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[APOSTILA DE QUÍMICA GERAL E INORGÂNICA] CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA PROFESSORES: MISCHELLE SANTOS E JOSUÉ OLIVEIRA ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 1 Capítulo 1: Estrutura Atômica Conceitos Fundamentais: • Átomo: É a menor porção constituinte da matéria. • Elemento Químico: É a representação dos diferentes tipos de átomos. • Símbolo: É a representação gráfica dos átomos de um elemento químico. - formado por uma letra: sempre maiúscula. - formado por duas letras: a primeira é maiúscula e a segunda é sempre minúscula. • Substância: É a matéria com propriedades definidas • Molécula: É a menor porção de uma substância formada por átomos. • Fórmula: É a representação gráfica de uma substância. Evolução dos Modelos Atômicos: 1) Dalton: (modelo atômico conhecido como bola de bilhar; início do século XIX) - O átomo é uma esfera maciça e indivisível. - Os átomos de mesmo elemento possuem a mesma massa e o mesmo tamanho. - Numa reação química, os átomos não são criados nem destruídos: são rearranjados de maneira a formar novas substâncias. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 2 2) Thomson: (modelo conhecido como pudim de passas; fim do século XIX) - Modelo consiste de uma esfera maciça de carga elétrica positiva, encrustada por igual número de cargas negativas (os elétrons). O átomo seria eletricamente neutro. 3) Rutherford: (modelo conhecido como planetário ou átomo nucleado) - O átomo possui duas regiões distintas: o núcleo e a eletrosfera. - O átomo não é maciço, mas formado por núcleo muito pequeno que concentra praticamente toda a sua massa e possui carga positiva; ao redor do núcleo estariam os elétrons, neutralizando a carga dele. Considerou também que existem partículas neutras no núcleo (nêutrons). 4) Bohr: (modelo conhecido como níveis quantizados de energia) - Quando o elétron gira em uma mesma órbita, ele o faz com uma energia fixa. - Quando se fornece energia ao átomo, seus elétrons absorvem essa energia, “saltando” da órbita mais próxima para a órbita mais afastada do núcleo. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 3 - Quando volta ao seu estado normal de energia, o átomo cede a energia que havia ganhado anteriormente e seus elétrons retornam para a órbita de origem. Principais características do átomo: -Prótons: apresentam carga positiva. -Elétrons: carga negativa. -Nêutrons: carga nula. Assim, num átomo: n° de prótons = n° de elétrons. Numero atômico (Z): A carga do núcleo, ou seu número de prótons, é a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo este número denominado número atômico. (Z= número de prótons). Íons: Os átomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas, eletricamente carregado, denominados íons. Íon é a espécie química que apesenta o número de prótons diferente do número de elétrons. Atenção: Nunca esquecer que a quantidade de carga elétrica do íon é consequência da variação do número de elétrons. Os átomos, ao ganharem ou perderem elétrons, originam dois tipos de íons: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 4 • Cátions: formam-se quando um átomo perde um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente positivo, onde o número de prótons é maior que o número de elétrons. Ex: Na+ • Ânions: formam-se quando um átomo ganha um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente negativo, onde o número de prótons é menor que o número de elétrons. Ex: Cl- Número de Massa (A): A massa do átomo depende dos seus prótons e nêutrons, já que a massa do elétron é desprezível. A= p+ + n0 Simbologia do elemento químico: De acordo com a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), ao representar um elemento químico devem-se indicar, junto ao seu símbolo, os números atômicos e de massa e, quando se tratar de um íon, também a carga elétrica. Isótopos: São átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z) por pertencerem ao mesmo elemento químico, mas possuem diferentes números de nêutrons apresentando diferentes números de massa. Ex: 8O16 8O17 8O18 Isóbaros: São átomos de diferentes elementos químicos que possuem o mesmo número de massa. Ex: 20Ca40 19K40 Isótonos: São átomos de elementos químicos diferentes que possuem o mesmo número de nêutrons. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 5 Ex: 2He4 1H3 n = 4 - 2 = 2 n = 3 - 1 = 2 Isoeletrônicos: São átomos e íons que apresenta a mesma quantidade de elétrons. Ex: N3- O2- F-1 Ne Na+1 Z = 7 Z = 8 Z = 9 Z = 10 Z = 11 e- = 7+3=10 e- = 8+2=10 e- = 9+1=10 e- =10 e- = 11-1=10 Exercício: Um átomo A com n° de massa 85 e n° atômico 45 é isótopo de um átomo B cujo n° de nêutrons é igual a 44. Este átomo B é isóbaro de um átomo C, cujo cátion divalente possui 37 e-. Qual o n° de nêutrons do átomo C. Distribuição eletrônica: Átomo: Núcleo : Prótons e Nêutrons Eletrosfera: elétrons De acordo com o modelo atômico atual, um átomo possui algumas órbitas circulares ao elétron. Principio da incerteza ou de Heinsenberg: Não é possível calcular a posição e a velocidade de um elétron, num mesmo instante. O elétron é muito pequeno que, se tentássemos determinar sua posição ou velocidade, os próprios instrumentos de medição iriam alterar essas determinação. Orbital: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 