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1 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2o semestre de 2022 11 de julho de 2022 Código do Candidato: ____________________ INSTRUÇÕES (LEIA ATENTAMENTE): - Coloque o seu código em todas as folhas de prova. - Não escreva o seu nome em qualquer uma das folhas de questões e nem nas folhas de respostas: identifique-se APENAS pelo código apresentado acima. Qualquer símbolo, palavra, marca ou sinal que possa levar à sua identificação lhe conferirá nota zero na prova escrita. - A prova terá duração máxima de 04 (quatro) horas. A primeira etapa, abrangendo as questões das áreas de Físico-Química e Química Orgânica, ocorrerá das 08h30 às 10h30. A segunda etapa, abrangendo os conteúdos das áreas de Química Analítica e Química Inorgânica, ocorrerá das 11h às 13h. - A prova completa contém 04 (quatro) conjuntos de questões referentes às áreas de Química Orgânica, Química Inorgânica, Química Analítica e Físico-Química. - Cada conjunto é composto por 03 (três) questões. Escolha apenas 2 (duas) questões de cada conjunto para serem resolvidas e corrigidas. Identifique-as claramente. - Caso você responda a todas as questões de um conjunto, serão corrigidas apenas as 2 (duas) primeiras respondidas. - Responda às questões apenas nas folhas de respostas. Indique claramente qual questão você está respondendo (área, o número da questão e os subitens, se for o caso). -Não use uma mesma folha para responder questões de conjuntos diferentes, pois serão corrigidas por professores diferentes. - As provas deverão ser resolvidas apenas com caneta (à tinta) e respeitando margens de aproximadamente 2 cm (superior, inferior e laterais) pois todas as folhas de resposta serão escaneadas para posterior correção. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA 2 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2o semestre de 2022 CONJUNTO A - QUÍMICA ORGÂNICA Código do Candidato:_______________ 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) A acetofenona reage com o benzaldeído, conforme mostra o esquema a seguir, para formar 1,3-difenil-2-propeno-1-ona (uma chalcona). O OH - CH2 – O O – H O O O – H2O OH - H2O O OH OH - H2O O – OH OH - O (I) (II) 1,3-difenil-2-propeno-1-ona (chalcona) cetol Responda as questões que se seguem sobre a síntese supracitada. 1a) (1,0 ponto) Explique porque a acetofenona atua como ácido de Brønsted-Lowry e não como eletrófilo ao reagir com o íon HO¯. 1b) (1,0 ponto) Explique porque os hidrogênios ligados ao carbono α da acetofenona são ligeiramente ácidos. 1c) (0,5 ponto) Qual dos contribuintes de ressonância da base conjugada da acetofenona, (I) ou (II), contribui mais para a estrutura real do ânion? Justifique sua resposta. 1d) (0,5 ponto) Explique porque o íon hidróxido não abstraiu um próton do benzaldeído. 1e) (0,8 ponto) Explique porque a base conjugada da acetofenona reage preferencialmente com o benzaldeído, em uma reação de condensação aldólica cruzada, ao invés da acetofenona (autocondensação). 1f) (0,5 ponto) O cetol formado na reação elimina água com facilidade mediante um mecanismo E1cB (eliminação da base conjugada), levando a formação de uma chalcona. Qual é a força motriz dessa reação? 1g) (0,7 ponto) A síntese do 1,3-difenil-2-propeno-1-ona também pode ser conduzida em meio ácido. O esquema a seguir mostra parte do mecanismo de síntese dessa chalcona. Escreva a equação da velocidade para desidratação do cetol em meio ácido. Mostre todos os contribuintes de ressonância para o carbocátion obtido a partir do cetol (esquema abaixo). O OH cetol : : H + O O + H H O + O 1,3-difenil-2-propeno-1-ona (chalcona) H + carbocátion 3 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) A p-nitroacetanilida pode ser sintetizada conforme descrito a seguir. Procedimento experimental Coloque 9 mL H2SO4 concentrado em um béquer e, em seguida, 4 g de acetanilida, aos poucos e sob constante agitação. Controle a temperatura para que não ultrapasse 20°C. Após a solubilização da acetanilida, resfrie a solução em banho de gelo e adicione, muito lentamente e sob agitação constante, 4,5 mL de HNO3 concentrado. Mantenha a temperatura entre 0 e 10°C. Ao final da adição, continue agitando por mais 30 min, em temperatura inferior a 10°C. Em seguida, transfira lentamente a mistura reacional para um béquer contendo gelo picado e água destilada. A p-nitroacetanilida precipita. Filtre em funil de Büchner e lave com água destilada gelada até teste negativo para a presença de ácido no filtrado. Seque ao ar, pese e calcule o rendimento do produto bruto. Purifique a p- nitroacetanilida por recristalização. Reação HNO3 + H2SO4 NO2 + + H2O + HSO4 - NH O + NO2 + NH O NO2 H + :B NH O NO2 + HB + Responda as questões que se seguem sobre a síntese da p-nitroacetanilida. 2a) (1,0 ponto) Qual substância é mais reativa em uma reação de substituição eletrofílica aromática, a anilina ou a acetanilida? Justifique sua resposta. 2b) (0,5 ponto) Qual reagente atua como ácido de Brønsted-Lowry na reação entre o HNO3 e o H2SO4 (esquema acima)? Justifique sua resposta. 