Questão Q05 da 2ª fase da FUVEST 2014

3º dia · Química

Algumas gotas de um indicador de pH foram adicionadas a uma solução aquosa saturada de \ce{CO2}, a qual ficou vermelha. Dessa solução, 5 mL foram transferidos para uma seringa, cuja extremidade foi vedada com uma tampa (Figura I). Em seguida, o êmbolo da seringa foi puxado até a marca de 50 mL e travado nessa posição, observando-se liberação de muitas bolhas dentro da seringa e mudança da cor da solução para laranja (Figura II). A tampa e a trava foram então removidas, e o êmbolo foi empurrado de modo a expulsar totalmente a fase gasosa, mas não o líquido (Figura III). Finalmente, a tampa foi recolocada na extremidade da seringa (Figura IV) e o êmbolo foi novamente puxado para a marca de 50 mL e travado (Figura V). Observou-se, nessa situação, a liberação de poucas bolhas, e a solução ficou amarela. Considere que a temperatura do sistema permaneceu constante ao longo de todo o experimento.

Esquema representando as cinco etapas do experimento com uma seringa: na Figura I, a seringa vedada contém 5 mL de solução; na Etapa 1, o êmbolo é puxado até 50 mL e travado (Figura II); na Etapa 2, a tampa e a trava são removidas e o êmbolo expulsa a fase gasosa até a marca de 5 mL (Figura III); na Etapa 3, a tampa é recolocada (Figura IV); na Etapa 4, o êmbolo é novamente puxado até 50 mL e travado (Figura V).

a) Explique, incluindo em sua resposta as equações químicas adequadas, por que a solução aquosa inicial, saturada de \ce{CO2}, ficou vermelha na presença do indicador de pH.

b) Por que a coloração da solução mudou de vermelho para laranja ao final da Etapa 1?

c) A pressão da fase gasosa no interior da seringa, nas situações ilustradas pelas figuras II e V, é a mesma? Justifique.

Dados:
pH 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5
Cor da solução contendo o indicador de pH vermelho laranja amarelo
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Resolução comentada

a) O \ce{CO2} dissolvido reage com a água e forma ácido carbônico, que se ioniza parcialmente e libera \ce{H+} (ou \ce{H3O+}):

\ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}
\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq)}
\ce{H2CO3(aq) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}

Por isso a solução é ácida. Pela tabela, a cor vermelha corresponde a pH entre 1,0 e 4,5. Como a solução saturada de \ce{CO2} tem pH abaixo de 5, o indicador fica vermelho.

A solução é ácida, pois o \ce{CO2} forma \ce{H2CO3}, que libera \ce{H+} e leva o pH a valores menores que 5, faixa em que o indicador é vermelho.

b) Ao puxar o êmbolo, o volume disponível aumenta e a pressão sobre a solução diminui. Pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbrio de dissolução \ce{CO2(aq) <=> CO2(g)} se desloca para a direita, e o \ce{CO2} escapa da solução na forma de bolhas.

Com a diminuição de \ce{CO2(aq)}, os demais equilíbrios também se deslocam para a esquerda:

\ce{H+ + HCO3^- <=> H2CO3 <=> CO2 + H2O}

A concentração de \ce{H+} diminui e o pH aumenta, passando para a faixa de 5,0 a 6,0, em que o indicador é laranja.

O \ce{CO2} saiu da solução, o que diminuiu [\ce{H+}] e aumentou o pH para a faixa do laranja (5,0 a 6,0).

c) Não. Na Figura II, a fase gasosa está em equilíbrio com a solução saturada de \ce{CO2}, que continha muito \ce{CO2} dissolvido. Ele passou em grande quantidade para o gás, e a fase gasosa tem muito \ce{CO2}.

Na Figura V, a solução já perdeu boa parte do \ce{CO2} (cor laranja, e depois amarela, pH maior). Por isso, liberou poucas bolhas, e a quantidade de \ce{CO2} na fase gasosa é bem menor.

O volume (45 mL de gás) e a temperatura são iguais nas duas situações. Como P = nRT/V, a pressão é proporcional à quantidade de gás, que é menor na Figura V.

Não: a pressão na Figura V é menor que na Figura II, pois há menos \ce{CO2} na fase gasosa, com mesmo volume e mesma temperatura.

Assuntos: equilíbrio químico, ácido carbônico e pH, lei de Le Chatelier.

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