Unicamp 2022 - 2ª fase - dia 2

a) Os critérios para classficação das cores do hidrogênio são:

I) Tipo de processo:

• Eletrolítico: o gás hidrogênio é produzido a partir da eletrólise da água.
• Outros: reforma do gás natural, gaseificação de carvão, ambos processos térmicos, dentre outros não citados.

II) Fonte de energia para efetuar a eletrólise:

• Renováveis, por exemplo, eólica, solar e hidráulica.
• Não Renováveis, por exemplo, carvão mineral ou derivados de petróleo.

III) Destino do CO₂ produzido em processos térmicos:

• Emissão de CO₂ para a atmosfera.
• Captura e armazenamento do CO₂.

b) A matriz elétrica Brasileira é extremamente dependente de energia hidráulica (65,2%) seguida da energia elétrica a partir de biomassa (9,1%) e eólica (8,8%) além de outras fontes em menores porcentagens.

O hidrogênio verde é produzido por eletrólise, portanto, demanda de energia elétrica, a qual deve vir, por definição da classificação, de fontes renováveis. Levando em conta as condições ambientais e climáticas deste ano, nos deparamos com certa escassez de chuvas que comprometeu a principal forma de produção de energia elétrica (hidráulica). A implementação do hidrogênio verde tem como desafios tanto a oscilação na disponibilidade de energia de fontes renováveis quanto os fatores econômicos uma vez que a escassez repercute no aumento da tarifa da energia elétrica consumida.

Já o hidrogênio azul apresenta como fonte energética para sua produção o gás natural e o carvão mineral, os quais representam 11,8% e 4,9% da matriz energética brasileira, respectivamente. Ambos são mais caros, se comparados a outras fontes energéticas de maior demanda, além disso, em 2021 foi registrado um grande aumento do valor principalmente no gás natural. Sendo assim, a implementação do hidrogênio azul tem como desafios a pequena disponibilidade dos combustíveis necessários em nossa matriz e seu elevado custo. Pensando nas questões ambientais e climáticas, o desafio seria em relação ao destino final do CO₂ capturado e armazenado, ou seja, é preciso encontrar maneiras de utilizá-lo para não impactar o meio ambiente.

a) Uma solução tampão, comumente tratada apenas por "tampão", é uma solução que apresenta um equilíbrio químico capaz de sofrer deslocamento amenizando a mudança de pH que ocorreria em um meio devido à inserção de um ácido ou base. Nos ruminantes, segundo o texto, o tampão está presente na saliva gerada durante a mastigação através de compostos nela presentes.

Por exemplo, o hidrogenocarbonato (HCO₃^-), presente na saliva (vide tabela do enunciado) é um íon que apresenta o seguinte equilíbrio em meio aquoso:

$HC{{O_3}^{-}}_{\left(aq\right)} + {H^{+}}_{\left(aq\right)}\rightleftharpoons H_{2}C{O_3}_{\left(aq\right)} \rightleftharpoons H_2{O}_{\left(l\right)} +\hspace{0.17em}C{O_2}_{\left(g\right)}$

Sendo assim, ao entrar em contato com o ácido produzido no rúmen (primeiro compartimento do estômago dos ruminantes), o referido equilíbrio pode ser deslocado para a direita consumindo H⁺ e evitando um aumento drástico da acidez, em outras palavras, evitando a acidose.

A alimentação rica em grãos exige menos mastigação por conter carboidratos de rápida digestão, sendo assim, estimula menos a produção de saliva e, consequentemente, diminui a quantidade de tampão que vai para o rúmen podendo conduzir a uma acidose ruminal.

