PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 7 (Química) da 2ª fase do ITA 2021
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 (\text{F}) = 9{,}65 \times 10^4\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\cdot\text{V}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72
Definições
Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\cdot\text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\cdot\text{m} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\ \text{eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\cdot\text{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}\cdot\text{L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
\text{EPH} = eletrodo padrão de hidrogênio
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) | Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 | Ca | 20 | 40,08 |
| C | 6 | 12,01 | Cr | 24 | 52,00 |
| N | 7 | 14,01 | Fe | 26 | 55,85 |
| O | 8 | 16,00 | Ni | 28 | 58,69 |
| Na | 11 | 22,99 | Cu | 29 | 63,55 |
| Mg | 12 | 24,31 | Ga | 31 | 69,72 |
| Al | 13 | 26,98 | Ag | 47 | 107,87 |
| Cl | 17 | 35,45 | Au | 79 | 196,97 |
| S | 16 | 32,06 | Pb | 82 | 207,19 |
| K | 19 | 39,10 |
Responda às seguintes questões:
a) Sabe-se que a primeira afinidade eletrônica do oxigênio é exotérmica (-141\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) e a segunda é altamente endotérmica (+798\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}). Justifique a razão pela qual a maioria dos compostos iônicos contendo oxigênio são encontrados na forma do ânion \ce{O^2-}.
b) A primeira energia de ionização para o oxigênio (1313,9\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) é menor do que a primeira energia de ionização para o nitrogênio (1402,3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}), enquanto um comportamento oposto é observado para a segunda energia de ionização para oxigênio (3388,3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) e nitrogênio (2856\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}). Justifique esse comportamento.
c) A primeira energia de ionização para o sódio (495,8\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) é consideravelmente maior que a do potássio (418,8\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}). Um comportamento semelhante pode ser observado para o magnésio (737,7\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) e para o cálcio (589,8\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}). No entanto, essa tendência não é observada para os elementos alumínio (577,5\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}) e gálio (578,8\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}). Justifique esses comportamentos.
Reportar erro na questão
Resolução comentada
a) Formar \ce{O^2-} a partir do átomo neutro exige, isoladamente, -141 + 798 = +657\ \text{kJ/mol}, ou seja, o processo é desfavorável. A segunda adição de elétron é endotérmica porque o elétron entra em um ânion já negativo, e a repulsão elétron-elétron é grande.
O que compensa essa energia é a formação do retículo cristalino. Num composto iônico, a energia reticular (liberada ao agrupar os íons) é muito exotérmica. Ela cresce com o módulo das cargas e com a diminuição das distâncias entre os íons, e o \ce{O^2-}, com carga 2- e raio pequeno, dá um retículo muito mais estável que o do \ce{O^-}. Essa estabilização supera o custo da segunda afinidade eletrônica. Além disso, \ce{O^2-} tem configuração de gás nobre (2s^2 2p^6), muito estável. Por isso o ânion \ce{O^2-} predomina nos compostos iônicos.
Resposta: o custo energético da segunda afinidade eletrônica é compensado pela alta energia reticular (cargas 2- e raio pequeno) e pela configuração de gás nobre do \ce{O^2-}.
b) 1ª ionização. O nitrogênio (2s^2 2p^3) tem os três elétrons 2p desemparelhados, em orbitais distintos (regra de Hund), configuração semipreenchida e estável. O oxigênio (2s^2 2p^4) tem um orbital p com dois elétrons, e a repulsão entre eles facilita a retirada de um. Por isso E_{i1}(\ce{O}) < E_{i1}(\ce{N}).
2ª ionização. Retira-se o elétron de \ce{O+} (2s^2 2p^3) e de \ce{N+} (2s^2 2p^2). O \ce{O+} tem agora a configuração semipreenchida, estável, e carga nuclear maior (8 contra 7), então o elétron é muito mais difícil de remover. No \ce{N+}, o elétron removido vem de 2p^2, que tem menor estabilidade e menor carga nuclear. Logo E_{i2}(\ce{O}) > E_{i2}(\ce{N}).
Resposta: a 1ª ionização do O é menor pela repulsão no orbital p duplamente ocupado; na 2ª, o \ce{O+} tem 2p^3 semipreenchido e maior carga nuclear, o que inverte a ordem.
c) Descendo no grupo (Na→K e Mg→Ca), o elétron mais externo está em camada mais distante (n maior). O raio aumenta e a blindagem pelas camadas internas cresce, de modo que o elétron é menos atraído e a energia de ionização diminui. Isso vale para Na/K e Mg/Ca.
No grupo 13, entre Al e Ga existem os elementos do bloco d (10 elétrons 3d). Esses elétrons d blindam mal a carga nuclear, pois seus orbitais são difusos. O Ga tem, portanto, carga nuclear efetiva maior do que a esperada, o que contrai o raio atômico (muito próximo ao do Al). Esse aumento de Z_{ef} compensa o aumento de camada, e as energias de ionização ficam praticamente iguais (577{,}5 e 578{,}8\ \text{kJ/mol}).
Resposta: em Na/K e Mg/Ca o raio aumenta e a energia de ionização diminui; Al e Ga têm energias semelhantes porque os 10 elétrons 3d blindam mal o núcleo do Ga, aumentando Z_{ef} e contraindo seu raio.
Assuntos: Propriedades periódicas, Distribuição eletrônica.
Reportar erro na resolução
Ver como caiu na prova
Fonte: ITA 2ª fase 2021 · Química. Prova oficial ↗