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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 4 (Química) da 2ª fase do IME 2022

Química · Química: Propriedades periódicas

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

FOLHA DE DADOS

Considere:

  • 1\ \text{S (siemens)} = 1\ \text{ohm}^{-1};
  • Constante de Faraday = 96.500\ \text{C.mol}^{-1};
  • Número de Avogadro = 6{,}0 \times 10^{23};
  • Constante universal dos gases ideais:
    R = 2{,}0\ \text{cal.(mol.K)}^{-1} = 8{,}3\ \text{J.(mol.K)}^{-1} = 8{,}2 \cdot 10^{-2}\ \text{atm.L.(mol.K)}^{-1} ;
  • 1\ \text{atm} = 101.325\ \text{Pa} = 101{,}325\ \text{kPa} = 1{,}01325\ \text{bar} = 760\ \text{mmHg};
  • 2^{1/2} = 1{,}4 ;
  • 2^{\frac{65}{30{,}1}} = 2^{2{,}159} = 4{,}466;
  • Capacidade calorífica molar média à pressão constante (\overline{C}_{\text{P}}), no intervalo de 0 a -10\ ^\circ\text{C}:
    \ce{H2O (l)}: \overline{C}_{\text{P}} = 76{,}0\ \text{J.(mol.K)}^{-1};
    \ce{H2O (s)}: \overline{C}_{\text{P}} = 38{,}0\ \text{J.(mol.K)}^{-1};
  • Entalpia molar de fusão da água, a 1{,}0\ \text{atm}:
    H_{\text{m, fusão}} = 6{,}0\ \text{kJ.mol}^{-1};
  • Composição percentual do ar atmosférico = 79{,}0\% de \ce{N2(g)} e 21{,}0\% de \ce{O2(g)}

Entalpias-padrão de formação a 25^\circ\text{C}:

Substância Química \ce{C8H18(g)} \ce{H2O(g)} \ce{H2O(l)} \ce{CO2(g)} \ce{CO(g)}
\Delta H_{\text{f}}^\circ(\text{kJ.mol}^{-1}) -208{,}45 -241{,}82 -285{,}83 -393{,}51 -110{,}53

Capacidade calorífica molar:

Substância Química \ce{N2(g)} \ce{O2(g)} \ce{H2O(g)} \ce{CO2(g)} \ce{CO(g)}
\overline{C}_{\text{P}}\ (\text{J.mol}^{-1}\text{.K}^{-1}) 29{,}13 29{,}36 33{,}58 37{,}11 29{,}14

Tabela de logaritmos:

x 1{,}038 2 3 4 5 6 7 10 13 14 15
\log(x) 0{,}02 0{,}30 0{,}48 0{,}60 0{,}70 0{,}79 0{,}85 1 1{,}11 1{,}15 1{,}18
\ln(x) 0{,}04 0{,}70 1{,}10 1{,}39 1{,}60 1{,}79 1{,}95 2{,}30 2{,}57 2{,}64 2{,}71

Potencial padrão:

Oxidante \ce{F2} \ce{Ce^{4+}} \ce{Au^{3+}} \ce{Cl2} \ce{Fe^{3+}} \ce{H3O+} \ce{Ni^{2+}} \ce{Na+} \ce{Li+}
E^0(\text{V}) + 2{,}87 + 1{,}61 + 1{,}50 + 1{,}36 + 0{,}77 0{,}00 - 0{,}25 - 2{,}71 - 3{,}05
Redutor \ce{F-} \ce{Ce^{3+}} \ce{Au} \ce{Cl-} \ce{Fe^{2+}} \ce{H2(g)} \ce{Ni} \ce{Na} \ce{Li}

Tabela Periódica dos Elementos Químicos:

Tabela Periódica dos Elementos Químicos mostrando número atômico, massa atômica, símbolo e nome dos elementos de 1 (H) a 118 (Uuo), incluindo as séries dos lantanídeos (57 La a 71 Lu) e actinídeos (89 Ac a 103 Lr).

Fonte: adapatada do site https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/40332

Os elementos do 2o e 3o períodos da tabela periódica apresentam desvios da tendência em suas curvas da energia de ionização em função do número atômico. Com relação a esses elementos:

a) esboce qualitativamente o gráfico da energia de ionização em função do número atômico; e

b) explique esses desvios de forma sucinta, baseado na estrutura eletrônica e no preenchimento dos orbitais atômicos.

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Resolução comentada

a) Vamos colocar no eixo horizontal o número atômico Z (de 3 a 10 no 2º período e de 11 a 18 no 3º) e no eixo vertical a primeira energia de ionização, E_i.

A tendência geral é crescente ao longo de cada período, pois a carga nuclear efetiva aumenta e o raio diminui. Cada período começa num mínimo (metal alcalino, Li e Na) e termina num máximo (gás nobre, Ne e Ar). A queda de um período para o outro, de Ne para Na e de Ar para o próximo, é bem acentuada.

O gráfico tem, portanto, forma de dois "dentes de serra" crescentes, com dois desvios dentro de cada dente:

  • queda do Be para o B, e do Mg para o Al;
  • queda do N para o O, e do P para o S.

Ordem aproximada no 2º período: \ce{Li} < \ce{B} < \ce{Be} < \ce{C} < \ce{O} < \ce{N} < \ce{F} < \ce{Ne}. No 3º período vale a mesma sequência: \ce{Na} < \ce{Al} < \ce{Mg} < \ce{Si} < \ce{S} < \ce{P} < \ce{Cl} < \ce{Ar}.

Esboço: dois dentes de serra crescentes, de Li a Ne e de Na a Ar, com pequenas quedas em Be→B, N→O, Mg→Al e P→S.

b) Os desvios têm duas causas, ligadas à estrutura eletrônica.

  1. Be→B (e Mg→Al): o Be tem configuração 2s^2, com subnível s completo, e o B é 2s^2 2p^1. O elétron que sai do B está num orbital p, que é mais energético e menos penetrante que o s. Ele é menos atraído pelo núcleo e também é blindado pelos elétrons 2s. Por isso sai mais facilmente, e a E_i do B é menor que a do Be. O mesmo vale para Mg (3s^2) e Al (3s^2 3p^1).

  2. N→O (e P→S): o N tem 2p^3, com um elétron em cada orbital p (subnível semipreenchido, que é uma configuração estável). O O tem 2p^4, e um dos orbitais p contém um par de elétrons. A repulsão entre os dois elétrons do mesmo orbital facilita a retirada de um deles. O E_i do O fica menor que o do N. O mesmo vale para P (3p^3) e S (3p^4).

Os desvios são causados pela subcamada s completa (Be, Mg), que torna a E_i maior que a do elemento seguinte, e pela repulsão do par de elétrons no orbital p (O, S), que torna a E_i menor que a do elemento anterior, de p semipreenchido (N, P).

Assuntos: Propriedades periódicas, Distribuição eletrônica.

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Fonte: IME 2ª fase 2022 · Química. Prova oficial ↗