Sandrogreco Gabarito Da Lista De ExercíCios 4 Q. Geral I Eng. Quim. 2007

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Sandrogreco Gabarito Da Lista De ExercíCios 4 Q. Geral I Eng. Quim. 2007

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO Departamento de Engenharia e Ciências Exatas Gabarito da Lista de Exercícios Química Geral I – Engenharia Química – Professor Sandro Greco Ligações Químicas 1ª Questão (2.85-Atkins): A energia de ligação do NO é 632 kJ/mol e a de cada ligação N-O no NO2 é 469 kJ/mol. Use as estruturas de Lewis e a média das energias de ligação dadas na tabela a seguir para explicar: (a) a diferença entre as energias de ligação das duas moléculas e (b) o fato de que as energias das duas ligações do NO2 são iguais. Solução – A estrutura de Lewis para o NO e para o NO2 são radicalares, como mostrado a seguir: (a) NO tem uma dupla ligação, mas o NO2 tem duas ligações que são intermediárias entre uma ligação simples e uma dupla, devido à deslocalização eletrônica. Portanto NO deve ter uma ligação mais curta e mais forte, o que pode ser comprovado pela energia de ligação. (b) O fato das duas ligações no NO2 serem iguais é o resultado da ressonância em sua estrutura. 2ª Questão (2.97-Atkins): Esquematize, qualitativamente, as curvas de energia potencial da ligação N-N na hidrazina (NH2NH2) na molécula de nitrogênio (N2) e no íon N3-. Solução – A energia potencial é mais profunda (mais estável) para o N2 (N≡N) do que para o N3- (N=N-N-), que por sua vez é maior do que na hidrazina N2H4(N-N), como mostra o gráfico a seguir: 3ª Questão (2.76-Atkins): Escreva três estruturas de Lewis do íon isocianato (CNO-) que seguem a regra do octeto (incluindo a estrutura mais importante). Diga qual das três estruturas é mais importante em termos de contribuição para o híbrido de ressonância e explique a sua escolha. Solução – As estruturas de Lewis são: A estrutura de Lewis central provavelmente é a mais estável pois tem as cargas formais dos átomos mais próximos de zero. 4ª Questão (3.49-Atkins): Desenhe o diagrama de níveis de energia dos orbitais moleculares do N2. A estrutura dos orbitais do íon diatômico heteronuclear (CN-) é semelhante à do N2, como a diferença de eletronegatividade entre os átomos de carbono e de nitrogênio afetam o diagrama de níveis de energia do cianeto se comparado ao Centro Universitário Norte do Espírito Santo - Rua Humberto de Almeida Francklin, 257 Bairro Universitário, CEP 29.933-415, São Mateus - ES (Sede Provisória) Sítio Eletrônico: http://www.ceunes.ufes.br, Tel.: +55 (27) 3763-8650
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO Departamento de Engenharia e Ciências Exatas da molécula de N2? Aproveite essas informações para desenhar o diagrama de níveis de energia para o íon cianeto. Solução – O diagrama de níveis de energia para a molécula de N2 é mostrada a seguir: (b) O átomo de nitrogênio é mais eletronegativo do que o átomo de carbono, por isso, os seus orbitais deverão ter níveis de energia inferiores. Repare que os orbitais ligantes estão mais próximos do átomo de nitrogênio do que do átomo de carbono. O diagrama de níveis de energia para o cianeto (CN-) pode ser representado da seguinte maneira. Níveis de energia do átomo de C Níveis de energia do átomo de N 5ª Questão (3.68-Atkins): Os halogênios formam compostos entre si. Esses compostos, chamados inter- halogênios, tem a fórmula XX’, XX’3 e XX’5, em que X representa o átomo de halogênio mais pesado. (a) prediga as suas estruturas e ângulos de ligação. Quais deles são polares? (b) Por que o halogênio mais leve não é o átomo central dessas moléculas? Solução – (a) A molécula X-X’ deverá ser uma molécula diatômica simples com