Seria possível utilizar o mesmo aparato para coletar outros gases, por exemplo, H_{2}, O_{2}, NH_{3}e SO_{2}, sobre a água? Justifique suas respostas e, em caso negativo, o que deve ser mudado para que seja possível a coleta?

Passo 1

O enunciado pergunta se, usando “o mesmo aparato” (isto é, um aparato de coleta por deslocamento de água — um eudiômetro invertido sobre uma cuba com água), é possível coletar os gases \mathrm{H_{2}}, \mathrm{O_{2}}, \mathrm{NH_{3}} e \mathrm{SO_{2}} sobre a água. Para cada gás pede-se: justificar a resposta e, se a resposta for negativa, dizer o que deve ser mudado para permitir a coleta.
Informações/condições dadas explicitamente pelo enunciado: o método considerado é coleta sobre água (deslocamento de água) e os gases a avaliar são \mathrm{H_{2}}, \mathrm{O_{2}}, \mathrm{NH_{3}} e \mathrm{SO_{2}}. Não há outros dados numéricos (temperatura, pressões), então as respostas serão qualitativas e com recomendações práticas.

Passo 2

Conceito básico que precisamos entender (a “aula rápida”): quando dá certo coletar um gás sobre água?
  • A coleta por deslocamento de água funciona bem quando o gás é pouco solúvel em água e não reage com a água. Nesse caso o gás “empurra” a água para fora do tubo e fica acumulado no eudiômetro.
  • Se o gás for muito solúvel ou reagir quimicamente com água, parte ou todo o gás desaparece ao se dissolver/reagir, e a coleta por deslocamento de água não é eficiente (ou é impossível).
  • Além disso, quando coletamos gás sobre água devemos lembrar que a pressão medida dentro do eudiômetro contém a pressão de vapor d’água; se for necessário calcular quantidade de gás usando a equação dos gases, devemos subtrair a pressão de vapor da água:
P_{\text{gás}} = P_{\text{total}} - P_{H_{2}O}(T)á
onde P_{\text{gás}}á é a pressão parcial do gás, P_{\text{total}} é a pressão atmosférica (ou pressão total medida) e P_{H_{2}O}(T) é a pressão de vapor da água à temperatura T. Isso é importante para quantificação, mas não é o fator que impede a coleta — o que impede é a solubilidade/reatividade.

Passo 3

Analisando \mathrm{H_{2}} (gás hidrogênio):
  • Propriedade útil: \mathrm{H_{2}} é praticamente insolúvel em água (solubilidade muito baixa) e não reage com água sob condições normais.
  • Consequência prática: ao ser gerado, \mathrm{H_{2}} desloca a água e fica acumulado no eudiômetro; portanto a coleta por deslocamento de água é adequada.
  • Observações adicionais úteis para prova: \mathrm{H_{2}} é o gás mais leve (muito mais leve que o ar), inflamável — tomar cuidado com chamas. Ao medir volume/pressão, lembre de subtrair P_{H_{2}O}(T) se for calcular n usando PV=nRT.

Passo 4

Analisando \mathrm{O_{2}} (gás oxigênio):
  • Propriedade útil: \mathrm{O_{2}} é somente moderadamente solúvel em água (solubilidade baixa a moderada) e não reage quimicamente com água na maioria das condições.
  • Consequência prática: é perfeitamente comum coletar \mathrm{O_{2}} por deslocamento de água; a água não absorve quantidade significativa do gás para impedir a coleta.
  • Observação para provas: \mathrm{O_{2}} sustenta combustão (atenção à segurança). Para quantificação, aplicar novamente a correção \;P_{\text{O}_2}=P_{\text{total}}-P_{H_{2}O}(T)\;.

