Escrito por Guilherme Soares
GABARITO DA PARTE OBJETIVA:
CABABADEDCBDEEC
Questão 1
O lenacapavir (estrutura representada a seguir) é o princípio ativo de um medicamento antirretroviral utilizado no tratamento da AIDS, enfermidade causada pelo HIV.
Considerando a fórmula estrutural apresentada, são feitas as proposições a seguir.
I. Na fórmula do lenacapavir ocorrem as funções orgânicas amina, amida, cetona, haleto orgânico, sulfona e sulfonamida.
II. Na estrutura do lenacapavir, há dois átomos de carbono com hibridação $$sp$$, 22 com hibridação $$sp^2$$ e 15 com hibridação $$sp^3$$.
III. Na molécula de lenacapavir há apenas um átomo de carbono quaternário.
IV. Na molécula de lenacapavir há 11 ligações do tipo $$\pi$$ (pi) formadas entre átomos de carbono.
V. Na molécula de lenacapavir há três átomos de carbono assimétricos.
Marque a alternativa que indica apenas as proposições VERDADEIRAS.
( A ) I, II e IV.
( B ) I, III e V.
( C ) II, IV e V.
( D ) I, II, III e IV.
( E ) II, III, IV e V.
SOLUÇÃO:
(i) Falso. As funções cetona e amina não estão presentes no composto. (Os grupos nitrogenados são a sulfonamida, enamina e imina)
(ii) Verdadeiro.
(iii) Falso. Não há carbonos quaternários.
(iv) Verdadeiro.
(v) Verdadeiro. Carbonos assimétricos são aqueles com quatro substituintes diferentes.
ITEM (C)
Questão 2
Um estudante preparou três soluções: (A) 2,0 g de ureia ($$M = 60\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$$) em 2,0 kg de água; (B) 180,16 g de glicose ($$M = 180{,}16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$$) em 1,0 kg de água; e (C) 92,09 g de glicerina ($$M = 92{,}09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$$) em 2,0 kg de água. Avalie as seguintes afirmativas, assinalando-as com V, se forem verdadeiras, e com F, se forem falsas.
( ) O maior aumento ebuliométrico é observado na solução A.
( ) O aumento ebuliométrico ocorre na ordem A > C > B.
( ) A solução C apresenta o menor aumento ebuliométrico.
( ) O aumento ebuliométrico é proporcional à molalidade da solução.
( ) A solução B apresentará o maior aumento ebuliométrico em função da quantidade de soluto, que é maior comparativamente.
A sequência CORRETA, de cima para baixo, é:
( A ) F – F – F – V – V.
( B ) V – V – F – F – F.
( C ) V – F – V – F – V.
( D ) F – V – F – V – F.
( E ) V – F – F – F – V.
SOLUÇÃO:
O aumento ebuliométrico é proporcional a molalidade w (definido em mols de soluto por kg de solvente).
W(A) = 0.01678 mol/kg ; W(B) = 1 mol/kg ; W(C) = 0.5 mol/kg
(i) Falso. O maior aumento é na solução B.
(ii) Falso. O aumento ocorre na ordem B > C > A.
(iii) Falso. A solução A apresenta o menor aumento.
(iv) Verdadeiro.
(v) Verdadeiro.
ITEM (A)
Questão 3
Em um laboratório de fiscalização agropecuária, um estudante olímpico recebeu a tarefa de verificar o teor proteico de uma amostra de queijo suspeita de adulteração. O método escolhido foi o de Kjeldahl, que converte o nitrogênio orgânico em amônia. Após a digestão de uma amostra de 0,9814 g de queijo, o nitrogênio é oxidado a $$\mathrm{NH_4^+}$$, convertido em $$\mathrm{NH_3}$$ com $$\mathrm{NaOH}$$ e destilado em um frasco coletor contendo 50,00 mL de $$\mathrm{HCl}$$ $$0{,}1047\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$. O excesso de $$\mathrm{HCl}$$ é então titulado com $$\mathrm{NaOH}$$ $$0{,}1183\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$, sendo necessários 22,84 mL para atingir o ponto final, utilizando o indicador azul de bromotimol.
Assinale a fração mássica percentual de proteína no queijo, considerando que, na maioria dos produtos lácteos, há 6,38 g de proteína para cada grama de nitrogênio.
( A ) 15,62 %
( B ) 23,01 %
( C ) 25,18 %
( D ) 31,24 %
( E ) 46,02 %
SOLUÇÃO:
Inicialmente, calculamos o número de mols de $$HCl$$ presente no frasco coletor:
$$n(HCl)=0{,}05000\times0{,}1047=5{,}235\times10^{-3}\ mol$$
O $$HCl$$ que não reagiu com a amônia foi titulado com $$NaOH$$. Como a neutralização ocorre na proporção 1:1:
$$n(HCl)_{\text{excesso}}=n(NaOH)=0{,}02284\times0{,}1183=2{,}702\times10^{-3}\ mol$$
Portanto, a quantidade de $$HCl$$ que reagiu com a amônia foi:
$$n(HCl)_{\text{reagido}}=5{,}235\times10^{-3}-2{,}702\times10^{-3}=2{,}533\times10^{-3}\ mol$$
Como $$NH_3$$ e $$HCl$$ reagem na proporção 1:1, essa também corresponde à quantidade de matéria de nitrogênio presente na amostra. Assim:
$$m(N)=2{,}533\times10^{-3}\times14=3{,}546\times10^{-2}\ g$$
Sabendo que há 6,38 g de proteína para cada grama de nitrogênio:
$$m(\text{proteína})=3{,}546\times10^{-2}\times6{,}38\approx0{,}226\ g$$
Finalmente, a fração mássica percentual de proteína na amostra é:
$$\%\text{ proteína}=\frac{0{,}226}{0{,}9814}\times100\approx23{,}0\%$$
ITEM (B)
Questão 4
A polimerização é essencial na indústria química, pois gera materiais duráveis, resistentes, elásticos, transparentes e isolantes. Os polímeros têm amplo uso em fibras, filmes, tubos, revestimentos, artigos moldados e implantes médicos. Exemplos conhecidos incluem polietileno, PVC, Teflon, poliestireno, Orlon e Plexiglas. A pedido de uma indústria química, professores elaboraram um manual compacto que reúne teoria e prática sobre as reações de polimerização, com foco no rigor científico e no aprimoramento das práticas reacionais.
Das informações apresentadas nas alternativas a seguir, qual delas NÃO DEVERÁ constar no manual compacto elaborado?
( A ) Uma importante reação catalisada por metal é a polimerização de Ziegler-Natta, que produz polímeros de baixa densidade e muito mais resistentes do que os obtidos pela polimerização via radicais.
( B ) As polimerizações catalisadas por ácidos são realizadas com $$\mathrm{H_2SO_4}$$, $$\mathrm{HF}$$ e $$\mathrm{BF_3}$$ como iniciadores. Como passam por carbocátions intermediários, elas também são chamadas de polimerizações catiônicas.
( C ) O poli(cloreto de vinila), PVC, é produzido por uma polimerização regiosseletiva, na qual a adição ocorre apenas no carbono não substituído do monômero, pois o radical formado no carbono vizinho ao cloro é relativamente estável.
( D ) A polimerização via radicais, em altas temperaturas e pressões, acontece por um mecanismo em que o iniciador peróxido se decompõe em radicais alcoxi, que começam a polimerização ao se adicionarem à ligação dupla entre os átomos de carbono.