uma ligação simples. A molécula XX’3 deverá ter um átomo central que segundo o modelo VSEPR é do tipo AX3E2. A molécula, portanto deverá assumir a forma em T. Os ângulos de ligação X’-X-X’ ligeiramente menores do que 90º e 180º. Já a molécula XX’5 deverá ter um átomo central do tipo AX5E, que deverá ter uma estrutura piramidal quadrática com ângulos de cerca de 90º e 180º; (b) Somente a molécula X-X’ deverá ser polar; (c) O átomo central é aquele com a menor eletronegatividade. Uma consideração do número de oxidação mostra que o átomo central é aquele que possui uma carga positiva com os outros átomos ao redor contendo uma carga negativa. Portanto, o átomo central deverá ser aquele que retém os seus elétrons menos efetivamente. 6ª Questão (3.69-Atkins): A massa molar de um composto orgânico destilado da madeira é 32,04 g/mol e ele têm a seguinte composição por massa: 37,5% C, 12,6% H e 49,9% O. (a) escreva a estrutura de Lewis do composto e determine os ângulos de ligação que envolve os átomos de carbono e oxigênio. (b) dê a hibridação dos átomos de carbono e oxigênio. (c) Diga se a molécula é polar ou apolar. Solução – A composição elementar mostra uma fórmula de CH4O, que está de acordo com a massa molar. Existe somente uma estrutura de Lewis razoável que corresponde à molécula do metanol. Tanto o átomo de Centro Universitário Norte do Espírito Santo - Rua Humberto de Almeida Francklin, 257 Bairro Universitário, CEP 29.933-415, São Mateus - ES (Sede Provisória) Sítio Eletrônico: http://www.ceunes.ufes.br, Tel.: +55 (27) 3763-8650
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO Departamento de Engenharia e Ciências Exatas oxigênio quanto o átomo de carbono possuem uma hibridação sp3. Todos os ângulos de ligação do carbono deverão ser próximos de 109º. Já os ângulos do átomo de oxigênio deverão ser próximos de 109º, porém um pouco menores, devido a repulsão dos pares de elétrons não ligantes. A molécula é polar. 7ª Questão (3.87-Atkins): O benzino é uma molécula muito reativa de fórmula C6H4 que só pode ser detectada a baixas temperaturas. Ele está relacionado com o benzeno em função dos seis átomos de carbono do anel, contudo, no lugar de três duplas ligações a estrutura é normalmente desenhada com duas duplas ligações e uma ligação tripla. Use a sua compreensão das ligações químicas para explicar a maior reatividade do benzino, se comparado à do benzeno. Solução – (a) A estrutura de Lewis do benzino é: (b) O benzino deverá ser altamente reativo, pois os dois átomos de carbono hibridizados sp são contraídos para uma estrutura com alta tensão angular, se comparada com a estrutura angular que normalmente esses átomos adotariam (geometria linear, com ângulos de 180º). Em substituição aos ângulos de 180º que esses átomos de carbono deveriam assumir, eles ficam próximos de120º, que é o ângulo necessário para se formar um anel de seis membros. Essa contração promove uma tensão angular alta o que instabiliza a molécula. Uma possibilidade que permite que os átomos adotem ângulos mais razoáveis é a formação de um di-radical. 8ª Questão (8.98-Brown): A reação do índio com o enxofre forma três compostos binários (dois elementos) diferentes, que supomos ser puramente iônicos. Os três compostos têm as seguintes propriedades: Composto % em massa de In Ponto de fusão (oC) A 87,7 653 B 78,2 692 C 70,5 1.050 (a) Determine as fórmulas empíricas dos compostos A, B e C; (b) Em qual composto se espera que o raio iônico do In seja menor? Explique; (c) O ponto de fusão de compostos iônicos geralmente está em correlação coma energia de rede. Explique as tendências nos pontos de fusão apresentados na tabela anterior. Solução – (a) Assumindo 100g de amostra: (b) O raio iônico do In+3 no composto C deverá ser menor. A remoção sucessiva de elétrons de um átomo reduz a repulsão eletrônica, aumenta a carga nuclear efetiva experimentada pelos elétrons de valência e diminui o raio iônico. Desta forma, quanto maior a carga no cátion, menor será o seu raio atômico; (c) A energia de rede é diretamente proporcional às cargas dos íons e inversamente proporcional á distância. Somente a carga e o tamanho do In variam nos três compostos. In+1 no composto A tem a menor carga e consequentemente o maior raio iônico, consequentemente a menor energia de rede e por isso o menor ponto de fusão. No In+3 presente no composto C, o íon tem a maior carga, logo o menor raio iônico. Dessa forma, possui a maior energia de rede e o maior ponto de fusão. Centro Universitário Norte do Espírito Santo - Rua Humberto de Almeida Francklin, 257 Bairro Universitário, CEP 29.933-415, São Mateus - ES (Sede Provisória) Sítio Eletrônico: http://www.ceunes.ufes.br, Tel.: +55 (27) 3763-8650
  4. 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO Departamento de Engenharia e Ciências Exatas 9ª Questão (8.90-Brown): A afinidade eletrônica do oxigênio é -141 kJ/mol, correspondendo à reação: O(g) + é → O-(g) A energia de rede do K2O(s) é 2238 kJ/mol. Use esses dados para calcular a segunda afinidade eletrônica do átomo de oxigênio, correspondendo à reação: O-(g) + é → O2-(g) Dados do exercício: ∆Hf K2O(s) = -363,2 kJ; ∆Hf K(g) = 89,99 kJ; I(K) = 419 kJ e ∆Hf O(g) = 247,5 kJ. Solução – O caminho para a formação do K2O(s) pode ser escrito da seguinte maneira: Para calcularmos a segunda afinidade eletrônica do átomo de oxigênio usaremos as reações parciais mostradas anteriormente. 10ª Questão (3.81-Atkins): Trate o sistema π de uma molécula de corante, composta de N átomos de carbono em uma cadeia conjugada, como se fosse uma caixa de comprimento NR, em que R é a distância média da ligação C-C. Sabendo que cada átomo contribui com um elétron e que cada estado da caixa pode acomodar dois elétrons, obtenha uma expressão para o comprimento e onda da luz absorvida para a transição de menor energia. Seria necessário aumentar o número de átomos da cadeia carbônica ou diminuir a cadeia para deslocar o comprimento de onda para valores mais altos? (sugestão – leia a técnica principal 2 da página 233 do livro do Atkins). Solução – A energia de um elétron no enésimo estado quântico em uma caixa unidimensional pode ser escrita pela equação: E = n2h2 / (8mL2) onde h é a constante de Planck, m é a massa do elétron e L é o comprimento da caixa (lembre-se que n deve ser um número inteiro). A transição de menor energia para esse sistema deve ser a transferência de elétron do orbital de maior energia ocupado (nHOMO) para o orbital subseqüente que é o orbital de menor energia desocupado, identificado como nLUMO. Como cada estado quântico pode ter no máximo dois elétrons e que cada carbono contribui com um elétron, nHOMO = N/2 e o nLUMO = (N/2) + 1 (no caso de N ser um número ímpar, N/2 deverá ser arredondado para cima, para o próximo número inteiro). O comprimento da caixa deve ser dado como L = NR onde R é a média dos comprimentos das ligações C-C. Portanto o estado de transição de menor energia pode ser escrito da seguinte forma. Para deslocar o comprimento de onda da absorção para comprimentos maiores (energias menores), o comprimento da cadeia carbônica N, deverá ser maior. Centro Universitário Norte do Espírito Santo - Rua Humberto de Almeida Francklin, 257 Bairro Universitário, CEP 29.933-415, São Mateus - ES (Sede Provisória) Sítio Eletrônico: http://www.ceunes.ufes.br, Tel.: +55 (27) 3763-8650

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