Questão 2. O elemento fósforo não é encontrado livre na natureza, sendo obtido a partir de minérios como a fosforita
), a hidroxiapatita
e a fluorapatita
.
A) Escreva a equação química para a decomposição térmica de cada um desses compostos.
B) A hidroxiapatita que compõe o esmalte dentário pode ser atacada por ácidos. Admita um pH em que ocorra a diprotonação do ânion fosfato e escreva a equação química para a dissolução da hidroxiapatita pelo íon hidrônio (
) em meio aquoso.
C) Os produtos da decomposição da fosforita podem reagir separadamente com carvão aquecido. Escreva as equações químicas para essas duas reações.
D) Um dos produtos de uma das reações do item C é um composto iônico que reage com a água. Calcule a massa aproximada desse composto que é capaz de reagir completamente com 20 litros de água líquida em CNTP.
A) Escreva a equação química para a decomposição térmica de cada um desses compostos.
B) A hidroxiapatita que compõe o esmalte dentário pode ser atacada por ácidos. Admita um pH em que ocorra a diprotonação do ânion fosfato e escreva a equação química para a dissolução da hidroxiapatita pelo íon hidrônio (
C) Os produtos da decomposição da fosforita podem reagir separadamente com carvão aquecido. Escreva as equações químicas para essas duas reações.
D) Um dos produtos de uma das reações do item C é um composto iônico que reage com a água. Calcule a massa aproximada desse composto que é capaz de reagir completamente com 20 litros de água líquida em CNTP.
Passo 1
Vou organizar claramente o que o enunciado pede e quais dados já estão no enunciado.
- Foram dadas três fases minerais do fósforo, com as fórmulas:
- fosforita:
, - hidroxiapatita:
, - fluorapatita:
.
- fosforita:
O enunciado pede:
A) Escrever a equação química da decomposição térmica de cada um desses compostos.
B) Admitir um pH em que ocorra a diprotonação do ânion fosfato e escrever a equação da dissolução da hidroxiapatita pelo íon hidrônio
em meio aquoso (ou seja, formar
como espécie diprotonada).
C) Os produtos da decomposição da fosforita reagem separadamente com carvão aquecido. Escrever as equações dessas duas reações (uma para o óxido/fósforo e outra para o óxido de cálcio).
D) Um dos produtos de (C) é um composto iônico que reage com água. Calcular a massa aproximada desse composto que reage completamente com
litros de água líquida em CNTP.
Nenhuma figura foi fornecida. Vou agora resolver cada item passo a passo, explicando a química envolvida e balanceando cuidadosamente as equações.
Passo 2
(A) Entendendo a decomposição térmica e escolhendo produtos razoáveis.
- Quando aquecemos fosfatos de cálcio fortemente, uma forma útil de escrever a decomposição é separando o fosfato em um óxido de fósforo (forma molecular com oxigênio) e obtendo óxidos de cálcio (CaO). O óxido de fósforo mais estável molecularmente é o
(muitas vezes escrito também conceitualmente). Vou escrever equações balanceadas que convertem os fosfatos em óxidos de cálcio e óxidos de fósforo, cuidando de átomos e cargas.
Primeira reação (fosforita
):
- Proponho a decomposição em óxido de cálcio e
. - Balanceamento: tomando duas unidades de
obtemos uma molécula inteira de :
- Verificação rápida: cálcio
à direita ; fósforo à direita ; oxigênio à direita . Balanceada.
Observação: usar
ou escrever como
é equivalente em termos de elementos; eu manterei
quando aparecer.
Passo 3
(A) Decomposição da hidroxiapatita
.
- A fórmula contém o grupo
, então além de e óxido de fósforo haverá liberação de água ao decompor os hidrogênios. Vou buscar um coeficiente inteiro que equilibre Ca, P, O e H.