Outro fator a considerar está no fato de que a saliva, consituída principalmente por água, atua como um solvente no estômago, sendo assim, o menor volume de saliva torna o ácido produzido no estômago mais concentrado (visto que o volume de solvente é menor) contribuindo, novamente, para a acidose ruminal.

b) O suplemento alimentar que deve ser fornecido para evitar a acidose ruminal deve apresentar caráter básico. Os compostos apresentados são sais que em água podem sofrer hidrólise e, portanto, influenciar no pH do meio através de algum íon derivado de ácido fraco ou base fraca. Analisando cada um deles temos:

NH₄Cl: Sal derivado de base fraca (NH₄OH) e ácido forte (HCl), sendo assim, em água, a base fraca é regenerada predominantemente na forma não dissociada conforme as equações a seguir.

$$\begin{gathered} {{{\mathrm{NH}}_4}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)} +\cancel{\hspace{0.17em}{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} +\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} \rightleftharpoons {\mathrm{NH}}_4{\mathrm{OH}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\hspace{0.17em}{{\mathrm{H}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\cancel{\hspace{0.17em}{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} \\ \boxed{{{{\mathbf{NH}}_{\mathbf{4}}}^{\mathbf{+}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\rightleftharpoons }{\mathbf{NH}}_{\mathbf{4}}{\mathbf{OH}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{H}}^{\mathbf{+}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\hspace{0.17em}} \end{gathered}$$

Pelo equilíbrio de hidrólise acima pode-se concluir que o suplemento NH₄Cl não poderia ser utilizado, já que a hidrólise de seu cátion contribui para aumento da acidez através da liberação de ${\mathrm{H}}^{+}$ no meio.

NaCl: Sal derivado de base forte (NaOH) e ácido forte (HCl), sendo assim, em água, ambos permaneceriam dissociados, ou seja, nenhum íon afetaria a pH do meio.

$$\begin{gathered} \cancel{{{\mathrm{Na}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} +\cancel{\hspace{0.17em}{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} +\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} \rightleftharpoons \cancel{{{\mathrm{Na}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} + {\mathrm{OH}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{-}\hspace{0.17em}+\hspace{0.17em}{{\mathrm{H}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\cancel{\hspace{0.17em}{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} \\ \boxed{\mathbf{\hspace{0.17em}}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\rightleftharpoons }{{\mathbf{H}}^{\mathbf{+}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{OH}}^{\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}} \end{gathered}$$

Portanto, o suplemento NaCl não é adequado visto que não afeta o pH do meio, logo, não será capaz de diminuir a acidez ruminal.

Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O: Este suplemento contém os sais carbonato de sódio (Na₂CO₃) e hidrogenocarbonato de sódio NaHCO₃, ambos provenientes de uma base forte (NaOH) e um ácido fraco (H₂CO₃). Sendo assim, em água teremos a hidrólise dos íons carbonato e hidrogenocarbonato, conforme as respectivas equações:

$$\begin{gathered} \cancel{2 {{\mathrm{Na}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} + {{{\mathrm{CO}}_3}^{2-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)} +\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} \rightleftharpoons {{{\mathrm{HCO}}_3}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\hspace{0.17em}{{\mathrm{OH}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\cancel{\hspace{0.17em}2\mathrm{Na}{+}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} \\ \boxed{{{{\mathbf{CO}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{2}\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\rightleftharpoons }{{{\mathbf{HCO}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{OH}}^{\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\hspace{0.17em}} \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} \cancel{{{\mathrm{Na}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} + {{{\mathrm{HCO}}_3}^{2-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)} +\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} \rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2{{\mathrm{CO}}_3}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\hspace{0.17em}{{\mathrm{OH}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}\hspace{0.17em}+\cancel{\hspace{0.17em}\mathrm{Na}{+}_{\left(\mathrm{aq}\right)}} \\ \boxed{{{{\mathbf{HCO}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{2}\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\rightleftharpoons }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{{\mathbf{CO}}_{\mathbf{3}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{OH}}^{\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\hspace{0.17em}} \end{gathered}$$

ou, considerando o equilíbrio de decomposição do ácido carbônico:

$\mathbf{ }\boxed{{{{\mathbf{HCO}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{2}\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\rightleftharpoons }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{CO}}_{\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}\mathbf{+}\mathbf{\hspace{0.17em}}{{\mathbf{OH}}^{\mathbf{-}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{\hspace{0.17em}}}$

