Questão 3 Fuvest 2021 - 2ª fase - dia 2 - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 3

Ligação Covalente Gases (Química)

O gás $N_{2}$ é relevante para diversos processos tecnológicos e industriais por ser considerado um gás inerte e, portanto, ser utilizado para evitar contato do processo com espécies reativas presentes na atmosfera. Uma das características que faz o $N_{2}$ ser inerte é a força de ligação entre átomos de $N$ .

O $N_{2}$ utilizado comercialmente costuma ser obtido por separação do ar atmosférico, composto majoritariamente por $N_{2}$ , $O_{2}$ , ${CO}_{2}$ , $Hélio$ e $Argônio$ .

a) No preparo de uma amostra de $N_{2}$ para uso industrial, quatro misturas de gases foram obtidas, conforme apresentado na tabela. Qual ou quais dessas misturas seria(m) adequada(s) para processos que não podem ser realizados na presença de gases oxidantes?

Mistura 1	Mistura 2	Mistura 3	Mistura 4
$N_{2}, O_{2}, Argônio$	$N_{2}, {CO}_{2}, Hélio$	$N_{2}, Hélio, Argônio$	$N_{2}, O_{2}, {CO}_{2}$

b) Desenhe as estruturas de Lewis para $N_{2}$ e $O_{2}$ e explique, com base nessas estruturas, por que a ligação entre os átomos de $N$ no $N_{2}$ é mais forte do que a ligação entre átomos de $O$ no $O_{2}$ .

Uma forma de obter um fluxo de nitrogênio gasoso de grande pureza é por meio da evaporação do nitrogênio líquido armazenado no interior de um botijão criogênico. Considere que um botijão como esse foi preenchido com $70 L$ de nitrogênio líquido que, quando evaporado, pode ser retirado como nitrogênio gasoso do cilindro.

c) Calcule, em $L$ , o volume de nitrogênio gasoso que pode ser coletado à temperatura de $30 º C$ e pressão ambiente de $1 atm$ , a partir desse botijão. Considere que todo líquido pode ser aproveitado e que não houve perdas.

Note e adote:

Densidade do nitrogênio líquido: $0, 8 g / mL$

Volume molar de gás ideal a $1 atm$ e $30 º C : 25 L$

Massa molar (g/mol): $N_{2} = 28$

Distribuição eletrônica $N : 1 s^{2}, 2 s^{2}, 2 p^{3}; O : 1 s^{2}, 2 s^{2}, 2 p^{4}$

Resolução

a) As misturas adequadas para processos que não podem ser realizados na presença de gases oxidantes são 2 e 3.

Gases oxidantes são aqueles que atuam como agente oxidante, ou seja, sofrem redução em reações de oxirredução. Os gases $N_{2}$ , argônio e hélio são considerados inertes e o $C O_{2}$ que, em geral, não sofre redução espontaneamente.

b) As fórmulas de Lewis são:

A ligação entre os átomos de N no $N_{2}$ é mais forte, pois há 3 compartilhamentos de elétrons (ligação tripla), quando comparamos com a ligação entre os átomos de O na molécula de $O_{2}$ em que ocorre dois compartilhamentos de elétrons (ligação dupla).

c) A partir do volume de nitrogênio líquido (70 L ou 70000 mL) e da densidade (0,8 g/mL) é possível determinar a massa dessa substância:

$d = \frac{m}{V} \to 0, 8 = \frac{m}{70000} \to m = 56000 g$

Como todo o nitrogênio evapora, temos a formação de 56000 g de gás nitrogênio. Calculando o volume de gás formado, usando o volume molar nas condições descritas, temos:

$1 m o l N_{2} - - - 28 g - - - - 25 L 56000 g - - - - V V = 50000 L$