PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 5 (Química) da 2ª fase do ITA 2027
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{Torr} = 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}\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.
Condições ambiente: 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. [X] = concentração da espécie química X em \text{mol}\ \text{L}^{-1}.
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 |
| B | 5 | 10,80 |
| C | 6 | 12,01 |
| N | 7 | 14,01 |
| O | 8 | 16,00 |
| F | 9 | 19,00 |
| Na | 11 | 22,99 |
| Si | 14 | 28,09 |
| S | 16 | 32,06 |
| C\ell | 17 | 35,45 |
| K | 19 | 39,10 |
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| Ca | 20 | 40,08 |
| Cr | 24 | 52,00 |
| Fe | 26 | 55,85 |
| Ni | 28 | 58,69 |
| Cu | 29 | 63,55 |
| Nb | 41 | 92,91 |
| Ag | 47 | 107,87 |
| Pt | 78 | 195,08 |
| Au | 79 | 196,97 |
| Hg | 80 | 200,59 |
| Bi | 83 | 208,98 |
No ciclo do nitrogênio, espécies contendo nitrogênio podem sofrer processos de redução e oxidação em ambientes naturais e tecnológicos. Entre esses processos, estão a fixação biológica do \ce{N2}, a nitrificação em solos aerados e a desnitrificação parcial em ambientes com baixa disponibilidade de oxigênio. Considerando as seguintes espécies nitrogenadas,
\ce{NO}, \ce{NO3-}, \ce{N2}, \ce{N2O}, \ce{NH4+}, \ce{NO2-},
a) escreva a semirreação balanceada de redução do \ce{N2} em meio ácido, que forma como produto uma das espécies apresentadas;
b) determine o número de oxidação do nitrogênio em \ce{NO}, \ce{NO3-}, \ce{N2}, \ce{NH4+}, \ce{NO2-} e o número de oxidação médio do nitrogênio em \ce{N2O};
c) organize as espécies nitrogenadas fornecidas em uma sequência compatível com o ciclo do nitrogênio, seguindo sucessivamente os processos de fixação biológica do \ce{N2}, nitrificação e desnitrificação. Se necessário, uma mesma espécie intermediária poderá aparecer mais de uma vez na sequência.
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Resolução comentada
a) Na fixação, o \ce{N2} (nox 0) é reduzido a \ce{NH4+} (nox -3), a única espécie da lista que é produto de redução do \ce{N2} no ciclo biológico. Cada N ganha 3 elétrons, então 6 elétrons por \ce{N2}.
- Esqueleto: \ce{N2 -> 2 NH4+}
- Balanço de H com \ce{H+} (meio ácido): \ce{N2 + 8 H+ -> 2 NH4+}
- Balanço de carga: à esquerda +8, à direita +2. Acrescentam-se 6\ e^- à esquerda.
Semirreação: \ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+}
b) Usamos O =-2, H =+1 e a soma dos nox igual à carga da espécie.
- \ce{NO}: x-2=0 \Rightarrow x=+2
- \ce{NO3-}: x-6=-1 \Rightarrow x=+5
- \ce{N2}: substância simples, x=0
- \ce{NH4+}: x+4=+1 \Rightarrow x=-3
- \ce{NO2-}: x-4=-1 \Rightarrow x=+3
- \ce{N2O}: 2x-2=0 \Rightarrow x=+1 (médio, pois os dois N não são equivalentes)
Nox: \ce{NO} =+2; \ce{NO3-} =+5; \ce{N2} =0; \ce{NH4+} =-3; \ce{NO2-} =+3; \ce{N2O} =+1 (médio).
c) Seguimos os três processos em ordem:
- Fixação: \ce{N2} (0) é reduzido a \ce{NH4+} (-3).
- Nitrificação (oxidação em solo aerado): \ce{NH4+} é oxidado a \ce{NO2-} (+3) e depois a \ce{NO3-} (+5).
- Desnitrificação (redução com pouco \ce{O2}): \ce{NO3-} (+5) \to \ce{NO2-} (+3) \to \ce{NO} (+2) \to \ce{N2O} (+1) \to \ce{N2} (0).
A desnitrificação é sucessiva, com diminuição gradual do nox, e fecha o ciclo voltando ao \ce{N2}. O \ce{NO2-} aparece duas vezes, na nitrificação e na desnitrificação.
Sequência: \ce{N2 -> NH4+ -> NO2- -> NO3- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2}
Assuntos: Reações de oxirredução e balanceamento redox, Número de oxidação (Nox), Efeito estufa e ciclos biogeoquímicos.
Resultado conferido com as resoluções dos cursinhos Farias Brito e Poliedro.
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Fonte: ITA 2ª fase 2027 · Química. Prova oficial ↗