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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 9 (Química) da 2ª fase do ITA 2020

Química · Química: Polímeros

Texto-base das questões 01 a 10 · Química

AS QUESTÕES NUMÉRICAS DEVEM SER DESENVOLVIDAS SEQUENCIALMENTE ATÉ O FINAL.

Constantes

Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}
Constante de Faraday (F) = 9{,}65 \times 10^4\text{ C mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\text{ A s mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\text{ J V}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\text{ L (CNTP)}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\text{ C}
Constante dos gases (R) = 8{,}21 \times 10^{-2}\text{ atm L K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 8{,}31\text{ J K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 1{,}98\text{ cal K}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\text{ m s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}63 \times 10^{-34}\text{ m}^2\text{ kg s}^{-1}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\text{ m s}^{-1}
Número de Euler (e) = 2{,}72

Definições

Pressão: 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\text{ N m}^{-2} = 1{,}01325\text{ bar}
Energia: 1\text{ J} = 1\text{ N m} = 1\text{ kg m}^2\text{ s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\text{ eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0^\circ\text{ C} e 760\text{ mmHg}
Condições ambientes: 25^\circ\text{ C} e 1\text{ atm}
Condições padrão: 1\text{ bar}; concentração das soluções = 1\text{ mol L}^{-1} (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.
(s) = sólido. (\ell) = líquido. (g) = gás. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias.
u.m.a. = unidade de massa atômica. [\text{X}] = concentração da espécie química \text{X} em \text{mol L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3\log \text{X}

Massas Molares

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g mol}^{-1})
H 1 1,01 S 16 32,06
C 6 12,01 K 19 39,10
N 7 14,01 Cr 24 52,00
O 8 16,00 Fe 26 55,85
Na 11 22,99 Zn 30 65,38
Cl 17 35,45 I 53 126,90

A produção de borrachas e espumas é comumente realizada pela síntese de poliuretanos. Para tal produção, a polimerização ocorre a partir de um poliol e um isocianato.

a) Apresente a(s) reação(ões) químicas da polimerização e formação de poliuretano a partir de um diol e um diisocianato.

b) A água, quando presente no meio, gera reação(ões) paralela(s) e é determinante na produção de espumas. Apresente essa(s) reação(ões).

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Resolução comentada

a) O poliuretano se forma por poliadição (não há liberação de subproduto). O grupo -\text{OH} do álcool ataca o carbono eletrofílico do grupo isocianato -\text{N=C=O}. O H do álcool se liga ao nitrogênio e forma-se a ligação uretana -\text{NH-CO-O}-.

Com um monoálcool e um monoisocianato:

\ce{R-N=C=O + R'-OH -> R-NH-CO-O-R'}

Com um diol \ce{HO-R'-OH} e um diisocianato \ce{O=C=N-R-N=C=O}, as duas extremidades de cada molécula reagem repetidamente, formando uma cadeia:

n\ \ce{O=C=N-R-N=C=O} + n\ \ce{HO-R'-OH} \ce{->} \ce{[-CO-NH-R-NH-CO-O-R'-O-]_n}

Por exemplo, com o etilenoglicol (\ce{R' = -CH2CH2-}) e o diisocianato de hexametileno (\ce{R = -(CH2)6-}), a unidade repetitiva é \ce{-[CO-NH-(CH2)6-NH-CO-O-CH2CH2-O]-}.

Poliuretano: polímero de unidade repetitiva com ligações uretana \ce{-NH-CO-O-}, formado pela poliadição do diol ao diisocianato.

b) Quando há água no meio, ela também reage com o isocianato. Primeiro forma-se um ácido carbâmico, que é instável:

\ce{R-N=C=O + H2O -> R-NH-COOH}

Esse ácido se decompõe, liberando \ce{CO2} e uma amina primária:

\ce{R-NH-COOH -> R-NH2 + CO2}

Soma das duas etapas:

\ce{R-N=C=O + H2O -> R-NH2 + CO2 ^}

O \ce{CO2} gasoso fica retido na massa polimérica que está endurecendo e forma as bolhas, o que dá a estrutura de espuma.

Além disso, a amina formada é nucleofílica e pode reagir com outro isocianato, gerando ligação ureia:

\ce{R-NH2 + R''-N=C=O -> R-NH-CO-NH-R''}

Com diisocianato, isso também gera ligações cruzadas e enrijece o material.

Reação global: \ce{R-N=C=O + H2O -> R-NH2 + CO2}, e a amina ainda pode reagir com outro isocianato formando ureia.

Assunto: Polímeros.

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Fonte: ITA 2ª fase 2020 · Química. Prova oficial ↗