Questão 22 (2º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2004

Question

A presença de dióxido de carbono em água provoca a dissolução de rochas calcárias, tornando a água dura. A dureza dessa água pode ser reduzida com a adição de hidróxido de cálcio.

Dados:

\text{K}_\text{ps}
\ce{CaCO3}	\ce{Ca(OH)2}
3{,}0 \times 10^{-9}	4{,}0 \times 10^{-6}

a) Escreva as equações químicas que representem os equilíbrios químicos estabelecidos pela presença de dióxido de carbono em água. (1,5 ponto)

b) Escreva a equação de dissolução de carbonato de cálcio em água que contém dióxido de carbono dissolvido. (1,0 ponto)

c) Explique como o hidróxido de cálcio reduz a dureza da água. (2,5 pontos)

Answer 1

PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 22 (2º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2004

2º dia · Química: Produto de solubilidade (Kps)

A presença de dióxido de carbono em água provoca a dissolução de rochas calcárias, tornando a água dura. A dureza dessa água pode ser reduzida com a adição de hidróxido de cálcio.

Dados:

\text{K}_\text{ps}
\ce{CaCO3}	\ce{Ca(OH)2}
3{,}0 \times 10^{-9}	4{,}0 \times 10^{-6}

a) Escreva as equações químicas que representem os equilíbrios químicos estabelecidos pela presença de dióxido de carbono em água. (1,5 ponto)

b) Escreva a equação de dissolução de carbonato de cálcio em água que contém dióxido de carbono dissolvido. (1,0 ponto)

c) Explique como o hidróxido de cálcio reduz a dureza da água. (2,5 pontos)

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Resolução comentada

Resposta esperada pela UFG

a) As equações químicas de equilíbrio são:

\ce{H2O(l) + CO2(g) <=> H2CO3(aq)}

\ce{H2CO3(aq) <=> H+(aq) + HCO3^{-}(aq)}
OU
\ce{H2CO3(aq) <=> 2H+(aq) + CO3^{2-}(aq)}
OU
\ce{H2CO3(aq) <=> 2H+(aq) + CO3^{2-}(aq)}

(1,5 ponto)

b) O candidato deverá escrever uma das seguintes equações:

\ce{CaCO3(s) + H2CO3(aq) -> Ca^{2+}(aq) + 2HCO3^{-}(aq)}

OU

\ce{CaCO3(s) + 2H+(aq) -> Ca^{2+}(aq) + 2HCO3^{-}(aq)}

OU

\ce{CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) -> Ca^{2+}(aq) + 2HCO3^{-}(aq)}

(1,0 ponto)

c) O hidróxido de cálcio dissolve-se em água, de acordo com a seguinte equação e \text{K}_\text{PS}:

\ce{Ca(OH)2(s) <=> Ca^{2+}(aq) + 2OH^{-}(aq)} \qquad \text{K}_\text{PS} = 4{,}0 \times 10^{-6}

O aumento da concentração de íons hidroxila no meio aquoso desloca para direita o seguinte equilíbrio:

\ce{HCO3^{-}(aq) <=> H+(aq) + CO3^{2-}(aq)}

resultando no aumento da concentração de íons \ce{CO3^{2-}} e, conseqüentemente, na precipitação dos íons \ce{Ca^{2+}} na forma de \ce{CaCO3}, de acordo com a seguinte equação e \text{K}_\text{PS}:

\ce{Ca^{2+}(aq) + CO3^{2-}(aq) -> CaCO3(s)} \qquad \text{K}_\text{PS} = 3{,}0 \times 10^{-9}

Considerando que o \text{K}_\text{PS} do carbonato de cálcio é cerca de 1000 vezes maior do que o do hidróxido de sódio, todo cálcio precipitará na forma de carbonato.

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Resolução comentada

a) O \ce{CO2} dissolvido em água forma ácido carbônico, que se ioniza em duas etapas. Todos esses processos são equilíbrios:

\ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}
\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq)}
\ce{H2CO3(aq) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}
\ce{HCO3^-(aq) <=> H+(aq) + CO3^{2-}(aq)}

É o \ce{H+} liberado que deixa a água ácida (pH menor que 7) e permite atacar o calcário.

Resposta: \ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}; \ce{H2CO3 <=> H+ + HCO3^-}; \ce{HCO3^- <=> H+ + CO3^{2-}}.

b) O \ce{H+} do ácido carbônico consome o íon carbonato do \ce{CaCO3}, que é pouco solúvel. Isso desloca o equilíbrio de dissolução para a direita e o sólido se dissolve. O \ce{CO3^{2-}} vira \ce{HCO3^-}, e o resultado final é o bicarbonato de cálcio, que é solúvel:

\ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^{2+}(aq) + 2 HCO3^-(aq)}

Essa é a origem da água dura: ela carrega \ce{Ca^{2+}} em solução.

Resposta: \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^{2+}(aq) + 2 HCO3^-(aq)}.

c) A dureza vem do \ce{Ca^{2+}} dissolvido. A adição de \ce{Ca(OH)2} fornece íons \ce{OH^-}, que neutralizam o \ce{H+} e o \ce{H2CO3} e convertem o \ce{HCO3^-} em \ce{CO3^{2-}}:

\ce{HCO3^-(aq) + OH^-(aq) -> CO3^{2-}(aq) + H2O(l)}

O equilíbrio da parte (b) é deslocado para a esquerda, no sentido de formar \ce{CaCO3}. Como o \ce{Ca(OH)2} também fornece \ce{Ca^{2+}}, o produto iônico [\ce{Ca^{2+}}][\ce{CO3^{2-}}] passa a superar o K_{ps} do \ce{CaCO3} (3{,}0\times10^{-9}), valor muito pequeno. O carbonato de cálcio precipita:

\ce{Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) -> 2 CaCO3(s) + 2 H2O(l)}

O \ce{CaCO3} é muito menos solúvel que o \ce{Ca(OH)2} (K_{ps} = 4{,}0\times10^{-6}), então a precipitação ocorre de fato. O \ce{Ca^{2+}} sai da solução na forma de sólido, que pode ser separado por decantação ou filtração, e a dureza diminui.

Resposta: o \ce{OH^-} do \ce{Ca(OH)2} converte \ce{HCO3^-} em \ce{CO3^{2-}}, o que faz o \ce{CaCO3} precipitar e remove \ce{Ca^{2+}} da água.

Assuntos: Produto de solubilidade (Kps), Equilíbrio iônico: Ka, Kb e grau de ionização.

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Questão 22 no caderno Grupo 1 da 2ª etapa da UFG 2004

Fonte: UFG 2ª etapa 2004 · 2º dia · Grupo 1. Prova oficial ↗