Proponho usar 2 unidades do mineral (assim os coeficientes saem inteiros):
- Observações de balanceamento:
- Cálculos rápidos: à esquerda
. - À direita:
dá Ca e O; dá P e O; dá H e O. Soma de O à direita , H . Tudo balanceado.
- Cálculos rápidos: à esquerda
- Nota:
é a unidade conceitual; pode ser agrupada em , mas escrever como é mais prático aqui.
Passo 4
(A) Decomposição da fluorapatita
.
- O flúor está presente em uma unidade
por fórmula; ao decompor, o flúor tende a formar compostos estáveis como (fluoreto de cálcio). Vou procurar coeficientes inteiros que conservem massa e formem , e óxidos de fósforo.
Uma equação balanceada aceitável é:
-
Verificação rápida:
- À esquerda:
. - À direita:
fornece Ca e O; fornece Ca e F; fornece P e O. Soma Ca ; P ; O ; F . Balanceada.
- À esquerda:
-
Justificativa química: o flúor tende a estabilizar-se como
em altas temperaturas, e o fósforo forma óxidos poliméricos representáveis por .
Passo 5
(B) Dissolução ácida da hidroxiapatita com diprotonação do fosfato (formação de
).
-
Primeiro, lembrar as etapas de protonação do ânion fosfato:
-
(monoprot.) -
(diprotonação)
-
-
O enunciado pede uma equação usando o íon hidrônio
e formando a espécie diprotonada . Vou balancear átomos e cargas.
Equação balanceada:
-
Verificação:
- Cálcio:
à esquerda e à direita. - Fósforo:
de cada lado. - Hidrogênio: à esquerda
(do OH) + dos → total . À direita: em + em → total . - Oxigênio: à esquerda
na hidroxiapatita + dos → . À direita em + em → . - Cargas: à esquerda
(dos 7 ); à direita de e das ; total . Balanceada.
- Cálcio:
-
Interpretação qualitativa: os íons
protonam os grupos fosfato e o grupo da estrutura, solubilizando cálcio como e formando as espécies fosfato protonadas.
Passo 6
(C) Reações separadas dos produtos da decomposição da fosforita com carvão aquecido.
- A decomposição da fosforita forneceu (ver Passo 2)
e . Esses dois produtos podem reagir com carbono aquecido:
- Redução do óxido de fósforo para fósforo elementar (branco) por carbono (agente redutor). Uma equação plausível e balanceada é:
- Observação: em fornos industriais, a redução gera monóxido de carbono
sob condições de redução/carvão, e o fósforo elementar é liberado como .
- Reação do óxido de cálcio com carbono formando carbeto de cálcio (
), que é uma reação clássica para produzir acetileno ao hidratar o carbeto depois:
- Verificação: cálcio 1 →1; carbono
→ em + em total ; oxigênio → em . Balanceada. - Observação química:
é um composto iônico (carretos metálicos com caráter iônico) que reage fortemente com água para formar acetileno e hidróxido de cálcio.
Passo 7
(D) Identificação do composto iônico que reage com água e cálculo da massa necessária para reagir com
L de água.
- O composto iônico formado em (C) que reage com água é o carbeto de cálcio
. A reação com água é:
- Esta equação mostra que
mol de consome mol de água.
Agora passo ao cálculo quantitativo pedido: massa de
que reage completamente com
L de água líquida em CNTP.
- Converter volume de água para massa e depois para mols.
- Densidade da água líquida sob condições usuais ~
, então tem massa . - Massa molar da água:
. - Número de mols de água:
- Densidade da água líquida sob condições usuais ~
- Relação estequiométrica:
mol consome mol . Então moles de necessários:
-
Massa molar de
: -
. -
. -
(aprox.).
-
-
Massa necessária:
-
Em unidades práticas isso dá aproximadamente
. -
Observação sobre arredondamento: usei massas atômicas comerciais com três casas; resultado final arredondado para
ou .
Resposta
A)
B)
C)
D)
Massa de
necessária para reagir com
de água ≈
.