Questão Q05 da 2ª fase da FUVEST 2013
Uma vela foi colocada dentro de um recipiente cilíndrico e com raio igual a 10 cm, sem tampa, ao qual também foi adicionado hidrogenocarbonato de sódio sólido, \ce{NaHCO3}. A vela foi acesa e adicionou-se ao recipiente, lentamente, solução aquosa de ácido acético, \ce{C2H4O2}, de tal forma que o nível da solução atingiu somente a parte inferior da vela, ficando distante da chama. Após 3 segundos, observou-se que a chama apagou.
a) Apresente a fórmula estrutural do ácido acético.
b) Escreva a equação química balanceada da reação entre o sólido e a solução aquosa de ácido acético.
c) O experimento foi repetido com outra vela de mesma altura e com as mesmas quantidades de reagentes utilizadas anteriormente. Mudou-se apenas o recipiente, que foi substituído por outro, de mesma altura que o anterior, mas com raio igual a 20 cm. Dessa vez, após os mesmos 3 segundos, observou-se que a chama não apagou. Proponha uma explicação para esse fato, considerando a densidade das substâncias gasosas presentes.
| Dados: | ||
|---|---|---|
| Massa molar (g/mol) | C | 12 |
| N | 14 | |
| O | 16 |
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Resolução comentada
a) O ácido acético tem fórmula molecular \ce{C2H4O2}, ou seja, \ce{CH3COOH}. Um carbono é de um grupo metila (\ce{CH3}) e o outro é o carbono do grupo carboxila (\ce{-COOH}), que tem uma ligação dupla com um oxigênio e uma ligação simples com o grupo \ce{OH}.
Desenvolvida, cada hidrogênio do \ce{CH3} está ligado ao carbono, que se liga por ligação simples ao outro carbono. Esse segundo carbono faz \text{C=O} e \text{C-O-H}.
Fórmula estrutural: \ce{H3C-COOH}, com o grupo carboxila \ce{-C(=O)OH}.
b) O ácido acético é um ácido carboxílico e o \ce{NaHCO3} é um sal de ácido fraco (o ácido carbônico). Ácido mais forte reage com hidrogenocarbonato e forma sal, água e gás carbônico, pois o \ce{H2CO3} formado se decompõe em \ce{H2O} e \ce{CO2}:
A equação já está balanceada, com 1 Na, 1 C a mais no produto gasoso, 2 C no acetato e igual número de H e O nos dois lados (H: 1+4 = 5 nos reagentes; 3+2 = 5 nos produtos. O: 3+2 = 5 nos reagentes; 2+1+2 = 5 nos produtos).
\ce{NaHCO3(s) + C2H4O2(aq) -> NaC2H3O2(aq) + H2O(l) + CO2(g)}
c) O gás produzido é o \ce{CO2}, de massa molar 12 + 2\cdot16 = 44\ \text{g/mol}. O ar é formado principalmente por \ce{N2} (28 g/mol) e \ce{O2} (32 g/mol), com massa molar média de cerca de 29 g/mol. Assim, o \ce{CO2} é mais denso que o ar e se acumula no fundo do recipiente, deslocando o ar (e o \ce{O2}) para cima. Quando a camada de \ce{CO2} atinge a chama, ela apaga por falta de comburente.
As quantidades de reagentes são as mesmas, logo o volume de \ce{CO2} formado é o mesmo nos dois casos. Com raio de 20 cm, a área da base é 4 vezes maior que a de 10 cm (\pi r^2), então a altura da camada de \ce{CO2} é 4 vezes menor. Essa camada, bem mais baixa, não alcança a chama da vela, que continua em contato com o ar rico em \ce{O2} e não se apaga.
O \ce{CO2} (44 g/mol) é mais denso que o ar e forma uma camada no fundo; no recipiente mais largo essa camada tem altura 4 vezes menor e não atinge a chama, que continua com \ce{O2}.
Assuntos: ácidos carboxílicos, reações de ácido com sal, densidade dos gases.
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