Unicamp 2021 - 2ª fase - dia 2

a) A hemoglobina (Hb) pode transportar até quatro moléculas de O₂. A afinidade da Hb com o O₂ não é constante, pois a associação dela com este gás provoca uma alteração em sua forma tridimensional, elevando a sua afinidade pelo O₂ e aumentando a chance da associação com mais uma outra molécula de O₂. Este fenômeno é descrito como cooperatividade positiva e produz um efeito interessante: nos locais onde há grande disponibilidade de O₂, como nos pulmões, a Hb apresenta grande afinidade pelo oxigênio, já nos locais onde a concentração de O₂ é baixa, como nos tecidos musculares em atividade, a Hb apresenta menor afinidade pelo O₂. Pela análise do gráfico, podemos entender a porcentagem de saturação da hemoglobina como a quantidade de hemoglobina que está associada a oxigênio (HbO₂) em relação a quantidade quantidade total, a qual é decorrente do equilíbrio a seguir:

Hb + O₂ ⇌ HbO₂

A curva da Hb fetal deslocada mais à esquerda do que a da Hb adulta indica maior afinidade pelo O₂, pois, considerando uma mesma pressão parcial do gás oxigênio temos uma porcentagem maior de saturação na hemoglobina fetal em relação à adulta indicando maior quantidade de HbO₂ para a hemoglobina fetal. Analisando sob a perspectiva do equilíbrio químico envolvido, a reação está mais deslocada para a formação dos produtos quando temos a hemoglobina fetal do que quando temos a hemoglobina adulta, logo, a hemoglobina fetal tem maior afinidade pelo oxigênio.

Por exemplo, em uma pO₂ de 30 mmHg, a saturação da Hb fetal é de 70% (70% de HbO₂ e 30% Hb), enquanto que a saturação da Hb adulta é de apenas 20% (20 HbO₂ e 80% Hb).

Comentário adicional: Essa diferença de afinidade é uma característica importante para as trocas gasosas na região placentária, local onde a pressão parcial de oxigênio é relativamente baixa. Nessas condições, a afinidade da Hb pelo O₂ está baixa, fazendo com que a Hb libere o gás no espaço das lacunas da região placentária. Nessas mesmas condições a Hb fetal apresenta outro comportamento, pois tem maior afinidade e acaba ligando-se ao oxigênio, após o mesmo ter chegado à circulação placentária, por difusão.

b) Em células de metabolismo aumentado a necessidade por O₂ é elevada, com nos músculos em atividade, tecido nervoso e outros. Nessas condições o CO₂ proveniente da atividade aeróbica celular, ao chegar no sangue, reage com a água do plasma e forma ácido carbônico, um processo catalisado pela enzima anidrase carbônica:

CO_2(aq) + H₂O_(ℓ) ⇌ H₂CO_3(aq)

A ionização do ácido carbônico libera íons H+ no meio, colaborando com o aumento da acidez do sangue que circula pela região:

H₂CO_3(aq) ⇌ HCO₃^-_(aq) + H⁺_(aq)

Visto que o pH é dado por:

pH = -log[H⁺]

então, a liberação de H⁺, a qual eleva a concentração dessa espécie, implica na diminuição do pH. Sendo assim, a curva que representa o resultado final final do efeito Bohr é aquela mais abaixo, próxima pH de 7,2, isto é, a curva tracejada.

a) Os componentes apresentam eficiências energéticas diferentes, conforme apresentado na tabela fornecida pela questão. Quanto maior a eficiência energética relativa, maior é a quantidade de calor liberada por m³ do gás natural queimado. As diferentes fontes de gás natural apresentam composições específicas, ou seja, distintas em si, portanto, apresentam eficiências diferentes. A eficiência energética relativa do gás natural de cada fonte pode ser determinada a partir da média ponderada das eficiências dos componentes e suas porcentagens conforme apresentado a seguir:

Obs: Logicamente, o objetivo da questão não é que o aluno calcule o valor exato da eficiência energética do combustível, mas, sim, que ele consiga perceber as principais contribuições relativas atráves das porcentagens e eficiências de cada componente.

MELHOR FONTE: Uthmaniyah                    PIOR FONTE: Uch

A pior fonte é a de Uch visto que há grandes porcentagens de componentes que apresentam eficiência energética nula como N₂ (25,2%) e CO₂ (46,2%).