Portanto, o suplemento Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O é o único indicado para solucionar o problema da acidose, visto que a hidrólise de seus ânions fornece íons hidroxila, os quais são capazes de neutralizar os íons ${\mathrm{H}}^{+}$ e, assim, diminuir a acidez do rúmen.

a) 

Na forma de cloridrato de cocaína, o grupo amina da molécula da droga está protonado e, portanto, a estrutura apresenta-se na forma de um sal orgânico. Com isso, a presença de carga positiva no nitrogênio possibilita a ocorrência de interações íon-dipolo entre o composto e a água o que justifica sua elevada solubilidade neste solvente quando a droga se encontra na forma de cloridrato. Em contrapartida a solubilidade em éter será pequena visto que este solvente é de baixa polaridade.

Conforme indicado no esquema, ao ser convertida à forma de pasta base, a molécula da cocaína é desprotonada e passa a se apresentar como uma estrutura neutra. Dessa forma, a polaridade da molécula será menor, prevalecendo sua estrutura carbônica de caráter apolar, justificando a baixa solubilidade da pasta base em água e, consequentemente, um aumento da solubilidade em éter, solvente de caráter pouco polar.

 
b) A porcentagem de pureza indica a quantidade de cocaína pura presente no produto final ("cocaína de rua"). Sendo assim, quanto menor for a porcentagem de pureza maior será a quantidade de adulterantes.

Analisando os histogramas, observa-se que 90% das amostras de pasta base apresentam pureza maior ou igual a 20,1% (40% das amostras de 20,1 a 30% e 50% das amostras de 30,1 a 40% de pureza). Além disso, nota-se também que nenhuma das amostras de cloridrato de cocaína atingiu pureza maior que 20%, o que leva a inferir que, de acordo com os dados, o cloridrato de cocaína é o produto mais adulterado visto que possui menores porcentagens de pureza.

a) O bom funcionamento da proposta depende da retenção somente de dióxido de carbono gerado no sistema para que seja reutilizado, por exemplo, na produção eletrolítica de combustível, ou então para que seja estocado adequadamente na natureza, tendo em ambos os casos a finalidade diminuir sua emissão.

A queima de combustíveis nos motores de explosão interna utiliza ar atmosférico e expele diversos gases além do ${\mathrm{CO}}_2$, uma vez que a reação de combustão não é seletiva. Além do mais, pode-se considerar também a possibilidade de combustão incompleta formando outros subprodutos indesejáveis. Isso inviabilizaria a reutilização do ${\mathrm{CO}}_2$, o qual teria que ser separado antes de ser utilizado.

Portanto, a importância do uso de células de combustíveis em relação aos motores de combustão interna está na seletividade da reação de oxidação do combustível gerando, especificamente, o dióxido de carbono, possibilitando sua reutilização.

Sendo o ${\mathrm{CO}}_2$mais estável na forma gasosa em condições ambientes, será necessário submetê-lo a alta pressão, aproximando as moléculas até que ocorra sua liquefação, para, então, estocá-lo na forma líquida no interior do tanque, conforme relatado no enunciado.

b) Combustíveis fósseis, ao serem queimados trariam para a atmosfera certa quantidade de carbono que não seria compensada e afetaria o meio ambiente. A estocagem do dióxido de carbono proposta na tecnologia apresentada evita sua liberação para a atmosfera, logo, teremos a utilização do combustível sem correspondente emissão de carbono. Portanto, a utilização da fonte de combustível 1 (combustível fóssil) seria classificada como carbono neutro.

