CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Prévia do material em texto

M
Ó
D
U
L
O 
1 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
DA QUÍMICA 
O campo geral da química é tão grande que foi originalmente subdividido em um número 
de áreas diferentes de especialização. Entretanto, existe atualmente uma intensa relação 
entre áreas diferentes da química, exatamente como acontece com outras ciências. 
Você pode agrupar as atividades dos químicos nessas categorias principais: Analisam 
substâncias. Determinam o que está contido em uma substância, quanto de um 
componente ela apresenta ou ambos. 
 Analisam sólidos, líquidos e gases e tentam isolar o composto ativo de substâncias 
encontradas na natureza. Podem, ainda, analisar a água para ver o quanto de 
chumbo está presente em sua composição. Criam ou sintetizam novas substâncias. 
 Químicos podem produzir a versão sintética de substâncias presentes na natureza, 
ou ainda criar um composto inteiramente novo e único. Podem encontrar modos 
de sintetizar a insulina, criar um novo plástico, pílula, tinta ou criar um processo 
novo e mais eficiente para a produção de um produto estabelecido. 
 Criam modelos e testam o poder de previsão das teorias (Essa área da química é 
conhecida como química teórica). Os cientistas que trabalham neste ramo da 
química usam computadores para criar modelos de sistemas químicos. É desses 
profissionais o mundo da matemática e dos computadores; alguns deles nem 
mesmo possuem um jaleco para uso em laboratórios. 
 Medem as propriedades físicas das substâncias. Químicos podem medir pontos de 
fusão e ebulição de novos compostos ou a força de um novo fio de polímero. 
Determinam, também, a taxa de hidrocarboneto saturado presente em uma nova 
gasolina. 
 
O SISTEMA SI 
O sistema SI (Sistema Internacional) é um sistema de medida mundial baseado no mais 
antigo sistema métrico que cada um de nós já aprendeu na escola. Há uma pequena 
diferença entre o SI e o sistema métrico, mas, para a finalidade deste livro, eles coexistem. 
SI é um sistema decimal com unidades básicas para coisas como massa, comprimento, 
volume e prefixos que modificam as unidades básicas. Por exemplo, o prefixo quilo- (K) 
indica 1.000. Assim, um quilograma (Kg) é igual a 1.000 gramas e um quilômetro (Km) 
igual a 1.000 metros. Dois outros prefixos SI muito úteis são o centi- (c) e o milli- (m ), 
que significam 0,01 e 0,001, respectivamente. Assim, um miligrama (mg) é igual a 0,001 
gramas — ou você pode dizer que há 1.000 miligramas em uma grama. 
 
 
 
ESTUDO DA QUÍMICA 
ESTADOS DA MATÉRIA 
Olhe ao seu redor. Tudo o que você vê — sua cadeira, a água que você bebe, o papel em 
que este livro está impresso — é matéria. Matéria é a parte material do universo. É algo 
que tem massa e ocupa espaço. Matéria pode existir em um dos três estados: sólido, 
líquido, gasoso. 
 
Um sólido tem uma forma definida e ocupa um volume definido. Pense num cubo de gelo 
em um copo — ele é um sólido. Você pode pesar facilmente um cubo de gelo e medir seu 
volume. As partículas que formam o gelo são muito unidas e não se movem muito rápido. 
Quando um gelo derrete, ele se torna líquido. Diferente dos sólidos, os líquidos não têm 
forma definida, mas têm um volume definido, assim como os sólidos. Como exemplo, 
um copo de água em um copo alto e fino, tem uma forma diferente de um copo de água 
em uma forma de bolo, mas em ambos os casos o volume da água é o mesmo — um copo. 
Por quê? As partículas nos líquidos estão muito mais distantes entre si do que as partículas 
nos sólidos, e também se movimentam muito mais. 
Se você ferver a água, vai convertê-la em vapor, a forma gasosa da água. Um gás não tem 
forma definida nem volume definido. Num gás, as partículas estão muito mais distantes 
do que nos sólidos ou líquidos, e elas se movem de uma forma relativamente independente 
umas das outras. Por causa da distância entre as partículas e do seu movimento 
independente, o gás se expande para ocupar toda a área em que está contido (deste modo 
não tem forma definida). 
 
