Fuvest 2002 – Segunda Fase

1- O transporte adequado de oxigênio para os tecidos de nosso corpo é essencial para seu bem funcionamento. Esse transporte é feito através de uma substância chamada oxi-hemoglobina, formada pela combinação de hemoglobina (Hb) e oxigênio dissolvidos no nosso sangue. Abaixo estão representados, de maneira simplificada, os equilíbrios envolvidos nesse processo:

O2 (g) + H2O (liq) O2 (aq)

Hb (aq) + 4 O2 (aq) Hb(O2)4 (aq)

100 ml de sangue contém por volta de 15 g de hemoglobina e 80 g de água. Essa massa de hemoglobina (15 g) reage com cerca de 22,5 ml de oxigênio, medidos nas condições normais de pressão e temperatura. Considerando o exposto acima:

a) Calcule a quantidade, em mols, de oxigênio que reage com a massa de hemoglobina contida em 100 ml de sangue.

b) Calcule a massa molar aproximada da hemoglobina.

c) Justifique, com base no princípio de Le Chátelier, aplicados aos equilíbrios citados, o fato de o oxigênio ser muito mais solúvel no sangue do que na água.

Dado: Volume molar de O2, Nas CNTP: 25 L/mol

Solução

-Volume de O2 = 25 L/mol CNTP

-Em 100 ml de sangue temos = 15 g de Hb que reage com 22,5 ml de O2 (CNTP)

- 80 g de H2O

-a)Vamos primeiro calcular quanto em mols de oxigênio correspondem a 22,5 ml

- 25 litros de O2 -------------- 1 mol de O2

- 22,5 x 10-3 litros--------------- x mols= 9 x 10-4 mols de O2

-b) Montando a reação dada temos:

Hb + 4 O2 Hb(O2)4

x gramas ----------------4 mols O2

15 gramas---------9 x 10-4 mols de O2

x gramas = 6,66 x 104 6,7 x 104 gramas

c) Na água só temos a dissolução de O2 gasoso; no sangue temos a dissolução do O2 gasoso e do O2 aquoso para formar a oxi-hemoglobina. Sempre com o equilíbrio se deslocando à direita favorecendo o segundo equilíbrio.

2- Pedaços de fio de cobre, oxidados na superfície pelo ar atmosférico, são colocados em um funil com papel filtro. Sobre este metal oxidado, despeja-se solução aquosa concentrada de amônia. Do funil, sai uma solução azul, contendo o íon Cu(NH3)4

+2, e que é recebida num béquer.

a) Escreva as equações químicas balanceadas representado as transformações que ocorrem desde o cobre puro até o íon Cu(NH3)4

+2.

b) Faça um esquema da montagem experimental e indique nele os materiais de laboratório empregados, os reagentes utilizados e os produtos formados.

Solução-Aqui chamamos a atenção para um fato importante: geralmente quando em qualquer prova de vestibular falar em sal de cor azul , quase sempre trata-se de uma solução de sal de cobre; isto pode ajudar você!

-a) Para mondar as reações não podemos esquecer que o cobre sofre oxidação:

- Cu (s) + ½ O2 (g) CuO (s)

- CuO (s) + 4 NH3 (aq) + H2O (liq) Cu(NH3)4 (OH)2 Cu(NH3)4+2

(aq) + 2 OH-(aq)

Reparem na formação de um íon complexo hidróxido de tetraamincobre

b)

Solução aquosa de amônia

Solução aquosa contendo íons Cu(NH3)4

+2

Funil c/papel filtro – fio de cobre oxidado dentro do funil

Bastão vidro

Suporte de ferro c/ garra de ferro

O cobre ao sofrer oxidação na presença de oxigênio umidade do ar e CO2, forma uma substância esverdeada conhecida como azinhavre, que é CuCO3.