A melhor fonte, sob o ponto de vista energético, é a de Uthmaniyah, visto que apresenta maiores porcentagens volumétricas de componentes com eficiências energéticas maiores como CH₄ (55,5%), C₂H₆ (18%) e C₃H₈ (9,8%).

b) Do ponto de vista ambiental, o combustível é mais limpo quando possui menores quantidades de compostos que geram produtos indesejáveis na queima, como por exemplo, compostos de enxofre que geram gases causadores da chuva ácida (SO₂). Outro ponto importante a considerar, é a que a queima de hidrocarbonetos de cadeias menores é mais limpa pelo fato de necessitarem de menor quantidade relativa de oxigênio levando à menor tendência sofrer combustão incompleta, que poderia gerar CO (gás tóxico) ou fuligem (material particulado). Além disso, quanto menor a cadeia carbônica, menor será a quantidade de CO₂ formado por volume do gás queimado.

MELHOR FONTE: Uch                        PIOR FONTE: Leaq

A pior fonte é a Leaq visto que possui grande porcentagem volumétrica de H₂S, o qual pode gerar o gás SO₂ na combustão, o qual contribui para o fenômeno de chuva ácida.

A melhor fonte é a Uch visto que não possui compostos sulfurados (H₂S). Além disso, possui pequena quantidade de hidrocarbonetos grandes, o que proporciona combustão mais completa e, portanto, menor quantidade de fuligem e menor formação de gases tóxicos.

a) Para a produção do biodiesel pelo método descrito, utiliza-se o óleo extraído das fontes naturais farinha de penas e pó de café. Assim, pelos gráficos observa-se que, embora a porcentagem de óleo na farinha de pena seja menor que no café, a produção mundial de biodiesel proveniente de farinha é superior o que implica haver maior disponibilidade mundial de farinha de penas para a produção de biodiesel.

b) Como aspectos positivos, pode-se elencar:

• abundância e baixo custo das fontes de matéria-prima utilizadas;    
• as fontes não são agressivas ao meio-ambiente;    
• o processo de conversão (transesterificação) é barato;    
• alto rendimento no processo de conversão de óleo em biodiesel (100%).

Como aspectos negativos, tem-se:

• o processo utiliza sovente orgânico, o que deve ser evitado segundo princípios da química verde, por serem em geral tóxicos; 
• o uso de solventes orgânicos em altas temperaturas pode contribuir para a contaminação atmosférica, pois tais compostos, classificados como compostos orgânicos voláteis, são responsáveis por contribuir em problemas ambientais como smog fotoquímico entre outros.

a) O Fator-E indica a quantidade de resíduos gerado em função da massa de produto obtida, sendo assim, quanto menor for o valor desse índice melhor é o processo reacional sob o ponto de vista de impactos ambientais, já que há menor massa de resíduos gerados. 

O EMR indica quanto da massa dos reagentes utilizados está incorporada no produto, de tal modo que, segundo os princípios da química verde, quanto maior a incorporação melhor será o processo, afinal, há melhor aproveitamento dos materiais precursores.

Portanto, o sal recomendo deve ser o sal 2, pois possui menor Fator-E e maior EMR.

b) O reagente 1-metil-imidazol é comum a para ambas as reações, portanto, a toxicidade não precisa ser avaliada, já que que é reagente necessário para a produção de ambos os sais. Sendo assim, a diferença está entre as características tóxico-ambientais dos reagentes 1-cloro-hexano e 1-bromo-hexano.

De acordo com a tabela, o reagente 1-bromo-hexano apresenta maior toxicidade para humanos e também para organismos aquáticos além de ser mais persistente no ambiente em relação ao 1-cloro-hexano. Portanto, considerando os menores efeitos tóxico-ambientais o sal 1 seria o recomendado para a produção.

a) 

A Curva 1 indica que, a cada dose do fármaco administrada, tem-se um pico de concentração de valor muito baixo em relação aos picos para os indíviduos das curvas 2 e 3, o que sugere um indivíduo de metabolismo acelerado, uma vez que o fármaco não se acumula no sangue em grandes concentrações, ou seja, ao ser administrado logo é metabolizado. Além disso, nota-se que, na curva 1 há, entre uma dose e outra, intervalos de tempo nos quais a concentração da droga é zero. Isso evidencia que a metabolização do organismo é suficientemente rápida para eliminar a substância da corrente sanguínea antes mesmo da administração da dose subsequente.     
Avaliando a Curva 3, nota-se que o fármaco, ao longo do tempo atinge doses muito elevadas no sangue. Isso sugere que o metabolismo do indivíduo correspondente é lento já que o intervalo de tempo entre as doses administradas não é suficiente para que o organismo metabolize a quantidade adequada da substância, de modo que, ao longo do tempo, haja um acúmulo do fármaco no sangue.    
Dessa forma, a Curva 2 descreve uma situação intermediária na qual a concentração de fármaco oscila dentro da região denominada janela terapêutica, o que sugere estar associada à um metabolismo normal.

b) 
S1 - Lento: A concentração do fármaco poderia ser mantida, visto que, na primeira dose, nota-se que o pico de concentração se dá na janela terapêutica (muito próximo ao valor obtido para um metabolismo normal), mostrando que a concentração é adequada. Assim, o problema para o metabolismo lento se dá no acúmulo decorrente da administração da dose subsequente antes da metabolização adequada, de modo que, deve-se diminuir a frequência de administração do fármaco garantindo assim sua segurança e eficácia.