A MATÉRIA MUDA DE ESTADO 
Ponto de fusão: Se você assistir a temperatura do gelo enquanto ele derrete, verá que ela 
permanece estável em 0°C até todo o gelo ser derretido. Durante a mudança de estado 
(mudança de fase), a temperatura permanece constante, mesmo que o líquido contenha 
mais energia do que o gelo. 
Ponto de ebulição: Se você aquece uma panela com água fresca, a temperatura da água 
aumenta e as partículas vão se movendo cada vez mais rápido assim que absorvem o 
calor. A temperatura aumenta até a água alcançar a próxima mudança de estado — 
fervendo. Na medida em que as partículas vão se movendo rapidamente até aquecer, elas 
começam a quebrar as forças atrativas entre elas, deslocando-se livremente como um 
vapor — um gás. O processo pelo qual a substância transita do estado líquido para o 
gasoso é conhecido como ebulição. O p.e. depende da pressão atmosférica, mas para a 
água ao nível do mar, ela é de 100°C. A temperatura da água fervente vai permanecer 
constante até que toda a água seja convertida em vapor. Você pode ter tanto água quanto 
vapor ao atingir 100°C. Eles terão a mesma temperatura, mas o vapor terá muito mais 
energia. 
Resumindo: o processo de mudança da água do sólido para o gasoso da seguinte 
forma; 
gelo -> água líquida -> vapor 
Ponto de solidificação: Se você esfria uma substância gasosa, você pode ver as mudanças 
de fase que ocorrem. As mudanças de fase são: 
Condensação — do gás para o líquido 
Solidificação — do líquido para o sólido 
As partículas de gás têm uma alta quantidade de energia, mas assim que elas esfriam essa 
energia é reduzida. As forças atrativas agora têm a oportunidade de desenhar partículas 
mais juntas, formando o líquido. Esse processo é chamado de condensação. As partículas 
estão agora aglomeradas (como as partículas no estado líquido), mas à medida que mais 
energia é removida através do esfriamento, as partículas começam a se alinhar e um sólido 
é formado. Isto é conhecido como solidificação. A temperatura em que isto ocorre é 
chamada de ponto de solidificação (p.s) da substância. 
 
 
SUBSTÂNCIAS PURAS E MISTURAS 
 
Uma substância pura tem uma composição constante e definida ou invariável — como 
sal ou açúcar. Uma substância pura tanto pode ser um elemento ou um composto, mas a 
sua composição não varia. 
Um elemento é composto de um único tipo de átomo. Um átomo é a menor partícula de 
um elemento que ainda tem todas as propriedades do mesmo. Aqui está um exemplo: 
ouro é um elemento. Os elementos são blocos construídos de matéria. E que eles são 
representados numa tabela estranha como você já deve ter visto uma vez ou outra — a 
tabela periódica. 
Um composto contém dois ou mais elementos numa proporção específica. Por exemplo, 
água (H2O) é um composto feito de dois elementos, hidrogênio (H) e oxigênio (O). Esses 
elementos estão combinados numa forma muito específica. 
Misturas são combinações físicas de substâncias puras que não têm composição definida 
ou constante — a composição de uma mistura varia de acordo com quem prepara a 
mistura. 
Misturas podem ser tanto homogêneas quanto heterogêneas. Misturas homogêneas, 
algumas vezes chamadas de soluções, são relativamente uniformes na composição; toda 
porção de mistura é como qualquer outra porção. Se você dissolver açúcar na água, e 
misturar bem, a mistura é basicamente a mesma, não importa qual parte você provar. Mas 
se você põe um pouco de açúcar em uma jarra, adiciona um pouco de areia e, depois, dá 
uma sacudida, sua mistura não tem a mesma composição em toda a jarra. Como a areia é 
mais pesada, há provavelmente mais areia no fundo da jarra e mais açúcar no topo. Neste 
caso, você tem uma mistura heterogênea, uma mistura cuja composição varia de posição 
para posição dentro da amostra. 
 