( E ) As polimerizações aniônicas são iniciadas por bases fortes, como alquil-lítio, amidas, alcóxidos e hidróxidos. Por exemplo, o 2-ciano-propenoato de metila (α-ciano-acrilato de metila) polimeriza-se rapidamente na presença de traços de hidróxido.
SOLUÇÃO:
A alternativa incorreta é a (A).
Na polimerização de Ziegler-Natta, catalisadores metálicos permitem maior controle sobre a estrutura do polímero, especialmente sua estereorregularidade e linearidade. Em processos como a produção de polietileno, isso favorece cadeias menos ramificadas, que se empacotam melhor e apresentam maior densidade e maior cristalinidade.
Portanto, é incorreto afirmar que a polimerização de Ziegler-Natta produz polímeros de baixa densidade. As demais alternativas descrevem adequadamente mecanismos de polimerização catiônica, radicalar e aniônica.
ITEM (A)
Questão 5
Para a reação de decomposição do iodeto de hidrogênio, representada a seguir, os valores de $$k$$ são $$1{,}2\times10^{-3}$$ e $$3{,}0\times10^{-5}\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,s^{-1}}$$ a 700 e 630 K, respectivamente.
$$\mathrm{2HI(g)\rightleftharpoons H_2(g)+I_2(g)}$$
Escolha a alternativa que indica quais são os valores da energia de ativação ($$E_a$$), em $$\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$, e do fator pré-exponencial ($$A$$), em $$\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,s^{-1}}$$.
Dados: $$R=8{,}314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}$$ e $$k=Ae^{-E_a/RT}$$.
( A ) $$E_a=386{,}4$$ e $$A=1{,}01\times10^{23}$$
( B ) $$E_a=193{,}2$$ e $$A=3{,}14\times10^{11}$$
( C ) $$E_a=193{,}2$$ e $$A=1{,}20\times10^{-3}$$
( D ) $$E_a=96{,}6$$ e $$A=5{,}63\times10^{5}$$
( E ) $$E_a=83{,}9$$ e $$A=2{,}21\times10^{3}$$
SOLUÇÃO:
Pela equação de Arrhenius,
$$k=Ae^{-E_a/RT}$$
podemos escrever, para duas temperaturas diferentes,
$$\ln\left(\frac{k_1}{k_2}\right)=\frac{E_a}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right)$$
Substituindo os valores fornecidos:
$$\ln\left(\frac{1{,}2\times10^{-3}}{3{,}0\times10^{-5}}\right)=\frac{E_a}{8{,}314}\left(\frac{1}{630}-\frac{1}{700}\right)$$
$$\ln(40)=\frac{E_a}{8{,}314}(1{,}587\times10^{-4})$$
Assim,
$$E_a\approx1{,}932\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}=193{,}2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$
Agora, substituindo esse valor na equação de Arrhenius, usando $$T=700\ \mathrm{K}$$ e $$k=1{,}2\times10^{-3}$$:
$$A=k\,e^{E_a/RT}$$
$$A=1{,}2\times10^{-3}\exp\left(\frac{193200}{8{,}314\times700}\right)$$
$$A\approx3{,}14\times10^{11}\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,s^{-1}}$$
Portanto,
ITEM (B).
Questão 6
Uma determinada substância A se interconverte em B, em primeira ordem, de modo que, passados 1000 s, a concentração de A se reduz à metade, gerando B em uma concentração $$[\mathrm{B}]=0{,}5\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$. Diante disso, avalie as seguintes afirmações, assinalando-as com V se forem verdadeiras e com F se forem falsas:
( ) A lei empírica de velocidade para essa transformação é dada por $$v_{\mathrm{tr}}=k_{\mathrm{dir}}[\mathrm{A}]$$.
( ) A velocidade empírica da reação é $$6{,}93\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}$$.
( ) A constante de velocidade da reação é 693 $$\mathrm{\mu Hz}$$.
( ) A constante de velocidade dessa reação independe da temperatura.
( ) A concentração inicial de A é $$0{,}5\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$.
A sequência CORRETA, de cima para baixo, é:
( A ) V – V – V – F – F.
( B ) F – F – F – V – V.
( C ) V – V – F – F – F.
( D ) F – V – F – V – F.
( E ) V – F – F – F – V.
SOLUÇÃO:
Como a reação é de primeira ordem, sua lei de velocidade é dada por:
$$v=k[A]$$
Portanto, a primeira afirmação é verdadeira.
Como a concentração de A se reduz à metade em 1000 s, esse intervalo corresponde ao tempo de meia-vida. Para uma reação de primeira ordem:
$$t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}$$
Logo,
$$k=\frac{0{,}693}{1000}=6{,}93\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}$$
Como $$1\ \mathrm{Hz}=1\ \mathrm{s^{-1}}$$:
$$k=6{,}93\times10^{-4}\ \mathrm{Hz}=693\ \mathrm{\mu Hz}$$
Assim, a terceira afirmação é verdadeira.
Após 1000 s, metade de A foi consumida e foi formada uma concentração de B igual a $$0{,}5\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$. Portanto, inicialmente havia:
$$[A]_0=1{,}0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$
A velocidade inicial é, então:
$$v_0=k[A]_0=(6{,}93\times10^{-4})(1{,}0)=6{,}93\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}$$
Logo, a segunda afirmação também é verdadeira.
A constante de velocidade depende da temperatura, como descrito pela equação de Arrhenius, portanto a quarta afirmação é falsa. Além disso, a concentração inicial de A é $$1{,}0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$, e não $$0{,}5\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$, tornando a quinta afirmação falsa.
A sequência é, portanto, V – V – V – F – F.
ITEM (A)
Questão 7
Muitas moléculas encontradas em medicamentos, fragrâncias e produtos naturais apresentam, simultaneamente, mais de um grupo funcional. A correta identificação desses grupos e a aplicação das regras de nomenclatura da IUPAC são essenciais para a comunicação científica internacional, permitindo que pesquisadores de diferentes países reconheçam exatamente a mesma substância química.
Em substâncias multifuncionais, a escolha da função principal determina a numeração da cadeia carbônica e a forma como os demais grupos são indicados no nome oficial. Esse procedimento evita ambiguidades e garante a padronização das informações químicas.
Uma substância orgânica apresenta a seguinte estrutura:
$$\mathrm{H_3C-CH(OH)-CH_2-CHO}$$
Assinale a alternativa que apresenta corretamente a nomenclatura IUPAC.
( A ) Butan-2-ol-1-al
( B ) 1-formilpropan-2-ol
( C ) 2-hidroxibutanal
( D ) 3-hidroxibutanal
( E ) 3-hidroxibutan-1-ol
SOLUÇÃO:
A molécula se trata de um aldeído com um grupo hidroxila na posição 3. Segundo a IUPAC, sua nomenclatura é 3-hidroxibutanal.