S2 - Acelerado: Observa-se que, para o metabolismo acelerado (curva 1), o pico de concentração da substância no sangue a cada dose está sempre abaixo da janela terapêutica, de modo que, deve-se aumentar a concentração do fármaco e, como há intervalos de tempo nos quais o organismo não apresenta concentração do medicamento no sangue, seria adequado aumentar a frequência de administração, visando evitar períodos de ausência do fármaco no sangue durante o tratamento.

a) De acordo com o gráfico, podemos descartar o material A visto que este adsorve menor quantidade de gás hidrogênio por quilograma de material (cerca de 0,6 kg H₂/kg material) a pressão constante. Os materiais B e C apresentam capacidade de armazenamento de H₂, a pressão constante, semelhantes, por volta de 0,9 kg H₂/kg material, porém, a isoterma de B apresenta melhor reversibilidade visto que as condições de pressão durante a adsorção (armazenamento) e dessorção (liberação) são similares (curvas mais próximas uma da outra no gráfico).

Portanto, a curva B representa o melhor material para se armazenar o hidrogênio.

b) Considerando 8 kg de gás hidrogênio a massa de material intermetálico adosorvente (m_adsorvente), Mg₂Ni, necessário para armazenar esta quantidade será:

$$\begin{gathered} 3,6 \mathrm{kg} {\mathrm{H}}_2 — 100 \mathrm{kg} {\mathrm{Mg}}_2\mathrm{Ni} \\ 8 \mathrm{kg} {\mathrm{H}}_2 — m_{adsorvente} \end{gathered}$$

$\boxed{m_{adsorvente}=\frac{8·100}{3,6}\mathrm{kg} \mathrm{de} {\mathrm{Mg}}_2\mathrm{Ni}=222,2 \mathrm{kg} \mathrm{de} {\mathrm{Mg}}_2\mathrm{Ni}}$

Através da densidade do material intermetálico adsorvente, podemos calcular o volume ocupado:

$d=\frac{m}{V}\iff V =\frac{m}{d} = \frac{222,2 \mathrm{kg}}{3400 \mathrm{kg}·{\mathrm{m}}^{-3}}\Rightarrow$

$\boxed{V= 0,0654 {\mathrm{m}}^3 = 65,4 \mathrm{L} (de material)}$

O volume ocupado pelo material intermetálico equivale a, aproximadamente, 1,09% do volume do carro, enquanto, a massa desse material equivale a 22,2% da massa do carro.

Para base de comparação, se considerarmos os 24 kg de gasolina equivalentes, o volume ocupado por este combustível na forma líquida será de:

$d=\frac{m}{V}\iff V =\frac{m}{d} = \frac{24 \mathrm{kg}}{700 \mathrm{kg}·{\mathrm{m}}^{-3}}\Rightarrow$

$\boxed{V_{gasolina}= 0,0343 {\mathrm{m}}^3 (34,3 \mathrm{L})}$

Sendo assim, a gasolina ocupa cerca de 0,57% do volume do carro e possui massa equivalente a 2,4 % da massa do carro. Perceba que o material intermetálico Mg₂Ni ocupa aproximadamente o dobro do volume, porém, possui massa quase 10 vezes maior em comparação à gasolina.

Portanto, uma possível desvantagem dessa tecnologia estaria relacionada com a grande massa do Mg₂Ni necessária para armazenar o combustível.

Nota: O texto do item (b) da questão afirma "Considerando que a massa e o volume de um carro médio são aproximadamente de $6 {\mathrm{m}}^3$ e $1.000 \mathrm{kg}$, respectivamente", o que não tem sentido físico, uma vez que $\mathrm{kg}$ é unidade de massa e ${\mathrm{m}}^3$ é unidade de volume. Sendo assim, para viabilizar a resolução da questão, consideramos que o que se queria afirmar era "Considerando que o volume e a massa de um carro médio são aproximadamente de $6 {\mathrm{m}}^3$ e $1.000 \mathrm{kg}$, respectivamente". Tal equívoco pode ter confundido alguns candidatos, prejudicando a avaliação que se pretendia.