PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 39 do IME 2020

Prova objetiva · Química · Química: Propriedades periódicas

A figura abaixo esquematiza o funcionamento de um aparelho de ionização que pode ser útil para medir baixas pressões compreendidas entre 10^{-4} e 10^{-10}\ \text{mmHg}. Nesse dispositivo, elétrons partem de um filamento aquecido, atravessam uma rede cuja tensão fixa a energia do elétron, e atingem uma região do tubo sonda ligada ao sistema de alto vácuo cuja pressão se deseja medir. Esses elétrons ionizam espécies neutras presentes no tubo e formam íons positivos que são atraídos por uma placa coletora negativa. Além disso, produzem uma corrente que pode ser medida e correlacionada com a pressão do sistema de vácuo. Portanto, quanto mais baixa a pressão, menor o número de moléculas neutras e, consequentemente, menor o número de íons positivos formados no tubo.

Esquema do aparelho de ionização. À direita, um filamento aquecido; ao centro, uma rede representada por uma linha vertical tracejada; à esquerda, uma placa coletora de elétrons (positiva). Linhas horizontais pontilhadas entre o filamento e a placa são identificadas como elétrons. Acima estão moléculas do gás, representadas por círculos. Abaixo, íons moleculares, representados por círculos com sinal positivo e setas para baixo, dirigem-se à placa coletora de íons moleculares (negativa), ligada por um fio com seta à ligação com o medidor de corrente.

O gráfico abaixo relaciona as primeiras energias de ionização aos números atômicos dos respectivos elementos.

Gráfico de linha da energia de ionização em função do número atômico. O eixo vertical, Energia de ionização (eV), apresenta marcas em 0, 10 e 20; o eixo horizontal, Z, apresenta marcas de 0 a 90, de 10 em 10. A curva apresenta picos identificados por He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rn, com energias aproximadamente iguais a 25, 22, 16, 14, 12 e 11 eV, respectivamente. Os mínimos após os cinco primeiros picos estão identificados por Li, Na, K, Rb e Cs, com energias próximas de 4 a 6 eV.

Um aparelho de ionização cuja energia eletrônica é 15\ \text{eV} foi calibrado medindo-se a pressão de um sistema que continha vapor de sódio. Como a leitura do instrumento seria afetada se o vapor de sódio fosse substituído por neônio à mesma pressão?

  1. A
    A leitura seria maior.
  2. B
    A leitura manter-se-ia inalterada.
  3. C
    A leitura seria até 50\% menor.
  4. D
    A leitura seria de até 50\% do valor medido com sódio.
  5. E
    A leitura seria zero.
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Resolução comentada

O aparelho só forma íons se o elétron tiver energia maior ou igual à primeira energia de ionização da espécie. Sem íons, não há corrente na placa coletora e a leitura de pressão é zero.

Os elétrons do aparelho têm 15\ \text{eV}. Pelo gráfico, vemos o que acontece em cada caso:

  1. Sódio (Na, Z=11): energia de ionização de cerca de 5\ \text{eV}. Como 15 > 5, o elétron ioniza o sódio, formam-se íons \ce{Na+} e há corrente, que foi usada na calibração.
  2. Neônio (Ne, Z=10): energia de ionização de cerca de 22\ \text{eV}. Como 15 < 22, o elétron não tem energia suficiente para arrancar um elétron do neônio.

Assim, com neônio à mesma pressão, nenhum íon se forma, nenhuma corrente chega ao medidor e a leitura cai a zero, mesmo havendo gás no tubo. Não se trata de uma redução parcial: abaixo da energia mínima de ionização, a ionização não ocorre.

Alternativa E.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ASupõe que o neônio ionizaria mais, mas sua energia de ionização (~22 eV) supera os 15 eV dos elétrons.
  • BIgnora que Na (~5 eV) e Ne (~22 eV) têm energias de ionização muito diferentes.
  • CTrata a queda como parcial, mas abaixo da energia mínima não há ionização alguma.
  • DTambém supõe uma fração da leitura, sem base: nenhum íon de neônio se forma.

Assunto: Propriedades periódicas.

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Fonte: IME 2020 · Prova objetiva. Prova oficial ↗