Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original
O projeto EduCursinho - Educação e Aprovação é uma atividade de extensão da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) que tem por objetivo oferecer a estudantes em processo de preparação para prestarem o Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e que sejam, preferencialmente, pertencentes a famílias de baixa renda, uma série de atividades educativas (aulas, resolução de exercícios, dicas e macetes etc.) que os auxiliem na obtenção de êxito no acesso ao ensino superior. Por entender que a Universidade Pública é parte do desenvolvimento de uma sociedade, as ações de extensão surgem como uma das formas de contato entre a comunidade externa e a acadêmica - estudantes e servidores – fazendo com que a Universidade cumpra o seu papel de atuação na sociedade de maneira ampla e geral. A Universidade se torna parte do convívio social, quando, por meio de suas ações, promove um retorno à população com atividades e propostas que são alcançáveis por um ou vários grupos sociais. Desde a sua idealização, a proposta é motivar estudantes universitários a estabelecerem um diálogo com a sociedade externa à universidade promovendo ações que atendam diretamente às demandas sociais e que proporcionem a troca de conhecimentos entre os mesmos. Neste projeto, as ações iniciais são a formação e a capacitação dos estudantes da UFMT para atuarem como professores nas diversas áreas contempladas pelo Enem: Ciências Humanas e suas Tecnologias, Ciências da Natureza e suas Tecnologias, Linguagens, Códigos e suas Tecnologias e Matemática e suas Tecnologias. Nesse sentido, o projeto possui a seguinte estruturação interna: coordenação geral, coordenadores de área (Física, Química, Matemática, Redação, Atualidades e Inglês) e coordenador de marketing, sendo cada uma dessas áreas gerida por um docente (interno ou externo) da UFMT. Além disso, há os estudantes que atuam como líderes de divulgação e organização e os responsáveis por cada grupo de conteúdo, subdivididos de acordo com as respectivas disciplinas. Com o advento da pandemia do Coronavírus (Covid-19), as ações tiveram de ser alteradas, de modo a reduzir e/ou evitar prejuízos causados pelas medidas de distanciamento que foram necessárias para conter o avanço do vírus. Dessa forma, todo o projeto foi reestruturado para atender às demandas de ensino por meio da utilização de estratégias já conhecidas do ensino a distância. As aulas passaram a ser ministradas mediante ferramentas digitais, como aulas por meio de plataformas como Youtube, Google Classroom e Google Meet. ... Diante do exposto, surgiu a ideia de elaborar uma coleção de livros digitais (e-books), que foram elaborados pela equipe do projeto (docentes/estudantes) e divididos em cinco (5) volumes, de forma a tornar o acesso ao material de estudo por parte do público-alvo ainda mais fácil e interativo. Esses e-books foram publicados em parceria com a Pró-Reitoria de Cultura, Extensão e Vivência (PROCEV) e são disponibilizados de forma totalmente gratuita aos alunos, reforçando ainda mais a missão da universidade de impactar positivamente a sociedade com ações que promovam crescimento social, tanto de forma local, como de forma ampla. Esperamos que essa coleção, por meio de cada um dos volumes, seja realmente aproveitada ao máximo, pois fizemos tudo com muito carinho e dedicação para que você tenha cada vez mais acesso a informações de qualidade. O seu potencial está aí dentro, então use as ferramentas disponíveis para alavancar isso e mostre que o caminho vai ser trilhado com muita diligência e perseverança. Bons estudos e se liga nas dicas que colocamos para vocês nos capítulos. Atenciosamente, Equipe EduCursinho. Coordenadora Geral: Daniele Caetano da Silva Coordenador de Física: Murilo José Pereira de Macedo - Danilo Oliveira dos Reis Nascimento - Luana Andra Correa Teixeira - Yhan Toth Coordenadora de Inglês: Mônica Aragona - Jessica de Almeida Barradas Coordenadora de Matemática: Gláucia Aparecida Soares - Gustavo Mene Ale Primo - Rafael Simões Martins da Silva Oliveira - Wesley Alexei Paiva Coordenador de Marketing: Felipe Thomaz Aquino - Gustavo Mene Ale Primo - Livia Pereira de Alencar - Matheus Henrique Sampaio Costa e Silva Coordenadora de Química: Daniele Caetano da Silva - Antônio Gierdson Lima dos Santos - Jeferson Mangueira de Castro Lydijusse - Stefanie Santos Silva Coordenadora da Redação/Atualidades: Manuella Soares Jovem - Nicole Astutti Campos - Diane Santana Brito - João Pedro dos Santos Menezes 4 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Química geral 5 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 MODELOS ATÔMICOS Nós vamos começar nossa história pelo início mais agravante do conhecimento químico, o famoso “do que é feito?”, no qual, impulsionou tantos outros conhecimentos e nos fez chegar as teorias que nós