ITEM (D)
Questão 8
Em 1986, a cidade de Pripyat (sede da usina nuclear ucraniana, vizinha de Chernobyl) foi palco do maior acidente nuclear da história. Relatórios oficiais dão conta de que cerca de 27 kg do isótopo 137 do césio (Cs-137) foram envolvidos no acidente. No ano seguinte, em Goiânia (Brasil), 19 g de Cs-137 foram suficientes para gerar pânico e provocar a morte de pessoas que tiveram contato direto com pequenas quantidades desse material. Passados 24 anos desde o incidente em Goiânia, um tsunami causou, pela interrupção do fornecimento de energia do sistema de resfriamento, o superaquecimento e a vaporização de cerca de 4,7 kg de Cs-137, colocando o incidente de Fukushima como o segundo maior acidente nuclear da história. O decaimento radioativo do Cs-137 pode ser descrito por meio da reação nuclear representada a seguir
$$\mathrm{^{137}_{55}Cs \longrightarrow \beta^- + \bar{\nu}_e + {}^{137m}_{56}Ba}$$
seguida da reação
$$\mathrm{^{137m}_{56}Ba \longrightarrow \gamma + {}^{137}_{56}Ba}$$
em que o tempo de meia-vida do Cs-137 é de aproximadamente 30 anos, enquanto o tempo de meia-vida para o bário nuclearmente excitado (metabário, $$\mathrm{^{137m}_{56}Ba}$$) é de, aproximadamente, 2,55 minutos. Essas transformações nucleares são acompanhadas da liberação de partículas beta ($$\beta^-$$), antineutrino do elétron ($$\bar{\nu}_e$$) e radiação gama ($$\gamma$$). A massa molar do Cs-137 é 136,91 $$\mathrm{g\,mol^{-1}}$$. Diante dos dados apresentados, avalie as seguintes afirmações sobre estes sistemas radioativos, assinalando-as com V, se forem verdadeiras, e com F, se forem falsas.
( ) Se em 1986 toda a massa de 27 kg do Cs-137 fosse distribuída no ambiente de Pripyat, em 2026 espera-se observar cerca de 13,5 kg de $$\mathrm{^{137m}_{56}Ba}$$.
( ) Cerca de 197,22 mol de Cs-137 ainda estão presentes em Pripyat.
( ) Passados trinta anos, não há mais Cs-137 em Pripyat, ao contrário do observado em Fukushima.
( ) Para a quantidade de Cs-137 envolvida no acidente radiológico de Goiânia, é esperado que todo o material tenha sofrido decaimento.
( ) Em todos os casos, as quantidades de Cs-137 já sofreram degradação total.
A sequência CORRETA, de cima para baixo, é:
( A ) V – V – F – V – F.
( B ) F – V – V – F – V.
( C ) F – F – F – V – V.
( D ) V – V – V – V – V.
( E ) F – F – F – F – F.
SOLUÇÃO:
A lei de decaimento radioativo pode ser escrita como:
$$m=m_0\left(\frac{1}{2}\right)^{t/t_{1/2}}$$
Como a meia-vida do $$^{137}\mathrm{Cs}$$ é de aproximadamente 30 anos, analisamos cada afirmação separadamente.
(I) Falsa. Entre 1986 e 2026 transcorreram 40 anos. Assim, a massa de $$^{137}\mathrm{Cs}$$ restante seria:
$$m=27\left(\frac{1}{2}\right)^{40/30}\approx10{,}7\ \mathrm{kg}$$
Além disso, não faria sentido afirmar que o restante da massa estaria acumulado na forma de $$^{137m}\mathrm{Ba}$$. Esse núcleo excitado possui meia-vida de apenas 2,55 minutos e rapidamente sofre emissão $$\gamma$$, formando $$^{137}\mathrm{Ba}$$. Portanto, não se esperam 13,5 kg de metabário acumulados.
(II) Falsa. O valor de 197,22 mol corresponde aproximadamente à quantidade inicial de $$^{137}\mathrm{Cs}$$:
$$n_0=\frac{27000}{136{,}91}\approx197{,}2\ \mathrm{mol}$$
Após 40 anos:
$$n=197{,}2\left(\frac{1}{2}\right)^{40/30}\approx78{,}3\ \mathrm{mol}$$
Portanto, não restam 197,22 mol em 2026.
(III) Falsa. Uma meia-vida não corresponde ao tempo necessário para que todo o material desapareça. Após 30 anos, resta metade da quantidade inicial:
$$m=\frac{m_0}{2}$$
O decaimento radioativo é exponencial e, pelo modelo ideal, a quantidade de material apenas tende a zero com o passar do tempo.
(IV) Falsa. O mesmo raciocínio vale para o acidente de Goiânia. Mesmo após várias décadas, não é esperado que todo o $$^{137}\mathrm{Cs}$$ tenha decaído. Considerando aproximadamente 39 anos entre 1987 e 2026:
$$m=19\left(\frac{1}{2}\right)^{39/30}\approx7{,}7\ \mathrm{g}$$
ainda permaneceriam sem decair.
(V) Falsa. Como o decaimento é exponencial e a meia-vida do $$^{137}\mathrm{Cs}$$ é de 30 anos, nenhum dos casos mencionados corresponde à degradação total do material.
A sequência correta é, portanto:
$$\boxed{\mathrm{F-F-F-F-F}}$$
ITEM (E)
Questão 9
As reações de substituição e eliminação são fundamentais na química orgânica porque permitem transformar moléculas de forma controlada, criando novas funções e ajustando suas propriedades químicas. Juntas, essas reações são pilares da síntese orgânica moderna, permitindo desde a produção de princípios ativos para fármacos até o desenvolvimento de materiais avançados.
Considere as reações representadas a seguir:
Assinale a alternativa que indica um produto que NÃO PODE ser obtido ao se realizar essas reações:
SOLUÇÃO:
O produto do item a) pode ser formado a partir de uma eliminação no segundo reagente. O produto b) pode ser formado a partir de uma eliminação no terceiro reagente. Os produtos c) e e) podem ser formados, respectivamente, por uma substituição e uma eliminação no primeiro reagente.
ITEM (D).
Questão 10
Considere os valores de entalpia de formação molar padrão ($$\Delta_fH^\circ$$) no quadro a seguir.
| Substância | $$\Delta_fH^\circ$$ ($$\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$) |
| $$\mathrm{CO(g)}$$ | −100,5 |
| $$\mathrm{CO_2(g)}$$ | −393,5 |
| $$\mathrm{NO(g)}$$ | +90,2 |
| $$\mathrm{NO_2(g)}$$ | +33,2 |
Marque a alternativa que apresenta o valor correto da variação de entalpia (em kJ) da reação representada a seguir:
$$\mathrm{CO(g)+NO_2(g)\longrightarrow CO_2(g)+NO(g)}$$
( A ) −427,0
( B ) −380,6
( C ) −236,0
( D ) −159,6
( E ) +159,6
SOLUÇÃO:
$$(90,2-393,5)-(33,2-100,5) = -236$$
ITEM (C)
Questão 11
Os combustíveis de aviação sustentáveis (SAF – Sustainable Aviation Fuel) vêm sendo desenvolvidos a partir de biomassa e de resíduos orgânicos. Uma das estratégias envolve a produção de hidrocarbonetos com estruturas específicas capazes de reproduzir propriedades físicas semelhantes às do querosene convencional. A presença de ramificações e de diferentes tipos de ligações carbono-carbono influencia diretamente características como a volatilidade, a estabilidade térmica e a eficiência energética. Os combustíveis sustentáveis têm estimulado pesquisas sobre hidrocarbonetos de cadeia complexa. Considere a molécula representada pela fórmula condensada:
$$\mathrm{H_3C-CH(CH_3)-C{\equiv}C-CH_2-CH(CH_2CH_3)-CH_3}$$
Sobre essa molécula, assinale a alternativa CORRETA.
( A ) Apresenta cadeia fechada, homogênea, ramificada e insaturada.
( B ) Apresenta cadeia aberta, homogênea, ramificada e insaturada.
( C ) Possui dois átomos de carbono terciários e um de carbono quaternário.
( D ) Possui três átomos de carbono com hibridação $$sp^2$$ e dois com hibridação $$sp$$.