2c) (0,8 ponto) Explique porque o íon arênio, mostrado no esquema, atua como ácido de Brønsted-Lowry e não como eletrófilo ao se combinar com o :B. 2d) (1,0 ponto) Explique porque o grupamento CH3-CONH- dirige a substituição eletrofílica aromática preferencialmente para as posições orto e para? 2e) (0,8 ponto) Embora o grupamento CH3-CONH- seja orto-para dirigente, o isômero para é formado preferencialmente. Explique. 2f) (0,9 ponto) Conforme descrito no procedimento experimental, a p-nitroacetanilida é purificada por recristalização. Informe as principais características de um solvente adequado para a purificação da p-nitroacetanilida por recristalização. 4 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Os alcenos podem ser sintetizados a partir de reações de desidroalogenação E2 (eliminação bimolecular), conforme mostra o esquema a seguir. X + CH3O - + + E2 X = F, Cl, Br ou I. (E)-hex-2-eno hex-1-eno(Z)-hex-2-eno Grupo de saí- da Ácido conju- gado pKa Mistura E e Z Hex-1-eno X = I HI -10 81% 19% X = Br HBr -9 72% 28% X = Cl HCl -7 67% 33% X = F HF 3,2 30% 70% Responda as questões que se seguem sobre a síntese proposta. 3a) (0,4 ponto) Escreva a equação da velocidade para a reação mostrada no esquema. 3b) (0,4 ponto) Qual é a relação isomérica entre (E)-hex-2-eno e o (Z)-hex-2-eno? 3c) (0,4 ponto) Qual é a relação isomérica entre (E)-hex-2-eno e o hex-1-eno? 3d) (1,0 ponto) A tabela mostra que, quando X = I, Br ou Cl, a mistura dos isômeros E e Z é formada em maior quantidade que o hex-1-eno. Porém, quando X = F, o hex-1-eno é formado em maior quantidade. Explique. 3e) (0,8 ponto) A reação mostrada no esquema leva a formação de outros produtos, além dos alcenos? Justifique sua resposta. 3f) (1,0 ponto) Qual composto é formado em maior quantidade, o (E)-hex-2-eno ou o (Z)- hex-2-eno? Justifique sua resposta. 3g) (1,0 ponto) Escreva os nomes sistemáticos (recomendado pela IUPAC) para os compos- tos A, B e C listados a seguir. Qual é a relação isomérica entre A e B? Qual é a relação isomérica entre B e C? Br Br Br A B C 5 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2 o semestre de 2022 CONJUNTO B – FÍSICO-QUÍMICA Código do Candidato:_______________ 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Em um experimento sobre gases, estudante efetuou um experimento utilizando 0,012 g de dióxido de carbono em um pistão de êmbolo móvel em que foi possível a leitura da pressão e do volume, os dados são apresentados no gráfico abaixo. Dados: massas molares C:12 g mol -1 ; O:16 g mol -1 ; R = 8,31 J K -1mol -1 ; 1 atm = 101325 Pa; 1 L = 10 -3 m 3 . 1a) (3,0 pontos) De acordo com o gráfico, encontre a temperatura na qual o experimento foi conduzido. Explique seu raciocínio. 1b) (2,0 pontos) Em sua folha de respostas, esboce um gráfico similar, porém indique qual seria o comportamento se o experimento fosse realizado em uma temperatura (i) muito maior e (ii) muito menor que o valor encontrado no item anterior. Explique sua resposta. 6 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) De acordo com a reação em equilíbrio abaixo (NÃO BALANCEADA), responda aos itens propostos, sempre considerando um comportamento ideal dos gases, considere que a temperatura se encontra a 298,15 K e que o recipiente possui o volume de 1,0 L. 2a) (2,5 pontos) Explique o que significa o equilíbrio termodinâmico e calcule a constante de equilíbrio deste sistema. 2b) (2,5 pontos) Explique o que aconteceria ao sistema se as seguintes perturbações fossem aplicadas, independentemente: (i) diminuição do volume do recipiente e (ii) aumento na temperatura. Explique. 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Considerando a montagem de uma pilha mostrada a seguir, responda aos itens propostos. Considere que T = 298,15 K, R = 8,31 J K -1 mol -1 , F = 96485 C mol -1 , E o (Fe 2+ /Fe) = -0,44 V, E o (Al 3+ /Al) = -1,66 V, sendo estes os potenciais padrão de redução. Fe(s)|Fe 2+ (aq, 0,1 mol L -1 ) || Al 3+ (aq, 0,5 mol L -1 )|Al(s) Catodo || Anodo 3a) (3,0 pontos) Encontre a reação global desta pilha e a partir desta o valor do seu potencial nas condições apresentadas. 3b) (2,0 pontos) Considerando hipoteticamente que esta pilha forneceu 15,5 x 10 -3 A, durante 2 horas, indique qual foi a variação de massa dos eletrodos sólidos. Dados: MM(Fe) = 55,8 g mol -1 , MM(Al) = 26,9 g mol -1 .