3- O ferro-gusa, produzido pela redução do óxido de ferro em alto-forno, é bastante quebradiço, tendo baixa resistência a impactos. Sua composição média é a seguinte:

Elemento Fe C Si Mn P S outros

%em massa 24,00 4,40 0,56 0,39 0,12 0,18 0,35

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

-

-

-

-

-

-

-

-5

-4

-3

-2

-1

-0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Carbono

Manganês

Silício Fósforo

-Para transformar o ferro-gusa em aço, é preciso mudar sua composição, eliminado alguns elementos e adicionando outros. Na primeira etapa desse processo, magnésio pulverizado é adicionado à massa fundida de ferro-gusa, ocorrendo a redução de enxofre. O produto formado é removido. Em uma segunda etapa, a massa fundida recebe, durante cerca de 20 minutos, um intenso jato de oxigênio, que provoca a formação de CO, SIO2, MnO e P4O10, os quais também são removidos. O gráfico anterior mostra a variação da composição do ferro, nessa segunda etapa, em função do tempo de contacto com o oxigênio. Para o processo de produção do aço:

a)Qual equação química representa a transformação que ocorre na primeira etapa?Escreva-a

b)Qual dos três elementos, Si, Mn ou P, reage mais rapidamente na segunda etapa do processo?Justifique

c)Qual a velocidade média de consumo de carbono, no intervalo 8 a 12 minutos?

Solução

-a) Mg + S MgS

Enquanto o magnésio sofre oxidação de O +2

o enxofre sofre redução de 0 -2

-b) Prestando atenção no gráfico vamos verificar que a variação em % de consumo do silício é maior que a dos outros elementos, isso se verificarmos para um mesmo intervalo de tempo.

-c) C/min%5,0

)128(

)42(

t

%CVm

-4 Vinho contém ácidos carboxílicos, como o tartárico e o málico, ambos ácidos fracos. Na produção de vinho, é usual determinar a concentração de tais ácidos. Para isto, uma amostra de vinho é titulada com solução aquosa de hidróxido de sódio de concentração conhecida. Se o vinho estiver muito ácido, seu pH poderá ser corrigido pela adição de uma bactéria que transforma o ácido málico em ácido láctico. Além disso, também é usual controlar a quantidade de dióxido de enxofre , caso tenha sido adicionado como germicida. Para tanto, uma amostra de vinho é titulada com solução aquosa de iodo de concentração conhecida.

a) Qual dos indicadores da tabela abaixo deverá ser utilizado na titulação ácido-base?Justifique.

b) Por que a transformação de ácido málico em ácido láctico contribui para o aumento do pH do vinho? Explique.

c) Qual a equação balanceada que representa a reação entre dióxido de enxofre e iodo aquoso, em meio ácido, e na qual se formam íons sulfato e iodeto? Escreva essa equação. Indicador pH de viragem

Azul de bromofenol 3,0 – 4,6

Púrpura de bromocresol 5,2 – 6,8

Fenolftaleína 8,2 – 10,0

Constantes de ionização:

Ácido málico: K1 = 4x10-4 ; K2 = 8x10-6

Ácido láctico: K1 = 1 x 10-4

Solução

-a) Devemos recordar que ao reagir um ácido fraco com base forte, teremos a formação de um sal de cátion forte (base) e ânion fraco(ácido). O íon fraco desse sal (ânion) vai sofrer hidrólise liberando da água o íon de mesmo sinal (OH-); como conseqüência a solução terá pH > 7 (básica), portanto vamos precisar de um indicador que tenha um pH de viragem em meio básico, no nosso caso será a fenolftaleína.

-b) comparando-se as duas constantes de ionização ácido málico e láctico, verificamos que o ácido málico por ter maior constante, gera mais íons H+, deixando a solução mais ácida; por sua vez o ácido láctico por ter menor constante, gera menos íons H+, solução menos ácida, portanto de pH maior.

-c) SO2 + I2 + 2H2O SO4-2 + 2I- + 4 H+

Prestem atenção na igualdade na soma das cargas positivas nos produtos. A presença de H+ é importante para poder manter essa neutralidade. Quando vamos acertar hidrogênio fazemos uso de moléculas de água.

5- As equações abaixo representam, de maneira simplificada, o processo de tingimento da fibra de algodão. Certo corante pode ser preparado pela reação de cloreto de benzenodiazônio com anilina:

N NCl NH2 N+

+- N NH2 + HCl

CoranteA fixação deste corante ou de outro de mesmo tipo, à fibra de algodão (celulose), não se faz de maneira direta, mas, sim, através da triclorotriazina. Abaixo está representada a reação do corante com a triclorotriazina.