PROPRIEDADES DA MATÉRIA 
Propriedades químicas: Estas propriedades permitem que uma substância mudepara 
uma substância inteiramente nova, e descrevem como uma substância reage com outras 
substâncias. Pode uma substância mudar para algo completamente novo quando água é 
adicionada — como metais de sódio mudam para hidróxido de sódio? Ela é queimada no 
ar? 
Propriedades físicas: Estas propriedades descrevem a característica física de uma 
substância. A massa, o volume e a cor de uma substância são propriedades físicas, assim 
como sua habilidade para conduzir eletricidade. 
Densidade é uma das propriedades intensivas mais úteis de uma substância, que dá aos 
químicos o poder de identificar as substâncias mais facilmente. Por exemplo, conhecer as 
diferenças entre a densidade do quartzo e a do diamante permite ao joalheiro examinar o 
anel de noivado rápida e facilmente. Densidade (d) é a razão da massa (m) pelo volume 
(v) de uma substância. Matematicamente, ela é escrita desta maneira: d=m/v 
 
ESTRUTURA ATÔMICA 
O átomo é a menor parte da matéria que representa um elemento particular. Por algum 
tempo, o átomo era visto com o a menor parte da matéria que poderia existir. Mas, na 
última metade do século XIX e na primeira metade do século XX, os cientistas 
descobriram que os átomos eram compostos de certas partículas subatômicas e que, não 
importa qual o elemento, as mesmas partículas subatômicas compõem o átomo. 
Os cientistas agora reconhecem que há muitas partículas subatômicas. Mas para que você 
tenha sucesso em química, você realmente precisa se preocupar apenas com três partículas 
subatômicas: Prótons, Nêutrons E Elétrons. 
Os cientistas descobriram, através da observação, que os objetos com tais cargas, tanto 
positiva quanto negativa, repelem uns aos outros e objetos sem tais cargas se atraem. O 
próprio átomo não tem carga. Ele é neutro. Então, como pode um átomo ser neutro se ele 
contém prótons positivos e elétrons negativos? Ah, boa pergunta. A resposta é que há 
números iguais de prótons e elétrons — números iguais de cargas positivas e negativas 
— que se cancelam. Portanto, prótons tem carga positiva, e elétrons tem carga negativa. 
Em 1911, Ernest Rutherford descobriu que os átomos têm um núcleo — um centro — 
que contém prótons. Mais tarde, os cientistas descobriram que o nêutron também mora 
no núcleo. 
O núcleo não é apenas muito pequeno, mas também contém a maior parte da massa do 
átomo. De fato, para todos os propósitos, a massa do átomo é a soma das massas dos 
prótons e dos nêutrons. A soma do número de prótons em um átomo é conhecida como 
número de massa. E para o número de prótons em um determinado átomo é dado um 
nome especial, o número atômico. 
 
 
Você já assistiu à explosão de fogos de artifício e desejou saber de onde aquelas cores 
vinham? As cores vêm de elementos diferentes. Se você salpica sal de cozinha — ou 
qualquer outro sal que contenha sódio — no fogo, você terá a cor amarela. Sais que 
contêm cobre dão uma chama azul-esverdeada. O modelo de Bohr mostra que os elétrons, 
no átomo, estão em órbitas de energias diferentes ao redor do núcleo (pense na órbita dos 
planetas ao redor do Sol). Bohr usou o termo níveis de energia (ou configurações) para 
descrever essas órbitas de energias diferentes. 
 
ÍONS 
Como o próprio átomo é neutro, através deste livro posso afirmar que o número de prótons 
e elétrons nos átomos é igual. Mas há casos em que um átomo pode adquirir uma carga 
elétrica. Desta forma, os átomos tornam-se íons para ganhar ou perder elétrons. E os íons 
que têm uma carga positiva são chamados de cátions e os íons que têm uma carga 
negativa são chamados de ânions. 
 