[A]=[C] [s] -1 1 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2o semestre de 2022 11 de julho de 2022 Código do Candidato: ____________________ INSTRUÇÕES (LEIA ATENTAMENTE): - Coloque o seu código em todas as folhas de prova. - Não escreva o seu nome em qualquer uma das folhas de questões e nem nas folhas de respostas: identifique-se APENAS pelo código apresentado acima. Qualquer símbolo, palavra, marca ou sinal que possa levar à sua identificação lhe conferirá nota zero na prova escrita. - A prova terá duração máxima de 04 (quatro) horas. A primeira etapa, abrangendo as questões das áreas de Físico-Química e Química Orgânica, ocorrerá das 08h30 às 10h30. A segunda etapa, abrangendo os conteúdos das áreas de Química Analítica e Química Inorgânica, ocorrerá das 11h às 13h. - A prova completa contém 04 (quatro) conjuntos de questões referentes às áreas de Química Orgânica, Química Inorgânica, Química Analítica e Físico-Química. - Cada conjunto é composto por 03 (três) questões. Escolha apenas 2 (duas) questões de cada conjunto para serem resolvidas e corrigidas. Identifique-as claramente. - Caso você responda a todas as questões de um conjunto, serão corrigidas apenas as 2 (duas) primeiras respondidas. - Responda às questões apenas nas folhas de respostas. Indique claramente qual questão você está respondendo (área, o número da questão e os subitens, se for o caso). -Não use uma mesma folha para responder questões de conjuntos diferentes, pois serão corrigidas por professores diferentes. - As provas deverão ser resolvidas apenas com caneta (à tinta) e respeitando margens de aproximadamente 2 cm (superior, inferior e laterais) pois todas as folhas de resposta serão escaneadas para posterior correção. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA 2 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2o semestre de 2022 CONJUNTO C - QUÍMICA ANALÍTICA Código do Candidato:_______________ 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Considere a presença do sal de cloreto de prata em 200,0 mL de água pura no frasco A e do sal de cromato de prata em 200,0 mL de água pura no frasco B. Após atingir o estado de equilíbrio nos dois casos, pede-se: 1a) (2,0 pontos) Quais as solubilidades (S) em mol L -1 dos sais AgCl e Ag2CrO4, e quais as concentrações em equilíbrio (mol L -1 ) de Ag + nos frascos A e B? 1b) (2,0 pontos) Considere a adição de 0,02 mol do sal solúvel de KCl no frasco A e de 0,02 mol do sal solúvel de K2CrO4 no frasco B. Após atingir o estado de equilíbrio, e admitindo que não houve alteração no volume final, quais seriam as solubilidades (mol L -1 ) para os sais AgCl e Ag2CrO4? Compare com os resultados obtidos no subitem a, e explique o efeito observado com base nos respectivos equilíbrios químicos envolvidos. Admita que não haja influência do íon K + . 1c) (1,0 ponto) Supondo a necessidade de determinar a concentração de Ag + em uma amostra aquosa por processo gravimétrico, qual dos sais solúveis descritos no subitem b, você considera como um melhor agente precipitante? Considere que em ambos os casos, não há interferências, e que não ocorrem equilíbrios em paralelo aos equilíbrios de solubilidade. Justifique sua resposta. Dados: KPS do AgCl = 1,6 x 10 -10 ; KPS do Ag2CrO4 = 2,4 x 10 -12 . Apresente todos os cálculos, quando aplicável 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 2a) (2,5 pontos) Uma massa de 1,5540 g de aço inoxidável foi dissolvida com HCl, sendo a solução obtida transferida quantitativamente para um balão volumétrico de 200,0 mL. Uma alíquota de 10,00 mL foi retirada, sendo determinado o teor de níquel por gravimetria utilizando dimetilglioxima (HDMG), segundo a reação: Ni 2+ (aq) + 2HDMG(aq) Ni(DMG)2(s) + 2H + (aq). Após a secagem do precipitado, sob condições adequadas, foi obtida uma massa de 0,1020 g. 2b) (2,5 pontos) Uma segunda alíquota de 10,00 mL foi tratada com um agente oxidante, visando gerar o ânion Cr2O7 2- a partir do cromo metálico contido no aço inoxidável. O Cr2O7 2- foi titulado com uma solução de Fe 2+ em concentração analítica (cA) 0,0520 mol L -1 , sendo gasto 8,25 mL dessa solução para atingir o ponto final da titulação, usando um indicador apropriado. A reação redox envolvida é: Cr2O7 2- (aq) + 6Fe 2+ (aq) + 14H + (aq) 2Cr 3+ (aq) + 6Fe 3+ (aq) + 7H2O (l). Calcule a % (m/m) de Ni e a % (m/m) de Cr na amostra de aço inoxidável. Dados: Massas atômicas (g mol -1 ) Ni = 58,690; H = 1,000 g mol -1 ; Cr = 52,00; massa molar da HDMG = 116,12 g mol -1 . Apresente todos os cálculos, quando aplicável 3 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Uma alíquota de 25,0 mL de uma amostra contendo ácido lático (HLAC, massa molar 90,08 g mol -1 , pKa 3,79), foi titulada com uma solução de NaOH em concentração analítica (cA) 0,1080 mol L -1 , sendo gasto um volume de 22,5 mL da solução titulante. Sabendo que o ácido lático é monoprótico, podendo ser representado como HLAC, pede-se: 3a) (1,0 ponto) Qual a concentração de HLAC em mol L -1 e em g L -1 na amostra? 3b) (1,5 pontos) Qual o valor de pH da amostra inicial, antes de iniciar a titulação? 3c) (2,5 pontos) Qual o valor de pH no ponto final da titulação? Admita que não haja excesso de titulante ou de titulado nesse ponto, e que a única alteração de volume foi causada pelo volume do titulante. Dados: Kw = 1,0 x 10 -14 = Ka x Kb Apresente todos os cálculos, quando aplicável 4 PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2o semestre de 2022 CONJUNTO D – QUÍMICA INORGÂNICA Código do Candidato:_______________ 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 1a) (2,0 pontos) Use a Teoria da Repulsão dos Pares de Elétrons de Valência e faça a previsão da geometria dos pares de elétrons e a geometria das moléculas. Reproduza a tabela na folha de respostas. Dados: configuração eletrônica: B [He]2s 2 2p 1 ; F [He] 2s 2 2p 5 ; S [Ne] 3s 2 3p 4 ; O [He] 2s 2 2p 4 ; N [He] 2s 2 2p 3 molécula A B C D E BH3 6 SO2 18 NH3 8 SF4 34 IF5 42 A = n o total de elétrons de valência da molécula B = n o total de pares de elétrons de valência da molécula C = desenhe a fórmula de Lewis; Atenção represente cada par de elétrons por um traço ( ) D = geometria dos pares de elétrons do átomo central E = geometria da molécula 1b) (2,0 pontos) classifique e arranje em ordem crescente de magnitude as principais forças que deverão ser vencidas nas mudanças de estado físico a partir das formas mais estáveis a 25 o C e 1 atm de NaCl, Br2(), F2(g), diamante e H2O. Reproduza a tabela na folha de respostas. substância força (ligação ou interação interatômica ou intermolecular) a ser vencida na mudança de estado físico NaCl Br2 F2 diamante H2O ordem crescente: 5 1c) (1,0 ponto) sobre o grafite: i) os átomos de carbono estão ligados covalentemente através de orbitais híbridos sp 2 (ligações sigma) e orbitais p (fazendo ligações ), formando anéis hexagonais planos ii) os anéis hexagonais estão fortemente ligados e empilhados, explicando a baixa resistência mecânica (é macio) e a dificuldade de esfoliação para preparar o grafeno iii) Os elétrons nos orbitais p são responsáveis pela condução elétrica porque estão fracamente ligados por meio das ligações , podendo se deslocar pela lamela iv) Os orbitais p puros (não-hibridizados) e semipreenchidos são perpendiculares ao plano da lamela, justificando a forte condução elétrica interlamelar As alternativas corretas são: i) e ii) i), iii) e iv) i) e iii) ii) e iii) Todas Nenhuma 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 2a) (1,0 ponto) Sobre os pontos de ebulição dos hidretos do grupo 16 (100 o C (H2O); -60 o C (H2S); -42 o C (H2Se); -2,3 o C (H2Te)) é correto afirmar: i) os valores diminuem de forma regular na ordem H2O > H2S > H2Se > H2Te ii) os valores acompanham o aumento das forças dispersivas na ordem H2O > H2S > H2Se > H2Te iii) os valores acompanham o aumento das forças dispersivas na ordem H2S < H2Se < H2Te iv) os valores acompanham o aumento da força das ligações de hidrogênio na ordem H2O > H2S > H2Se > H2Te 2b) (2,0 pontos) Reproduza a tabela abaixo na folha de respostas e complete com as informações solicitadas. Considere os seguintes elementos e suas configurações eletrônicas: A = [Ne]3s 2 e B = [He] 2s 2 2p 4 composto natureza da ligação química interatômica atomicidade (a, b) ordem da ligação e caráter magnético do alótropo mais estável * Aa a = não se aplica Bb b = e b = (considere os principais alótropos) Aa-Bb a = e b = (considere a fórmula mínima) não se aplica *condicionados à resposta correta ao item c) 2c) (2,0 pontos) Represente o diagrama de orbitais moleculares formados a partir dos orbitais “p” da camada de valência dos átomos da molécula Bb. Atenção: na sua resposta, identifique: os orbitais atômicos e os orbitais moleculares ( ou ) e faça o preenchimento com os elétrons. 6 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) Dados: Z(Co) = 27, Co II [Ar]3d 7 O complexo tetraédrico [CoCl4] 2- apresenta cor azul intensa e é usado como indicador de umidade de ambientes, porque se converte rapidamente em complexos pseudo-octaédricos do tipo [Co II (Cl)x(H2O)6-x] n+ de fraca coloração rosa. Cl - e H2O são ligantes de campo fraco. Reproduza a tabela abaixo na folha de respostas e complete com as informações solicitadas. Composto 3a) 3b) diagrama de desdobramento dos orbitais “d” 3c) isômeros geométricos [CoCl4] 2- não se aplica [CoCl2(H2O)4] 3a) (1,5 pontos) indique qual é a hibridização dos orbitais do íon metálico segundo a Teoria da Valência 3b) (2,0 pontos) represente o diagrama de desdobramento de orbitais segundo a Teoria de Campo Ligante/Cristalino. Atenção: na sua resposta, identifique os orbitais, suas respectivas simetrias e faça o preenchimento com os elétrons. 3c) (1,5 pontos) Represente os isômeros geométricos. PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2 o semestre de 2022 QUÍMICA ORGÂNICA 1 a QUESTÃO (5,0 pontos) 1a) (1,0 ponto) Se o íon hidróxido atuar como nucleófilo ao reagir com a acetofenona, conforme mostra o esquema a seguir, haverá a quebra da ligação na carbonila com a consequente formação de um intermediário tetraédrico instável (uma espécie que tem um carbono sp 3 ligado a um átomo de oxigênio será instável se o carbono sp 3 estiver ligado a outro átomo eletronegativo). Quando um dos pares de elétrons livres do oxigênio no intermediário tetraédrico se desloca em direção ao carbono (esquema abaixo), a base mais fraca, que é o íon hidróxido, será eliminada. Sendo assim, embora o íon hidróxido possa atuar como nucleófilo ao se combinar com a acetofenona, essa reação é reversível e não levará a formação de produtos. Porém, se o íon hidróxido atuar como base de Brønsted-Lowry, será produzido um íon enolato a partir da acetofenona