PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 6 (Química) da 2ª fase do ITA 2022
Texto-base das questões 01 a 10 · Química
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.
(\text{s}) = sólido. (\ell) = líquido. (\text{g}) = gás. (\text{aq}) = aquoso. (\text{conc}) = concentrado. (\text{ua}) = unidades arbitrárias.
\text{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
Dados eventualmente necessários:
\text{e}^{10} = 2{,}2 \times 10^4
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 | Cl | 17 | 35,45 |
| B | 5 | 10,81 | K | 19 | 39,10 |
| C | 6 | 12,01 | Ca | 20 | 40,08 |
| N | 7 | 14,01 | Mn | 25 | 54,94 |
| O | 8 | 16,00 | Br | 35 | 79,90 |
| F | 9 | 19,00 | Ag | 47 | 107,87 |
| Na | 11 | 22,99 | I | 53 | 126,90 |
| Mg | 12 | 24,30 | Hg | 80 | 200,59 |
| P | 15 | 30,97 | Pb | 82 | 207,19 |
| S | 16 | 32,06 | Pa | 91 | 231,04 |
Considere os seguintes pares de homopolímeros, representados pelas respectativas fórmulas estruturais. Para cada par, indique qual homopolímero terá temperatura de fusão maior, considerando que suas massas molares sejam similares. Justifique a sua resposta.
![Quatro pares de homopolímeros rotulados de I a IV: I. [-CH2-CH2-]n e [-CH2-CH(OH)-]n; II. [-CH2-CH2-]n e [-CH2-C6H4-CH2-]n, contendo um anel benzênico 1,4-dissubstituído; III. [-HN-(CH2)2-C(=O)-]n e [-HN-(CH2)5-C(=O)-]n; IV. [-CH2-CH2-]n e [-CH2-CH2-O-]n.](/media/questions/28451/F1.png "F1")
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Resolução comentada
A temperatura de fusão (T_f = \Delta H_{fus}/\Delta S_{fus}) é maior quando as interações entre cadeias são mais fortes (maior \Delta H) e quando a cadeia é mais rígida, perdendo menos entropia ao cristalizar (menor \Delta S).
a) Par I: polietileno (PE) e poli(álcool vinílico) (PVA).
O PE tem só ligações C–C e C–H, apolares, e entre as cadeias há apenas forças de dispersão de London. O PVA tem grupos -\text{OH} em cada unidade repetitiva, e eles formam ligações de hidrogênio entre as cadeias. Essas ligações são bem mais fortes que as forças de dispersão e exigem mais energia para serem rompidas.
O PVA (segundo polímero) tem maior temperatura de fusão.
b) Par II: PE e poli(p-xilileno).
Ambos são apolares, então as forças entre as cadeias são de dispersão. No segundo polímero, o anel benzênico 1,4-dissubstituído é plano e rígido. Isso reduz a liberdade conformacional da cadeia, diminuindo o \Delta S_{fus}. Além disso, o anel é muito polarizável, o que aumenta as dispersões, e permite empilhamento \pi entre as cadeias, aumentando o \Delta H_{fus}. As duas contribuições elevam a T_f.
O poli(p-xilileno) (segundo polímero) tem maior temperatura de fusão.
c) Par III: poliamidas, náilon 3 e náilon 6.
As duas formam ligações de hidrogênio entre N–H e C=O de cadeias vizinhas. Com massas molares similares, a diferença está na densidade de grupos amida. No primeiro polímero, há um grupo amida a cada 2 grupos \text{CH}_2. No segundo, há um a cada 5. Assim, o primeiro tem mais ligações de hidrogênio por massa. Seu trecho apolar é menor, o que o torna menos flexível e dá menos peso às dispersões fracas das sequências de \text{CH}_2. Isso resulta em maior \Delta H_{fus} e maior T_f.
O primeiro polímero (náilon 3, -\text{HN(CH}_2)_2\text{CO}-) tem maior temperatura de fusão.
d) Par IV: PE e poli(óxido de etileno) (PEO).
O PEO tem dipolos C–O, mas sem hidrogênio ligado a O, N ou F ele não forma ligações de hidrogênio consigo mesmo. As interações dipolo–dipolo são fracas. A ligação C–O–C tem barreira de rotação menor que a C–C, e a cadeia é mais flexível. Por isso, no fundido, ela tem muitas conformações acessíveis. O \Delta S_{fus} é maior, e a T_f cai. Experimentalmente, o PE funde por volta de 130 °C e o PEO por volta de 65 °C.
O PE (primeiro polímero) tem maior temperatura de fusão.
Assuntos: Polímeros, Forças intermoleculares.
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Fonte: ITA 2ª fase 2022 · Química. Prova oficial ↗