6 É a região do espaço onde é máximo a probabilidade de encontrar um determinado elétron. Níveis energéticos: Cada uma dessas órbitas denominou-se nível ou camada de energia. Dentre os elementos conhecidos, aquele que contém maior número de elétrons apresenta-os distribuídos no máximo em 7 camadas, designadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Atualmente, esses níveis são identificados pelo chamado número quântico principal (n), que é um número inteiro, variando de 1 a 7. N = 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 2 número máximo de elétrons Subníveis energéticos: Uma camada será subdividida em n subníveis: s p d f 2 6 10 14 l = 0 1 2 3 Esses subníveis são identificados pelo chamado número quântico secundário (l), que teoricamente pode assumir os valores inteiros 0,1,2,... (n-1), onde n é o número quântico principal. Órbitas: Completando o modelo atual da eletrosfera, devemos acrescentar que cada subnível comporta um número variável de orbitais. Cada subnível s, p, d, f contém respectivamente 1, 3, 5 e 7 orbitais. Os orbitais são identificados pelo número quântico magnético (m). Num dado subnível o orbital central tem o número quântico m = 0, os orbitais a direita tem o numero quântico m = +1, +2, +3, os da esquerda tem m = -1, -2, -3, como exemplificado abaixo: s 0 ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 7 p -1 0 +1 d -2 -1 0 +1 +2 f -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 Spin: Um orbital comporta no máximo dois elétrons, com spins contrários (Principio da exclusão de Pauli). O spin é identificado pelo chamado número quântico de spin(s ou ms), cujos valores são - 1/2 e +1/2. Normalmente,a representação dos elétrons nos orbitais é feita por meio de uma seta: representa, por convenção, um elétron com spin negativo s = -1/2 representa, por convecção, um elétron com spin positivo s = +1/2 Resumindo: Camada Nível Subnível Máximo de e- em cada subnível Máximo de e- em cada nível K 1 1s 2 2 L 2 2s, 2p 2+6 8 M 3 3s, 3p, 3d 2+6+10 18 N 4 4s, 4p, 4d, 4f 2+6+10+14 32 O 5 5s, 5p, 5d, 5f 2+6+10+14 32 P 6 6s, 6p, 6d 2+6+10 18 Q 7 7s 2 2 Subníveis Orbitais Elétrons s 1 2 p 3 6 ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 8 d 5 10 f 7 14 Observação: Num átomo, não existem dois elétrons com os quatros números quânticos iguais (é um segundo enunciado do principio de exclusão de Pauli). Como estão distribuídos os elétrons no átomo de um determinado elemento químico? Basta seguir o diagrama energético e obedecer às seguintes regras: - Os elementos vão se “encaixando” na eletrosfera, partindo dos níveis e subníveis de menor energia para os de maior energia, só passando para um subnível superior quando o inferior já estiver “lotado” (Regra da energia mínima); - Num mesmo subnível, de início, todos os orbitais devem receber seu primeiro elétron e, só depois, cada orbital passará a receber seu segundo elétron (esta é a chamada Regra de Hund). - Num orbital, o primeiro elétron, por convenção, o de spin -1/2 Os subníveis são escritos em ordem crescente de energia, veja o exemplo abaixo: Fe (Z = 26) => 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Para contornar a dificuldade de sabermos a ordem crescente de energia, o cientista Linus Pauling imaginou um diagrama, que passou a ser conhecido como diagrama de Pauling: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 9 1s² 2s² 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 Observação 1: A distribuição eletrônica dos íons é semelhante à dos átomos neutros. No entanto é importante salientar que os elétrons que o átomo irá ganhar ou perder (para se transformar em um íon) serão recebidos ou retirados da última camada eletrônica e não do subnível mais energético. Observação 2: Nível ou camada de valência-> é o nível mais afastado e que corresponde sempre ao maior valor de n, encontrado na distribuição eletrônica de um átomo ou de um íon. Capítulo 2: Classificação periódica Na tabela atual, os elementos químicos estão dispostos em ordem crescente de número atômico, em 7 linhas horizontais denominadas períodos e em 18 colunas verticais, denominadas grupos ou famílias. Períodos ou séries: A localização dos diversos elementos nos respectivos períodos está relacionada com o número de níveis eletrônicos (camada) dos elementos, ou seja, a ordem do período correspondente ao número de camada que os elementos apresentam. Elementos situados num mesmo período apesentam mesmo números de níveis. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 10 Família ou grupos: A tabela atual é constituída por 18 famílias, sendo que cada uma delas agrupa elementos com propriedades químicas semelhantes devido ao fato de apresentarem a mesma configuração eletrônica na sua camada de valência. Existem, atualmente, duas maneiras de identificar as famílias ou grupos. Uma delas, a mais comum, é indicar cada família por um algarismo romano seguido das letras A e B, por exemplo, IA, IIA, IIIB e IVB. Essas letras A ou B indicam a posição do elétron mais energético nos subníveis. No final da década de 80, a IUPAC propôs outra maneira: as famílias devem ser indicadas por algarismos arábicos de 1 até 18, eliminando-se as letras A e B. Famílias A e zero: Essas famílias são constituídas pelos elementos representativos sendo que todos