Iniciante

a)

1. O compartimento 1 é verde. O pH verde é aproximadamente neutro. Assim, a substância que deve ter sido colocada no compartimento seria o $Na_2SO_4$, um sal neutro;
2. O compartimento 2 é amarelo. O pH amarelo é ácido. Assim, a substância que deve ter sido colocada no compartimento seria o $HCl$, um ácido forte;
3. O compartimento 3 é azul. O pH azul é básico. Assim, a substância que deve ter sido colocada no compartimento seria $Ba(OH)_2$, uma base forte

b)

Na área azul, o pH precisa ser maior que 7,6. Assim, a concentração de $OH^-$ deve ser no mínimo $10^{7,6-14} = 3,98 \cdot 10^{-7} \frac{mol}{L}$. Como a estequiometria de $Ba(OH)_2$ para $OH^-$ é de 2:1, a concentração mínima de $Ba(OH)_2$ é a metade, ou seja, $1,99 \cdot 10^{-7} \frac{mol}{L}$

Para calcular o numero de mols, precisamos então calcular o volume do compartimento. O círculo azul tem diâmetro 15 cm, logo seu raio é de 7,5 cm. Assim, sua área é de $\pi {(7,5 cm)}^2 = 168,75 cm^2$. Multiplicando pela profundidade, temos que o volume é de $1678,5 cm^3 = 1678,5 mL = 1,69 L$. Assim, multiplicando a concentração pelo volume, temos que $1,99 \cdot 10^{-7} \frac{mol}{L} \cdot 1,69 L = 3,36 \cdot 10^{-7} mol$

Na área amarela, o pH precisa ser menor que 6,6. Assim, a concentração de $H^+$ deve ser no mínimo $10^{-6,6} = 2,51 \cdot 10^{-7} \frac{mol}{L}$. A estequiometria é 1:1 então essa é a concentração de HCl também.

A área total do losango amarelo é $\frac{40cm \cdot 25 cm}{2} = 500 cm^2$. Porém, a área do compartimento 2 não é a área total do losango, pois deve-se descontar a área do círculo. Assim a área da região 2 é $500 cm^2 - 168,75 cm^2 = 333,25 cm^2$. Multiplicando pela profundidade, temos o volume $3332,5 cm^3 = 3,31 L$. Portanto, o número de mols de HCl seria $2,51 \cdot 10^{-7} \frac{mol}{L} \cdot 3,31 L = 8,31 \cdot 10^{-7} mol$

c)

$Na_2SO_{4 (aq)} + Ba(OH)_{2 (aq)} \rightarrow BaSO_{4 (s)} + 2 NaOH_{(aq)}$

Ou também, possivelmente:

$Ba^{2+}_{(aq)} + SO^{2-}_{4 (aq)} \rightarrow BaSO_{4 (s)}$

 

Intermediário

a)

Óxido de Lítio -> $Li_2O$ => Massa molar: 30 => $\frac{4,9}{30} = 0,1633$

Óxido de Alumínio -> $Al_2O_3$ => Massa molar: 102 => $\frac{16,7}{102} = 0,1633$

Óxido de Silício -> $SiO_2$ => Massa molar: 60 => $\frac{78,4}{60} = 1,30$

Dividindo os valores pelo menor valor teríamos uma proporção de 1:1:8 de $Li_2O$ para $Al_2O_3$ e $SiO_2$. Dessa forma, a fórmula química seria $Li_2Al_2Si_8O_{20}$. Como os números de uma fórmula iônica devem estar nos menores coeficientes inteiros, já que é apenas uma representação da estrutura repetida no cristal, a fórmula de fato então é $LiAlSi_4O_{10}$

b) A equação balanceada da reação seria:

$2 Li_2O_{(s)} \rightarrow 4 Li_{(s)} + O_{2 (g)}$

Na prática, as semirreações seriam:

$Li^+ + e^- \rightarrow Li$

$2 O^{2-} \rightarrow O_2 + 4 e^-$

Podemos calcular o número de mols de elétrons total envolvidos na eletrólise, fazendo uma análise dimensional usando o valor de corrente, o valor de tempo e a Constante de Faraday:

$n_{e^-} = 2,5 \frac{C}{s} \cdot 10 h \cdot \frac{3600 s}{1 h} \cdot \frac{mol}{9,65 \cdot 10^4 C} = 0,933 mol$

