Questão 2. O elemento fósforo não é encontrado livre na natureza, sendo obtido a partir de minérios como a fosforita \left(\mathrm{Ca}_{3}\left(\mathrm{PO}_{4}\right)_{2}\right. ), a hidroxiapatita \left(\mathrm{Ca}_{5}\left(\mathrm{PO}_{4}\right)_{3} \mathrm{OH}\right) e a fluorapatita \left(\mathrm{Ca}_{5}\left(\mathrm{PO}_{4}\right)_{3} \mathrm{~F}\right).
A) Escreva a equação química para a decomposição térmica de cada um desses compostos.
B) A hidroxiapatita que compōe 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 ( \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}) 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.
Passo 1
O enunciado pede quatro coisas claras:
(A) Escrever a equação de decomposição térmica de cada um dos três minerais: \mathrm{Ca}_{3}(\mathrm{PO}_{4})_{2} (fosforita), \mathrm{Ca}_{5}(\mathrm{PO}_{4})_{3}\mathrm{OH} (hidroxiapatita) e \mathrm{Ca}_{5}(\mathrm{PO}_{4})_{3}\mathrm{F} (fluorapatita).
(B) Para a hidroxiapatita, assumir um pH tal que o ânion fosfato sofra diprotonação (isto é, \mathrm{PO}_{4}^{3-} → \mathrm{H}_{2}\mathrm{PO}_{4}^{-}) e escrever a equação de dissolução da hidroxiapatita pelo íon hidrônio \mathrm{H}_{3}\mathrm{O}^{+} em meio aquoso.
(C) Os produtos da decomposição da fosforita reagem separadamente com carvão aquecido; escrever as duas equações para essas reações (ou seja, reação do óxido de cálcio com carvão e reação do pentóxido fosfórico com carvão).
(D) Um dos produtos das reações do item (C) é um composto iônico que reage com água. Calcular a massa aproximada desse composto que reage completamente com 20 litros de água líquida em CNTP.
Informações fornecidas pelo enunciado (que serão usadas):
Usar \mathrm{H}_{3}\mathrm{O}^{+} para ataque ácido.
Reações envolvendo carvão (C aquecido) para redução.
CNTP para volume de água (usar densidade da água aproximadamente 1{,}00\\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}}).
Passo 2
(A) Entendendo a decomposição térmica de fosfatos (aula curta e conceito):
Quando se aquece um fosfato de cálcio, a ligação entre cálcio e o grupo fosfato pode quebrar levando à formação de óxido de cálcio \mathrm{CaO} e óxidos do fósforo, tipicamente o pentóxido fosfórico \mathrm{P_{2}O_{5}}. Esse é um produto comum da desidratação/fragmentação térmica de fosfatos.
A estratégia prática: escrever a decomposição supondo como produtos principais \mathrm{CaO} e \mathrm{P_{2}O_{5}}, e incluir a água ou o halogênio liberado quando a fórmula original contém \mathrm{OH} ou \mathrm{F}. Em seguida balancear átomos.
Vou montar as equações e mostrar como balanceei cada uma.
Passo 3
(A) Decomposição da fosforita \mathrm{Ca}_{3}(\mathrm{PO}_{4})_{2}:
Verificação rápida: Ca: 3=3. P: 2 no reagente e 2 em \mathrm{P_{2}O_{5}}. O: reagente tem 2\times4=8 oxigênios; produtos têm 3\times1+5=8. Está balanceada.
Passo 4
(A) Decomposição da hidroxiapatita \mathrm{Ca}_{5}(\mathrm{PO}_{4})_{3}\mathrm{OH} (passo a passo):
Começo escrevendo a decomposição em moléculas inteiras. Para evitar frações, multiplico por 2 desde o início (prática comum para balancear fórmulas com subunidades ímpares).
Verificação rápida: Ca: 2\times5=10 → 10 no produto. P: 2\times3=6 → 3\times2=6 em 3\,\mathrm{P_{2}O_{5}}. H: 2\times1=2 → 1 mol H2O tem 2 H. O: reagente 2\times(3\times4+1)=2\times13=26; produtos 10+3\times5+1=10+15+1=26. OK.
Comentário didático: escrevemos com 2 unidades da hidroxiapatita para evitar frações e a água aparece claramente como produto da desidratação do grupo \mathrm{OH}.
Passo 5
(A) Decomposição da fluorapatita \mathrm{Ca}_{5}(\mathrm{PO}_{4})_{3}\mathrm{F} (explicação e equação):
Analogia com a hidroxiapatita: o grupo substituinte é \mathrm{F}^{-} em vez de \mathrm{OH}^{-}. Na decomposição térmica, o fluoreto pode ser liberado na forma de espécie volátil (dependendo das condições): em ausência de hidrogênio, pode-se escrever a liberação do elemento fluoreto como \mathrm{F_{2}} ou formam-se compostos voláteis.
Para expressar a decomposição em forma sem frações e de modo análogo à hidroxiapatita, escrevemos:
Observação prática: esta equação está escrita de forma análoga à hidroxiapatita (multiplicada por 2 para evitar frações) e mostra o fluoreto liberado como \mathrm{F_{2}} (espécie gasosa). Em condições reais o flúor pode reagir formando outras espécies (por exemplo, compostos voláteis ou sais se houver água/ácidos), mas para o objetivo de decomposição térmica elementar esta forma explicita a saída do flúor.
Passo 6
(B) Dissolução da hidroxiapatita por \mathrm{H_{3}O^{+}} com diprotonação do fosfato (aula curta sobre protonação do fosfato):
O ânion fosfato tem espécies sucessivas de protonação:
“Diprotonação” aqui significa duas adições de próton, resultando em \mathrm{H_{2}PO_{4}^{-}} (dihidrogenofosfato).
Queremos a reação da fase sólida \mathrm{Ca}_{5}(\mathrm{PO}_{4})_{3}\mathrm{OH} com \mathrm{H_{3}O^{+}} em solução aquosa, produzindo \mathrm{Ca^{2+}} em solução e \mathrm{H_{2}PO_{4}^{-}} (estado diprotonado do fosfato).
Montagem e balanceamento (faço conta cuidando de cargas e de hidrogênios):
H: reagente tem 1 H (do \mathrm{OH}) + 7\times3 =21 H das moléculas \mathrm{H_{3}O^{+}} → total 22. Produtos: 3\times 2 =6 H em 3\,\mathrm{H_{2}PO_{4}^{-}} + 8\times2=16 H em água → 6+16=22. Ok.
Elementos Ca e P também balanceiam naturalmente.
Interpretação prática: ao atacar com ácido forte (muitos \mathrm{H_{3}O^{+}}), a hidroxiapatita solubiliza-se liberando \mathrm{Ca^{2+}} e anions di-hidrogeno-fosfato, e muita água é formada a partir dos íons hidrônio consumidos e do grupo \mathrm{OH}.
Passo 7
(C) Reações dos produtos da decomposição da fosforita com carvão aquecido (aula curta sobre redução com carbono):
Produto 1 da decomposição: óxido de cálcio \mathrm{CaO}. A reação típica de \mathrm{CaO} com carbono aquecido (coke/carbão) forma carbeto de cálcio \mathrm{CaC_{2}} e monóxido de carbono \mathrm{CO}. A equação balanceada é:
Explicação: o carbono reduz o óxido, combinando-se com cálcio para formar \mathrm{CaC_{2}} (composto iônico, muito reativo com água) e gerando \mathrm{CO} como produto oxidado do carbono.
Produto 2 da decomposição: pentóxido fosfórico \mathrm{P_{2}O_{5}}. O carbono reduz \mathrm{P_{2}O_{5}} a fósforo elementar e forma \mathrm{CO}. Uma forma conveniente (por unidade de \mathrm{P_{2}O_{5}}) é:
Observação prática: na indústria, muitas variações ocorrem (às vezes obtém-se \mathrm{P_{4}} como molécula elementar), mas esta equação mostra a estequiometria de redução por carbono (cada átomo de oxigénio do \mathrm{P_{2}O_{5}} acaba formando \mathrm{CO}).
Passo 8
(D) Cálculo da massa do composto iônico que reage com 20 L de água em CNTP (aula curta e passo a passo):
Identificar o composto iônico do item (C) que reage com água: é o carbeto de cálcio \mathrm{CaC_{2}} (formado a partir de \mathrm{CaO} + C). Reação com água:
Interpretação estequiométrica: 1 mol de \mathrm{CaC_{2}} consome 2 mol de \mathrm{H_{2}O}.
Agora converto 20 litros de água líquida em número de mols:
Usar densidade da água aproximadamente 1{,}00\\ \mathrm{g\cdot mL^{-1}} em CNTP, logo 20\\ \mathrm{L} = 20000\\ \mathrm{mL} corresponde a 20000\\ \mathrm{g} de água.
Massa molar da água: \\ M(\mathrm{H_{2}O}) = 18{,}015\\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}.
Comentário prático: arredondando para dois algarismos significativos, aproximadamente 36\\ \mathrm{kg}. Aqui mantive um resultado com três algarismos significativos: 35{,}6\\ \mathrm{kg}.