esses elementos apresentam o seu elétron mais energético situado nos subníveis s ou p. Nas famílias de IA a VIIA, o número da família indica a quantidade de elétrons existentes na última camada de valência. Ex: 11Na - 1s2 2s2 2p6 3s1 Camada de valência: 3s1 Total de e- = 1 Já a família zero (0) recebeu esse número para indicar que a reatividade dos seus elementos em condições ambientais é nula. Na sua maioria, os elementos dessa família apresentam oito elétrons na camada de valência. Ex: 10Ne - 1s2 2s2 2p6 Camada de valência: 2s2 2p6 Total de e- = 8 Família ou grupo Nome Configuração da última camada Número de e- na última camada IA ou 1 Alcalinos ns¹ 1 IIA ou 2 Alcalinos terrosos ns² 2 IIIA ou 3 Família do Boro ns² np¹ 3 IVA ou 4 Família do Carbono ns² np2 4 VA ou 5 Família do nitrogênio ns² np3 5 VIA ou 6 Calcogênios ns² np4 6 VIIA ou 7 Halogênios ns² np5 7 Zero ou 8 Gases nobres ns² np6 8 Nas configurações acima n é o numero correspondente ao ultimo nível. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 11 Observações1: O elemento químico hidrogênio é representado na coluna IA por apresentar 1 elétron no subnível s de sua camada de valência (1s1), porem não faz parte da família dos metais alcalinos, por que apresenta propriedades químicas diferentes. Em algumas tabelas ele é colocado à parte do corpo da tabela. Observação 2: O único gás nobre que não apresenta oito elétrons em sua camada de valência é o hélio (He), pois seu numero atômico é 2 e sua distribuição é 1s2. Famílias B: As famílias B, incluindo as duas linhas horizontais separadas do corpo principal da tabela, são constituídas pelos elementos de transição e apresentam seus elsétrons mais energético situados nos subníveis d ou f. Os elementos de transição externa ou simplesmente, elementos de transição, têm como principal característica apresentar o seu elétron mais energético situado em um subnível d. Para os elementos de transição externa, a localização na família ou grupo não é feita utilizando o número de elétrons da camada de valência, mas sim o número de elétrons existentes no subnível mais energético (d). III B IVB V B VI B VII B VIII B I B II B d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 Observação: Os elementos do grupo IB possuem distribuição eletrônica diferente da teoria: sua distribuição teórica é ns2(n-1)d9 e sua distribuição real é ns1(n-1)d10. Assim temos: Ex: 29Cu – 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d10 Os elementos de transição interna são os elementos que apresentam seu elétron mais energético situado em um subnível f. Constituem as séries dos lantanídeos e actinídeos e encontram-se deslocados do corpo central da tabela, apresentando respectivamente 6 e 7 camadas eletrônicas: por isso, estão localizados, respectivamente no 6° e 7° períodos. Observação: Assim como nos elementos de transição externa, alguns elementos de transição interna também apresentam distribuição eletrônica “irregular”, diferente da teórica. Classificação dos elementos: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 12 Os elementos químicos podem ser classificados também de acordo com dois critérios: suas propriedades químicas e físicas e sua ocorrência ou não na natureza. As propriedades químicas dos elementos estão relacionadas com suas distribuições eletrônicas. De acordo com as propriedades físicas dos elementos, eles são subdivididos em metais, ametais ou não-metais, semimetais, gases nobres e hidrogênio. Metais: • Nas condições ambientes são sólidos, com exceção do mercúrio (Hg) que é líquido. • São bons condutores de calor e corrente elétrica. • Apresentam o chamado brilho metálico e cor cinzenta, exceção feita ao cobre (avermelhado) e ao ouro (amarelo). • São maleáveis, isto é, podem ser transformados em lâminas. • São dúcteis, isto é, podem ser transformados em fios. Ametais ou não-metais: • Nas condições ambientes apresentam-se nosseguintes estados físicos: Sólidos - C, P, S, Se, I, At Líquido – Br Gasoso – N, O, F, Cl. • São maus condutores de calor e eletricidade. • Não apresentam brilho e tem coloração variável. Semimetais: • São em número de 7 (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po). • São sólidos à temperatura ambiente. • O mais usado é o Silício (Si). Hidrogênio: • É um elemento atípico, possuindo propriedades de se combinar com metais, ametais e semimetais. • Nas condições ambientais, é um gás externamente inflamável. Gases Nobres: • Condições ambientais no estado gasoso. • Apresentam grande estabilidade. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 13 Propriedades periódicas e aperiódicas: • Propriedades aperiódicas: São aquelas cujos valores variam (crescem ou decrescem) na medida em que o número atômico aumenta e que não se repete em períodos determinados ou regulares. Exemplo: − A massa atômica aumenta com o aumento do numero atômico. • Propriedades periódicas: São aquelas ora aumentam ora diminuem com o aumento do número atômico. Propriedades periódica: -Raio atômico: É uma característica difícil de ser determinada, pois a eletrosfera de um átomo não tem fronteira definida. De maneira geral, podemos dizer que é a distância média entre o núcleo e o último nível eletrônico. Efetivamente esta medida é complicada, já que o nível é uma probabilidade de localização do elétron. O que se faz usualmente é medir a distância internuclear (entre dois núcleos de dois átomos iguais) e dividir esta distância por dois. • Na mesma família: Quanto maior o número de níveis, maior será o tamanho do átomo. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 14 • No mesmo período: Em um mesmo período, os átomos apresentam o mesmo número de níveis, porém a medida que aumenta o número de prótons (carga nuclear), aumenta também a atuação sobre os elétrons. Por esse motivo geralmente ocorre uma diminuição no tamanho dos átomos. Tendências de variação do raio atômico na tabela periódica • Num mesmo grupo: O raio atômico aumenta de cima para baixo na tabela, devido ao aumento do n° de níveis. • Num mesmo período: Sendo o n° de níveis constantes, prevalece a interação núcleo-eletrosfera, havendo aumento da atração do núcleo sobre os elétrons à medida que o n° atômico aumenta. Assim, num memso período, o raio diminui com o aumento do n° atômico, isto é, da esquerda para direita, excetuando-se os gases nobres. -Energia ou potencial de ionização: É a energia necessária para remover um ou mais elétrons de um átomo isolado, no estado gasoso. Quanto maior for o raio atômico mais afastado estará o elétron mais externo, menor será a atração do núcleo sobre ele e consequentemente, mais fácil será a sua retirada, gastando assim, uma quantidade menor de energia. A energia necessária para a retirada do segundo elétron de um mesmo átomo é sempre maior que a primeira, pois quando se retira o primeiro elétron ocorre uma diminuição do raio. 1° energia de ionização < 2° energia de ionização... Tendência de variação do potencial de ionização na tabela periódica. • Num mesmo grupo: O potencial aumenta dos alcalinos do raio atômico (de cima pra baixo). ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 15 • Num mesmo período: O potencial aumento dos alcalinos para os gases nobres, devido a diminuição do raio atômico, e à consequente atração mais intensa do núcleo pelos elétrons periféricos, o que dificulta a retirada dos mesmos. No caso dos gases nobres, possuidores dos materiais potenciais da tabela a retirada dos elétrons é difícil devido à sua grande estabilidade -Afinidade eletrônica ou eletroafinidade: É a energia liberada quando um átomo isolado, no estado gasoso, recebe um elétron. Mede o grau de afinidade (atração) do átomo pelo elétron adicionado. X0(g) + e- -> X-(g) + energia Quanto maior for a energia liberada, maior será a afinidade eletrônica do átomo e mais fortemente o elétron estará ligado ao átomo. Quanto menor for o raio atômico, mais perto do núcleo o elétron adicionado estará e mais atraído ele será. Tendências de variação da eletroafinidade na tabela periódica. • Num mesmo grupo: Aumenta de baixo para cima devido a diminuição do raio atômico. • Num mesmo período: Aumenta da esquerda pra direita devido à diminuição do raio atômico. -Eletronegatividade: É a força com que um átomo atrai um par de elétrons ao formar uma ligação. Ametais são bastante eletronegativos. Quanto menor o raio, maior será a eletronegatividade. Tendências de variação da eletronegatividade na tabela periódica. • Num mesmo grupo: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 16 Aumenta de baixo para cima (diminuição do raio). • Num mesmo período: Aumenta no sentido dos metais para os halogênios (da esquerda para a direita). Ex: O 2° período Cl 3° período O > Cl > Na > K K 4° período Na 3° período -Eletropositividade: (gases nobres é nula) É a capacidade de um átomo perder elétrons, originando cátions. Os metais apresentam elevadas eletropositividades, pois uma das suas principais características é a grande capacidade de perder elétrons. De uma maneira geral, quanto maior o tamanho do átomo, menor atração núcleo-elétron e maior a facilidade de perder elétrons. Tendências de variação da eletropositividade na tabela periódica. • Num mesmo grupo: Aumenta de cima para baixo (aumento do raio). • Num mesmo período: Aumenta no sentido dos halogênios para os metais (da direita para a esquerda). Ex: Li 2° Período Rb 5° Período Cs > Ba > Rb > Ca > Li Cs 6° Período Quanto maior o raio atômico maior será a eletropositividade Ba 6° Período Ca 7° Período ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 17 Observações: • Quanto maior a eletronegatividade de um elemento, maior seu caráter ametálico. • Quanto maior a eletropositividade de um elemento, maior será seu caráter metálico. Observação: Raio Iônica: • Átomo Ca20 20e- => O raio de um átomo é sempre maior que o raio do • Cátion Ca20+2 18e- seu cátion. • Átomo Cl17 17e- => Um átomo é sempre menor que o seu ânion. • Ânion Cl17- 18e- ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 18 Capítulo 3: Ligações químicas Hoje sabemos que, em condições ambientais, só os gases nobres são formados por átomos isolados uns dos outros, ou seja, átomos que tem pouca “vontade” de se unir com outros átomos, dizemos então que eles são muito estáveis ou pouco reativos. Os átomos dos demais elementos químicos, pelo contrário, não só se atraem mutuamente, como também atraem átomos de outros elementos, formando agregados suficientemente estáveis, que constituem as substâncias compostas. As forças que mantem os átomos unidos são fundamentalmente de natureza elétrica e são denominadas Ligações químicas. Um átomo adquire