(Fuvest 2022) As afirmações a seguir baseiam-se na descrição da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo):
Afirmação 1: "O dióxido de enxofre (SO2) é liberado para a atmosfera por gases vulcânicos e fontes antropogênicas, principalmente atividades industriais que processam materiais contendo enxofre, como termelétricas, fabricação de fertilizantes, fundição de alumínio e aço, produção de ácido sulfúrico e papel."
Afirmação 2: "O dióxido de enxofre é um gás incolor com forte odor pungente. É muito irritante quando em contato com superfícies úmidas, pois se transforma em trióxido de enxofre (SO3) e passa rapidamente a ácido sulfúrico (H2SO4)."
a) Represente a estrutura de Lewis do dióxido de enxofre.
b) A afirmação 2 refere-se à formação da chuva ácida. Represente a reação balanceada da formação da chuva ácida a partir de SO3 e a reação balanceada da chuva ácida com o carbonato de cálcio (CaCO3), que é um dos componentes de construções que são danificadas por ela.
c) Considere uma determinada amostra de carvão que contém 1% em massa de enxofre. Quando esse carvão é queimado, o enxofre é convertido em dióxido de enxofre pela reação S(s) + O2(g) → SO2(g). Para evitar a poluição do ar, este dióxido de enxofre pode ser tratado com óxido de cálcio para formar sulfito de cálcio, como representado pela reação SO2(g) + CaO(s) → CaSO3(s). Calcule a massa diária, em quilogramas, de CaO necessária para tratar o SO2 em uma usina que consome 3,2 × 106 kg de carvão por dia.
Note e adote: distribuição eletrônica: O = 1s2, 2s2, 2p4; S = 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p4. Massas molares (g/mol): O = 16; S = 32; Ca = 40.
Utilize a tabela periódica para calcular as massas molares quando necessário.
Resolução
Item a: estrutura de Lewis do dióxido de enxofre
A estrutura de Lewis representa os elétrons da camada de valência ao redor de cada átomo e mostra os elétrons compartilhados nas ligações químicas. Pelas distribuições eletrônicas do enunciado, o enxofre (3s2, 3p4) e o oxigênio (2s2, 2p4) têm 6 elétrons de valência cada, então o SO2 tem 6 + 6 + 6 = 18 elétrons para distribuir.
No SO2, o enxofre (S) é o átomo central, ligado a dois átomos de oxigênio (O); cada traço representa um par de elétrons compartilhado em uma ligação covalente, e cada par de pontos, um par de elétrons que não participa de nenhuma ligação. Portanto, o enxofre faz uma ligação dupla com cada oxigênio e fica com um par de elétrons livre, e cada oxigênio fica com dois pares livres:
Também é aceita a estrutura que segue a regra do octeto, com uma ligação dupla e uma simples (O=S–O), em que o oxigênio da ligação simples fica com três pares de elétrons livres.
Item b: equações químicas da chuva ácida
O trióxido de enxofre reage com a água da chuva e forma o ácido sulfúrico:
SO3(g) + H2O(ℓ) → H2SO4(aq)
Em seguida, o ácido sulfúrico da chuva ácida reage com o carbonato de cálcio e forma sulfato de cálcio, gás carbônico e água:
H2SO4(aq) + CaCO3(s) → CaSO4(s) + CO2(g) + H2O(ℓ)
Item c: massa de óxido de cálcio para tratar o dióxido de enxofre
Se o carvão contém 1% em massa de enxofre, em 3,2 × 106 kg de carvão há 3,2 × 104 kg de enxofre (1% de 3.200.000 kg = 32.000 kg).
Pela primeira equação do enunciado, 1 mol de S forma 1 mol de SO2; pela segunda, esse 1 mol de SO2 reage com 1 mol de CaO. Então cada mol de enxofre queimado pede 1 mol de CaO, e podemos ir direto do enxofre ao óxido de cálcio, sem calcular a massa de SO2.
Com as massas molares do enunciado (S = 32 g/mol e CaO = 40 + 16 = 56 g/mol), uma regra de três dá a massa de CaO:
Portanto, a usina precisa de 56.000 kg (5,6 × 104 kg) de CaO por dia.