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1 Centro Universitário da FEI Departamento de Engenharia Química QM3240 - Química Inorgânica Material de Apoio – Exercícios Profa. Dra. Andreia de A. Morandim-Giannetti Segundo Semestre de 2016 2 Exercícios P1 1 – A luz amarela emitida por uma lâmpada de vapor de sódio usada para iluminação pública tem um comprimento de onda de 589 nm. Qual é a frequência dessa radiação? 2 – Calcule a energia de um fóton amarelo cujo comprimento de onda é 589 nm? 3 – Um laser emite luz com frequência de 4,69x1014 s-1. Qual é a energia de radiação desse laser? Se o laser emite uma explosão ou pulso de energia contendo 5x1017 fótons de radiação, qual é a energia total desse pulso? Se o laser emite 1,3x10-2 J de energia durante esse pulso, quantos fótons são emitidos durante o pulso? 4 - Explique concisamente porque o berílio tem configuração 1s2 2s2 e não 1s2 2s1 2p1. 5 - Os próximos orbitais depois do d e do f são os g. Quantos orbitais g existem? Qual seria o menor número quântico principal que um orbital g possuiria? Deduza o número atômico do primeiro elemento no qual o orbital g começaria a ser completado com base nos padrões de preenchimento de d e f. 6 – Certos elementos emitem luz de um comprimento de onda específico quando são queimados. Historicamente, os químicos utilizavam tais comprimentos de onda de emissão para determinar se certos elementos estavam presentes em uma amostra. Alguns comprimentos de onda característicos para alguns desses elementos são: Ag 328,1 nm Fe 372,0 nm Au 267,6 nm K 404,7 nm Ba 455,4 nm Mg 285,2 nm Ca 422,7 nm Na 589,6 nm Cu 324,8 nm Ni 341,5 nm a) Determine quais elementos emitem radiação na parte visível do espectro b) Qual elemento emite fótons de energia mais alta? E de energia mais baixa? c) Ao ser queimada uma amostra de substância desconhecida emite luz de freqüência 6,59x1014 s-1. Qual desses elementos provavelmente está na amostra? 7 - A luz ultravioleta (UV) que é responsável pelo bronzeamento da pele encontra-se na região de 320 nm a 400 nm. Calcule a energia total (em joules) absorvida por uma pessoa exposta durante 2 horas a essa radiação, sabendo que 2,0x1016 fótons por centímetro quadrado, em um intervalo de 80 nm (320 nm a 400 nm), bombardeiam a superfície da terra e que a área exposta do corpo é 0,45 m2.Considere que apenas metade da radiação é absorvida e que a outra metade é refletida pelo corpo (obs: use um comprimento de onda médio de 360 nm para calcular a energia de um fóton). 3 8 - Lâmpadas decorativas, como aquelas encontradas nas árvores de Natal, geralmente obtêm suas cores através da pintura do vidro da lâmpada. Se uma corda de luzes inclui lâmpadas com comprimentos de onda de 480, 530 e 700 nm, pergunta-se: a) Quais são as freqüências das lâmpadas? b) Quais as energias envolvidas em cada uma das lâmpadas apresentadas? Em que consiste essa diferença de energia observada? 9 – Os fogos de artifício são compostos basicamente por pólvora (mistura de enxofre, carvão e nitrato de potássio) e por um sal de um elemento determinado (o que irá determinar a cor da luz produzida na explosão). A pólvora, em um fogo de artifício, possui, além do KNO3, KClO4 ou KClO3. Estes compostos são denominados oxidantes e são altamente explosivos. A presença desses sais é uma forma de aumentar a explosão e a claridade proporcionada pelo fogo de artifício. As cores produzidas em um show de fogos de artifício são produzidas a partir de dois fenômenos: a incandescência (luz produzida pelo aquecimento de substâncias) e a luminescência (luz produzida a partir emissão de energia, na forma de luz, por um elétron excitado, que volta para o nível fundamental), fenômeno que provoca a observação de diferentes cores. A luminescência é uma característica de cada elemento químico. Ou seja, átomos de sódio quando aquecido, emitem