Questão Q02 da 2ª fase da FUVEST 2021
Recentemente, um estudo científico associou a detecção de fosfina (\ce{PH3}) na atmosfera em Vênus com uma possível existência de vida no planeta. Na Terra, a fosfina pode ser encontrada naturalmente em ambientes onde ocorre a degradação de matéria orgânica, como pântanos. Por ser mais densa que o ar, grande quantidade de fosfina se acumula sobre as superfícies de corpos d’água e áreas baixas, muitas vezes reagindo espontaneamente com oxigênio, formando ácido fosfórico (\ce{H3PO4}).
a) Utilizando os menores coeficientes estequiométricos inteiros possíveis, escreva a equação balanceada para o processo de combustão descrito para a fosfina.
b) Os ambientes onde se encontram altas quantidades de fosfina são compatíveis com a vida de seres aeróbios ou anaeróbios? Justifique sua resposta com base na reatividade da fosfina.
c) Em ambientes como os pântanos, além da fosfina, também é produzido metano (\ce{CH4}). Com base na energia de ativação e na energia liberada na combustão de cada espécie, explique por que a combustão da fosfina é a primeira a ocorrer na natureza e por que ela é capaz de iniciar a combustão do metano.
Note e adote:
Energia de ativação da combustão: fosfina = 13\ \text{kJ/mol} e metano = 105\ \text{kJ/mol}.
\Delta\text{H} de combustão: fosfina = -1154\ \text{kJ/mol} e metano = - 885\ \text{kJ/mol}.
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Resolução comentada
a) Os reagentes são \ce{PH3} e \ce{O2}, e o produto é \ce{H3PO4}. Balanceando:
- Fósforo: 1 P de cada lado.
- Hidrogênio: \ce{PH3} tem 3 H e \ce{H3PO4} tem 3 H, então já está balanceado.
- Oxigênio: o \ce{H3PO4} tem 4 O, logo precisamos de 2\ \ce{O2}.
Não há coeficiente fracionário, então esses já são os menores inteiros:
Equação: \ce{PH3 + 2 O2 -> H3PO4}.
b) A fosfina reage espontaneamente com \ce{O2}, como diz o enunciado, e a energia de ativação dessa reação é baixa (13\ \text{kJ/mol}). Onde há \ce{O2} disponível, a fosfina é consumida rapidamente e não se acumula. Ela só se acumula em ambientes com pouco ou nenhum oxigênio. Seres aeróbios dependem de \ce{O2} para a respiração, então esses ambientes são compatíveis com seres anaeróbios.
Os ambientes ricos em fosfina são compatíveis com seres anaeróbios, porque a fosfina reage espontaneamente com \ce{O2} e só se acumula onde ele é escasso.
c) A energia de ativação é a energia mínima necessária para iniciar a reação. A da fosfina (13\ \text{kJ/mol}) é muito menor que a do metano (105\ \text{kJ/mol}). Na temperatura ambiente, a fosfina já tem energia suficiente para reagir com o \ce{O2}, e o metano não. Por isso a combustão da fosfina ocorre primeiro.
A combustão da fosfina é exotérmica e libera 1154\ \text{kJ/mol}, mais que os 885\ \text{kJ/mol} do metano. Esse calor pode fornecer ao metano a energia de ativação que falta (105\ \text{kJ/mol}), e a reação se inicia. Como a combustão do metano também é exotérmica, ela libera calor e se mantém.
A fosfina queima primeiro por ter energia de ativação muito menor. O calor liberado, maior que o do metano, supera a energia de ativação do metano e inicia sua combustão.
Assuntos: balanceamento de equações, cinética química e energia de ativação, termoquímica.
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