( E ) Possui apenas átomos de carbono primários e secundários.
SOLUÇÃO:
A cadeia apresentada é aberta, pois não possui ciclos; homogênea, pois não há heteroátomos inseridos na cadeia carbônica; ramificada, pela presença de grupos laterais; e insaturada, devido à presença de uma ligação tripla carbono-carbono.
Além disso, os dois carbonos da ligação tripla apresentam hibridação $$sp$$, e a molécula não possui carbonos $$sp^2$$. Há também dois carbonos terciários, mas nenhum carbono quaternário.
ITEM (B)
Questão 12
Durante uma investigação sobre a estrutura da matéria, uma pesquisadora obteve quatro evidências experimentais independentes, cada uma proveniente de um experimento distinto, conforme descrito a seguir.
Experimento 1: Um feixe de partículas $$\alpha$$ atravessa uma fina lâmina metálica, e apenas uma pequena fração sofre desvios superiores a 90°.
Experimento 2: Um metal, quando iluminado por radiação de frequência suficientemente elevada, emite elétrons instantaneamente.
Experimento 3: Um feixe de elétrons produz um padrão de difração ao atravessar um cristal.
Experimento 4: O espectro de emissão do hidrogênio consiste em linhas discretas e não em um contínuo de frequências.
Considerando exclusivamente as conclusões que podem ser extraídas dessas evidências, é possível inferir que os experimentos:
( A ) 1, 2, 3 e 4 demonstram que a posição e a velocidade de uma partícula podem ser determinadas simultaneamente com precisão arbitrária.
( B ) 1 e 3 demonstram que elétrons e partículas $$\alpha$$ possuem natureza exclusivamente ondulatória.
( C ) 1 e 4 são suficientes para concluir que os elétrons possuem comportamento dual onda-partícula.
( D ) 2 e 3 fornecem evidências complementares de que a radiação eletromagnética e a matéria não podem ser descritas exclusivamente pelos modelos clássicos de onda ou de partícula.
( E ) 2 e 4 demonstram que a energia associada aos elétrons em um átomo pode variar continuamente.
SOLUÇÃO:
O experimento 2 corresponde ao efeito fotoelétrico. A emissão de elétrons apenas acima de certa frequência é incompatível com a descrição puramente ondulatória clássica da luz e evidencia seu comportamento corpuscular, por meio de fótons.
Já o experimento 3 mostra a difração de elétrons, fenômeno característico de ondas. Assim, partículas materiais como os elétrons também apresentam comportamento ondulatório.
Portanto, os experimentos 2 e 3 fornecem evidências complementares da dualidade onda-partícula: a radiação eletromagnética apresenta propriedades corpusculares, enquanto a matéria apresenta propriedades ondulatórias.
ITEM (D)
Questão 13
A indústria farmacêutica dedica grande atenção à estereoquímica dos princípios ativos dos medicamentos. Em muitos casos, moléculas com a mesma fórmula molecular e a mesma sequência de ligações podem apresentar diferentes arranjos espaciais, resultando em efeitos biológicos distintos. O organismo humano é composto por sistemas quirais, como enzimas e receptores, capazes de reconhecer seletivamente determinadas configurações moleculares.
Um exemplo clássico é o ibuprofeno, cujo efeito terapêutico está associado principalmente a um de seus enantiômeros. Por isso, compreender as relações entre a estrutura tridimensional e a atividade biológica tornou-se um aspecto fundamental no desenvolvimento de novos fármacos. O fármaco ibuprofeno apresenta um centro estereogênico e é comercializado principalmente na forma de um único enantiômero biologicamente mais ativo.
Sobre os pares de moléculas enantioméricas, assinale a alternativa CORRETA.
( A ) Diferem quanto à fórmula molecular.
( B ) São imagens especulares superponíveis.
( C ) São classificados como isômeros constitucionais.
( D ) Apresentam necessariamente temperaturas de ebulição diferentes.
( E ) Possuem propriedades físicas idênticas em meio aquiral, diferindo apenas na interação com luz polarizada.
SOLUÇÃO:
Enantiômeros são compostos de mesma fórmula molecular e mesma conectividade, diferindo apenas pelo fato de serem imagens especulares não-superponíveis. São classificados como isômeros ópticos. Possuem propriedades físicas idênticas, porém desviam a luz para lados diferentes.
ITEM (E)
Questão 14
A acidez de compostos orgânicos desempenha um papel importante em processos biológicos, industriais e ambientais. Substâncias como fenóis, álcoois e ácidos carboxílicos podem estar presentes em efluentes industriais, em produtos farmacêuticos e em materiais de origem vegetal. O comportamento ácido dessas moléculas influencia sua reatividade química, sua solubilidade em água e sua interação com organismos vivos. Embora todas essas substâncias possuam átomos de hidrogênio potencialmente ionizáveis, a extensão em que a ionização ocorre depende da estabilidade da espécie formada após a ionização. Fatores estruturais, como ressonância e efeitos eletrônicos, são determinantes para explicar as diferenças observadas em suas forças ácidas.
Considere as substâncias:
I. Ácido benzoico;
II. Ácido propanoico;
III. Ácido propenoico;
IV. Ácido trifluoroacético.
A ordem CORRETA de acidez crescente é:
( A ) I < II < III < IV.
( B ) II < III < IV < I.
( C ) III < II < IV < I.
( D ) I < IV < II < III.
( E ) II < III < I < IV.
SOLUÇÃO:
A força de um ácido carboxílico está relacionada à estabilidade de sua base conjugada. Quanto mais estabilizado estiver o ânion carboxilato formado após a perda de $$H^+$$, maior será a acidez.
O ácido propanoico (II) possui um grupo alquila, que exerce efeito indutivo doador de elétrons ($$+I$$), desestabilizando o carboxilato e diminuindo sua acidez.
No ácido propenoico (III), o carbono $$sp^2$$ vizinho ao grupo carboxila exerce maior efeito retirador de elétrons que um carbono $$sp^3$$, estabilizando melhor a base conjugada. O ácido benzoico (I) é ainda ligeiramente mais ácido, devido ao efeito eletrônico do grupo fenila sobre a carboxila.
Por fim, no ácido trifluoroacético (IV), os três átomos de flúor exercem um forte efeito indutivo retirador de elétrons ($$-I$$), estabilizando muito o ânion carboxilato e tornando esse composto o mais ácido dos quatro.
Assim, a ordem crescente de acidez é:
$$\mathrm{II < III < I < IV}$$
ITEM (E)
Questão 15
A prednisolona é um fármaco do grupo dos anti-inflamatórios esteroidais. Sua estrutura química é apresentada a seguir.
Há disponível um frasco com 80 mL desse medicamento, constituído por uma solução com concentração de $$18{,}02\ \mathrm{g\,L^{-1}}$$. Para ser administrada a um paciente, a solução precisa ser diluída, e para tal foram adicionados 40,00 mL de água. Considerando que os volumes são aditivos, a concentração em quantidade de substância ($$\mathrm{mol\,L^{-1}}$$) da solução, após a diluição, é de:
( A ) 0,01.
( B ) 0,02.
( C ) 0,03.
( D ) 0,04.
( E ) 0,05.