luz amarela, pela luminescência. Já os átomos de estrôncio e lítio produzem luz vermelha. Os de bário produzem luz verde e assim por diante, conforme observado na tabela abaixo. Sal Cor Comprimento de onda () Na3AlF6, NaCl AMARELO 570 nm CuCl AZUL 475 nm CaCl2, CaSO4, CaCO3 LARANJA 590 nm SrCO3, Li2CO3 VERMELHO 650 nm Ba(NO3)2, BaCl+ VERDE 510 nm Mistura de sais de estrôncio e cobre VIOLETA 400 nm Baseado nas informações do texto e informações dadas em sala de aula, responda as questões abaixo: a) Faça o cálculo da energia referente à emissão para o NaCl e para o CaCl2 e depois faça uma discussão dos resultados obtidos de acordo com as propriedades da tabela periódica. b) Baseado nas propriedades da tabela periódica, faça uma previsão da solubilidade dos cloretos apresentados na tabela. Explique detalhadamente c) Calcular a energia de ionização para o BaCl2 sabendo-se que os valores das energias envolvidas em sua formação são: Energia de formação = -858,56 KJ / mol Energia de afinidade = -349 KJ / mol Entalpia de vaporização = 142 kJ/mol Entalpia de fusão = 7,75 kJ/mol Energia de ligação Cl2 = 240 KJ / mol Energia de rede = 2255 KJ / mol 4 10 – Se a diferença de energia entre dois estados eletrônicos é 46,12 kcal/mol, qual será a freqüência da luz emitida quando o elétron cai do estado mais elevado para o mais baixo? 11 - Por que as energias de ionização são sempre grandezas positivas? Por que F tem maior energia de ionização que O? Porque a segunda energia de ionização de um átomo é sempre maior que sua primeira energia de ionização? 12 – Explique a variação nas energias de ionização do carbono, como mostrado no gráfico abaixo: 1 2 3 4 5 6 0 10000 20000 30000 40000 50000 kJ m ol -1 número de ionização 13 - Baseado no esquema abaixo, explique detalhadamente, o comportamento observado para os diferentes sais em termos de solubilidade em função das propriedades da tabela periódica. 14 - Os átomos e íons Na, Mg+, Al2+ e Si3+ são isoeletrônicos (mesmo número de elétrons), baseado nessas informações responda:Para qual destes a carga nuclear efetiva que atua sobre o elétron mais externa será menor? Para qual ela será maior? Explique detalhadamente com base nas propriedades da tabela periódica (2 pontos). 5 15 – Qual espécie é maior em cada um dos pares abaixo? Explique baseado nas propriedades da tabela periódica. a) Na ou Na+ b) O-2 ou F- 16 – Coloque os íons S-2, Cl-, K+ e Ca2+ em ordem crescente de tamanho. 17 – Explique as seguintes variações nos raios atômicos ou iônicos: a) I- > I > I+ b) Ca2+ > Mg2+ > Be2+ c) Fe > Fe2+ > Fe3+ 18 – Ordene os átomos e íons a seguir em ordem decrescente de tamanho: a) Mg+2; Ca+2; Ca b) S-2; S; O-2 19 – Por que o cálcio é geralmente mais reativo que o magnésio? Por que o cálcio e normalmente menos reativo que o potássio? 20 - Baseado no fluxograma e nos conhecimentos adquiridos em aula, respondas as questões abaixo. NaCl Purificação e diluição amônia Reator Célula de Hg barrilha Soda diluída Gás cloro úmido Evaporadores Torre de secagem Gás cloro Evaporadores Escamadores Soda em escamas Ácido sulfúrico 98% Ácido sulfúrico 72% Câmara de chumbo NO água Dióxido de enxofre Reator Gás oxigênio Ácido nítrico 68 % Reator tolueno trinitrotolueno Reator bauxita AluminaEletrólise AlReator KOH Ácido sulfúrico Alúmen de potássio 6 a) Caso um químico desejasse obterhidróxido de potássio ao invés de soda (hidróxido de sódio) durante o processo bastaria adequar o processo e substituir o cloreto de sódio por cloreto de potássio. Baseado nos seus conhecimentos, qual dos cloretos citados apresentaria menor solubilidade? Explique baseado nas propriedades da tabela periódica e nos dados de energia de rede. Dados: Hrede (NaCl) = 787 kJ/mol Hrede (KCl) = 717 kJ/mol b) Durante o processo de produção do ácido sulfúrico inicialmente o dióxido de enxofre é transformado em