estabilidade quando possui oito elétrons na camada eletrônica mais externa, ou dois elétrons quando possui apenas a camada K (esta é a camada Regra do octeto). Na prática, quando dois átomos vão se unir, eles “trocam elétrons entre si “ou” usam elétron em sociedade”, procurando sempre que possível, atingir a configuração eletrônica estável de um gás nobre. Surge, daí, os três tipos comuns de ligações químicas – iônico, covalente e metálica. Definição: Valência-> É o número de ligações que o átomo deve fazerpara alcançar a estabilidade, ou seja, para que alcance oito elétrons na última camada. A valência é um número puro é indica quantas ligações um átomo pode fazer. Quando, nessas ligações, ocorre perda ou ganho de elétrons, com formação de íons a valência é chamada de eletrovalência e vem acompanhada de um sinal que indica a carga do íon formado. Tendências de comportamento dos elementos para estabilização: Famílias N° de elétrons da camada de valência Comportamento geral Valência Eletrovalência IA 1 Perder 1e- 1 1+ IIA 2 Perder 2e- 2 2+ IIIA 3 Perder 3e- 3 3+ IVA 4 Perder 4e-, receber 4e- ou compartilhar 4e- 4, 4 e 4 4+, 4- ------ VA 5 Receber 3e- ou 3, 3 3- ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 19 compartilhar 3e- ----- VIA 6 Receber 2e- ou compartilhar 2e- 2, 2 2- ----- VIIA 7 Receber 1e- ou compartilhar 1e- 1, 1 1- ----- Ligação Iônica: É a força que mantém os íons unidos, os quais se formam quando um átomo entrega definitivamente um, dois ou mais elétrons a outro átomo. Ex: 11Na 2) 8) 1 17Cl 2) 8) 7 Se houver transferência de um elétron na camada de valência do sódio para a do cloro, ambos adquirem configuração estável, pois ficarão com oito elétrons na camada externa. Na transferência de um elétron de Na para o de Cl, formam-se os íons Na+ (cátion) e Cl- (ânion). Os íons Na+ e Cl- atraem-se mutuamente, pois tem cargas elétricas opostas. Dessa atração resulta a ligação química da substância cloreto de sódio, que é constituída por um conjunto desses íons na proporção 1:1 A fórmula é denominada formula eletrônica. Esta fórmula mostra como estão distribuídos os elétrons empenhados na ligação. Podemos também representar a substância formada pela fórmula [Na+] [Cl-], denominada formula estrutural. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 20 Esta fórmula caracteriza o tipo de ligação (no caso, iônica) que apresentam os elementos na substancia. A fórmula mais conhecida, NaCl, é denominada fórmula química, íon-fórmula ou fórmula iônica. Esta fórmula mostra em que proporção os íons estão reunidos. Podemos notar que o número de íons que se unem é inversamente proporcional às suas cargas (valências). Disso resulta a seguinte regra geral de formulação: Observação: A ligação iônica é normalmente formada entre um metal e um ametal Metais Ametais 1A 5A 2A 6A 3A 7A Ligação Covalente: É a união entre átomos, que é estabelecida por meio de pares de elétrons, de modo que cada par seja formado por um elétron de cada átomo. Neste caso, chama-se valência, ou melhor, covalência ao número de pares de elétrons compartilhados. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 21 A ligação covalente aparece entre dois átomos de não-metais, ou semi-metais ou, então, entre esses elementos e o hidrogênio. Observações: • Quando entre dois átomos há uma só ligação, ela é σ (sigma). Quando entre dois átomos há mais de uma ligação, uma delas é σ e as demais são π (pi). • Os pares de elétrons formados na ligação covalente são compartilhados pelos dois átomos e, assim, são “contados” como constituintes de ambos as eletrosferas. • O número de covalências simples é igual ao número de elétrons que o elemento tende a compartilhar. Formulas químicas dos compostos moleculares: • Fórmula molecular: Indica apenas quantos átomos de cada elemento químico formam a molécula. Ex: H2, O2 • Fórmula eletrônica ou de Lewis: Além dos elementos e da atomicidade, os elétrons da camada de valência de cada átomo e a formação dos pares eletrônicos. Ex: • Fórmula estrutural plana: Cada par de elétron compartilhado corresponde a uma covalência simples e é representado por um traço de união (−). Ex: H−H Observações: • É comum representar, em volta dos símbolos, os pares de elétrons que não participam da ligação e que são chamados de não-ligantes. • Este tipo de fórmula não mostra a disposição espacial dos átomos que constituem a molécula. Pelo que foi observado podemos concluir que conhecendo a posição ocupada pelo hidrogênio, pelos ametais e pelos semimetais na tabela periódica, podemos prever o número de ligações que devem ser feitas para que os elementos atinjam a estabilidade, ou seja, podemos determinar suas valências: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 22 Ligação covalente coordenadas ou dativa: É um tipo de ligação covalente que ocorre quando um dos átomos envolvidos já atingiu a estabilidade e o outro participante necessita ainda de dois elétrons para completar sua camada de valência. O átomo que já adquiriu a estabilidade por meio de ligações anteriores compartilha um par de seus elétrons com o outro átomo, ainda instável. Só ocorre depois que todas as covalências comuns possíveis tiverem sido feitas. A ligação coordenada é indicada por uma seta , no sentido do elementos que precisa compartilhar o par de eletrônico. Ex: Grupos