Para calcular a massa de Lítio metálico formada, podemos utilizar a estequiometria da semirreação de redução e a massa molar do Lítio:

$m_{Li} = \text{0,933 mol } e^- \frac{\text{1 mol Li}}{\text{1 mol } e^-} \frac{\text{7 g Li}}{\text{mol Li}} = 6,5 g$

Para calcular o volume de Oxigênio formado, podemos utilizar a estequiometria da semirreação de oxidação e o volume molar de um gás na CATP, que pode ser calculado usando a Lei dos Gases Ideais:

$PV = nRT$ => $\frac{V}{n} = \frac{RT}{P} = \frac{0,082 \frac{L \cdot atm}{K \cdot mol} 298 K}{1 atm} = 24,4 \frac{L}{mol}$

$V_{O_2} = \text{0,933 mol } e^- \frac{\text{1 mol } O_2}{\text{4 mol } e^-} \frac{24,4 L}{mol} = 5,7 L$

c) Comparado com outros elementos da mesma família como Sódio e Potássio, o Lítio está mais no início da Tabela Periódica, ou seja, seu raio atômico é menor, assim como o raio iônico do seu cátion. Uma ligação iônica como a entre $Li^+$ e $OH^-$ ocorre por causa da atração coulômbica entre as cargas. Como a força de uma atração coulômbica depende do inverso da soma dos raios do cátion e do ânion, a ligação iônica do LiOH é mais forte que a do NaOH ou KOH, já que o raio do cátion é menor. Como na solvatação dos íons, essa ligação iônica deve ser quebrada para dar lugar à interação dos íons com a água, a energia liberada na solvatação do LiOH é menor que no caso do NaOH e KOH. Por isso, o LiOH é menos solúvel que os outros dois Hidróxidos.

 

Avançado

a)

b)

Pelo nome sistemático da sacarose, percebe-se que os monossacarídeos que formam a sacarose são: uma α-D-glucopiranose e uma β-D-fructofuranose. Ou seja, a glicose está na forma de um anel de 6 membros (piranose) com um carbono anomérico na posição α e a frutose está na forma de um anel de 5 membros (furanose) com um carbono anomérico na posição β.  Assim, desenhando a projeção de Haworth para eles, temos:

Por fim, sabe-se que a ligação glicosídica ocorre entre o carbono 1 da glicose e o carbono 2 da frutose. Portanto, a estrutura da sacarose é:

c) A reação que transforma os reagentes iniciais em A é uma ciclização complexa, de modo que seria difícil conhecer o produto a partir dos reagentes dados. Porém, ao se fazer uma retrossíntese, tentando ver qual seria o composto A a partir do composto seguinte, encontramos um caminho muito mais plausível. O composto A reage apenas com ácido fórmico e o composto seguinte possui uma amida de ácido fórmico. Assim, o composto A deve ser apenas a amina que gerou essa amida. Propondo essa hipótese, é possível checar que ela faz sentido considerando a fórmula molecular de A e portanto chegamos nas seguintes estruturas (ambas são possíveis pois são tautômeros):

Em seguida, a reação do composto seguinte com $HNO_3$ e $H_2SO_4$ é uma reação clássica de nitração. Checando a diferença entre as fórmulas moleculares do composto dado e de B, vê-se que de fato há um H a menos e um $NO_2$ a mais, comprovando que deve ter sido essa nitração. Assim, chega-se na estrutura:

A reação de B com Zinco metálico, é também uma reação clássica de redução do grupo Nitro para uma amina. Porém, se fizermos uma retrossíntese da cafeína para o composto C, vemos que a reação que levou à formação da cafeína é nada mais do que uma Substituição Nucleofílica para adicionar um grupo metil ao Nitrogênio. Ou seja, o segundo ciclo que está presente na cafeína mas não em B, deve já ter se formado no composto C.

A formação desse segundo ciclo faz sentido, se lembrarmos que aldeídos e cetonas reagem com aminas para formar iminas. Na molécula formada pela redução de B temos uma amina e um aldeído na própria molécula e a reação entre esses dois grupos dá exatamente o ciclo esperado. Portanto, chega-se na estruturas estruturas: