Prévia do material em texto
Química Geral e Orgânica Unidade 1 – Estrutura atômica arthurbottino@hotmail.com (22) 99209-8398 Tópico 1 Modelos atômicos Introdução A química está presente em todos os momentos de nossas vidas, mesmo que, muitas vezes, não nos damos conta disso Muitas pessoas fazem mau uso da definição da química, relacionando- a com produtos tóxicos, carcinogênicos e causadores de vários impactos ambientais Não podemos nos esquecer dos medicamentos, dos bactericidas, dos alimentos e entre outros, que nos trazem muitos benefícios. Atualmente, fala-se muito em sustentabilidade e este é um dos desafios da indústria química Criar produtos que o desenvolvimento se apoie nos três pilares da sustentabilidade: a preocupação com o meio social, o meio econômico e o meio ambiente Introdução A química é uma ciência experimental, por isso seu estudo e aplicação é indispensável para o desenvolvimento científico e tecnológico Desde os primórdios, o homem tentava entender a origem da vida, a relação entre o homem e o seu meio e as transformações ocorridas na natureza Empédocles, um filósofo grego, idealizou a explicação da constituição da matéria Para ele a matéria era constituída por quatro elementos primários: o fogo, o ar, a água e a terra Tais elementos sofriam constantes mudanças, porém, eram indestrutíveis Em seguida, Aristóteles divulgou sua ideia de que esses quatro elementos poderiam ser diferenciados através de suas propriedades: A terra seria fria e seca A água seria fria e úmida O fogo seria quente e seco O ar seria quente e úmido Introdução Essa visão trouxe consigo a ideia de que uma substância poderia ser transformada em outra a partir da combinação ou alteração de suas características. Ex.: chuva como resfriamento do ar quente e úmido. Modelos atômicos “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” Esta famosa frase que foi enunciada por Lavoisier em meados de 1775, faz referência a Lei da Conservação das Massas Modelos atômicos Os modelos atômicos são mecanismos pelos quais se tenta entender do que a matéria é formada e as características dessas partículas A primeira menção a átomos veio por volta de 400 a.C. Os filósofos Leucipo e Demócrito divulgaram que a matéria seria formada por essas pequenas partículas, que para eles eram indivisíveis Foi nos séculos XVIII e XIX, que os cientistas definiram teorias para explicar a constituição microscópica da matéria Com estes estudos, os químicos conseguiram explicar as razões das combinações entre os elementos químicos na formação de novos compostos Modelo atômico de John Dalton Modelo atômico de John Dalton O cientista inglês John Dalton (1766 – 1844) propôs em meados de 1800, o modelo conhecido como Teoria Atômica de Dalton A matéria é constituída por pequenas partículas esféricas maciças e indivisíveis, denominadas átomos Elemento químico é a junção de átomos com a mesma massa, tamanho e as mesmas propriedades Elementos químicos diferentes possuem propriedades diferentes, tais como tamanho e massa A combinação de átomos de elementos diferentes, forma substâncias diferentes Durante uma reação química os átomos não são criados, nem destruídos, são reorganizados, formando novas substâncias Modelo atômico de John Dalton Modelo atômico de Thomson Modelo atômico de Thomson Joseph John Thomson (1856-1940), no final de 1800, conseguiu demonstrar que o átomo não era indivisível, utilizando uma aparelhagem denominada tubo de raios catódicos Os raios eram partículas (corpúsculos) menores que os átomos Os raios apresentavam carga elétrica negativa, denominados elétrons O átomo era uma esfera maciça, positiva incrustada de elétrons (carga negativa), de modo que a carga total fosse nula Em sua totalidade, o átomo seria eletricamente neutro Modelo atômico de Thomson Modelo atômico de Ernest Rutherford Modelo atômico de Ernest Rutherford Ernest Rutherford (1871 – 1937) em 1904, ao realizar um experimento com gás hidrogênio detectou a presença de partículas com cargas elétricas positivas ainda menores, as quais ele denominou prótons A massa de um próton é aproximadamente 1836 vezes maior que a de um elétron Em 1911, ele propôs que o átomo seria constituído no centro, por um núcleo positivo que continha também os nêutrons do átomo A região fora do núcleo, chamada de eletrosfera, deveria ser ocupada pelos elétrons de carga negativa, orbitando ao redor do núcleo Modelo atômico de Ernest Rutherford Modelo atômico de Niels Bohr Após Rutherford, muitos cientistas aproveitaram