Questão Q03 da 2ª fase da FUVEST 2022
As afirmações a seguir baseiam-se na descrição da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo):
Afirmação 1: “O dióxido de enxofre (\text{SO}_2) é liberado para a atmosfera por gases vulcânicos e fontes antropogênicas, principalmente atividades industriais que processam materiais contendo enxofre, como termelétricas, fabricação de fertilizantes, fundição de alumínio e aço, produção de ácido sulfúrico e papel.”
Afirmação 2: “O dióxido de enxofre é um gás incolor com forte odor pungente. É muito irritante quando em contato com superfícies úmidas, pois se transforma em trióxido de enxofre (\text{SO}_3) e passa rapidamente a ácido sulfúrico (\text{H}_2\text{SO}_4).”
a) Represente a estrutura de Lewis do dióxido de enxofre.
b) A afirmação 2 refere-se à formação da chuva ácida. Represente a reação balanceada da formação da chuva ácida a partir de \text{SO}_3 e a reação balanceada da chuva ácida com o carbonato de cálcio (\text{CaCO}_3), que é um dos componentes de construções que são danificadas por ela.
c) Considere uma determinada amostra de carvão que contém 1\% em massa de enxofre. Quando esse carvão é queimado, o enxofre é convertido em dióxido de enxofre pela reação \ce{S(s) + O2(g) -> SO2(g)}. Para evitar a poluição do ar, este dióxido de enxofre pode ser tratado com óxido de cálcio para formar sulfito de cálcio, como representado pela reação \ce{SO2(g) + CaO(s) -> CaSO3(s)}. Calcule a massa diária, em quilogramas, de \ce{CaO} necessária para tratar o \ce{SO2} em uma usina que consome 3{,}2 \times 10^6\text{ kg} de carvão por dia.
| Note e adote: |
|---|
| Distribuição eletrônica: \text{O} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^4\text{; } \text{S} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^6, 3\text{s}^2, 3\text{p}^4. |
| Massas molares (g/mol): \text{O} = 16\text{; } \text{S} = 32\text{; } \text{Ca} = 40. |
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Resolução comentada
a) Some os elétrons de valência: o enxofre (3p⁴) tem 6 e o oxigênio (2p⁴) tem 6, então a molécula tem 6 + 2\times 6 = 18 elétrons.
O enxofre fica no centro, ligado aos dois oxigênios. Para todos os átomos completarem o octeto, um oxigênio faz ligação dupla com o S e o outro faz ligação simples (dativa). O S ainda mantém um par de elétrons não ligante:
O S tem 1 par isolado. O O da dupla tem 2 pares isolados. O O da ligação simples tem 3 pares isolados, com carga formal -1, e o S tem carga formal +1. As duas posições são equivalentes, então há ressonância entre \ce{O=S-O^-} e \ce{^-O-S=O}. A molécula é angular.
Resposta: estrutura angular \ce{O=S->O} com ressonância (18 elétrons de valência, par isolado no S).
b) O trióxido de enxofre reage com a água da atmosfera e forma o ácido sulfúrico:
O ácido da chuva ataca o carbonato de cálcio (mármore, calcário) e forma sulfato de cálcio, água e gás carbônico (o \ce{H2CO3} formado se decompõe):
As duas equações já estão balanceadas.
Resposta: \ce{SO3 + H2O -> H2SO4} e \ce{H2SO4 + CaCO3 -> CaSO4 + H2O + CO2}.
c) Passos de cálculo:
- Massa de enxofre por dia: 1\% \times 3{,}2\times10^6\ \text{kg} = 3{,}2\times10^4\ \text{kg}.
- Quantidade de enxofre: \dfrac{3{,}2\times10^4\ \text{kg}}{32\ \text{kg/kmol}} = 1{,}0\times10^3\ \text{kmol}.
- As proporções são 1 : 1 em \ce{S -> SO2} e em \ce{SO2 -> CaCO3} com \ce{CaO}. Logo são necessários 1{,}0\times10^3 kmol de \ce{CaO}.
- Massa molar do \ce{CaO}: 40 + 16 = 56\ \text{g/mol} = 56\ \text{kg/kmol}.
- Massa de \ce{CaO}: 1{,}0\times10^3 \times 56 = 5{,}6\times10^4\ \text{kg}.
Resposta: 5{,}6\times10^4\ \text{kg} de \ce{CaO} por dia.
Assuntos: estrutura de Lewis, chuva ácida, estequiometria.
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