FUVEST 2021
Em aquários de água marinha, é comum o uso do equipamento chamado “Skimmer', aparato em que a água recebe uma torrente de bolhas de ar, como representado na figura, levando a matéria orgânica até a superfície, onde pode ser removida. Essa matéria orgânica eliminada é composta por moléculas orgânicas com parte apolar e parte polar, enquanto as bolhas formadas têm caráter apolar. Esse aparelho, no entanto, tem rendimento muito menor em aquários de água doce (retira menos quantidade de material orgânico por período de uso).
Considerando que todas as outras condições são mantidas, o menor rendimento desse aparato em água doce do que em água salgada pode ser explicado porque
a polaridade da molécula de água na água doce é maior do que na água salgada, tornando as partes apolares das moléculas orgânicas mais solúveis.
a menor concentração de sais na água doce torna as regiões apolares das moléculas orgânicas mais solúveis do que na água salgada, prejudicando a interação com as bolhas de ar.
a água doce é mais polar do que água salgada por ser mais concentrada em moléculas polares como a do açúcar, levando as partes polares das moléculas orgânicas a interagir mais com a água doce.
a reatividade de matéria orgânica em água salgada é maior do que em água doce, fazendo com que exista uma menor quantidade de material dissolvido para interação com as bolhas de ar.
a concentração de sais na água marinha é maior, o que torna as partes apolares das moléculas orgânicas mais propensas a interagir com os sais dissolvidos, promovendo menor interação com as bolhas de ar.
Resolução
Análise da Questão:
A questão descreve o funcionamento de um "skimmer" em aquários, que remove matéria orgânica através da interação desta com bolhas de ar. A matéria orgânica possui partes polares e apolares, e as bolhas de ar são apolares. O problema central é explicar por que o skimmer é menos eficiente em água doce do que em água salgada.
Princípio de Funcionamento do Skimmer:
O skimmer baseia-se no princípio de que substâncias apolares tendem a interagir com outras substâncias apolares ("semelhante interage com semelhante"). As bolhas de ar (apolares) são introduzidas na água. A parte apolar das moléculas orgânicas dissolvidas na água interage com essas bolhas e é carregada por elas até a superfície, onde a espuma formada (rica em matéria orgânica) é removida.
Diferença entre Água Doce e Água Salgada:
A principal diferença relevante aqui é a concentração de sais dissolvidos:
- Água Salgada: Alta concentração de íons (sais dissolvidos).
- Água Doce: Baixa concentração de íons.
O Efeito "Salting Out":
A água é uma molécula polar. Em água salgada, a alta concentração de íons (como \(\text{Na}^+\) e \(\text{Cl}^-\) ) interage fortemente com as moléculas de água através de interações íon-dipolo. Isso torna o meio aquoso ainda mais "polar" ou, mais precisamente, menos favorável para a dissolução de substâncias apolares. As moléculas de água ficam mais "ocupadas" solvatando os íons.
Como resultado, as porções apolares das moléculas orgânicas tornam-se menos solúveis na água salgada. Elas são efetivamente "expulsas" da solução aquosa. Esse fenômeno é conhecido como salting out.
Por outro lado, em água doce, com baixa concentração de sais, as porções apolares das moléculas orgânicas são relativamente mais solúveis (ou menos "expulsas") na água, pois o efeito de "salting out" é muito menor.
Explicação do Menor Rendimento em Água Doce:
- Em água salgada (alto rendimento): Devido ao efeito de "salting out", as partes apolares da matéria orgânica são menos solúveis e têm maior tendência a interagir com as bolhas de ar apolares para "escapar" do ambiente aquoso hostil. Isso aumenta a eficiência da remoção.
- Em água doce (baixo rendimento): Com a menor concentração de sais, as partes apolares da matéria orgânica são comparativamente mais solúveis na água. Portanto, há uma menor "pressão" para que essas partes apolares interajam com as bolhas de ar. A afinidade pela água, embora não ideal para partes apolares, é relativamente maior do que em água salgada. Isso resulta em menor interação com as bolhas e, consequentemente, menor eficiência do skimmer.
Conclusão:
A alternativa correta é a B, que afirma: "a menor concentração de sais na água doce torna as regiões apolares das moléculas orgânicas mais solúveis do que na água salgada, prejudicando a interação com as bolhas de ar."
Isso está alinhado com o conceito de "salting out":
- Água doce (pouco sal): Partes apolares são MAIS solúveis (relativamente) \(\rightarrow\) MENOR interação com bolhas.
- Água salgada (muito sal): Partes apolares são MENOS solúveis (devido ao salting out) \(\rightarrow\) MAIOR interação com bolhas.
Dicas
Erros Comuns
1. Polaridade e Forças Intermoleculares:
- Moléculas Polares: Possuem uma distribuição desigual de cargas elétricas, resultando em um dipolo elétrico (ex: água, \(\text{H}_2\text{O}\)).
- Moléculas Apolares: Possuem uma distribuição simétrica de cargas elétricas (ex: \(\text{O}_2\), \(\text{N}_2\), hidrocarbonetos).
- Forças Intermoleculares: Atrações entre moléculas. Exemplos incluem ligações de hidrogênio (fortes, entre moléculas com H ligado a F, O, ou N), dipolo-dipolo (entre moléculas polares) e forças de dispersão de London (fracas, entre todas as moléculas, mas predominantes em apolares).
2. Solubilidade ("Semelhante Dissolve Semelhante"):
- Substâncias polares tendem a se dissolver em solventes polares (ex: sal de cozinha em água).
- Substâncias apolares tendem a se dissolver em solventes apolares (ex: óleo em gasolina).
- Substâncias apolares geralmente são pouco solúveis em solventes polares e vice-versa.
- Moléculas anfifílicas (como as da matéria orgânica mencionada) possuem uma parte polar e uma parte apolar. Sua solubilidade depende do balanço entre essas partes e da natureza do solvente.
3. Efeito "Salting Out":
- Refere-se à diminuição da solubilidade de substâncias não iônicas (especialmente apolares ou pouco polares) em soluções aquosas pela adição de sais (eletrólitos).
- Os íons do sal competem com o soluto não iônico pelas moléculas de água para solvatação. As fortes interações íon-dipolo entre os íons e a água reduzem a quantidade de água "livre" disponível para dissolver o soluto não iônico.
- Isso torna o ambiente aquoso menos favorável para as moléculas apolares, "forçando-as" para fora da solução ou a se agregarem. No caso do skimmer, isso aumenta a interação das partes apolares da matéria orgânica com as bolhas de ar apolares.