Covalente comum Covalente dativa ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 23 4A 4 0 5A 3 1 6A 2 2 7A 1 3 Polaridade das ligações: • Ligação entre átomos de mesma eletronegatividade: Ligação covalente apolar; • Ligação entre átomos de diferentes eletronegatividade: Ligação covalente polar; • Ligação iônica: Ligação polar. Relação de polaridade entre as ligações. Caráter de uma ligação: Para < 1,7 → predomina o caráter covalente Para >1,7 → predomina o caráter iônico onde: é a diferença de eletronegatividade. Ligações Intermoleculares: Em condições ambientes, os compostos iônicos são sólidos, devido às forças elétricas de atração existentes entre seus cátions e ânions. Do mesmo modo, os metais são quase todos sólidos, devido à forte união que a ligação metálica exerce sobre seus átomos. Já as substâncias covalentes podem ser sólidas, líquidas ou gasosas; isto prova que entre suas moléculas podem existir forças de intensidade maiores ou menores; são exatamente essas “forças” ou “ligações” entre moléculas (intermoleculares), que iremos estudar neste item. Forças ou ligações dipolo-dipolo: Esse tipo de força é característico de moléculas polares. Quando moléculas polares se aproximam surgem forças de atração eletrostática entre elas. A extremidade positiva de uma molécula tende a atrair a extremidade negativa da outra, contribuindo assim para o aumento dos pontos de fusão e de ebulição da substancia. Forças dipolo induzido – dipolo induzido (forças de Van der Waals ou forças de dispersão de London): ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 24 Ocorre em moléculas apolares, que são formadas por muitos elétrons, que se movimentam rapidamente. Pode acontecer num dado instante de uma molécula estar com “mais elétrons de um lado que do outro”; esta molécula estará, então, momentaneamente polarizada e, por indução elétrica, irá provocar a polarização de uma molécula vizinha (dipolo induzido), resultando uma atração fraca entre ambas, que constituem exatamente a força de Van der Waals ou de London. Ligações de hidrogênio ou pontes de hidrogênio: Ocorre quando o hidrogênio está ligado aos átomos fortemente eletronegativos de F, O, N, essa ligação tem por característica aumentar os pontos de fusão e de ebulição das substâncias. Força: Iônica> Covalente> lig. de hidrogênio> dipolo> dipolo induzido Numero de oxidação (nox): É a carga elétrica que o átomo adquire no exato instante em que vai se combinar. • Algumas regras práticas: 1. A soma algébrica do nox dos átomos dos elementos em uma dada substânciaserá sempre igual a zero. 2. Toda substância simples e todo metal isolado apresentará nox igual a zero. Ex: H20, O20, N20 3. Grupo 1A e Ag (1B) → nox = +1 Ex: AgCl, KBr 4. Grupo 2 A e Zn, Cd (2B) → nox= +2 Ex: MgO, CaCl2 5. Hidrogênio → nox +1 Exceção: hidretos metálicos ou iônicos → nox -1 Ex: HBr, HI, NaH 6. Oxigênio → nox -2 Exceção: peróxidos → nox -1 Superóxidos → nox -0,5 Ex: H2O2, H2O, Na2O4 7. F (7A) = nox -1 ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 25 Ex: HF 8. Al (3A) = nox +3 Ex: AlCl3 9. Cu (1B) = nox +1 ou +2 Ex: Cu2S, CuS 10. Fe, Co, Ni (8B) = nox +2 ou +3 Ex: FeO, Fe2O3 11. Sn, Pb (4A) = nox +2 ou +4 Ex: PbCl2, PbCl4 12. N, P, As (5 A) = nox -3 ou +3 ou +5 Ex: NH3, N2O3, N2O5 13. S, Se, Te (6A) = nox -2 ou +4 ou +6 Ex: SO2, SO3, H2S 14. Cl, Br, I (7A) = nox -1 ou +1 ou +3 ou +5 ou +7 Ex: HCl, Cl2O, Cl2O3, Cl2O5, Cl2O7 15. Num íon composto a soma algébrica dos nox será igual a carga do íon. Ex: (SO4)-2, (CO3)-2 Reações de Oxi-redução ou Redox: São aquelas que ocorrem com variação do nox: Oxidação → perda de elétrons, aumento do nox Redução → ganho de elétrons, diminuição do nox Agente oxidante → substância reagente (1ª membro da equação) que contém o elemento que sofre redução. Agente redutor → substância reagente (1ª membro da equação) que contém o elemento que sofre oxidação. Ex: Ajuste ou Balanceamento de equações. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 26 Ajustar uma equação, significa determinar os coeficientes de modo a igualar o número de átomos ou íons nos dois membros. 1) Métodos de tentativas 2) Método de oxi-redução ou redox O método consiste em igualar o número de elétrons perdidos pelo oxidado com número de elétrons recebidos pelo reduzido. Regras : 1º) Determinar todos os nox e o elemento oxidado e o elemento reduzido. 2º) Determinar a variação dos nox desses elementos, não esquecendo de multiplicar pela quantidade desses elementos na substância. 3º) Inverter estas variações que irão se transformar em coeficientes na equação ajustada. 4º) Começar pelo lado da equação que tiver o maior número de átomos dos elementos nas substâncias. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 27 Capítulo 4: Funções Químicas É um conjunto de substâncias com propriedades químicas semelhantes, denominadas propriedades funcionais. Ácidos : Segundo Arrhenius: São compostos que, em solução aquosa, se ionizam produzindo como íon positivo apenas cátion (H+). Características e nomenclatura: 1) Quanto à presença de oxigênio: a) Hidrácidos – sem oxigênio Ex.: HCl, HCN b) Oxiácidos- com oxigênio Ex.: HNO3, H2SO4 2) Quanto ao número de hidrogênios ionizáveis: a) Nos hidrácidos – todo hidrogênio é ionizável. Ex.: HCl - 1 H+ monoácido H2S - 2 H+ diácido b) Nos oxiácidos – hidrogênio ionizável é aquele ligado ao oxigênio na forma plana. Onde: HNO3-> 1H+ monoácido H2SO4 -> 2H+ diácido Exceções: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 28 3) Quanto a força: Grau de ionização ( α ) Ex.: H2CO3 α= 0,18 % HF α= 8 % HCl α= 92 % a) Força nos hidrácidos: HCl, HBr, HI - fortes HF - moderado H2S e os demais - fracos b) Força nos oxiácidos Δ= número de O – número de H Quando: Δ= 0 fraco Δ= 1 moderado Δ≥ 2 forte Ex: H3BO3 Δ= 3-3= 0 fraco H3PO4 Δ= 4-3= 1 moderado H2SO4 Δ= 4-2= 2 forte ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 29 Exceção: H2CO3 Δ= 3-2= 1 fraco 4) Nomenclatura: 4.1 – Hidrácidos Ácido ----------- + ídrico Elem. Ligado ao hidrogênio HF - ácido fluorídrico HCl - ácido clorídrico HBr - ácido bromídrico H2S - ácido sulfídrico 4.2 – Oxiácidos a) Quando o elemento forma um oxiácido (3A ou 4A) ácido--------------+ ico elem. central H3BO3 - ácido bórico H2CO3 - ácido carbônico b) Quando o elemento forma 2 oxiácidos (5A e 6A) ácido----------------+oso (menor nox) ácido----------------+ico (maior nox) HNO2 - ácido nitroso HNO3 - ácido nítrico H2SO3 - ácido sulfuroso H2SO4 - ácido sulfúrico ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 30 c) Quando o elemento forma 4 oxiácidos (7A) Ácido hipo---------+oso +1 ácido----------------+oso +3 ácido----------------+ico +5 ácido per-----------+ico +7 HClO – ácido hipocloroso HClO2 – ácido cloroso HClO3 – ácido clórico HClO4 – ácido perclórico Outros oxiácidos: H2MnO4 – ácido mangânico HMnO4 – ácido permangânico H2CrO4 – ácido permangânico H2Cr2O7 – ácido dicrômico Bases ou hidróxidos : Segundo Arrhenius : Base é todo composto iônico, que em solução aquosa se dissocia (significa separar íons), produzindo como único ânion a hidroxila (OH-). Características e nomenclatura: 1) Quanto ao número de hidroxilas: NaOH 1 OH- monobase Ca(OH)2 2 OH- dibase Al(OH)3 3 OH- tribase Pb(OH)4 4 OH- tetrabase 2) Quanto à força: ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 31 Fortes - alcalinos (1A) e alguns dos alcalinos terrosos (2ª – Ca, Sr, Ba). Fracos - alguns dos alcalinos terrosos (2ª - Be e Mg), NH4OH e os demais. 3) Quanto a solubilidade: Solúveis - alcalinos (1A) e NH4OH Pouco solúveis - alguns dos alcalinos terrosos (2A – Ca, Sr e Ba) Insolúveis - alguns dos alcalinos terrosos (2A - Be e Mg) e as demais. 4) Nomenclaturas: a) Cátion com nox invariável: Hidróxido + de + ------------ Nome do cátion LiOH - hidróxido de lítio KOH - hidróxido de potássio Al(OH)3 - hidróxido de alumínio b) Cátion com nox variável Hidróxido + de + -------------- nox cátion AR ou Hidróxido + ---------------oso (menor nox) Cátion ico (maior nox) CuOH - hidróxido de cobre (I) ou hidróxido cuproso Cu(OH)2 – hidróxido de cobre (II) ou hidróxido cúprico Sn(OH)2 - hidróxido de estanho (II) ou hidróxido estanoso Sn(OH)4 - hidróxido de estanho (IV) ou hidróxido estânico ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 32 Óxidos São compostos binários (2 elementos), onde o oxigênio é obrigatoriamente, o elemento mais eletronegativo. CO2 eletronegatividade: C= 2,5 O= 3,5 Nomenclatura sistemática: Com prefixos: (mono, di, tri, ....) óxido + de + (mono, di, tri, ....) nome do elemento CO - monóxido de (mono) carbono SO3 – tióxido de enxofre N2O – monóxido de dinitrogênio Classificação e Nomenclatura : 1) Óxidos ácidos ou anidridos - moleculares; - geralmente formados por ametais; - reagem com água produzindo ácido; - reagem com base produzindo sal e água; Nomenclatura: a) Quando o elemento forma um anidrido (3A e 4A) ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 33 Anidrido ------------- + ico Elem. Ligado ao oxigênio B2O3 – anidrido bórico CO2 – anidrido carbônico SiO2 – anidrido silícico b) Quando o elemento forma dois anidridos (5A e 6A) Anidrido..............oso(menor nox) Anidrido...............ico (maior nox) N2O3 – anidrido nitroso N2O5- anidrido nítrico SO2 – anidrido sulfuroso SO3 – anidrido sulfúrico c) Quando o elemento forma 4 anidridos (7A) Anidrido..hipo................oso Anidrido..................oso Anidrido..................ico Anidrido..per................ico Cl2O – anidrido hipocloroso Cl2O3 – anidrido cloroso Cl2O5 – anidrido clórico Cl2O7 – anidrido perclórico 2) Óxidos básicos - iônicos ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 34 - formados por metais com nox +1 ou +2 - reagem com água produzindo base - reagem com ácido produzindo sal e água Na2O + H2O → 2NaOH K2O + H2O → 2 KOH Na2O + 2HCl → 2NaCl + H2O MgO + H2SO4 → MgSO4 + H2O 3) Óxidos anfóteros - podem ser iônicos ou moleculares - geralmente formados por metais com nox +3 ou +4 - reagem com ácido ou base produzindo sal e água ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O Nomenclatura (óxidos básicos e anfóteros) a) Cátion com nox invariável Óxido + de + ..................... Nome do cátion Na2O - óxido de sódio (básico) K2O - óxido de potássio (básico) Al2O3 - óxido de alumínio (anfótero) ZnO - óxido de zinco (anfótero) b) Cátion com nox variável Óxido + de + .................nox Cátion AR Ou ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 35 Óxido................oso (menor nox) Cátion ico (maior nox) Cu2O – óxido de cobre I / óxido cuproso (básico) CuO – óxido de cobre II / óxido cúprico (básico) Fe2O3 – óxido de ferro III / óxido férrico (anfótero) 4) Óxidos