Um biocombustível é uma fonte renovável e sustentável, logo, não contribui para o acúmulo de carbono na atmosfera, isto é, na sua forma de utilização direta (queima) já poderia ser considerado como carbono neutro. Na proposta apresentada, sua utilização levaria à estocagem do CO₂ emitido na combustão, o qual já é proveniente da atmosfera, visto que foi capturado por processo de fotossíntese de organismos autótrofos antes de ser transformado em biocombustível. Sendo assim, haveria remoção de carbono da atmosfera. Portanto, a utilização da fonte de combustível 2 (biocombustível) seria classificada como carbono negativo.

a) O Cartoon C constrói a ideia de que o tempo da Terra está se acabando já que os recursos naturais estão sendo utilizados e descartados como resíduos gerados após o uso de objetos obtidos pela exploração de tais recursos. Dessa forma, as ações propostas para os contextos dos cartoons A e B remetem à contenção da geração desenfreada de resíduos e minimização das consequências ambientais pelo descarte destes. Assim, propõem-se: 
No contexto do Cartoon A: Reduzir. A redução do consumo de bens materiais ao mínimo necessário pelos indivíduos levaria a uma diminuição significativa na geração de resíduos, já que tais itens seriam substituídos por novos objetos com a mesma funcionalidade apenas em caso de real necessidade. Com isso, o tempo de utilização dos eletrônicos seria expandido, o que embora vá na direção contrária da obsolescência programada, é uma ação favorável ao meio ambiente.
Essa atitude dialoga com o Cartoon A pois, ao afirmar que "Não vai demorar muito" para o aparelho celular lançamento ser encontrado entre os resíduos, a personagem ressalta a rapidez no descarte de eletrônicos criticando o consumo exacerbado desses itens. Reduzir também se relaciona com a problemática exposta no Cartoon C já que a ação seria de fundamental importância para retardar a diminuição da disponibilidade de recursos naturais. 
No contexto do Cartoon B: Tratar. O tratamento adequado de resíduos é fundamental para a preservação ambiental já que garante a estes o destino que minimiza os impactos da presença de tais materiais ao meio-ambiente. No Cartoon B, tem-se uma crítica à poluição do córrego Laranja Hay, no Mato Grosso do Sul, ilustrando uma enorme quantidade de resíduos inadequados que comprometem a qualidade das águas deste corpo hídrico. Nesse contexto, um exemplo da ação "tratar"  é a implementação de sistemas de saneamento básico com estações de tratamento de esgoto (ETE) contendo as operações adequadas para o perfil dos poluentes presentes nos esgotos a serem atendidos. A partir disso, deixa-se de lançar esgoto bruto nos corpos hídricos de modo a prezar pela qualidade de águas superficiais.  
b) 

No resíduo eletrônico, os metais estão como substâncias simples em sua forma sólida. Após a moagem (2), obtém-se uma mistura sólido-sólido de metais e resíduos de não-metais. Esse sistema é submetido a decantação (5) o que sugere uma separação por diferença de densidade entre os componentes metálicos e não-metálicos. Assim, como o objetivo é a recuperação dos metais, infere-se que os materiais obtidos no ramo que tem continuidade no fluxograma sejam componentes metálicos em sua forma de substância pura simples M1_(s) (C) e M2_(s) (F). 
Dentre os processos possíveis, a mistura de metais sólidos poderia ser submetida à dissolução (1) levando à formação dos cátions correspondentes, M1^x+_(aq) (A) e M2^y+_(aq) (D). A dissolução de metais sólidos, em geral, ocorre pela reação com ácidos fortes. Assim, um exemplo de dissolução de um metal M seria a reação com HCl concentrado que ocorreria de acordo com a equação química genérica

$x HC{l}_{\left(aq\right)} +\hspace{0.17em}{M}_{\left(s\right)} \to \frac{x}{2}{H}_{2 \left(g\right)} +\hspace{0.17em}MC{l}_{x \left(aq\right)}$

Essa mistura de cátions metálicos em solução aquosa é submetida a um processo que isola os íons M2^y+_(aq) (D), portanto, infere-se que tenha ocorrido precipitação (4) em meio básico de modo que o hidróxido de M1 seja pouco solúvel, portanto, esse processo leve à formação de M1(OH)_{x (s)}(B), segundo a equação química