que irá atuar como nucleófilo em uma reação de condensação aldólica cruzada (ver esquema de reação mostrado após o enunciado da questão). O OH - OH O – :: : 1b) (1,0 ponto) Dois fatores, um indutivo e o outro de ressonância, combinam-se para fazer com que os hidrogênios ligados ao carbono α da acetofenona sejam relativamente ácidos. O efeito indutivo retirador de elétrons do grupo carbonila aumenta o caráter positivo dos hidrogênios ligados ao carbono α, facilitando assim a abstração de um desses hidrogênios por uma base adequada. O efeito ressonante estabiliza a base conjugada. Sabe-se que a força de um ácido é determinada pela estabilidade da base conjugada que se forma quando o ácido doa um próton. Quando um próton é removido do carbono sp 3 adjacente ao carbono carbonílico da acetofenona (carbono α, ver esquema abaixo), os elétrons que permanecem são deslocalizados, e a deslocalização de elétrons aumenta a estabilidade do ânion. Mais importante, os elétrons são deslocalizados no oxigênio, que é um átomo bastante eletronegativo (mais eletronegativo que o carbono) e acomoda muito bem a carga negativa. O OH - CH2 – O O – H2O acetofenona enolato UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA 1c) (0,5 ponto) Nos contribuintes de ressonância para o íon enolato, a estrutura (I) tem uma carga negativa no carbono e a estrutura (II) tem uma carga negativa no oxigênio. O oxigênio é mais eletronegativo que o carbono, assim ele pode acomodar melhor a carga negativa. Com isso, presume-se que a estrutura (II) seja mais estável que a estrutura (I). O híbrido de ressonância (estrutural real), dessa maneira, se parece mais com (II), ou seja, ele tem maior concentração de carga negativa no átomo de oxigênio se comparado ao átomo de carbono. 1d) (0,5 ponto) Os hidrogênios ligeiramente ácidos em compostos carbonílicos são aqueles ligados ao carbono α, ou seja, o carbono adjacente ao carbono carbonílico, conforme descrito no item b. O benzaldeído não possui nenhum átomo de hidrogênio ligado ao carbono α, sendo assim, não é possível que a base abstraía um próton do benzaldeído, com a conseguinte formação de um íon enolato. 1e) (0,8 ponto) Em geral, um aldeído apresenta maior carga parcial positiva em seu carbono carbonílico do que uma cetona. Isto porque a cetona apresenta dois grupamentos alquílicos, que exercem efeito indutivo +I, enquanto o aldeído apresenta apenas um. Além disso, o carbono carbonílico de aldeídos é estericamente menos impedido que o carbono carbonílico de cetonas. Sendo assim, o carbono carbonílico do benzaldeído (um aldeído) é mais eletrofílico que o carbono carbonílico da acetofenona (uma cetona).Dessa forma, o íon enolato reage preferencialmente com o benzaldeído em uma reação de condensação aldólica cruzada. 1f) (0,5 ponto) A força motriz para a reação é a formação da cetona α,β-insaturada, altamente estabilizada por ressonância. 1g) (0,7 ponto) Essa é uma reação de eliminação de primeira ordem (E1), sendo assim, a equação da velocidade é dada por: V = k.[cetol], em que V = velocidade e k = constante de velocidade. As formas de ressonância do carbocátion são mostradas no esquema a seguir. O + O + O + O ++ O 2 a QUESTÃO (5,0 pontos): 2a) (1,0 ponto) Em reações de substituição eletrofílica aromática (SEAr), o anel aromático atua como nucleófilo. Logo, quanto maior a densidade eletrônica no anel, maior será a sua nucleofilicidade. Conforme esperado, grupos ligados ao anel podem influenciar na nucleofilicidade. A anilina possui um átomo de nitrogênio ligado diretamente ao anel benzênico (esquema a seguir). Como o nitrogênio é mais eletronegativo que o carbono, o grupamento -NH2 retira elétrons do anel por efeito indutivo -I e, naturalmente, isso diminui a densidade eletrônica do anel. Porém, o nitrogênio possui um par de elétrons isolado que pode ser deslocalizado para dentro do anel, aumentando assim a densidade eletrônica do anel aromático e por consequência sua nucleofilicidade. Como o efeito ressonante se sobrepõe ao efeito indutivo, o anel aromático da anilina é mais reativo comparativamente ao benzeno na SEAr. O grupo CH3-CONH- na acetanilida também retira elétrons do anel por efeito indutivo -I e isso, naturalmente, contribui para diminuir a densidade eletrônica do anel. Porém, a acetanilida ainda é mais reativa que o benzeno em uma SEAr. Isso porque o par isolado do nitrogênio na acetanilida pode ser deslocalizado para dentro do anel, aumentando assim a sua densidade eletrônica (esquema a seguir). Entretanto, esse mesmo par eletrônico também pode ser deslocalizado para fora do anel. A deslocalização para fora do anel leva a formação de um contribuinte de ressonância com carga formal positiva no átomo de nitrogênio que, naturalmente, está ligado diretamente ao anel aromático. Isso contribui para diminuir a densidade eletrônica do anel aromático da acetanilida. Como na anilina o par eletrônico só pode ser deslocalizado para dentro do anel, a anilina é mais reativa que a acetanilida na SEAr. NH2 : N + H H - etc. NH O : NH O : N + O H - etc. N + O – H anilina acetanilida acetanilida 2b) (0,5 ponto) Um ácido de Brønsted-Lowry é uma espécie que cede prótons para formação de uma ligação covalente em uma reação química. O esquema logo após o enunciado da questão mostra que o H2SO4 cede prótons para o HNO3, se transformando assim na sua base conjugada, HSO4 - . Logo, o ácido de Brønsted-Lowry é o H2SO4. 2c) (0,8 ponto) No esquema mostrado após o enunciado, observa-se que o íon arênio atua como ácido de Brønsted-Lowry, cedendo um próton para a base :B, restabelecendo assim a aromaticidade do anel. Se o íon arênio atuasse como nucleófilo seria formado um produto de adição (esquema abaixo) e a aromaticidade do anel, por consequência, não seria restabelecida. Como o produto de substituição é mais estável do que seria o produto de adição, o íon arênio atua como ácido de Brønsted-Lowry. NH O NO2 H + :B NH O NO2 B íon arênio produto de adição (não observado na reação) 2d) (1,0 ponto) Nas reações de SEAr, o efeito dirigente de determinado substituinte é definido pela estabilidade relativa do íon arênio que é formado quando o eletrófilo se combina com o anel aromático. Sendo assim, se um substituinte doa elétrons por ressonância, os carbocátions formados quando o eletrófilo entra nas posições orto e para têm um a quarta forma de ressonância (esquema a seguir). Essa quarta forma de ressonância, que não é observada quando o eletrófilo entra na posição meta, é especialmente estável, porque é a única em que todos os átomos (exceto hidrogênios) têm octetos eletrônicos completos. Portanto, o grupamento CH3- CONH-, que doa elétrons por efeito ressonante, é um orientador orto-para. NH O + NO2 + meta NH O NO2 + NH O NO2 + + NH O NO2 NH O NO2 + NH O NO2+ + NH O NO2 para N + O NO2 H NH O O2N + NH O O2N + + NH O O2N orto N + O H O2N relativamente estável relativamente estável acetofenona 2e) (0,8 ponto) Em reações de substituição eletrofílica aromática (SEAr), quando não há impedimento estérico, oriundo do substituinte no anel aromático ou do eletrófilo, espera-se obter maior quantidade do isômero orto do que do isômero para, já que existem duas posições orto para uma posição para. Entretanto, se o substituinte no anel aromático ou mesmo o eletrófilo são volumosos, o isômero para é formado em maior quantidade, já que a posição orto é estericamente mais impedida. Sendo assim, devido principalmente ao volume do grupamento CH3-CONH-, o isômero para é o produto principal da SEAr proposta. 2f) (0,9 ponto) O ideal é que a p-nitroacetanilida seja moderadamente solúvel à temperatura ambiente e bastante solúvel no ponto de ebulição do solvente selecionado. A curva de solubilidade deverá ser bastante inclinada, como se pode ver na linha A da figura a seguir. Uma curva com coeficiente angular pequeno (linha B) não levará a cristalização significativa quando a temperatura da solução for reduzida. Um solvente no qual a p-nitroacetanilida é muito solúvel em todas as temperaturas (linha C) também não será um solvente de adequado para a recristalização. 3 a QUESTÃO (5,0 pontos): 3a) (0,4 ponto) Essa é uma reação de eliminação de segunda ordem (E2), sendo assim, a equação da velocidade é dada por: V = k.[haleto de alquila].[CH3O - ], em que V = velocidade e k = constante de velocidade. 3b) (0,4 ponto) O (E)-hex-2-eno e o (Z)-hex-2-eno são estereoisômeros não enantiômeros, ou seja, um não é a imagem especular do outro no espelho plano. Eles são diastereoisômeros. 3c) (0,4 ponto) O (E)-hex-2-eno e o hex-1-eno são isômeros em que a diferença entre eles reside na forma com que os átomos estão conectados. Eles são isômeros constitucionais. 3d) (0,1 ponto) Iodeto, brometo e cloreto são bases conjugadas de ácidos relativamente fortes, logo, são bases relativamente fracas (ver tabela após o enunciado da questão). Quando um hidrogênio e um cloro, bromo ou iodo são eliminados de um haleto de alquila, o halogênio começa a sair assim que a base inicia a remoção do próton ligado ao carbono vizinho (eliminação β). O estado de transição se assemelha mais a um alceno do que a um carbânion. Os alcenos mais substituídos são mais estáveis, sendo assim, a mistura dos isômeros E e Z do hex-2-eno é formada em maior quantidade que o hex-1-eno. Como o fluoreto é a base mais forte entre os halogênios, é o pior grupo de saída. Quando a base começa a remover um próton no fluoreto de alquila, existe menor tendência do flúor em sair. Com isso, desenvolve-se uma carga negativa no carbono. Neste caso, o estado de transição se assemelha mais a um carbânion do que a um alceno. Os estados de transição que levam aos isômeros E e Z do hex-2-eno se assemelham a um carbânion secundário e, o estado de transição que leva ao hex-1-eno se assemelha a um carbânion primário. Um carbânion primário é mais estável do que um carbânion secundário. Sendo assim, a energia associada a formação do estado de transição que leva ao hex-1-eno é menor que a energia associada a formação dos estados de transição que levam a mistura de isômeros E e Z do hex-2- eno. Com isso, o alceno obtido como produto principal na reação E2 com o fluoreto de alquila (ver tabela após o enunciado da questão) é o alceno menos substituído. 