TABELA PERIÓDICA 
Na natureza, bem como nas coisas que o homem inventa, você pode notar que há alguns 
modelos repetidos. As estações repetem seu modelo no outono, inverno, primavera e verão. 
Terça-feira vem depois de segunda-feira, dezembro vem depois de novembro e assim por 
diante. Esse modelo de ordem repetida é conhecido como periodicidade. Por volta de 1800, 
Dmitri Mendeleev, um químico russo, percebeu esse modelo de repetição nas propriedades 
químicas dos elementos que eram conhecidos na época. Mendeleev organizou esses elementos 
na ordem crescente do número atômico, o número de prótons do núcleo atômico. 
 
 
COMPREENDENDO COMO OS ELEMENTOS ESTÃO ORGANIZADOS 
NA TABELA PERIÓDICA 
Dê uma olhada na tabela periódica na Figura 4-1. Os elementos estão organizados na ordem 
crescente do número atômico. O número atômico (número de prótons) está localizado à direita, 
acima do símbolo do elemento. Abaixo do símbolo do elemento, está a massa atômica, ou peso 
atômico (soma de prótons e nêutrons). 
A tabela periódica é composta de fileiras horizontais chamadas períodos. Os períodos são 
numerados de 1 a 7 no lado esquerdo da tabela. As colunas verticais são conhecidas como 
grupos ou famílias. Membros destas famílias têm propriedades semelhantes. 
Se você olhar cuidadosamente a Figura 4-1, você pode perceber uma linha diagonal, parecida 
com degraus de uma escada, começando por boro (B), número atômico 5, descendo até chegar 
ao polônio (Po), número atômico 84. Com exceção do germânio (Ge) e do antimônio (Sb), todos 
os elementos, à esquerda dessa linha, podem ser classificados como metais. Estes metais têm 
propriedades que você normalmente associa com os que você encontra em seu cotidiano. Eles 
são sólidos, brilhantes, bons condutores de eletricidade e calor e flexíveis. 
Com exceção dos elementos que delimitam essa linha diagonal na tabela, os elementos, à direita 
da linha, são classificados como não-metais (junto com o hidrogênio, em verde). Os não-metais 
têm propriedades diferentes dos metais. Os não-metais são sensíveis, não maleáveis ou não-
dúcteis, não são bons condutores de calor e eletricidade e tendem a ganhar elétrons nas reações 
químicas. Alguns não-metais são líquidos. 
Já os elementos que delimitam a linha diagonal, parecida com um degrau de uma escada, são 
classificados como metaloides. Os metalóides, ou semi-metais, têm propriedades intermediárias 
entre os metais e os não-metais. Tendem a ser economicamente importantes devido às 
propriedades únicas de condutividade. 
 
FAMÍLIAS E PERÍODOS 
Se você consultar a tabela periódica, mostrada na Figura 4-1, você verá sete linhas horizontais 
de elementos chamados períodos. Em cada período, os números atômicos aumentam da 
esquerda para a direita. Mesmo que estejam localizados no mesmo período, esses elementos 
têm propriedades químicas que não são totalmente semelhantes. 
Já os membros de uma família têm propriedades semelhantes. Considere a família lA, 
começando por lítio (Li) — não se preocupe com o hidrogênio, porque ele é único e não se 
encaixa em qualquer lugar — até chegar ao frâncio (Fr). 
 A família IA é composta de metais alcalinos. Esta família contém alguns elementos 
importantes, tais como sódio (Na) e potássio (K). Ambos os elementos desempenham 
um papel importante na química do organismo e são comumente encontrados nos sais. 
 A família IIA é composta de metais alcalinos terrosos. Cálcio (Ca) é um membro 
importante da família IIA (você precisa de cálcio para a saúde dos dentes e dos ossos). 
 A família VIIA é composta de halogênio. Os mais importantes são o cloro (Cl), usado na 
produção de sal de cozinha e água sanitária, e o iodo (I). Alguma vez usou tintura de 
iodo como desinfetante? 
 A família VIIIA é composta por gases nobres. Esses elementos não são muito reativos. 
Por muito tempo, os gases nobres eram chamados de gases inertes porque as pessoas 
pensavam que esses elementos não poderiam reagir de modo algum.