$M{1^{x+}}_{\left(aq\right)} +\hspace{0.17em}x O{H^{-}}_{\left(aq\right)} \rightleftharpoons M1(OH{)}_{x \left(s\right)}$

Por fim, o cátion M2^y+_(aq) (D) sofre um processo que leva à formação da espécie M2_(s). Assim, o processo correspondente é a eletrodeposição (3) a qual consiste na redução do cátion à sua forma metálica (NOx = 0), de acordo com a equação química

$M{2^{y+}}_{\left(aq\right)} + y e^{- }\to M{2}_{\left(s\right)}$

Obs.: o processo de decantação não é apropriado para a separação de misturas sólido-sólido como infere-se ter sido formada no sistema em questão após a moagem. Para a separação de sólidos por diferença de densidade, uma alternativa adequada seria o processo de flotação.

a) Expressando a concentração de glicose na corrente sanguínea do indivíduo saudável (90 mg/dL) em mol/L, tem-se: 

$$\begin{gathered} 180 g --- 1 mol de gli\cos e \\ 90.{10}^{-3} g --- n_{gli\cos e} \\ \boxed{n_{gli\cos e}=0,5.{10}^{-3 }mol} \\ 0,5.{10}^{-3} mol de gli\cos e--- 1.{10}^{-1} L sangue \\ C_{gli\cos e}\hspace{0.17em} --- 1 L sangue \\ \boxed{{\mathit{C}}_{\mathbf{g}\mathbf{l}\mathbf{i}\mathbf{c}\mathbf{o}\mathbf{s}\mathbf{e}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{.}{\mathbf{10}}^{\mathbf{-}\mathbf{3}}\mathbf{ }\mathit{m}\mathit{o}\mathit{l}\mathbf{/}\mathit{L}} \end{gathered}$$    

A concentração de glicose à qual a célula está submetida na situação proposta (C_glicose = 5,0.10^-3 mol/L) equivale a 1/4 da concentração de glicose da solução a qual se mergulhou o eletrodo para a obtenção da curva indicada no gráfico (20.10^-3 mol/L). Dessa forma, como o texto afirma que a intensidade da corrente elétrica é diretamente proporcional à concentração de glicose, espera-se que, no experimento envolvendo o indivíduo saudável, os valores medidos de corrente, indicados abaixo pela curva em vermelho sejam 1/4 dos valores expressos na curva em preto. 

b) Como a corrente elétrica é variável no experimento, a carga (q) correspondente durante as primeiras 3 horas pode ser obtida pela área sob a curva neste intervalo de tempo. Portanto, 

$$\begin{gathered} q = \frac{(70+80).3}{2}= 225 \mu A h \\ q= 225.{10}^{-6} A h \\ q= 225.{10}^{-6}. 3600 A s \\ \boxed{q= 0,81 C} \end{gathered}$$

Sendo a constante de Faraday a carga associada a 1 mol de elétrons, a quantidade de elétrons correspondente à carga q é dada por: 

$$\begin{gathered} 96500 C --- 1 mol de e^{-} \\ 0,81\hspace{0.17em}C\hspace{0.17em} --- n_{e^{-}} \\ \boxed{n_{e^{-}} = 8,4.{10}^{-6} mol de e^{-}} \end{gathered}$$

Pela semirreação anódica ilustrada no esquema da célula, cada mol de glicose libera 2 mol de elétrons na oxidação, portanto, a quantidade de glicose consumida no experimento (n_glicose) é dada por: 

$$\begin{gathered} 1 mol de gli\cos e --- 2 mol de e^{-} \\ n_{gli\cos e} --- 8,4.{10}^{-6}mol de e^{-} \\ \boxed{{\mathbf{n}}_{\mathbf{g}\mathbf{l}\mathbf{i}\mathbf{cos}\mathbf{e}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\mathbf{4}\mathbf{,}\mathbf{2}\mathbf{.}{\mathbf{10}}^{\mathbf{-}\mathbf{6}}\mathbf{ }\mathbf{m}\mathbf{o}\mathbf{l}} \end{gathered}$$