os conhecimentos já adquiridos e focaram seus estudos na distribuição dos elétrons na eletrosfera Niels Bohr (1885 – 1962) desenvolveu um modelo atômico partindo dos seguintes postulados Os elétrons movimentam-se em órbitas circulares ao redor do núcleo do átomo Cada órbita possui energia constante, estacionária. Os elétrons que estiverem nas órbitas mais afastadas do núcleo serão mais energéticos Absorvendo certa quantidade de energia o elétron salta para uma órbita mais energética. Voltando à sua órbita original, perde a mesma quantidade de energia, na forma de luz (ondas eletromagnéticas) O núcleo é positivo e as órbitas são regiões específicas disponíveis para acomodar os elétrons, de carga negativa, as chamadas camadas eletrônicas ou níveis de energia Cada camada eletrônica ou nível de energia foi representado por uma letra: K, L, M, N, O, P e Q, recebendo um número quântico principal (n): 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, respectivamente Modelo atômico de Niels Bohr A camada eletrônica ou nível de energia mais afastada do núcleo é a mais energética e recebe o nome de Camada de Valência Matéria A Química é a ciência que estuda a composição, as interações e as transformações da matéria A matéria é definida como tudo que possui massa, volume e ocupa lugar no espaço A impenetrabilidade é uma propriedade da matéria, onde dois corpos não podem ocupar, ao mesmo tempo, o mesmo lugar Devemos ter o cuidado para não confundir energia com matéria, a energia não ocupa lugar no espaço Toda matéria é formada por átomos Ao se definir a composição de um material ou substâncias, consegue-se identificar quais ou átomos que a formam, ou seja, quais os elementos químicos que estão presentes Matéria – Propriedades fisicoquímicas A matéria apresenta 3 estados físicos principais, sendo eles o sólido, líquido e gasoso Em relação às propriedades físicas, podemos citar alguns exemplos que podem ser modificados através da variação de: Temperatura – Grau de agitação das moléculas Densidade - Relação entre a massa e o volume da substância Ductibilidade - Capacidade de formar fios Maleabilidade - Capacidade de formar lâminas Pontos de fusão – Passagem do estado sólido para o líquido Pontos de ebulição – Passagem do estado líquido para o gasoso Viscosidade – Fluidez de uma substância Matéria – Propriedades fisicoquímicas Em relação às propriedades químicas, podemos citar: Polaridade (carga) que explica a solubilidade das substâncias Reatividade química Acidez e a basicidade - Definidas pelo pH (potencial hidrogeniônico) Caráter eletrolítico ou não eletrolítico Compostos inorgânicos (reino mineral) Compostos orgânicos (compostos do elemento carbono) Capacidade oxidante e redutora Substâncias e misturas Matéria – Partículas fundamentais Prótons São partículas presentes no núcleo, positivas e com massa considerável Representadaspor (p+) Elétrons São partículas presentes na eletrosfera, negativas e com massa desprezível Representadas por (e-) Nêutrons São partículas presentes no núcleo, com carga neutra e massa considerável Representadas por (n) ou (n0) Elemento químico A junção de vários átomos iguais, ou seja, que apresentam o mesmo número atômico (Z) é chamado de: elemento químico O número atômico indica a quantidade de prótons e elétrons de uma determinada substâncias Z = p+ = e- (quando no estado fundamental) A Massa Atômica (A) é a junção dos prótons com os neutrons Logo, para saber o número de nêutrons basta: n = A - Z Alotropia É a capacidade apresentada por um mesmo elemento químico em formar duas ou mais substâncias simples diferentes São chamadas de variedades alotrópicas do elemento Essas variedades alotrópicas podem ser diferenciadas pela atomicidade e/ou estrutura Veja no quadro a seguir, alguns exemplos de alótropos encontrados na natureza Alotropia Íons Os elementos químicos tem tendência a perder ou ganhar elétrons buscando a estabilidade Normalmente alcançada quando o elemento atinge 8 e- em sua camada de valência Existem exceções, como o H e He que se estabilizam com 2 e- Existem, portanto, 2 tipos diferentes de íons Cátion – Elemento químico que perdeu elétrons (representado com sinal +) Ânion – Elemento químico que recebeu elétrons (representado com o sinal -) Representação dos elementos químicos Representação dos elementos químicos Semelhanças atômicas IsótoPos Elementos que apresentam o mesmo número de PRÓTONS (Z) IsóbAros Elementos que apresentam a mesma MASSA ATÔMICA (A) IsotoNos Elementos que apresentam o mesmo número de NÊUTRONS (N) IsoEletrônicos Elementos que apresentam o mesmo número de ELÉTRONS (e-) Semelhanças atômicas Exercício de fixação Exercício de fixação Distribuição eletrônica Diagrama de Linus Pauling Linus Pauling desenvolveu um diagrama para o preenchimento da elestrosfera pelos elétrons de um átomo em ordem crescente de energia, em níveis e em subníveis de energia As camadas eletrônicas foram dispostas da seguinte forma: Apresenta ainda, em cada camada de energia, subníveis (s), (p), (d) e (f) Comportam, respectivamente, 2, 6, 10 e 14 elétrons no máximo Diagrama de Linus Pauling Diagrama de Linus Pauling Distribuição eletrônica Para realizar a distribuição eletrônica, deve-se utilizar o Número Atômico (Z) (observando se esse é ou não um íon) e seguir a ordem do Diagrama de Linus Pauling Exemplo: Ba(56) - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 Neste caso, a Camada de Valência é 6s2 , pois apresenta o maior número quântico principal, que neste caso é 6 6s2, onde 6 = número quântico principal (camada ou nível P) e s = subnível com 2 elétrons Números Quânticos Foi a partir desses que se conseguiu definir de forma excelente a localização dos átomos na eletrosfera São quatro os números quânticos Número Quântico Principal (n) Número Quântico Secundário ou azimutal (ℓ) Número Quântico Magnético (ml) Número Quântico Spin (ms ou s) Número Quântico Principal (n) Indica a camada eletrônica ou nível de energia Esse número indica a distância do elétron em relação ao núcleo Seus níveis variam de 1 a 7 Quanto mais afastada do núcleo mais energética é a camada Número Quântico Secundário (ℓ) Cada camada eletrônica ou nível de energia é subdividida em subníveis de energia, s, p, d e f Cada camada possui um número de orbitais atômicos que sempre será a metade dos elétrons máximos Número Quântico Magnético (ml) s p d f Número Quântico Spin (ms ou s) s p d f 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 +1/2 -1/2 Números Quânticos - Resumo Unidade 1 – Estrutura atômica arthurbottino@hotmail.com (22) 99209-8398 Tópico 2 Tabela Periódica Tabela Periódica Famílias e Períodos da Tabela Periódica Representação de elementos Representação de elementos Divisões da Tabela Periódica Família B F a m íl ia A Família A Tabela Periódica – Elementos artificiais Os elementos químicos que apresentam número atômico superior a 92 são artificiais Foram sintetizados em laboratório químico através de pesquisas nucleares Com exceção dos elementos tecnécio (Tc), ástato (At), frâncio (Fr) e promécio (Pm) Classificam-se em: Cisurânicos - Recebem esse nome porque apresentam número atômico inferior a 92, o do elemento urânio. São os seguintes: tecnécio (Tc), ástato (At), frâncio (Fr) e promécio (Pm) Transurânicos - Recebem esse nome porque apresentam número atômico superior a 92, ou seja, que se encontram depois do Urânio Períodos da Tabela Periódica Classificação por cores Tabela Periódica Metais Representam 80% da tabela periódica Sólidos em temperatura ambiente (Hg é a única exceção) São bons condutores de temperatura e eletricidade, tem brilho e tenacidade e são maleáveis Metais de transição Não apresentam seu ultimo elétron distribuído na camada mais externa Metais de transição interna Último elétron distribuído presente na camada f Tabela Periódica Não Metais ou Ametais Ocupam 10% da tabela periódica, porem são os mais abundantes na natureza Não tem estado físico definido São péssimos condutores de calor e eletricidade e não possuem brilho Gases Nobres Presentes na família 8A, considerados elementos inertes quimicamente Semimetais Apresenta características híbridas de metais e não metais Raio Atômico O Raio atômico diz respeito ao tamanho do átomo Quanto maior o número de camadas, maior o raio atômico Quanto maior o número de prótons, menor o raio atômico Energia de Ionização É a energia necessária para retirar um ou mais elétrons do átomo Quanto maior o raio atômico, menor a energia de ionização necessária para retirar esses elétrons Inversamente proporcional ao raio atômico Eletroafinidade É a energia liberada quando um átomo isolado, no estado gasoso, captura um elétron Forma ânions Se comporta semelhante a energia de ionização Eletronegatividade Diz respeito a força de atração exercida em um elétron durante a ligação Inversamente proporcional ao raio atômico Densidade Densidade (d) ou massa específica é a relação entre a massa (m) e o volume (V) de um corpo Os elementos de maior densidade estão situados na parte central e inferior da tabela, sendo o Ósmio (Os) o elemento mais denso (22,6g.ml -) e o Irídio (Ir) (22,5g.ml - ) Ponto do fusão e ebulição Ponto de fusão (PF) é a temperatura em que um sólido passa para o estado líquido, a uma determinada pressão. E ponto de ebulição (PE) é a temperatura em que um líquido passa para o estado gasoso, a uma determinada pressão Entre os metais, o Tungstênio (W) é o que apresenta maior ponto de fusão: 3410 °C O Carbono (C), por formar estruturas com grande número de átomos, apresenta ponto de fusão (3550 °C) e ponto de ebulição (4800 °C) Unidade 1 – Estrutura atômica arthurbottino@hotmail.com (22) 99209-8398 Tópico 3 Ligações Químicas Regra do Octeto Os elementos buscam, com as ligações alcançar a estabilidade eletrônica Esses precisam receber ou doar elétrons suficientes para que sua camada de valência apresente 8 elétrons Ligações Iônicas Este tipo de ligação ocorre entre um elemento metálicoe um elemento não metálico por transferência de elétrons Os metais são catiônicos (doam elétrons) e os não metais são aniônicos (recebem esses elétrons) ambos com o intuito de estabilizar sua camada de valência Quando as valências apresentam valores diferentes, a valência de um indica a quantidade do outro elemento Compostos iônicos são sólidos, devido à grande força de atração entre os íons, apresentando forma e volume constante Apresentam estrutura cristalina rígida, formando retículos cristalinos e sua forma depende do tamanho e das cargas dos íons Possuem altos pontos de fusão (PF) e ebulição (PE) No estado sólido, não conduzem corrente elétrica. Porém, quando dissociado em água ou no estado líquido são bons condutores de corrente elétrica Ligações Iônicas Ligações Iônicas Ligações Covalentes ou Moleculares Este tipo de ligação ocorre em átomos que apresentam grande eletronegatividade (ametais e hidrogênio) Ligação covalente é aquela que envolve um par eletrônico que é compartilhado pelos dois átomos, buscando a estabilidade Podem ser classificadas em: Simples - Representada por um traço e chamada de sigma (σ) Dupla - Representada por dois traços e chamada de pi, formada por uma sigma (σ) e uma pi (π) Tripla - Representada por três traços e formada por uma pi (π), uma sigma (σ) e uma pi (π) Ligações Covalentes ou Moleculares Ligações Covalentes ou Moleculares Ligações Covalentes ou Moleculares H2O FORMULA MOLECULAR FORMULA ELETRÔNICA Ligações Covalentes ou Moleculares FORMULA ESTRUTURAL Ligações Coordenadas Este tipo é um caso especial de ligação covalente, onde só realizará a ligação coordenada dativa o elemento que já tenha realizado suas ligações Ocorre portanto entre um elemento já estável e outro que ainda precisa alcançar sua estabilidade Esse deve apresentar pelo menos um par de elétrons para compartilhar com o elemento que ainda não realizou suas ligações É representada por uma seta, mas não deve ser confundida com ligações iônicas Para certificar qual o tipo de ligação está sendo realizada, deve-se olhar os elementos que participam dessa Durante uma ligação coordenada, participarão elementos com alta eletronegatividade Ligações Coordenadas SO2 FORMULA MOLECULAR FORMULA ELETRÔNICA FORMULA ESTRUTURAL Características - Compostos covalentes São compostos moleculares, ou seja, realizam ligações covalentes As ligações covalentes são mais fracas que a dos compostos iônicos Apresentam baixos pontos de ebulição (PE) e fusão (PF) Podem apresentar-se nos três estados físicos, predominando nos estados líquidos e gasosos Geralmente são insolúveis em água (apolares) Não conduzem a corrente elétrica Ligações Metálicas Este tipo é aquela realizada entre átomos e cátions de metais cujos elétrons mais externos migram do átomo para o cátion e vice-versa As ligações metálicas não apresentam fórmula eletrônica e fórmula estrutural Dependem do conhecimento específico dos retículos cristalinos que as formam Os metais em sua maioria são representados por seus símbolos, sem valores de atomicidade (quantidade de átomos), que é muito grande e indeterminada Ligações Metálicas Ligações Metálicas Os compostos metálicos apresentam como características: São ótimos condutores de calor e eletricidade São dúcteis (capacidade de formar fios) São maleáveis (capacidade de formar lâminas) São tenazes (resistentes à tração e choques) Apresentam altos pontos de fusão e ebulição Apresentam altos valores de densidade Apresentam brilho São doadores de elétrons, cátions (eletropositivos) São sólidos à temperatura ambiente (25°C), com