SOLUÇÃO:
A fórmula molecular da prednisolona é $$\mathrm{C_{21}H_{28}O_5}$$, portanto sua massa molar é de aproximadamente:
$$M=21(12)+28(1)+5(16)=360\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$$
Assim, a concentração molar da solução inicial é:
$$C_i=\frac{18{,}02}{360}\approx0{,}050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$
Após a adição de 40,00 mL de água aos 80 mL iniciais, o volume final será:
$$V_f=80+40=120\ \mathrm{mL}$$
Logo,
$$C_iV_i=C_fV_f$$
$$0{,}050\times80=C_f\times120$$
$$C_f\approx0{,}033\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$
Portanto, o valor mais próximo é $$0{,}03\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$.
ITEM (C)
Questão 16
Edulcorantes são aditivos alimentares que conferem sabor doce aos alimentos. O aspartame é um adoçante artificial, um dipeptídeo constituído por Asp-Phe (estrutura dos aminoácidos representada a seguir), no qual o grupo carboxílico terminal (da Phe) foi modificado pela adição de um grupo metila.
a) Desenhe a estrutura do aspartame.
b) Quais são as funções orgânicas presentes na estrutura do aspartame?
c) O aminoácido Asp tem $$pK_a$$ igual a 1,94 (α-carboxila), 9,75 (α-amino) e 3,78 (cadeia lateral); Phe tem $$pK_a$$ igual a 2,2 (α-carboxila) e 9,3 (α-amino). Desenhe a estrutura do aspartame em pH 7.
d) Explique por que o aspartame é pouco estável em meio fortemente ácido ($$\mathrm{pH<3}$$).
e) No metabolismo do aspartame, formam-se os aminoácidos Asp e Phe, além de metanol. Qual dos dois aminoácidos é mais solúvel em água? Justifique sua resposta.
SOLUÇÃO:
a)
b) Ácido carboxílico, amina, amida e éster.
c) Quando o pH de uma espécie é maior que o seu pKa, é predominante a forma desprotonada:
d) Em meio fortemente ácido, o aspartame apresenta baixa estabilidade porque suas funções amida e éster podem sofrer hidrólise catalisada por ácido.
e) O ácido aspártico (Asp) é mais solúvel em água que a fenilalanina (Phe). Em solução aquosa, ambos apresentam grupos iônicos, porém o Asp possui um grupo carboxila adicional em sua cadeia lateral. Em pH próximo ao fisiológico, esse grupo encontra-se majoritariamente na forma $$\mathrm{COO^-}$$, aumentando a polaridade e a interação da molécula com a água.
Já a fenilalanina possui uma cadeia lateral benzílica apolar, que aumenta seu caráter hidrofóbico e reduz sua solubilidade em água.
Questão 17
A escolha de substâncias para aplicações industriais depende diretamente de suas propriedades físicas e químicas. Substâncias orgânicas com massas molares semelhantes podem apresentar comportamentos muito diferentes quanto à solubilidade, volatilidade, acidez e temperatura de ebulição. Essas diferenças decorrem principalmente dos grupos funcionais presentes e das interações intermoleculares estabelecidas entre as moléculas. O estudo das relações entre a estrutura molecular e as propriedades macroscópicas é essencial para áreas como a indústria química, a farmacêutica e a de materiais. Compreender essas correlações permite prever o comportamento de substâncias em processos de separação, síntese e formulação de produtos.
Os compostos butano, butan-1-ol e ácido butanoico possuem massas molares semelhantes, mas apresentam propriedades bastante distintas. Considerando as informações apresentadas, responda aos itens seguintes.
a) Identifique a força intermolecular predominante em cada substância.
b) Disponha essas substâncias em ordem crescente de temperatura de ebulição. Justifique a ordem disposta.
c) Compare a solubilidade no solvente água, em temperatura ambiente, do butan-1-ol e do ácido butanoico e justifique.
d) Indique qual das três substâncias apresenta maior acidez e justifique.
e) Escreva a equação química que representa a reação de conversão de butan-1-ol em ácido butanoico, descrevendo todas as etapas envolvidas e informando as condições necessárias de temperatura, pH e catalisador.
SOLUÇÃO:
a) No butano, molécula apolar, predominam as forças de dispersão de London. No butan-1-ol e no ácido butanoico, predominam as ligações de hidrogênio.
b) A ordem crescente das temperaturas de ebulição é:
$$\mathrm{butano < butan\text{-}1\text{-}ol < \acute{a}cido\ butanoico}$$
O butano apresenta apenas forças de London, as mais fracas entre as interações presentes. O butan-1-ol estabelece ligações de hidrogênio, necessitando de maior energia para separar suas moléculas. Já o ácido butanoico forma associações intermoleculares particularmente fortes, inclusive dímeros estabilizados por duas ligações de hidrogênio, apresentando a maior temperatura de ebulição.
c) O ácido butanoico é mais solúvel em água que o butan-1-ol. Embora ambos possam formar ligações de hidrogênio com a água, o grupo carboxila possui dois átomos de oxigênio e apresenta maior polaridade que o grupo hidroxila do álcool. Além disso, parte das moléculas do ácido butanoico pode se ionizar em água, formando íons carboxilato, que apresentam forte interação íon-dipolo com o solvente.
d) O ácido butanoico apresenta a maior acidez. Após a perda de $$H^+$$, forma-se o ânion carboxilato, cuja carga negativa é estabilizada por ressonância entre os dois átomos de oxigênio:
e) A transformação do butan-1-ol em ácido butanoico corresponde à oxidação de um álcool primário até ácido carboxílico.
Em geral, emprega-se aquecimento, frequentemente sob refluxo, para favorecer a oxidação completa do álcool primário até o ácido carboxílico.
O enunciado não é nada preciso ao pedir “pH e catalisador” de forma explicita. Diferentes sistemas podem ser usados e muitos deles nem sequer precisam envolver catalisadores. Também não é claro o que é pedido com “escreva a reação global”. Outra possibilidade é que seja necessário escrever apenas uma etapa para o aldeído e uma para o ácido, ambas com o reagente sendo [O].
De qualquer forma, alguns reagentes estão listados para respostas plausíveis:
• $$\mathrm{K_2Cr_2O_7/H_2SO_4}$$;
• $$\mathrm{Na_2Cr_2O_7/H_2SO_4}$$;
• $$\mathrm{H_2Cr_2O_7}$$ (meio ácido);
• $$\mathrm{CrO_3/H_2SO_4}$$;
• $$\mathrm{KMnO_4}$$.
Questão 18
A vida na Terra é possível graças à energia emitida pelo Sol. Essa energia é produzida em seu núcleo por meio da fusão nuclear, processo no qual núcleos de hidrogênio se unem para formar hélio, liberando uma enorme quantidade de energia.
O núcleo do Sol é constituído por aproximadamente 36 % de hidrogênio ($$\mathrm{^1H}$$) e 64 % de hélio ($$\mathrm{^4He}$$) em massa. Devido às elevadas temperaturas e pressões existentes nessa região, os átomos encontram-se completamente ionizados, isto é, todos os elétrons foram removidos. Esse estado da matéria é denominado plasma e é formado por prótons, núcleos de hélio e elétrons livres.
Considere que, no núcleo do Sol, a densidade é igual a $$158\ \mathrm{g\,cm^{-3}}$$ e a pressão é igual a $$2{,}5\times10^{11}\ \mathrm{atm}$$.
a) Calcule o número total de quantidade de substância de partículas (prótons, núcleos de hélio e elétrons), presentes em $$1\ \mathrm{cm^3}$$ do núcleo do Sol.
b) Calcule a porcentagem do volume efetivamente ocupado pelas partículas nas seguintes situações:
○ hidrogênio gasoso ($$\mathrm{H_2}$$), a 300 K e 1 atm;
○ hidrogênio líquido, cuja densidade é $$0{,}09\ \mathrm{g\,cm^{-3}}$$.
c) Considere que:
○ o volume de uma molécula de hidrogênio ($$\mathrm{H_2}$$) é igual ao dobro do volume de um átomo de hidrogênio;
○ o átomo de hidrogênio pode ser considerado uma esfera de raio igual ao raio de Bohr, $$r_B=0{,}53\times10^{-8}\ \mathrm{cm}$$.