trióxido de enxofre e, posteriormente é produzido o ácido. Baseado os seus conhecimentos explique detalhadamente como é possível à existência desses dois óxidos e dê a geometria de cada um deles baseado na TLV. c) Dados os valores de energia envolvidas na formação do cloreto de sódio, qual o valor da energia de afinidade para o mesmo? Dados: Hrede = 787 kJ/mol Hionização = 495,4 kJ/mol Hformação = -411,1 kJ/mol Hsublimação = 107,8 kJ/mol Hdissociação = 244 kJ/mol 21 - Construa o diagrama de Born-Haber e determine a Entalpia de Rede de CsF a partir dos dados: Entalpia de ionização do Cs(g) = 386kJ; Entalpia de atomizaçãdo do Cs(s) = 72kJ; Energia de ligação F2(g) = 152kJ; Eletroafinida do F(g) = -318kJ; Entalpia de formação [Cs(s)+1/2F2(g)=CsF(s)] = - 528kJ. 22- Através do cálculo da entalpia de rede pode-se ter uma noção da solubilidade de compostos. Baseado nessa informação e nos dados abaixo, responda as questões detalhadamente. Dados para o CoF2: entalpia de ionização do Co(g) para Co2+(g) = 2417kJ; Entalpia de atomização do Co(s) = 324kJ; Energia de ligação F2(g) = 152kJ; Eletroafinidade do F(g) = -318kJ entalpia de formação [Co(s)+F2(g)=CoF2(s)] = -700kJ. Dados para o MnF2: entalpia de ionização do Mn(g) para Mn2+(g) = 2230kJ; Entalpia de atomização do Mn(s) = 224kJ; Energia de ligação F2(g) = 152kJ; Eletroafinidade do F(g) = -318kJ entalpia de formação [Mn(s)+F2(g)=MnF2(s)] = -788kJ. a) Construa o diagrama de Born-Haber para os dois compostos 7 b) Qual dos dois apresenta maior solubilidade? Explique detalhadamente baseado nos cálculos e nas propriedades da tabela periódica c) Quais os números quânticos para o elemento diferentes nos dois compostos? Justifique sua resposta. d) Tanto a entalpia de atomização como a de ionização do cobalto são menores, como você explica esse fato? Explique detalhadamente 23 - Através do ciclo abaixo é possível calcular-se a energia de rede para o NaCl, composto muito utilizado pela indústria química para a produção de Soda, Cloro, Barrilha, etc. Sobre o cloreto de sódio e baseado nas informações contidas no diagrama abaixo, responda: a) Qual a configuração eletrônica abreviada para o cloro e o sódio antes e após o processo de ionização e de eletroafinidade? 24- Use o ciclo de Born-Haber para mostrar que a reação: K(s) + ½ Cl2(g) KCl(s) , é exotérmica. São conhecidas as seguintes energias : K(s) K(g) (90,0 kJ) ½ Cl2(g) Cl(g) (119,0 kJ) K(g) K+(g) (419 kJ) Cl(g) Cl- (g) (- 349 kJ) K+ (g) + Cl- (g) KCl(s) (- 704 kJ) 25- Calcular a energia de ionização para o BaCl2 sabendo-se que os valores das energias envolvidas em sua formação são: Energia de formação = -858,56 KJ / mol Energia de afinidade = -349 KJ / mol Entalpia de vaporização = 142 kJ/mol Entalpia de fusão = 7,75 kJ/mol Energia de ligação Cl2 = 240 KJ / mol Energia de rede = 2255 KJ / mol 26 – Explique por que a energia de rede do óxido de magnésio (3850 kJ/mol) é maior que a do óxido de bário (3114 kJ/mol), sabendo-se que eles têm arranjos de íons similares no retículo cristalino. 8 27 - Construa a estrutura de Lewis para o íon amônio (NH4+); tetracloreto de carbono (CCl4); hexafluoreto de silício (SiF62-) e determine o arranjo dos pares de elétrons e sua forma molecular de acordo com a teoria VSEPR. Determine ainda a polaridade de cada uma destas moléculas. 28 - Construa a estrutura de Lewis e as formas das moléculas: (a) SO3; (b) SO32-; (c) IF5. Determine ainda se existe polaridade em cada uma destas moléculas. 29 - Explique porque o BF3 possui uma molécula trigonal planar com base em suas ligações químicas e no conceito de hibridização. 30 - Os clorofluorcarbonos (CFC’s) estão entre os gases considerados perigosos para o meio ambiente devido à reação que têm com o ozônio na atmosfera. Geralmente, quando emitidas estas moléculas são CFCl3, com o carbono como átomo central. Quando alcança a estratosfera, essa molécula se torna CFCl2, e um átomo de Cl é liberado para reagir com O3. Determine as estruturas das duas moléculas e diga qual a mudança de hibridização que ocorre nessa reação. 31- Construa a estrutura de Lewis e as formas das moléculas: (a) PCl6-, (b) BF4-, (c) NH2Cl. Determine se há ou não polaridade nestas moléculas. 32 - Construa a estrutura de Lewis e as estruturas VSEPR das moléculas: (a) BrF5, (c) PF5, (d) IO3F. Determine se há ou não polaridade nestas moléculas afirmando sim ou não e porque. 33 – Ordene os compostos iônicos abaixo em ordem crescente de energia de rede. a) NaF; CsI; CaO b) AgCl; CuO; CrN 34 – Qual ligação é mais polar? B-Cl ou C-Cl? P-F ou P-Cl? Explique. 35 - Sabe-se que um elemento X forma 3 compostos com cloro, tendo as fórmulas XCl2 e XCl6. Um dos seus óxidos tem a fórmula XO3 e X reage com sódio formando o composto Na2X. Baseado nas informações responda as questões abaixo: a) Em que grupo da tabela periódica se localiza X? Justifique com as devidas estruturas e hibridizações possíveis b) Quais dessas moléculas são polares? Qual a geometria das moléculas? Justifique. 9 Exercícios P2 1 - Use os diagramas de orbitais moleculares para determinar o número de elétron desemparelhados em: a) O2- b) O2+ c) BN d) NO- 2 - Durante a obtenção do N2 o ar é liqüefeito por resfriamento e posteriormente aquecido para separação dos componentes por destilação fracionada. Além do N2 (78%), outro composto obtido deste fracionamento é o O2 (21%), utilizado para diversos fins. Com relação aos compostos citados no texto, segundo a TLV deveriam ser paramagnético ou diamagnético? E segundo a TOM? Justifique sua resposta com os devidos diagramas e hibridizações necessários. Dê a geometria, o números de ligações sigma e pi e a ordem de ligação O2 e F2 B2, C2, N 3 - O Cloro tem a capacidade de formar diferentes oxiácidos, sendo que em cada composto formado existem polaridades diferentes envolvidas. Desenhe as estruturas possíveis de Lewis dos compostos existentes e explique entre as mesmas, qual dos oxiácidos abaixo é o mais ácido baseado nos seus conhecimentos de eletronegatividade, polaridade de ligação, geometria e ligação covalente. HClO HClO2 HClO3 HClO4 HClO5 42 - A Teoria do Orbital Molecular (TOM) é uma das mais recentes teorias no estudo das ligações químicas. Assim, ao se comparar a molécula de oxigênio e o íon peróxido quanto às propriedades magnéticas e ordem de ligação, como as mesmas podem ser classificadas? Justifique com os devidos diagramas e cálculos 4 – Quando óxido de titânio (IV) é aquecido em atmosfera de hidrogênio, desenvolve uma cor azul, indicando absorção de luz no vermelho. A redução de Ti (IV) a Ti (III) corresponde àdopagem n ou à dopagem p? Explique 5 - Os semicondutores são muito utilizados em equipamentos eletrônicos, atualmente principalmente os dopados (tipo p ou tipo n) no lugar dos condutores. Eles apresentam várias vantagens, o que vem fazendo com que os mesmos se destaquem no mercado. Exemplos de matrizes dopadas são adição de fósforo ou arsênio em uma matriz de silício e inserção de alumínio ou boro numa matriz de silício. Qual dos dois é do tipo n? E do tipo p? Explique o porque detalhadamente e faça um esquema ilustrativo dos dois semicondutores com relação a banda de valência, banda de condução e gap de energia. 10 6 -Qual você espera ser melhor condutor de eletricidade, o germânio ou o germânio dopado com arsênio? Justifique sua resposta usando o modelo do orbital molecular. 7 - Esboce um semicondutor de silício e insira uma impureza composta de índio e depois arsênio explicando o que acontece com o cristal de silício desse semicondutor em termos de condutividade. Explique detalhadamente 8 – Coloque as substâncias BaCl2, H2, CO, HF e Ne em ordem crescente de ponto de ebulição. 