exceção do mercúrio (Hg) que é o único metal líquido Ligas Metálicas Uma liga metálica é a mistura de dois ou mais metais ou de metais com ametais, cujo componente principal é um metal. Porém, raramente um metal possui todas as qualidades necessárias para determinada aplicação. Por isso, o objetivo de uma liga metálica é de melhorar as propriedades físico-químicas do material resultante e se possível diminuir o custo. Geometria das moléculas Geometria Linear Formada por dois elementos ou por três elementos sem sobra de pares de elétrons no átomo central. Com ângulo de ligação igual a 180º Geometria Angular Formada por três elementos e há sobras de pares de elétrons no átomo central, como ângulo de ligação igual a 105º Geometria Trigonal Plana Formada por quatro elementos e não há sobra de pares de elétrons no átomo central com ângulo de ligação igual a 120ᵒ Geometria Piramidal Formada por quatro elementos e há sobra de pares de elétrons no átomo central com ângulo de ligação igual a 107º Geometria Tetraédrica Formada por cinco elementos e não há sobra de pares de elétrons no átomo central com ângulo de ligação igual a 109, 25º Geometria Linear Geometria Angular Geometria Trigonal Plana Geometria Piramidal Geometria Tetraédrica Polaridade das moléculas Polaridade da ligação é o resultado da diferença entre as eletronegatividades dos átomos que estão ligados Quanto maior a diferença de eletronegatividade, maior a polaridade da ligação Ligação covalente polar Formada por elementos diferentes, ou seja, há diferença de eletronegatividade e formação de cargas parciais δ+ e δ- , pois podemos identificar polos elétricos opostos Ligação covalente apolar Formada por elementos iguais, ou seja, não há diferença de eletronegatividade, ou essa é muito pequena ou igual a zero Se os elementos são iguais, os valores de eletronegatividade também são, logo, a ligação é apolar Polaridade das moléculas Para verificarmos se uma molécula é polar ou apolar devemos utilizar o vetor µ (momento dipolar) que apresenta as seguintes características Sentido Do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo Módulo É a diferença entre a eletronegatividade dos átomos Quando os vetores forem para o mesmo sentido o µ ≠ 0 e a molécula será polar Quando os vetores forem para sentidos opostos o µ = 0 e a molécula será apolar Polaridade das moléculas Geometria x Polaridade Forças Intermoleculares Esse termo diz respeito as interações realizadas entre moléculas diferentes As forças intermoleculares são responsáveis pelos diferentes estados físicos das moléculas Tal fato faz com que se presuma a existência de diferentes tipos de interações entre as moléculas, com forças diferentes Essas interferem diretamente nas temperaturas de fusão (PF) e nas temperaturas de ebulição (PE) de uma substância Essas forças se dividem em 3 tipos: Força de Van der Waals Dipolo-Dipolo ou Dipolo Induzido Ligação de Hidrogênio ou Pontes de Hidrogênio Força de Van der Waals Ocorrem entre moléculas polares A formação do dipolo se dá através da diferença de eletronegatividade entre os ligantes O polo da extremidade negativa de uma molécula atrai o polo da extremidade positiva da molécula vizinha Esse tipo de interação também ocorre nas ligações iônicas, porém com uma intensidade bem menor Dipolo-Dipolo ou Dipolo Induzido São forças de atração que ocorrem em moléculas apolares no estado sólido ou líquido A nuvem de elétrons nas moléculas apolares é contínua, não aparecendo cargas elétricas Essa nuvem pode ser deformada por alguma ação externa, como a elevação da pressão e o abaixamento da temperatura, o que ocasiona uma distribuição desigualde cargas e o aparecimento de um dipolo instantêno O dipolo instantâneo força a polarização da molécula vizinha (dipolo induzido), resultando em uma fraca atração entre elas Dipolo-Dipolo ou Dipolo Induzido Ligação de Hidrogênio Essas interações se encaixam a um caso particular de dipolo- dipolo, em que o dipolo formado é muito intenso Esse fenômeno ocorre quando a diferença de eletronegatividade entre os elementos ligantes é muito alta Esse tipo de interação ocorre em moléculas polares É uma atração existente entre dipolos permanentes quando o HIDROGÊNIO está ligado a átomos pequenos e de alta eletronegatividade, sendo eles: FLÚOR, OXIGÊNIO E NITROGÊNIO É considerada a mais forte dentre as interações intermoleculares Ligação de Hidrogênio Ligação de Hidrogênio Força das interações intermoleculares Força das interações OBRIGADA! BOA NOITE!