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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 5 (Química) da 2ª fase do ITA 2027

Química · Química: Reações de oxirredução e balanceamento redox

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}.

\begin{matrix} \ln\text{X} = 2{,}3\log\text{X} & \ln 2 = 0{,}693 & \ln 5 = 1{,}609 & \sqrt{3} = 1{,}73 \\ \log 2 = 0{,}301 & \ln 3 = 1{,}099 & \text{e}^{-0{,}3465} = 0{,}707 & \sqrt{5} = 2{,}24 \end{matrix}

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}.

  1. Esqueleto: \ce{N2 -> 2 NH4+}
  2. Balanço de H com \ce{H+} (meio ácido): \ce{N2 + 8 H+ -> 2 NH4+}
  3. Balanço de carga: à esquerda +8, à direita +2. Acrescentam-se 6\ e^- à esquerda.
\ce{N2 + 8 H+ + 6 e- -> 2 NH4+}

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 ↗