9 – O etanol e o éter dimetílico têm a mesma fórmula molecular, C2H6O. O etanol ferve a 78,4ºC enquanto o éter dimetílico ferve a -23,7ºC. Explique porque o ponto de ebulição do éter é tão mais baixo do que do etanol. 10 – O éter etílico possui PE= 36ºC e o 1-butanol, apesar de possuir a mesma massa molar, possui PE= 111ºC. Explique detalhadamente. 11 - Vários íons complexos são sintetizados utilizando-se a amônia, como o [Cr(NH3)6]+3, [Ni(H2O)5(NH3)]+2, [CoCl(NH3)5]+2. Qual o número de coordenação de cada íon complexo? Qual o número de oxidação dos metais em cada caso? Como você faria para modificar a cor de cada um dos complexos? Explique. Em que consiste essa modificação de cor? Explique Considerando todos esses complexos de spin alto, como ficaria a hibridização. Faça o desenho em cada caso dando a hibridização 12 - Um sólido rosa tem a fórmula CoCl3.5NH3.H20. Uma solução deste sólido apresenta coloração rósea e rapidamente fornece 3 mols de AgCl na titulação com nitrato de prata. Quando o sólido róseo é aquecido, ele perde 1 mol de água para gerar um sólido púrpura com a mesma razão de NH3:Cl:Co. O sólido púrpura libera rapidamente 2 de seus cloretos; então, após dissolução e titulação com nitrato de prata, libera lentamente 1 de seus cloretos. Deduza a fórmula dos complexos que apresentam NC igual a 6. Obs: somente ânions não constituintes do íon complexo são liberados na titulação 13 - Um composto de fórmula RuCl3.5H2O é dissolvido em água, formando uma solução aproximadamente da mesma cor que o sólido. Imediatamente após a formação da solução, a adição de um excesso de AgNO3 forma 2 mols de AgCl sólido por mol de complexo. Escreva a fórmula para o composto, mostrando quais ligantes têm maior probabilidade de estar presentes na esfera de coordenação. Depois que uma solução de RuCl3.5H2O ficou em repouso por aproximadamente 1 ano, a adição de AgNO3 precipita 3 mols de AgCl por mol de complexo. O que aconteceu após esse tempo? Esses complexos são de spin alto ou baixo? Paramagnéticos ou diamagnéticos? 11 14 - As etapas terminais do metabolismo celular consistem na combustão da glicose e de outros metabólitos, com liberação de energia e produção de CO2 e H2O. O gás carbônico difunde-se para os líquidos intersticiais e então para o sangue. Considere que ocorrem os seguintes equilíbrios: CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 H+ + HCO3- O pH do sangue modifica a ventilação alveolar através do centro respiratório, uma estrutura do sistema nervoso serve de sensor da acidez sanguínea. Quando um paciente apresenta taquipnéia há maior liberação de gás carbônico; chamamos de bradipnéia a situação que ocorre maior retenção de CO2. Explique o que ocorre com o pH do sangue no caso de um paciente com taquipnéia de maneira clara, em termos de equilíbrio. 15- Dissolveram-se 0,0560 g de ácido acético em água até perfazer 50,0 mL de solução. Calcule as concentrações de H+, CH3COO- e CH3COOH no equilíbrio bem como o pH da solução (Ka = 1,8x10-5) 16 - Abaixo estão representados alguns processos inorgânicos. Baseado nos seus conhecimentos e na interpretação do esquema, responda as questões posteriores. Cu2SCalcocita Flotação Cu alumínio ar SO2 H2SO4 Reator SO3 ar água Al2O3bauxita KOH H2 eletrólise Solução de KCl Cl2 HCl Reator amôniaReator Destilação fracionada ar reator NO NO2 HNO3 ar KAl(SO4)2 a) Caso o sulfeto de cobre I fosse contaminado com sulfeto de cobre II, teríamos um produto com dopagem do tipo p ou n? Justifique sua resposta com os devidos diagramas. b) No esquema é demonstrada de maneira simplificada a produção de ácido nítrico. Durante o processo de produção do mesmo partimos de gás nitrogênio e um dos intermediários é o monóxido de nitrogênio. Os mesmos são paramagnéticos ou diamagnéticos? Qual a ordem de ligação em cada caso? Justifique adequadamente.
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