Compare os valores obtidos para os dois estados físicos.
d) Sabendo que, no núcleo do Sol, os átomos encontram-se completamente ionizados, formando um plasma constituído por prótons, núcleos de hélio e elétrons livres, calcule a porcentagem do volume ocupado por essas partículas em $$1\ \mathrm{cm^3}$$ de plasma. (plasma solar: desprezar o volume dos elétrons)
e) Considere que o raio de um núcleo atômico é dado por $$r=(1{,}4\times10^{-13}\ \mathrm{cm})A^{1/3}$$, em que $$A$$ representa o número de massa do núcleo. Utilizando a Lei dos Gases Ideais, $$PV=nRT$$, estime a temperatura do núcleo do Sol e compare o valor encontrado com a temperatura necessária para que ocorra a fusão nuclear do hidrogênio em hélio, $$1{,}5\times10^7\ \mathrm{K}$$. Comente o resultado obtido.
SOLUÇÃO:
Antes de resolver, vale observar que a questão apresenta alguns problemas de elaboração. Alguns trechos estão fora de ordem, outros confusos. De qualquer forma, aqui está uma possível interpretação para o problema:
a) Em $$1\ \mathrm{cm^3}$$ do núcleo do Sol, a massa total é: $$m=158\ \mathrm{g}$$ Como 36% dessa massa corresponde a hidrogênio: $$m_H=0{,}36\times158=56{,}88\ \mathrm{g}$$ Considerando $$^1H$$, temos: $$n_H=56{,}88\ \mathrm{mol}$$ Cada átomo de hidrogênio completamente ionizado produz um próton e um elétron. Portanto: $$n_{p^+}=56{,}88\ \mathrm{mol}$$ $$n_{e^-,H}=56{,}88\ \mathrm{mol}$$ Para o hélio: $$m_{He}=0{,}64\times158=101{,}12\ \mathrm{g}$$ $$n_{He}=\frac{101{,}12}{4}=25{,}28\ \mathrm{mol}$$ Cada núcleo de hélio corresponde a uma partícula e cada átomo fornece dois elétrons: $$n_{\text{núcleos de He}}=25{,}28\ \mathrm{mol}$$ $$n_{e^-,He}=2(25{,}28)=50{,}56\ \mathrm{mol}$$ Logo, o número total de mols de partículas é: $$n_{\text{total}}=56{,}88+56{,}88+25{,}28+50{,}56$$ $$\boxed{n_{\text{total}}=189{,}6\ \mathrm{mol}}$$
b) e c) Como o item (b) depende diretamente das informações fornecidas no item (c), resolvemos os dois conjuntamente.
O átomo de hidrogênio é aproximado como uma esfera de raio:
$$r_B=0{,}53\times10^{-8}\ \mathrm{cm}$$
Assim, seu volume é:
$$V_H=\frac{4}{3}\pi r_B^3$$
$$V_H=\frac{4}{3}\pi(0{,}53\times10^{-8})^3$$
$$V_H\approx6{,}24\times10^{-25}\ \mathrm{cm^3}$$
A questão determina que o volume de uma molécula de $$H_2$$ seja o dobro:
$$V_{H_2}\approx1{,}25\times10^{-24}\ \mathrm{cm^3}$$
Em um mol de $$H_2$$, o volume efetivamente ocupado pelas moléculas é:
$$V_{\text{ocupado}}=N_A V_{H_2}$$
$$V_{\text{ocupado}}\approx(6{,}02\times10^{23})(1{,}25\times10^{-24})$$
$$V_{\text{ocupado}}\approx0{,}75\ \mathrm{cm^3}$$
Para o hidrogênio gasoso a 300 K e 1 atm:
$$PV=nRT$$
Para 1 mol:
$$V=\frac{(1)(0{,}082)(300)}{1}\approx24{,}6\ \mathrm{L}$$
$$V\approx2{,}46\times10^4\ \mathrm{cm^3}$$
Portanto, a porcentagem efetivamente ocupada pelas moléculas é:
$$\%V=\frac{0{,}75}{2{,}46\times10^4}\times100$$
$$\boxed{\%V_{\text{gás}}\approx3{,}05\times10^{-3}\%}$$
Para o hidrogênio líquido, considerando aproximadamente 2 g por mol de $$H_2$$:
$$V=\frac{m}{\rho}=\frac{2}{0{,}09}\approx22{,}2\ \mathrm{cm^3}$$
Assim:
$$\%V=\frac{0{,}75}{22{,}2}\times100$$
$$\boxed{\%V_{\text{líquido}}\approx3{,}38\%}$$
Portanto, no líquido, as partículas ocupam uma fração muito maior do volume total que no gás, como esperado devido à distância muito menor entre as moléculas.
d) Para o plasma solar, desprezamos o volume dos elétrons, conforme solicitado.
O raio nuclear é dado por:
$$r=(1{,}4\times10^{-13})A^{1/3}\ \mathrm{cm}$$
Para o próton, $$A=1$$:
$$r_H=1{,}4\times10^{-13}\ \mathrm{cm}$$
Seu volume é:
$$V_H=\frac{4}{3}\pi r_H^3\approx1{,}15\times10^{-38}\ \mathrm{cm^3}$$
Para o núcleo de hélio, $$A=4$$:
$$r_{He}=(1{,}4\times10^{-13})4^{1/3}$$
e seu volume é aproximadamente:
$$V_{He}\approx4{,}60\times10^{-38}\ \mathrm{cm^3}$$
Em $$1\ \mathrm{cm^3}$$ de núcleo solar, há $$56{,}88$$ mol de prótons e $$25{,}28$$ mol de núcleos de hélio. Logo:
$$V_{\text{ocupado}}=
56{,}88N_AV_H+25{,}28N_AV_{He}$$
$$V_{\text{ocupado}}\approx1{,}09\times10^{-12}\ \mathrm{cm^3}$$
Assim:
$$\%V=\frac{1{,}09\times10^{-12}}{1}\times100$$
$$\boxed{\%V\approx1{,}09\times10^{-10}\%}$$
Ou seja, mesmo em um plasma extremamente denso, o volume geométrico ocupado pelos núcleos é ínfimo em comparação com o volume total.
e) Aplicando a equação dos gases ideais ao plasma:
$$PV=nRT$$
Temos:
$$P=2{,}5\times10^{11}\ \mathrm{atm}$$
$$V=1\ \mathrm{cm^3}=1{,}0\times10^{-3}\ \mathrm{L}$$
$$n=189{,}6\ \mathrm{mol}$$
$$R=0{,}082\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}$$
Então:
$$T=\frac{PV}{nR}$$
$$T=\frac{(2{,}5\times10^{11})(1{,}0\times10^{-3})}{(189{,}6)(0{,}082)}$$
$$\boxed{T\approx1{,}6\times10^7\ \mathrm{K}}$$
Esse valor é bastante próximo da temperatura indicada no enunciado como necessária para a fusão nuclear:
$$1{,}5\times10^7\ \mathrm{K}$$
Questão 19
Suponha que uma cidade costeira pretenda investir recursos públicos em apenas um dos seguintes projetos:
Projeto I: Instalação de painéis fotovoltaicos.
Projeto II: Dessalinização de água do mar por osmose reversa.
Projeto III: Planta industrial para produção de biocombustíveis de segunda geração a partir de resíduos lignocelulósicos.
A Tabela 1 apresenta dados de estudos técnicos preliminares, que forneceram os seguintes indicadores médios.
| Indicador | Projeto I (Fotovoltaico) | Projeto II (Dessalinização) | Projeto III (Biocombustíveis) |
| Pegada de carbono operacional | $$45\ \mathrm{g\ CO_2\text{-}eq\ kWh^{-1}}$$ | $$1{,}80\ \mathrm{kg\ CO_2\text{-}eq\ m^{-3}}$$ de água produzida | $$22\ \mathrm{g\ CO_2\text{-}eq\ MJ^{-1}}$$ de combustível |
| Consumo energético específico | – | $$4{,}5\ \mathrm{kWh\ m^{-3}}$$ de água dessalinizada | $$0{,}35\ \mathrm{MJ}$$ consumidos por MJ produzido |
| Custo operacional unitário | R$ 0,18 $$\mathrm{kWh^{-1}}$$ gerado | R$ 5,40 $$\mathrm{m^{-3}}$$ de água produzida | R$ 3,20 $$\mathrm{L^{-1}}$$ de combustível |
| Vida útil média | 25 anos | 20 anos | 18 anos |
| Geração anual de resíduos sólidos | $$1{,}5\ \mathrm{kg\ MWh^{-1}}$$ | $$12\ \mathrm{kg\ MWh^{-1}}$$ | $$28\ \mathrm{kg\ MWh^{-1}}$$ |
Como consultor científico da prefeitura, responda corretamente às seguintes questões.
a) Identifique os principais benefícios ambientais de cada projeto.
b) Compare, quantitativamente e com contextualização, os três projetos com base nos dados apresentados.
c) Indique e discuta as limitações químicas, energéticas e econômicas de cada projeto.
d) Analise os possíveis impactos indiretos de cada projeto associados a: 1 – emissões de carbono ou ao uso de recursos naturais; 2 – geração de resíduos; e 3 – efeitos sobre os ecossistemas.
e) Considerando exclusivamente os dados fornecidos e os princípios da Química Verde, indique qual projeto deveria receber prioridade de investimento e justifique sua decisão de forma quantitativa e qualitativa.
SOLUÇÃO:
Antes de responder, é importante destacar: Os três projetos têm finalidades completamente diferentes: um gera eletricidade, outro produz água potável e o terceiro produz combustível. Por isso, comparar diretamente indicadores como custo, pegada de carbono e geração de resíduos entre eles é inviável. As unidades de referência não são as mesmas.
Além disso, o item (e) exige a escolha de um único projeto como prioridade de investimento, mesmo sem fornecer informações fundamentais, como demandas da cidade. Portanto, não existe uma resposta única e rigorosa. A questão é excessivamente subjetiva para a prova. De qualquer modo:
a) Os principais benefícios ambientais de cada projeto são:
Projeto I – Fotovoltaico: geração de eletricidade renovável durante a operação, baixa emissão de gases de efeito estufa e pequena geração operacional de resíduos.
Projeto II – Dessalinização: produção de água potável a partir de uma fonte abundante, reduzindo a pressão sobre reservatórios de água doce e podendo aumentar a segurança hídrica de regiões costeiras.
Projeto III – Biocombustíveis: aproveitamento de resíduos, redução da dependência de combustíveis fósseis e valorização de materiais que poderiam ser descartados.
b) Uma comparação quantitativa direta entre os três projetos não é possível de maneira rigorosa com os dados fornecidos, pois cada projeto apresenta indicadores expressos em bases funcionais diferentes.
Ainda assim, alguns indicadores comparáveis podem ser observados isoladamente. O Projeto I apresenta a maior vida útil: $$25>20>18\ \text{anos}$$ e a menor geração de resíduos sólidos por unidade de energia indicada na tabela: $$1{,}5<12<28\ \mathrm{kg\,MWh^{-1}}$$ Por esses dois critérios específicos, o projeto fotovoltaico apresenta vantagem.
c)
Projeto I: apresenta custos iniciais elevados e utilização de materiais e processos industriais na fabricação dos painéis.
Projeto II: possui elevado consumo energético e alto custo de manutenção.
Projeto III: apresenta dificuldades químicas associadas à quebra da estrutura lignocelulósica, frequentemente exigindo etapas de pré-tratamento e processos enzimáticos ou químicos.
d)
Projeto I: a ocupação de grandes áreas pode afetar habitats locais.
Projeto II: o principal impacto indireto é o alto consumo energético e a geração de salmoura concentrada. O descarte inadequado dessa salmoura pode alterar a salinidade local e prejudicar ecossistemas marinhos.
Projeto III: apesar do aproveitamento de resíduos, o processo pode gerar efluentes e resíduos sólidos. Além disso, se a biomassa não for realmente residual, sua obtenção em grande escala pode estimular uso de solo, consumo de água e impactos sobre ecossistemas.
e) Este item é particularmente problemático, pois a escolha de um projeto depende da necessidade que a cidade pretende atender. Uma cidade com grave escassez hídrica poderia racionalmente priorizar a dessalinização, mesmo que esse projeto apresente maior consumo energético. Uma cidade com alta demanda de energia elétrica poderia preferir o projeto fotovoltaico. Da mesma forma, uma região com grande disponibilidade de resíduos lignocelulósicos poderia encontrar maior benefício no projeto de biocombustíveis.
O Projeto I é o candidato mais defensável. Ele apresenta a maior vida útil, de 25 anos, e a menor geração de resíduos sólidos entre os três. Além disso, gera energia sem consumo direto de combustível durante a operação e apresenta baixa pegada de carbono operacional.
Entretanto, essa conclusão deve ser interpretada com bastante cautela. A questão permite uma argumentação plausível em favor do Projeto I, mas não possui uma resposta única e objetiva bem definida.
Questão 20
Diversas reações metabólicas envolvem transferência de elétrons entre moléculas. Como o pH dos fluidos biológicos é aproximadamente igual a 7, utiliza-se o potencial biológico padrão, representado por $$E^{*\circ}$$, em vez do potencial padrão $$E^\circ$$, definido para soluções nas quais a concentração de íons $$\mathrm{H^+}$$ é igual a $$1{,}0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$ ($$\mathrm{pH}=0$$). A relação entre o potencial padrão e o potencial biológico padrão pode ser obtida pela equação de Nernst, dada por
$$E=E^\circ-\frac{0{,}05916}{n}\log Q,$$
em que $$E$$ é o potencial do eletrodo (V); $$E^\circ$$ é o potencial padrão do eletrodo (V); $$n$$ é o número de elétrons transferidos; $$Q$$ é o quociente da reação.
Para soluções em $$\mathrm{pH}=7$$, considere $$[\mathrm{H^+}]=10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$.