neutros - não reagem com água, ácido ou base - reagem com O2 (gás oxigênio) CO – monóxido de carbono NO – monóxido de nitrogênio ou óxido nítrico 5) Peróxidos - geralmente formados por metais dos grupos 1A e 2A - oxigênio com nox igual a -1 H2O2 – peróxido de hidrogênio (água oxigenada) MgO2 – peróxido de magnésio 6) Superóxidos - formados por metais dos grupos 1A e 2A - oxigênio com nox igual a -0,5 Na2O4 – superóxido de sódio MgO4 – superóxido de magnésio 7) Óxidos duplos ou salinos - formados por metais - apresentam fórmula geral M3O4 - metal com nox igual a +8/3 ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 36 Pb3O4 – óxido salino de chumbo Mn3O4 – óxido salino de manganês Sais É todo composto que apresenta pelo menos um cátion diferente de H+ e um ânion diferente de OH-. Sal é todo composto formado pelo cátion da base e pelo ânion do ácido. Reações de neutralização : - Neutralização total Nº de H+ = Nº de OH- HCl + NaOH → NaCl + H2O HNO3 + KOH → KNO3 + H2O - Neutralização parcial Nº de H+ ≠ Nº de OH- H2CO3 + NaOH → NaHCO3 + H2O H2SO4 + KOH → KHSO4 + H2O Classificação e Nomenclatura 1) Sais haloídes - sem oxigênio a) Cátion com nox invariável ................ + eto + de + ................ Ânion cátion NaCl -- cloreto de sódio AgI -- iodeto de prata NaF -- fluoreto de sódio ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 37 b) Cátion com nox variável .................+ eto + de + ................nox Ânion cátion AR Ou ................+ eto + ............... oso (menor nox) Ânion cátion ico (maior nox) Cu2S -- sulfeto de cobre I ou sulfeto cuproso CuS -- sulfeto de cobre II ou sulfeto cúprico 2) Oxissais -- com oxigênio Ácido sal oso ito ico ato - Principais ânions oxigenados ClO- -- hipoclorito ClO4- -- perclorato BrO3- -- bromato MnO4- -- permanganato Cr2O72- -- dicromato NO2- -- nitrito NO3- -- nitrato SO4-2 -- sulfato PO4-3 -- fosfato CO3-2 -- carbonato a) Cátion com nox invariável ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 38 ..............ito ou ato + de + ............... Ânion cátion NaClO -- hipoclorito de sódio KMnO4 -- permanganato de potássio NaNO2 -- nitrito de sódio BaSO4 -- sulfato de bário CaCO3 -- carbonato de cálcio b) Cátion com nox variável ................ito ou ato + de +...............nox Ânion cátion AR Ou ................ito ou ato................oso (menor nox) Ânion cátion ico (maior nox) Fe (NO2)2 -- nitrito de ferro II ou nitrito ferroso Fe (NO3)3 – nitrato de ferro III ou nitrato férrico 3) Hidrogenossal NaHCO3 -- hidrogenocarbonato de sódio KHSO4 -- hodrogenossulfato de potássio 4) Hidroxissal CaOHCl - hidroxicloreto de cálcio MgOHNO3 - hidroxinitrato de magnésio ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 39 Capítulo 5: Reações Químicas É o fenômeno segundo o qual uma ou mais substâncias dão formação a outra ou outras substâncias. Ex.: dois mols de gás hidrogênio reagem com um mol de gás oxigênio dando formação a dois mols de água. Equação Química: É a representação gráfica de uma reação química. 2H2 + O2 → 2H2O 1º membro 2º membro Reagentes Produtos - Índice – número que aparece depois do símbolo do elemento dando a quantidade de átomos. - Coeficiente – número que aparece antes da fórmula, dando a quantidade de moléculas. Sinais gráficos: com formação de . . . ou dando formação a . . . reação ocorrendo com aquecimento reação reversível sobre a fórmula da substância → desprendimento gasoso do lado da fórmula → formação de precipitado – ppt Classificação das reações 1º) Síntese ou adição A + B → AB H2 + Cl2 → 2HCl ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 40 C + O2 → CO2 2º ) Análise ou decomposição AB → A + B CaCO3 CaO + CO2 NH4Cl → NH3 + HCl 3º) Simples troca ou deslocamento A + BC → AC + B Esta reação só ocorrerá se A for mais reativo que B. A + BC → BA + C Esta reação só ocorrerá se A for mais reativo que C. Ordem decrescente de reatividade química • metais 1A, 2A, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au • ametais F, O, Cl, Br, I, S - Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 - K + AgI → KI + Ag - Cu + ZnS → não ocorre - Ag + KI → não ocorre - F2 + 2HCl → 2HF + Cl2 - Cl2 + 2HBr → 2HCl + Br2 - Cl2 + 2HF → não ocorre - Br2 + 2HCl → não ocorre 4º) Dupla troca AB + CD → AD + CB ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 41 HCl + NaOH → NaCl + H2O (ácido+ base → sal + água) NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl↓ (sal + sal → sal + sal) F2S + 2HCl → FeCl + H2S (sal + ácido → sal + ácido) AgNO3 + NaOH → NaNO3 + AgOH (sal + base → sal+ base) ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 42 BIBLIOGRAFIA BÁSICA: BROWN, Theodore L. Química, a ciência central. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. FELTRE, Ricardo. Química Geral. São Paulo: Moderna, 2004. FONSECA, Martha Reis Marques da. Completamente Química. Química Geral. São Paulo: FTD, 2001. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR: ATKINS, P. e JONES, L. Princípios de Química. Rio de Janeiro: Bookman, 2001. KOTZ, J. e TREICHEL, P. M. Química Geral e Reações Químicas. São Paulo: Pioneira Thomson, 2005. RUSSELL, J. B. Química Geral.Rio de Janeiro: MacGraw Hill, 2 ed., 1992. ETSS – Curso Técnico em Química – Coletâneas da Disciplina de Química Inorgânica Pág. 42
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