Passo 5

Analisando \mathrm{NH_{3}} (gás amônia):
  • Propriedade crítica: \mathrm{NH_{3}} é altamente solúvel em água e reage fortemente com ela para formar íons amônio e hidróxido:
\mathrm{NH_{3} + H_{2}O \rightleftharpoons NH_{4}^{+} + OH^{-}}
Isso significa que ao entrar em contato com água grande parte do \mathrm{NH_{3}} passa para a fase aquosa como \mathrm{NH_{4}^{+}} (ou se dissolve como amônia molecular), reduzindo ou impedindo a formação de uma bolha de gás suficiente para encher o eudiômetro.
  • Consequência prática: não dá para coletar \mathrm{NH_{3}} eficientemente por deslocamento de água — o gás será absorvido.
  • O que mudar para permitir coleta: usar um método em que o gás não entre em contato com água, por exemplo:
    • coletar com uma seringa de gás (gas syringe) ou frasco coletor conectado a um balão/recipiente seco;
    • coletar por deslocamento de ar (deslocamento para cima, já que \mathrm{NH_{3}} é menos denso que o ar) — isto é, fazer o gás deslocar o ar em um frasco aberto para cima, evitando água;
    • coletar sobre mercúrio (Hg) num aparato análogo ao eudiômetro, porque \mathrm{NH_{3}} tem solubilidade muito pequena em mercúrio (atenção: mercúrio é tóxico e raramente usado hoje por questões de segurança).
  • Observação de prova: além da solubilidade, \mathrm{NH_{3}} é alcalina, portanto não devemos usar como secante ácidos fortes (vai reagir); secantes adequados e métodos secos devem ser escolhidos com cuidado.

Passo 6

Analisando \mathrm{SO_{2}} (dióxido de enxofre):
  • Propriedade crítica: \mathrm{SO_{2}} é bastante solúvel em água e além disso reage com água formando ácido sulfuroso (e íons sulfito/bissulfito):
\mathrm{SO_{2} + H_{2}O \rightarrow H_{2}SO_{3}}
Na solução isso aparece como \mathrm{HSO_{3}^{-}} e \mathrm{SO_{3}^{2-}} dependendo do pH. Portanto, ao tentar coletar sobre água, \mathrm{SO_{2}} é absorvido/consumido quimicamente.
  • Consequência prática: não é possível coletar \mathrm{SO_{2}} eficientemente por deslocamento de água. O gás some na água formando espécies solúveis.
  • O que mudar para permitir coleta: as mesmas alternativas do \mathrm{NH_{3}}: usar seringa de gás, coletar por deslocamento de ar (se não houver reação com o ar — mas atenção que \mathrm{SO_{2}} é tóxico e irritante), ou usar coleta sobre mercúrio (novamente, perigoso). Em laboratório moderno a opção mais segura e prática é uma seringa de gás ligada a um sistema fechado. Para quantificação, evitar contato com água.
  • Observação de segurança: \mathrm{SO_{2}} é tóxico e irritante; use capela e EPI.

Passo 7

Resumo prático das mudanças e dicas de prova (como justificar e o que escrever em uma resposta curta):
  • Regra de ouro para justificar: “coleta sobre água funciona se o gás é pouco solúvel e não reage com água; se for muito solúvel ou reagir, não funciona.” Explique aplicando a regra ao gás em questão (mostre a reação quando houver).
  • Alternativas ao deslocamento de água: seringa de gás, frascos secos por deslocamento de ar (para gases que não reagem com o ar e cuja densidade relativa permita), coleta sobre mercúrio (desaconselhada por toxicidade), ou sistemas fechados com tubos e balões.
  • Lembre-se de mencionar a correção da pressão pela pressão de vapor d’água quando coletar sobre água:
P_{\text{gás}} = P_{\text{total}} - P_{H_{2}O}(T).á
  • Segurança: \mathrm{H_{2}} inflamável; \mathrm{O_{2}} favorece combustão; \mathrm{NH_{3}} e \mathrm{SO_{2}} tóxicos/irritantes; mercúrio tóxico — mencionar isso em prova demonstra bom senso experimental.

Resposta

\mathrm{H_{2}}: Sim — pode ser coletado por deslocamento de água (pouca solubilidade e não reage com água).
\mathrm{O_{2}}: Sim — pode ser coletado por deslocamento de água (solubilidade baixa a moderada, não reage com água).
\mathrm{NH_{3}}: Não — \mathrm{NH_{3}} é muito solúvel e reage com água ( \mathrm{NH_{3}+H_{2}O\rightleftharpoons NH_{4}^{+}+OH^{-}}); para coletar, usar seringa de gás, deslocamento de ar para cima (evitando água) ou coleta sobre mercúrio (com ressalvas de segurança).
\mathrm{SO_{2}}: Não — \mathrm{SO_{2}} é solúvel e reage com água ( \mathrm{SO_{2}+H_{2}O\rightarrow H_{2}SO_{3}}); para coletar, usar seringa de gás, deslocamento de ar em sistema fechado ou coleta sobre mercúrio (com grande cuidado).

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