Questão Q03 da 2ª fase da FUVEST 2021
O gás \ce{N2} é relevante para diversos processos tecnológicos e industriais por ser considerado um gás inerte e, portanto, ser utilizado para evitar contato do processo com espécies reativas presentes na atmosfera. Uma das características que faz o \ce{N2} ser inerte é a força de ligação entre átomos de N.
O \ce{N2} utilizado comercialmente costuma ser obtido por separação do ar atmosférico, composto majoritariamente por \ce{N2}, \ce{O2}, \ce{CO2}, Hélio e Argônio.
a) No preparo de uma amostra de \ce{N2} para uso industrial, quatro misturas de gases foram obtidas, conforme apresentado na tabela. Qual ou quais dessas misturas seria(m) adequada(s) para processos que não podem ser realizados na presença de gases oxidantes?
| Mistura 1 | Mistura 2 | Mistura 3 | Mistura 4 |
|---|---|---|---|
| \ce{N2}, \ce{O2}, Argônio | \ce{N2}, \ce{CO2}, Hélio | \ce{N2}, Hélio, Argônio | \ce{N2}, \ce{O2}, \ce{CO2} |
b) Desenhe as estruturas de Lewis para \ce{N2} e \ce{O2} e explique, com base nessas estruturas, por que a ligação entre os átomos de N no \ce{N2} é mais forte do que a ligação entre átomos de O no \ce{O2}.
Uma forma de obter um fluxo de nitrogênio gasoso de grande pureza é por meio da evaporação do nitrogênio líquido armazenado no interior de um botijão criogênico. Considere que um botijão como esse foi preenchido com 70 L de nitrogênio líquido que, quando evaporado, pode ser retirado como nitrogênio gasoso do cilindro.
c) Calcule, em L, o volume de nitrogênio gasoso que pode ser coletado à temperatura de 30 °C e pressão ambiente de 1 atm, a partir desse botijão. Considere que todo líquido pode ser aproveitado e que não houve perdas.
Note e adote:
Densidade do nitrogênio líquido: 0{,}8\text{ g/mL}
Volume molar de gás ideal a 1 atm e 30 °C: 25 L
Massa molar (g/mol): \ce{N2} = 28
Distribuição eletrônica \text{N}\!: 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^3; \text{O}\!: 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^4
Reportar erro na questão
Resolução comentada
a) Gás oxidante é o que tira elétrons de outras espécies. Na atmosfera, o oxidante relevante é o \ce{O2}. O \ce{CO2} tem o carbono no estado de oxidação máximo, mas só atua como oxidante em condições extremas, com metais muito reativos e alta temperatura. Em processos comuns ele é considerado pouco reativo. O \ce{He} e o \ce{Ar} são gases nobres, inertes.
Portanto, as misturas que não contêm \ce{O2} são adequadas: a 2 (\ce{N2}, \ce{CO2}, He) e a 3 (\ce{N2}, He, Ar). As misturas 1 e 4 contêm \ce{O2} e não servem.
Resposta: misturas 2 e 3.
b) Cada átomo de N tem 5 elétrons de valência (2s^2 2p^3) e precisa de mais 3 para completar o octeto. Cada átomo de O tem 6 elétrons de valência (2s^2 2p^4) e precisa de mais 2.
Estruturas de Lewis:
No \ce{N2} há 3 pares de elétrons compartilhados (ligação tripla) e um par isolado em cada N. No \ce{O2} há 2 pares compartilhados (ligação dupla) e dois pares isolados em cada O.
Quanto maior o número de pares compartilhados, mais curta e mais forte é a ligação, porque é preciso mais energia para rompê-la. Por ter ligação tripla, a ligação N–N no \ce{N2} é mais forte que a ligação O–O no \ce{O2}, que é dupla.
Resposta: no \ce{N2} a ligação é tripla; no \ce{O2} é dupla. Mais pares compartilhados tornam a ligação mais forte.
c) Passos de cálculo:
- Volume de líquido: 70\ \text{L} = 70\,000\ \text{mL}.
- Massa: 70\,000\ \text{mL} \times 0{,}8\ \text{g/mL} = 56\,000\ \text{g}.
- Quantidade de matéria: \dfrac{56\,000\ \text{g}}{28\ \text{g/mol}} = 2\,000\ \text{mol}.
- Volume de gás a 1 atm e 30 °C: 2\,000\ \text{mol} \times 25\ \text{L/mol} = 50\,000\ \text{L}.
Resposta: 5{,}0\times 10^{4}\ \text{L} de \ce{N2} gasoso (50 000 L).
Assuntos: estruturas de Lewis, ligações químicas, volume molar e densidade.
Reportar erro na resolução
Ver como caiu na prova