3e) (0,8 ponto) A reação de eliminação bimolecular (E2) sempre concorre com a reação de substituição nucleofílica bimolecular (SN2). Ou seja, além dos alcenos obtidos na reaçãoE2, é esperado a formação do éter obtido da reação SN2, já que o ânion metóxido atua como nucleófilo e não como base na reação SN2. 3f) (1,0 ponto) A reação E2 envolve a remoção de dois grupos em carbonos adjacentes e que devem estar no mesmo plano. Existem duas maneiras nas quais as ligações C-H e C-X podem estar no mesmo plano: eles podem estar paralelos um em relação ao outro no mesmo lado da molécula (sinperiplanar) ou em lados opostos da molécula (antiperiplanar). A eliminação sin é muito lenta. A eliminação anti é bastante favorecida em uma reação E2. O esquema a seguir mostra que, a conformação do haleto de alquila que leva ao isômero E do hex-2-eno é mais estável (grupamento alquila com ângulo dietro de 180°) que a conformação que leva ao isômero Z (grupamento alquila em relação gauche). Observa-se ainda que no (Z)-hex-2-eno os grupamentos alquila ficam muito próximo um do outro, provocando impedimento estérico (repulsão de Van der Waals). No isômero E esses grupamentos estão tão separados quanto possível, minimizando a repulsão de Van der Waals. X H H H CH3 CH3CH2CH2 H H (E)-hex-2-eno X H H H CH3 CH2CH2CH3 H H (Z)-hex-2-eno 3g) (1,0 ponto) Os nomes dos compostos são: Br Br Br (R)-2-bromo-hexano 1-bromo-hexano A B C (S)-2-bromo-hexano A e B são um par de enantiômeros. B e C são um par de isômeros constitucionais. FÍSICO-QUÍMICA 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 1a) (3,0 pontos) Pelo gráfico, a lei dos gases ideais é apenas válida até no máximo na pressão de 1,1 atm, em que após isso, ocorre o desvio na linearidade dos pontos. Ou o candidato escolhe um dos pontos e faz a substituição, ou também pelo coeficiente angular da reta. Pegando o segundo ponto: (0,5 atm, 40 L -1 ou 0,025 L): 1b) (2,0 pontos) A temperatura influencia diretamente no comportamento ideal dos gases, em maiores temperaturas, as interações moleculares são minimizadas e vice-versa, assim, em maiores temperaturas espera-se um melhor ajuste dos pontos a maiores pressões com a linearidade dos pontos. Em menores temperaturas, espera-se uma fuga maior dos pontos em menores pressões. 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 2a) (2,5 pontos) O equilíbrio é a menor energia do sistema, onde temos que o DG da reação é igual a zero, em que a energia dos produtos é igual a energia dos reagentes. depois de balanceada, podemos calcular: 2b) (2,5 pontos) A diminuição de volume levará a um aumento da pressão, neste caso, por se tratar de um equilíbrio entre gases, o equilíbrio se deslocará para o sentindo de diminuição de moléculas gasosas, neste caso para os produtos. Como visto no cálculo anterior, se trata de uma reação exotérmica no sentido dos produtos, desta forma, um aumento de temperatura desfavorecerá este sentido, fazendo com que os reagentes sejam favorecidos. 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 3a) (3,0 pontos) Admitindo sempre nomenclatura da IUPAC: 3b) (2,0 pontos) Seis elétrons transferidos: PROVA DE INGRESSO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA PROCESSO DE SELEÇÃO: 2 o semestre de 2022 QUÍMICA ANALÍTICA 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 1a) (2,0 pontos) AgCl (s) Ag + (aq) + Cl - (aq) KPS = [Ag + ] x [Cl - ] = S 2 1,6 x 10 -10 = S 2 S S S S = 1,26 x 10 -5 mol L -1 Ag2CrO4(s) 2Ag + (aq) + CrO4 2- (aq) KPS = [Ag + ] 2 x [CrO4 2- ] KPS = (4S 2 ) x S S 2S S 2,4 x 10 -12 = 4S 3 S = 8,43 x 10 -5 mol L -1 [Ag + ] = S = 1,26 x 10 -5 mol L -1 (Frasco A) [Ag + ] = 2S = 2 x 8,43 x 10 -5 = 1,69 x 10 -4 mol L -1 (Frasco B) 1b) (2,0 pontos) Para ambos os sais solúveis, o volume final é de 200,0 mL, logo as concentrações dos ânions Cl - e CrO4 2- serão de 0,02 mol / 0,2 L = 0,10 mol L -1 . Considerando que as concentrações dos ânions provenientes dos equilíbrios do AgCl e do Ag2CrO4 podem ser desconsideradas, face aos baixos valores frente a 0,10 mol L -1 , tem-se: Frasco A: KPS = [Ag + ] x [Cl - ] 1,6 x 10 -10 = S x 0,10 1,6 x 10 -10 S = 1,60 x 10 -9 mol L -1 Frasco B: KPS = [Ag + ] 2 x [CrO4 2- ] 2,4 x 10 -12 = (2S) 2 x 0,10 2,4 x 10 -12 = 0,4S 2 S = 2,45 x 10 -6 mol L -1 Para ambos os sais (AgCl e Ag2CrO4) foi observada uma significativa diminuição nos valores de solubilidade, em comparação àqueles observados no subitem a, em virtude do deslocamento no equilíbrio no sentido inverso, devido à adição dos sais solúveis. Esse efeito é ocasionado pelo excesso de ânions (nesse caso), sendo denominado efeito do íon comum. 1c) (1,0 ponto) O emprego do sal de KCl, seria a opção mais adequada para uma determinação gravimétrica, visto que apesar do maior valor de KPS do AgCl, em comparação com o KPS do Ag2CrO4, o AgCl apresenta um menor valor de solubilidade, especialmente na presença do íon comum, o que é uma condição necessária nas determinações gravimétricas. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 2a) (2,5 pontos) 1 mol de Ni 2+ gera a formação de 1 mol do ppt de Ni(DMG)2 Massa molar (MM) do Ni(DMG)2 = (116,12 -1,000) x 2 = 230,24 + 58,690 = 288,93 g mol -1 nppt = mppt / MMppt nppt = 0,1020 g / 288,93 g mol -1 = 3,5303 x 10 -4 mol = nNi2+ mNi2+ = 3,5303 x 10 -4 mol x 58,690 g mol -1 = 2,0719 x 10 -2 g (m contida em 10,00 mL) Calcula-se a m contida em 200,0 mL 2,0719 x 10 -2 g x (200/10) = 0,4144 g % (m/m) de Ni = (0,4144 / 1,5540) x 100 = 26,7% 2b) (2,5 pontos) nFe2+ = cA x vgasto nFe2+ = 0,0520 mol L -1 x 8,25 x 10 -3 L = 4,29 x 10 -4 mol 1 mol de Cr2O7 2- reage com 6 mol de Fe 2+ nCr2O72 - = 4,29 x 10 -4 mol / 6 = 7,15 x 10 -5 mol Após a dissolução e oxidação do Cr metálico, 2 mol de Cr gera a formação de 1 mol de Cr2O7 2- , Portanto, nCr = 7,15 x 10 -5 mol x 2 = 1,43 x 10 -4 mol mCr = 1,43 x 10 -4 mol x 52,00 g mol -1 = 7,436 x 10 -3 g (m contida em 10,00 mL) Calcula-se a m contida em 200,0 mL 7,436 x 10 -3 g x (200/10) = 0,1487 g % (m/m) de Cr = (0,1487 / 1,5540) x 100 = 9,57% 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 3a) (1,0 ponto) nOH - = cA x vgasto nOH - = 0,1080 mol L -1 x 22,5 x 10 -3 L = 2,43 x 10 -3 mol Como HLAC é monoprótico a reação é 1:1 nHLAC = nOH - = 2,43 x 10 -3 mol cHLAC = 2,43 x 10 -3 mol / 0,025 L = 0,0972 mol L -1 cHLAC (g L -1 ) = 0,0972 mol L -1 x 90,08 g mol -1 = 8,756 g L -1 3b) (1,5 pontos) HLAC(aq) + H2O(l) H3O + (aq) + LAC - (aq) Ka = 10 -pKa = 10 -3,79 = 1,62 x 10 -4 Ka = [H3O + ] x [LAC - ] / [HLAC] Como [H3O + ] = [LAC - ] e [HLAC] = cHLAC - [LAC - ], tem-se: Ka = [H3O + ] 2 / 0,0972 - [H3O + ] Pode-se admitir que a [H3O + ] << 0,0972 mol L -1 , portanto: Ka = [H3O + ] 2 / 0,0972 [H3O + ] 2 = 1,62 x 10 -4 x 0,0972 [H3O + ] = 3,968 x 10 -3 mol L -1 pH = - log 3,968 x 10 -3 mol L -1 pH = 2,40 3c) (2,5 pontos) Admite-se que todo o HLAC foi convertido na sua base conjugada (LAC - ), portanto: nHLAC no início = nLAC - formado = 2,43 x 10 -3 mol, e o cálculo é baseado no equilíbrio da base conjugada no meio aquoso. LAC - (aq) + H2O(l) HLAC(aq) + OH - (aq) É necessário obter o valor de Kb Kb = Kw / Ka = 1,0 x 10 -14 / 1,62 x 10 -4 = 6,17 x 10 -11 Kb = [HLAC] x [OH - ] / [LAC - ] Como [HLAC] = [OH - ] e [LAC - ] = cLAC - - [HLAC], tem-se: Kb = [OH - ] 2 / cLAC - - [OH - ] Calcula-se a cLAC - = 2,43 x 10 -3 mol / (25 + 22,5) x 10 -3 L cLAC - = 5,116 x 10 -2 mol L -1 . Pode-se admitir que a [OH - ] << 5,116 x 10 -2 mol L -1 , portanto: Kb = [OH - ] 2 / 5,116 x 10-2 [OH - ] 2 = 6,17 x 10 -11 x 5,116 x 10 -2 [OH - ] = 1,78 x 10 -6 mol L -1 pOH = 5,75 pH = pKw – pOH pH = 14,00 – 5,75 pH = 8,25 QUÍMICA INORGÂNICA 1 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 1a) (2,0 pontos) molécula C D E BH3 B H H H trigonal planar trigonal planar SO2 O S O trigonal planar angular NH3 NH H H tetraédrica pirâmide trigonal SF4 S F F F F bipirâmide trigonal gangorra IF5 I F F F F F octaédrica pirâmide de base quadrada A = n o total de elétrons de valência da molécula B = n o total de pares de elétrons de valência da molécula C = desenhe a fórmula de Lewis; Atenção represente cada par de elétrons por um traço ( ) D = geometria dos pares de elétrons do átomo central E = geometria da molécula 1b) (2,0 pontos) substância força (ligação ou interação interatômica ou intermolecular) a ser vencida na mudança de estado físico NaCl Ligações Iônicas Br2 Forças dispersivas de London F2 Forças dispersivas de London diamante ligações covalentes H2O Ligações de Hidrogênio e forças dipolares do tipo dipolo permanente-dipolo permanente ordem crescente F2<Br2<H2O<NaCl<diamante 1c) (1,0 ponto) As alternativas corretas são: i) os átomos de carbono estão ligados covalentemente através de orbitais híbridos sp 2 (ligações sigma) e orbitais p (fazendo ligações ), formando anéis hexagonais planos iii) Os elétrons nos orbitais p são responsáveis pela condução elétrica porque estão fracamente ligados por meio das ligações , podendo se deslocar pela lamela 2 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 2a) (1,0 ponto) A alternativa correta é: iii) os valores acompanham o aumento das forças dispersivas na ordem H2S < H2Se < H2Te 2b) (2,0 pontos) composto natureza da ligação química interatômica atomicidade (a, b) ordem da ligação e caráter magnético do alótropo mais estável * Aa metálica a = infinita não se aplica Bb covalente b = 2 e b = 3 (considere os principais alótropos) 2 / paramagnético Aa-Bb iônica a = 1 e b = 1 (considere a fórmula mínima) não se aplica *condicionados à resposta correta ao item c) 2c) (2,0 pontos) 2pz 2py 2px 2px 2py 2pz *2p *2p 2p 2p 3 a QUESTÃO: (5,0 pontos) 3a) (1,5 pontos) 3b) (2,0 pontos) 3c) (1,5 pontos) Composto 3a) 3b) diagrama de desdobramento dos orbitais “d” 3c) isômeros geométricos [CoCl4] 2- sp 3 t2 dxy dxz dyz x2- y2 e dz 2 E não se aplica [CoCl2(H2O)4] sp 3 d 2 eg dxy t2g dxz dyz x2- y2 dz 2 E Co OH2 OH2 OH2 OH2Cl Cl Co H2O OH2 OH2 Cl Cl H2O
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