Quando necessário, utilize também as seguintes relações:
$$\Delta G^\circ=-nF\Delta E^\circ$$
$$\Delta G^\circ=-RT\ln K$$
ou
$$\log K=\frac{n\Delta E^\circ}{0{,}05916}$$
Considere ainda:
○ Temperatura: $$T=298\ \mathrm{K}$$
○ Constante dos gases: $$R=8{,}314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}$$
○ Constante de Faraday: $$F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}$$
○ Potencial padrão da redução do hidrogênio: $$\mathrm{2H^+(aq)+2e^- \rightarrow H_2(g)}$$ $$E^\circ=0{,}0\ \mathrm{V}$$
○ Potencial padrão da redução do nitrato: $$\mathrm{NO_3^-(aq)+4H^+(aq)+3e^- \rightarrow NO(g)+2H_2O(l)}$$ $$E^\circ=+0{,}957\ \mathrm{V}$$
a) Calcule o potencial biológico padrão ($$E^{*\circ}$$) para as semirreações representadas a seguir:
I. $$\mathrm{2H^+(aq)+2e^- \rightarrow H_2(g)}$$
II. $$\mathrm{NO_3^-(aq)+4H^+(aq)+3e^- \rightarrow NO(g)+2H_2O(l)}$$
b) A redução da biomolécula $$\mathrm{NAD^+}$$ ocorre segundo a reação representada a seguir
$$\mathrm{NAD^+(aq)+H^+(aq)+2e^- \rightarrow NADH(aq)}$$
Sabendo que $$E^\circ=-0{,}099\ \mathrm{V}$$, calcule o potencial biológico padrão ($$E^{*\circ}$$) dessa semirreação.
c) Durante o metabolismo celular, o íon piruvato é reduzido a íon lactato segundo a reação representada a seguir
$$\mathrm{\text{íon piruvato}(aq)+2H^+(aq)+2e^- \rightarrow \text{íon lactato}(aq)}$$
cujo potencial biológico padrão é $$E^{*\circ}=-0{,}190\ \mathrm{V}$$. Com base nessas informações,
I. escreva a reação global espontânea entre os pares biológicos $$\mathrm{NAD^+/NADH}$$ e íon piruvato/íon lactato;
II. determine o potencial biológico padrão da reação global;
III. determine o potencial padrão da reação global.
d) Utilizando os resultados obtidos no item (c), determine:
I. a variação da energia livre padrão de Gibbs ($$\Delta G^\circ$$);
II. a constante de equilíbrio ($$K$$) da reação global.
Interprete os resultados obtidos, indicando se a reação é espontânea e se os produtos ou os reagentes são favorecidos no equilíbrio químico.
SOLUÇÃO:
a) Para obter o potencial biológico padrão, devemos aplicar a equação de Nernst considerando $$\mathrm{pH}=7$$, isto é,
$$[\mathrm{H^+}]=10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$
I. Para a semirreação
$$\mathrm{2H^+(aq)+2e^-\rightarrow H_2(g)}$$
temos:
$$Q=\frac{1}{[\mathrm{H^+}]^2}$$
Logo,
$$Q=\frac{1}{(10^{-7})^2}=10^{14}$$
Aplicando Nernst:
$$E^{*\circ}=E^\circ-\frac{0{,}05916}{2}\log(10^{14})$$
$$E^{*\circ}=0-\frac{0{,}05916}{2}(14)$$
$$\boxed{E^{*\circ}=-0{,}414\ \mathrm{V}}$$
II. Para a redução do nitrato:
$$\mathrm{NO_3^-(aq)+4H^+(aq)+3e^-\rightarrow NO(g)+2H_2O(l)}$$
temos:
$$Q=\frac{1}{[\mathrm{H^+}]^4}$$
$$Q=\frac{1}{(10^{-7})^4}=10^{28}$$
Assim:
$$E^{*\circ}=0{,}957-\frac{0{,}05916}{3}\log(10^{28})$$
$$E^{*\circ}=0{,}957-\frac{0{,}05916}{3}(28)$$
$$\boxed{E^{*\circ}=+0{,}405\ \mathrm{V}}$$
b) Para a semirreação $$\mathrm{NAD^+(aq)+H^+(aq)+2e^-\rightarrow NADH(aq)}$$ temos: $$Q=\frac{1}{[\mathrm{H^+}]}=10^7$$ Portanto: $$E^{*\circ}=-0{,}099-\frac{0{,}05916}{2}\log(10^7)$$ $$E^{*\circ}=-0{,}099-\frac{0{,}05916}{2}(7)$$ $$\boxed{E^{*\circ}=-0{,}306\ \mathrm{V}}$$
c)
I. Os potenciais biológicos de redução são:
$$E^{*\circ}_{\mathrm{NAD^+/NADH}}=-0{,}306\ \mathrm{V}$$
$$E^{*\circ}_{\mathrm{piruvato/lactato}}=-0{,}190\ \mathrm{V}$$
A semirreação com maior potencial de redução ocorre no sentido da redução. Assim, o piruvato é reduzido a lactato, enquanto o NADH é oxidado a $$\mathrm{NAD^+}$$.
Invertendo a semirreação do NADH:
$$\mathrm{NADH(aq)\rightarrow NAD^+(aq)+H^+(aq)+2e^-}$$
Somando com:
$$\mathrm{piruvato(aq)+2H^+(aq)+2e^-\rightarrow lactato(aq)}$$
obtemos:
$$\boxed{\mathrm{NADH(aq)+piruvato(aq)+H^+(aq)\rightarrow NAD^+(aq)+lactato(aq)}}$$
II. O potencial biológico padrão da reação global é:
$$\Delta E^{*\circ}=E^{*\circ}_{\mathrm{c\acute{a}todo}}-E^{*\circ}_{\mathrm{\hat{a}nodo}}$$
$$\Delta E^{*\circ}=(-0{,}190)-(-0{,}306)$$
$$\boxed{\Delta E^{*\circ}=+0{,}116\ \mathrm{V}}$$
Como o valor é positivo, a reação global é espontânea nas condições bioquímicas padrão.
III. Para obter o potencial padrão convencional, primeiro encontramos o potencial padrão do par piruvato/lactato.
Para
$$\mathrm{piruvato+2H^++2e^-\rightarrow lactato}$$
vale:
$$E^{*\circ}=E^\circ-\frac{0{,}05916}{2}\log(10^{14})$$
$$-0{,}190=E^\circ-0{,}414$$
Portanto:
$$E^\circ_{\mathrm{piruvato/lactato}}=+0{,}224\ \mathrm{V}$$
Para o par $$\mathrm{NAD^+/NADH}$$, o enunciado fornece:
$$E^\circ=-0{,}099\ \mathrm{V}$$
Logo:
$$\Delta E^\circ=0{,}224-(-0{,}099)$$
$$\boxed{\Delta E^\circ=+0{,}323\ \mathrm{V}}$$
d)
I. A variação da energia livre padrão de Gibbs é dada por:
$$\Delta G^\circ=-nF\Delta E^\circ$$
Como $$n=2$$:
$$\Delta G^\circ=-2(96485)(0{,}323)$$
$$\boxed{\Delta G^\circ\approx-6{,}24\times10^4\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}$$
ou:
$$\boxed{\Delta G^\circ\approx-62{,}4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}$$
O valor negativo de $$\Delta G^\circ$$ confirma que a reação é espontânea nas condições padrão.
II. Para a constante de equilíbrio:
$$\log K=\frac{n\Delta E^\circ}{0{,}05916}$$
$$\log K=\frac{2(0{,}323)}{0{,}05916}$$
$$\log K\approx10{,}92$$
Portanto:
$$K=10^{10{,}92}$$
$$\boxed{K\approx8{,}4\times10^{10}}$$
Como $$K\gg1$$, o equilíbrio está fortemente deslocado para os produtos.
Assim, a reação global é termodinamicamente espontânea nas condições padrão, apresenta $$\Delta G^\circ<0$$ e favorece fortemente a formação de $$\mathrm{NAD^+}$$ e lactato.