NH2

N

N

N

+

Cl

Cl

Cl

N

H

N

N

N

Cl

Cl

+ HCl

Corante

-O produto orgânico dessa ultima reação é que se liga aos grupos OH da celulose, liberando HCl. Dessa maneira:

a) Escreva a fórmula estrutural do composto que, ao reagir com o cloreto de benzenodiazônio, forma o corante crisoidina, cuja fórmula estrutural é:

N N

H2N

NH2

triclorotriazina

-b) Escreva a fórmula estrutural do produto que se obtém quando a crisoidina e a triclorotriazina reagem na proporção de 1:1.

-c) mostre como uma molécula de crisoidina se liga à celulose, um polímero natural, cuja estrutura molecular está representada esquematicamente abaixo:

CH2OH

CH2OH

CH2OH

OH OH

OH

OH

OH

OH

Fibra de algodão

Solução

-a) Se olharmos com atenção para a fórmula da crisoidina e compararmos com a equação dada verificaremos que o composto é: NH2

NH2

-b) Tendo como base a equação semelhante que foi dada anteriormente:

N N

H2N

NH2 +N

N

N

Cl

Cl

Cl

+ HClN N

H2N

NH

N

N

N

Cl

Cl

-c) A Associação entre a crisoidina e a triclorotriazina se dá através da hidroxila do grupo - OH; podendo também ocorrer através do grupo – CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

OH OH

OH

OH

OH

OH

HCl

N N

H2N

NH

N

N

N

Cl

Cl

6- A oxidação de íons ferro II, por peróxido de hidrogênio,

H2O2 + 2 Fe+2 + 2 H+ 2 H2O + 2 Fe+3, foi estudada, a 250C, com as seguintes concentrações iniciais: peróxido de hidrogênio ( 1,00 x1o-5 mol/L); íons ferro II (1,00x10-5 mol/L); ácido clorídrico (1,00 mol/L). A tabela seguinte traz as concentrações de íons ferro III, em função do tempo de reação.

T minutos 0 10 20 30 40 50

[Fe+3 ]/10-5mol/L 0 0,45 0,67 0,79 0,86 0,91

[ H2O2 ]/10-5 mol/L .... ..... ...... ....... ........ .....

-a) use a área milimetrada para traçar um gráfico da concentração de íons ferro II, em função de tempo de reação.

-b) complete a tabela com os valores da concentração de peróxido de hidrogênio, em função de tempo de reação.

-c) use a mesma área milimetrada e a mesma origem para traçar a curva da concentração de peróxido de hidrogênio, em função de tempo de reação.

Solução-Em primeiro lugar vamos completar a tabela para podermos construir o gráfico com

tranqüilidade. Para resolver esse tipo de exercício nunca podemos nos esquecer da estequiometria da reação; se raciocinarmos em função da estequiometria não tem como errar. Por exemplo: para cada 2 mols de íons ferro III que são formados, são consumidos 1 mol de peróxido, isto porque a estequiometria é de 1 (H2O2) para 2 (Fe+3); para cada 0,45 que são formados nos primeiros 10 minutos, são consumidos 0,225 de peróxido. Se no início tínhamos 1,00 x10-5 de peróxido, após 10 minutos teremos 0,775 aproximadamente; e assim vamos raciocinando para as outras substâncias, nos diferentes intervalos de tempo.

H2O2 + 2 Fe+2 + 2 H+ 2 H2O + 2 Fe+3

0 1,0 x10-5 1,00 x10-5 1,00 0

10 0,775 x10-5 0,45

20 0,665 x10-5 0,67

30 0,605x10-5 0,79

40 0,570x10-5 0,86

50 0,545x10-5 0,91OBS: obedecendo a estequiometria podemos calcular também as quantidades de Fe+2 e H+

Solução

-Para montarmos o gráfico, basta colocarmos os valores da tabela, que poderão ser aproximados.

[H2O2]

[Fe+3][Fe+3]mol/L

[H2O2]mol/L

0 10 20 30 40 50

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

7-Aqueles polímeros, cujas moléculas se ordenam paralelamente umas às outras, são cristalinos, fundindo em uma temperatura definida, sem decomposição. A temperatura de fusão de polímeros depende, dentre outros fatores, de interações moleculares, devidas a forças de dispersão, ligações de hidrogênio etc, geradas por dipolos induzidos ou dipolos permanentes. Abaixo são dadas as estruturas moleculares de alguns polímeros.

H2C

HC

CH3n

propileno

N CH

H

CH3

H2C C

O

poli(ácido 9-aminobutanóico)

H2C

OH

CH2

H2C

OH

H2C

OHH2C

OH

H2C

H2C

H2CCH2

CH2

OH

CH2

CH2

HO

CH2

HO

CH2

H2C

CH2

OH

Baquelite

-7-(continuando)...Cada um desses polímeros foi submetido, separadamente, a aquecimento progressivo. Um deles fundiu-se a 1600C, outro a 3300C e o terceiro não se fundiu, mas se decompôs. Considerando as interações moleculares, dentre os três polímeros citados.

a) Qual deles se fundiu a 1600C? Justifique.

b) Qual deles se fundiu a 3300C?Justifique.

c) Qual deles não se fundiu?Justifique.

Solução

-Como o enunciado nos mostra que o ponto de fusão dos polímeros depende entre outros fatores das forças intermoleculares, vamos analisar por esse ponto, pois essas forças são rompidas quando um composto se funde.

-polipropileno não possui forças intermoleculares acentuadamente fortes; suas ligações têm uma polaridade muito pequena, sendo assim, é o que se funde a menor temperatura. Molécula apolar – forças de Van der Walls- funde a 1600C

--poli(ácido-9-aminobutanóico) possui fortes interações moleculares como conseqüência de ligações fortemente polares: N – H e C = O ; portanto e funde a 3300C. Molécula polar – forças dipolo permanente e pontes de hidrogênio- funde a 3300 C

-baquelite tipo de polímero que contém ligações entre as cadeias. Esses polímeros são conhecidos como polímeros com ligações cruzadas. As ligações entre as cadeias permitem a formação de estruturas tridimensionais, por isso, materiais como o baquelite são rígidos e completamente insolúveis. Polímeros como baquelite são termofixos, isto é, não podem ser fundidos, pois sofrem mudanças durante a fusão. Um material termorrígido como o baquelite é diferente de um material termoplástico que pode ser refundido várias vezes.

9- Kevlar é um polímero de alta resistência mecânica e térmica, sendo por isso usado em coletes à prova de balas e em vestimenta de bombeiros.

C

O

N

H

C

O

N

H

Kevlar n

a) Quais as fórmulas estruturais dos dois monômeros que dão origem ao Kevlar por reação de condensação?Escreva-as.

b) Qual o monômero que, contendo dois grupos funcionais diferentes, origina o polímero Kevlar com uma estrutura ligeiramente modificada? Escreva as fórmulas estruturais desse monômero e o do polímero por ele formado.

c) Como é conhecido o polímero sintético, não aromático, correspondente ao Kevlar?

Solução-a) Se repartirmos o Kevlar verificaremos que é formado por um diácido e por uma diamina, sendo assim fica fácil saber os monômeros que dão origem ao mesmo.

C

O

OHN

H

C

O

N

H

H H HOe

diamina diácido

-b)C

O

N

H

H

N

H

N

H

C

O

C

O

OH

polímero

monômero com os grupos -NH2 e -COOH

-c) náilon poliamida não aromática

IMPORTANTE: Na polimerização por condensação temos a eliminação de H2O entre um ácido e uma amina, formando uma ligação amida; essa eliminação de água é a responsável pela polimerização. Portanto quebrando a estrutura do Kevlar no meio teremos o representado na Letra a) acima.

9- A reação representada a seguir produz compostos que podem ter atividade antibiótica:

R C

H

+

O

H2N N

H

R´

C N

R

HN

R´

NH2 + H2O

Tal tipo de reação pode ser empregado para preparar 9 compostos, a partir dos seguintes reagentes:

O2N

CHO

OO2N CHO

CHO

NO2A1 A2 A3

N

H2N

H

BrN

H2N

H

C N

B1B2

N C

NH

NH2

H2N

HB3

-.....Esses 9 compostos não foram sintetizados separadamente, mas em apenas 6 experimentos. Utilizando-se quantidades corretas de reagentes, foram então preparadas as seguintes misturas:

M1 = A1B1 + A1B2 + A1B3

M2 = A2B1 + A2B2 + A2B3

M3 = A3B1 + A3B2 + A3B3

M4 = A1B1 + A2B1 + A3B1

M5 = A1B2 + A2B2 + A3B2

M6 = A1B3 + A2B3 + A3B3

Dessas misturas, apenas M2 e M6 apresentaram atividade antibiótica.

a) Qual o grupo funcional, presente nos compostos do tipo A, responsável pela formação dos 9 compostos citados? Que função orgânica é definida por esse grupo?

b) Qual a fórmula estrutura do composto que apresentou atividade antibiótica?

Solução

-a)Para resolver com uma maior probabilidade de acerto, devemos fazer as combinações citadas nas misturas, sempre obedecendo o mecanismo da reação dada no início. Fazendo isso chegamos a conclusão de que o grupo - CHO (carbonila) que está presente nos compostos do tipo A que reage com o grupo –NH2 (amino) dos compostos tipo B. O grupo funcional –CHO é típico da função aldeído.

-b) Comparando as misturas M2 e M6 9 citadas no enunciado, verificamos que somente o composto A2B3 (comum a ambas) não aparece nas outras misturas; seguindo o mecanismo da reação dada sua fórmula é:

OO2N CHO

N C

NH

NH2

H2N

H

A2

B3

+

OO2N HC

N C

NH

NH2

N

H

A2

B3

+H2O

OBS: De acordo com o texto (reação I) a formação de um composto com atividade antibiótica se dá por retirada de água do grupo aldoxila dos reagentes A e do grupo amina reagentes do grupo B. Como somente nas misturas M2 e M6 apresentam um composto com atividade antibiótica, presente nas duas misturas, teremos no composto A2B3 como o de atividade antibiótica. Montando a reação como dada chegaremos a fórmula do composto final.

10- Em 1999, a região de Kosovo, nos Balçãs, foi bombardeada com projéteis de urânio empobrecido, e que gerou receio de contaminação radioativa do solo, do ar e da água, pois o urânio emite partículas alfa.

a) O que deve ter sido extraído do urânio natural, para se obter o urânio empobrecido? Para que se usa o componente retirado?

b) Qual a equação da primeira desintegração nuclear do urâni-238? Escreva-a, identificando o nuclídeo formado.

c) Quantas partículas alfa emite, por segundo, aproxiamadamente, um projétil de urânio empobrecido de massa 1kg?

Dados: composição do urânio natural: U-238 – 99,3%; U-235 – 0,7%

meia-vida do U-238 ...............5 x109 anos

constante de Avogadro...........6 x1023 /mol

1 ano ...................................... 3 x 107 s

Elementos e seus respectivos números atômicos:

88 89 90 91 92 93 94 95 96

Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm

Solução-a) O Urânio é formado pelo U-238 e pelo U-235; somente o U-235 é físsil, sendo muito usado em reatores e bombas nucleares. Quando falamos em enriquecimento do Urânio nos referimos a separação do U-235, ou pelos deixar uma amostra com maior quantidade possível de U-235. Ao contrário empobrecer o Urânio, quer dizer que vamos retirar a maior quantidade possível do U-235 e deixar o U-238. Portanto ao empobrecer o Urânio estamos retirando o U-235.

-b) 42

23490

23892 Th U

-Não esqueça ao emitir 1 partícula alfa o número de massa diminui de 4 unidades e o número atômico diminui de 2 unidades

-c) De acordo com a equação sabemos que cada 1 mol de U-238 emite 1 mol de partículas alfa; 1 mol de U-238 tem 238 gramas em 1000 gramas teremos 4,2 mols de U-238, que irão emitir 4,2 mols de partículas alfa. De acordo com a meia-vida a U-238 gasta 5 x 109 anos para reduzir-se à metade, portanto gasta este tempo para emitir 2,1 mols de U-238, que irão emitir 2,1 mols de partículas alfa. 238U --------------- alfa

1 mol -----------------1 mol partículas alfa

4,2 mols-------------4,2 mols partículas alfa

2,1 mols-------------2,1 mols partículas alfa --------tempo de 5 x109 x 3 x107 segundos

x mols partículas alfa----------- 1 segundo

x = 0,14 x 10-16 mols = 0,14 x 10-16 x 6 x 1023 = 8,4 x 106 partículas alfa