(Pucpr 2016) Os efeitos tóxicos do dióxido de carbono exigem a sua remoção contínua de espaços fechados. A reação entre hidróxido de lítio e de dióxido de carbono é usada para remover o gás de naves espaciais e submarinos. O filtro utilizado nestes equipamentos é basicamente composto de hidróxido lítio. O ar seria direcionado para o filtro através de ventiladores, ao entrar em contato com o hidróxido de lítio presente nos filtros ocorre a reação com o dióxido de carbono existente no ar. A reação global é exotérmica, formando carbonato de lítio sólido e água no estado gasoso.
Disponível em: http://www.abq.org.br/cbq/2014/trabalhos/14/4463-18723.html.
Analisando o texto e a reação não balanceada, assinale a alternativa CORRETA.
\mathrm{CO}_{2(\mathrm{~g})}+\mathrm{LiOH}_{(\mathrm{s})} \rightarrow \mathrm{Li}_{2} \mathrm{CO}_{3(\mathrm{~s})}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{(\mathrm{v})}
a) A reação entre o gás carbônico e hidróxido de lítio forma um sal com \mathrm{pOH}<7.
b) A constante de hidrólise deste sal é dada pela seguinte relação: \mathrm{Kh}=\left[\mathrm{OH}^{-}\right] \cdot\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{CO}_{3}{ }^{-2}\right] /\left[\mathrm{CO}_{3}{ }^{-2}\right] \cdot\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right].
c) É impossível a reação de hidrólise entre o hidróxido de lítio e o ácido carbônico, reagentes responsáveis pela produção de carbonato de lítio.
d) A constante de hidrólise para o referido sal pode ser dada por: Kh = Kw.
e) A reação acima é exotérmica, ou seja, torna o ambiente muito frio.

Passo 1

O enunciado dá a reação não balanceada
\mathrm{CO}_{2(\mathrm{g})}+\mathrm{LiOH}_{(\mathrm{s})}\rightarrow \mathrm{Li}_{2}\mathrm{CO}_{3(\mathrm{s})}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}_{(\mathrm{v})}
e pede que eu assinale a alternativa CORRETA dentre as opções (a) a (e).
Informações relevantes do enunciado que vou usar: \mathrm{CO_2} e \mathrm{LiOH} reagem formando \mathrm{Li_2CO_3} (carbonato de lítio) e \mathrm{H_2O}; a reação é dita exotérmica no texto.
O que o enunciado pergunta implicitamente: qual das afirmações sobre o sal formado, suas hidrólises e sobre a natureza térmica da reação é correta?

Passo 2

Primeiro passo técnico: balancear a reação (vai me ajudar a entender este sal formado). Vou balancear por inspeção contando átomos iniciais:
  • Carbono: 1 no \mathrm{CO_2} e 1 em \mathrm{Li_2CO_3} → ok.
  • Lítio: cada \mathrm{LiOH} tem 1 Li; produto tem 2 Li → preciso de 2 \mathrm{LiOH}.
  • Hidrogênio: com 2\\ \mathrm{LiOH} temos 2 H e produto tem \mathrm{H_2O} com 2 H → ok.
  • Oxigênio: checando depois dá compatível.
Logo a equação balanceada é
\mathrm{CO}_{2(\mathrm{g})}+2\,\mathrm{LiOH}_{(\mathrm{s})}\rightarrow \mathrm{Li}_{2}\mathrm{CO}_{3(\mathrm{s})}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}_{(\mathrm{v})}.

Passo 3

Identificar o sal formado: \mathrm{Li_2CO_3} é o carbonato de lítio. Um sal é formado por um cátion ( \mathrm{Li^+}) e um ânion ( \mathrm{CO_3^{2-}}). Vou analisar a natureza aquosa desse sal (ácido, neutro ou básico), porque várias alternativas falam de hidrólise e de \mathrm{pOH}.

