me�l propanoico . Propanoato de me�la e etanoato de e�la emos exemplos de metameria ou isomeria de compensaç ão) em: a) apenas em I , I I e I I I . b) apenas em I e I V . c) apenas em I I e I I I . d) apenas em I I , I I I e I V . e) I , I I , I I I e I V .

04 . ( U F T T O ) A nalise as f órmulas a seguir apresentadas, I. CH3 CH2 CH2 OH e CH3 O CH2 CH3 CH2

II. CH3 CH CH2 e H2C CH2 III. CH3 CH2 O CH2 CH3 e CH3 O CH2 CH2 CH3 IV. CH3 CO H

e

CH3 CH3 C C V. H H

Ch2 CHOH e

CH3 H C C CH3 H

ssociando as a seus correspondentes s meros geom tricos unção someria de compensação D automeria Q E adeia ndique a alterna�va correta a) , E, , D, b) , , , D, c) D, , , , d) , E, , D, e) , , E, , D

uestã o 07 . a) A s duas substâ ncias orgâ nicas produzidas na reaç ão mencionada no enunciado cons�tuem is meros geom tricos

05 . (Ufla MG) s estruturas qu micas abaixo e correspondem aos is meros formadores do citral , componente ma oritário encontrado no leo de capim citronela. Esses is meros são classi cados como

a b c d

Diastereois meros s meros funcionais s meros de cadeia Enan� meros

06 . ( I F G O ) arque a alterna�va que apresenta composto com isomeria geométrica (cis-trans): a) 2- penteno. b) 1,2- butadieno. c) Propeno. d etrabromoe�leno. e , dime�lbenzeno.

07 . ( F uv est S P ) A reaç ão do tetracloroetano (C 2H 2C 4 ) com zinco metálico produz cloreto de zinco e duas substâ ncias orgâ nicas isoméricas, em cuj as moléculas há dupla ligaç ão e dois átomos de cloro. Nessas moléculas, cada átomo de carbono está ligado a um ú nico átomo de cloro. a �lizando f rmulas estruturais, mostre a diferença na geometria molecular dos dois compostos orgâ nicos isoméricos f ormados na reaç ão.

295

Q uí mica Q uestã o 07 . b Enquanto o is mero trans um composto apolar, o is mero cis é polar. ssim, as interaç es intermoleculares são mais fortes no composto polar, o que aumenta seu ponto de ebulição. ogo, o is mero cis é o maior ponto de ebuliç ão.

b) Os produtos da reação podem ser separados por des�lação fracionada. ual dos dois is meros tem maior ponto de ebu-

A

metanfetamina, H

C

me�l

, apresenta os is meros representados pelas f rmulas

10

um pol mero de constituição dif cil de ser

H

estabelecida, por causa não somente da complexidade de

N

lignina

sua f ormaç ão, baseada em unidades f enilpropanoides (f itruturais durante seu isolamento das paredes celulares das plantas. Eles são altamente condensados e muito resistentes nila

sequência em que as unidades p idroxife-

, guaiacila

e siringila

, em proporç es diferentes

são condensadas, é o que def ine a origem da liginina, ou sej a, a planta de origem.

H N H3C

CH3 H3 C

gura abaixo , como tamb m, porque sofre modificaç es es-

degradação.

amina, f rmula

estruturais:

lição? us� que.

08 . ( U E P A)

fenilpropano

H

H

CH3

A análise das estruturas nos permite concluir, corretamente, que os compostos são is meros a) de cadeia. b) de posiç ão. c) de f unç ão. d) geométricos. e

p�cos.

10. (IME RJ) ssinale a alterna�va correta. a) O cis-2- buteno e o trans OCH3 OH (1)

H3CO

OH (2)

OCH3 OH (3)

obre os compostos fenilpropanoides, analise as a rma�vas abaixo.

I. Os compostos e são is meros de função. .

Os compostos e são is meros de posição.

III.

O composto 3 não possui carbono quiral.

IV .

O composto 1 possui isomeria cis e trans.

.

Os compostos e não são is meros. alterna�va que cont m todas as a rma�vas corretas

buteno são enan� meros.

b Existem três is meros com a denominação , dime�lciclopentano. c

glicina, a alanina e a valina são os únicos aminoácidos que não apresentam a�vidade p�ca.

d Os nucleo�deos que cons�tuem os ácidos nucl icos são diastereois meros uns dos outros. e

penas os aminoácidos essenciais apresentam atividade óptica.

11. ( M ac k enz ie S P )

m t cnico qu mico recebeu frascos conten-

do, respec�vamente, as subst ncias qu micas , ,

e D, com

um laudo de suas propriedades sico qu micas mostradas na tabela abaixo.

a) I e I I . b) I e I I I . c) I I e I V . d) I I e V . e) I I I e V .

09. ( F atec S P ) A história do seriado Breaking Bad gira em torno de édio, com uma esposa grávida e um fil o adolescente que sofre de paralisia cerebral.

FRENTE C  Ex ercí cios de A prof undamento

um professor de u mica do Ensino

S olub ilidade em H 2O pura ( 25 ° C )

S ub stâ nc ia

P F (°C )

P E (°C )

A

3 3 4

4 00 (decomposiç ão)

uito solúvel

−116 C

−

D

122

nsolúvel 118

Pouco solúvel Pouco solúvel

uando

diagnosticado com c ncer, ele abraça uma vida de crimes, produzindo e vendendo metanfetaminas.

De acordo com essas informaç es, pode se a rmar que os

O uso de drogas pode desestabilizar totalmente a vida de uma

compostos , , e D são, respec�vamente,

pessoa, gerando consequências devastadoras e permanentes.

a ácido benzoico, ter e�lico, butan

uitas vezes, toda a fam lia afetada.

ol e ácido benzoico.

A s metanf etaminas são substâ ncias relacionadas quimicamen-

c butan

ol, ácido benzoico, ter e�lico e nitrato de potássio.

te com as anfetaminas e são um potente es�mulante que afeta

d butan

ol, ter e�lico, ácido benzoico e nitrato de potássio.

o sistema nervoso central.

e) nitrato de potássio, ter e�lico, ácido benzoico e butan

(http://tinyurl.com/pffwfe6 Acesso em: 13.06.2014. Adaptado)

296

ol e nitrato de potássio.

b nitrato de potássio, ter e�lico, butan

ol.