Passo 4

Relembrando o conceito de hidrólise de sais (aula rápida e prática):
  • Hidrólise é quando o ânion ou cátion do sal reage com a água, alterando [\mathrm{H^+}] ou [\mathrm{OH^-}].
  • Cátions de bases fortes (grupo 1 como \mathrm{Li^+}) não hidrolisam de modo significativo — são espectadores, não alteram o pH.
  • Ânions que são bases conjugadas de ácidos fracos hidrolisam, gerando \mathrm{OH^-} e tornando a solução básica.
No nosso caso, \mathrm{CO_3^{2-}} é a base conjugada do íon \mathrm{HCO_3^-} (e relacionada ao ácido carbônico \mathrm{H_2CO_3}), e efetivamente sofre hidrólise em água pela reação (a hidrólise que importa aqui):
\mathrm{CO_3^{2-}}+\mathrm{H_2O}\rightleftharpoons \mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{OH^-}.
Essa reação produz \mathrm{OH^-}, portanto a solução aquosa de \mathrm{Li_2CO_3} fica básica (mais \mathrm{OH^-} que em água pura).

Passo 5

Lembrando a relação entre pH e pOH: em água à temperatura padrão
\mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14.
Uma solução básica tem \mathrm{pH}>7, o que implica \mathrm{pOH}<7. Como a hidrólise do ânion carbonato gera \mathrm{OH^-}, a solução de \mathrm{Li_2CO_3} é básica, logo tem \mathrm{pOH}<7. Isso responde diretamente à alternativa (a): ela afirma que o sal formado tem \mathrm{pOH}<7. Isso é compatível com o comportamento básico do carbonato.

Passo 6

Agora verifico as demais alternativas uma a uma, explicando por que são falsas (para consolidar o aprendizado):
Sobre (b): a alternativa propõe a expressão
\mathrm{K_h}=\dfrac{[\mathrm{OH^-}]\cdot[\mathrm{H_2CO_3^{-2}}]}{[\mathrm{CO_3^{2-}}]\cdot[\mathrm{H_2O}]}.
Isso está incorreto por vários motivos: não existe a espécie \mathrm{H_2CO_3^{-2}} (a escrita está errada); a hidrólise relevante para \mathrm{CO_3^{2-}} é
\mathrm{CO_3^{2-}}+\mathrm{H_2O}\rightleftharpoons\mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{OH^-},
logo a constante de hidrólise (para essa reação) deve ser
\mathrm{K_h}=\dfrac{[\mathrm{HCO_3^-}][\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{CO_3^{2-}}]},
sem [\mathrm{H_2O}] no denominador (pois água é solvente e sua atividade é ~1). Portanto (b) está errada.

Passo 7

Sobre (c): ela diz que “É impossível a reação de hidrólise entre o hidróxido de lítio e o ácido carbônico, reagentes responsáveis pela produção de carbonato de lítio.” Primeiro, a expressão é confusa: \mathrm{LiOH} (base forte) e \mathrm{H_2CO_3} (ácido) reagem por neutralização formando \mathrm{Li_2CO_3} e água — é perfeitamente possível e é justamente o que o enunciado descreve. Se a afirmação quer dizer que hidrólise entre os reagentes é impossível, isso não faz sentido: ácido e base reagem. Portanto (c) é falsa.

Passo 8

Sobre (d): ela afirma \mathrm{K_h}=K_w (ou seja, a constante de hidrólise do sal é igual ao produto iônico da água). Para o caso do ânion \mathrm{CO_3^{2-}} a relação correta liga \mathrm{K_h} com a constante de acidez do ácido conjugado. Para a reação
\mathrm{CO_3^{2-}}+\mathrm{H_2O}\rightleftharpoons\mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{OH^-},
pode-se mostrar que
\mathrm{K_h}=\dfrac{K_w}{K_{a2}},
onde K_{a2} é a constante de ionização de \mathrm{HCO_3^-} para dar \mathrm{CO_3^{2-}} ( \mathrm{HCO_3^-}\rightleftharpoons\mathrm{H^+}+\mathrm{CO_3^{2-}}). Assim \mathrm{K_h} não é igual a K_w em geral, salvo numa situação excepcional onde K_{a2}=1 (o que não ocorre). Portanto (d) é falsa.

Passo 9

Sobre (e): o enunciado menciona que a reação global é exotérmica. Exotérmica significa liberar calor para o meio, logo aquece o ambiente (tende a tornar o ambiente mais quente). A alternativa (e) afirma que por ser exotérmica “torna o ambiente muito frio”, o que é o oposto do correto. Logo (e) é falsa.

Passo 10

Resumo lógico: (a) está em acordo com a química do carbonato ( \mathrm{CO_3^{2-}} hidrolisa formando \mathrm{OH^-}, solução básica → \mathrm{pOH}<7). (b), (c), (d) e (e) estão incorretas por razões explícitas acima. Portanto a alternativa correta é a (a).

Resposta

a)

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