temos hoje. Então, pensa assim comigo, se eu pegar parte de alguma coisa e começar a dividir, dividir e dividir, até o momento que eu tenha uma parte tão pequena que não seja mais possível fazer essa divisão. Será que essa parte é a principal constituição da matéria que eu tinha lá no início? Eram questionamentos como esse que filósofos e cientistas faziam há anos. Por volta de 5 a.C. os filósofos Demócrito e Leucipo, seguiram essa linha de pensamento, realizando experimentos para chegar na parte não divisível da matéria, passando a chamá-la de ÁTOMO (A de negação e TOMO de divisão/corte), ou seja, segundo eles, tudo o que se conhecia era formado por pequenas partículas indivisíveis[1]. Mas não parou por aí. Agora sabia- se “o que” formava todas as coisas, era preciso então conhecer como era a estrutura do átomo, onde vivia, o que comia e o que fazia, dando início a uma revolucionária jornada científica. MODELO BOLA DE BILHAR (JOHN DALTON) Depois de anos de experimentos e postulados, foi somente no ano de 1808 que o cientista Dalton quem propôs o primeiro modelo atômico consistente, similar à uma bola de bilhar. Pense em uma bola lisinha e sólida, pois, para Dalton era assim que se descrevia o átomo[2]. Para chegar nesse modelo, Dalton iniciou baseando-se no conceito de átomo levantado pelos filósofos e, nos estudos da lei da conservação da massa, onde Lavoisier dizia que, na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma. Entretanto, os experimentos de Dalton acabaram não mostrando a estrutura atômica claramente. Mas, foram suficientes para levantar preposições como o átomo ser a menor parte da matéria, indivisível, indestrutível, com formato esférico e maciço (aquilo que não é oco)[2][3]. MODELO PUDIM DE PASSAS (JOSEPH JOHN THOMSON) Entre 1887 e 1898, Thomson propôs o segundo modelo atômico, baseado em experimentos com tubos de raios catódicos[2]. Para visualizar o experimento, acesse o link: https://www.youtube.com/watch?v=iE8 8jgvnB68 Thomson então, passou a comparar os átomos com um pudim de passas (muito popular naquele tempo), mantendo seu formato esférico, porém, https://www.youtube.com/watch?v=iE88jgvnB68 https://www.youtube.com/watch?v=iE88jgvnB68 6 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 já não eram mais maciços como o modelo, Bola da Bilhar, justamente pela presença dos elétrons. Segundo Thomson, os elétrons, ficavam fixos no átomo, derrubando a teoria de Dalton do átomo não ser divisível. Mas, apesar da presença deles, também acreditava que o átomo seria neutro, já que Dalton quando propôs a modelo bola de bilhar, não citou nenhuma carga dos átomos[2]. Mas de que forma o átomo seria neutro, se haviam partículas carregadas negativamente lá? Isso também foi respondido por Thomson, pois, acreditava que o átomo era composto por uma região positiva e, com partículas subatômicas negativas (elétrons), assim, balanceando a carga final como nula[2]. Representação do modelo pudim de passas Fonte: NOTÍCIAS MODELO, 2020[9]. MODELO SISTEMA PLANETÁRIO (ERNEST RUTHERFORD) No início do século XX, a teoria do Pudim de passas começou a ser questionada quando surgiu a radioatividade[2]. Rutherford realizou um experimento que consistia em uma caixa de chumbo contendo polônio, e um pequeno orifício[4]. Para visualizar o experimento, acesse o link: https://www.youtube.com/watch?v=AH XD9pgmkPQ O resultado desse experimento derrubou a teoria de Dalton e Thomson sobre o formato esférico do átomo. Então, o químico Rutherford concluiu que o átomo, não era uma estrutura única, e sim formado por um núcleo, circundado por uma eletrosfera cheia de elétrons[2][4]. O núcleo seria formado por partículas de carga positiva, os chamados prótons. E na eletrosfera, que era região de volume muito maior que o núcleo, os elétrons orbitavam o seu redor[2][4]. Estrutura do átomo segundo Rutherford Fonte: CONHECIMENTO CIENTÍFICO, 2020[10]. Representação do modelo através do sistema solar Fonte:ASTROCENTRO, 2019 (Adaptada)[11]. Mas, como tudo na ciência é constantemente testado e aprimorado, os cientistas começaram a questionar, justamente, como os elétrons podiam movimentar-se em torno de um núcleo https://www.youtube.com/watch?v=AHXD9pgmkPQ https://www.youtube.com/watch?v=AHXD9pgmkPQ 7 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 positivo sem perder a energia e colidir com ele? Bom, a dúvida chamou a atenção de Niels Bohr, que com apoio de Rutherford, começaram a aprimorar o modelo do sistema planetário[2]. MODELO RUTHERFORD- BOHR (ERNEST RUTHERFORD E NIELS BOHR) A adição de Bohr à teoria de Rutherford considera sete níveis conhecidos de energia, ou camadas nomeadas como K, L, M, N, O, P e Q[2]. Imagine que um elétron esteja no terceiro nível de energia de um átomo, seria possível mudar para outro nível mais acima? Segundo Bohr, sim! Basta que o elétron receba energia para que essa transição seja feita. Isso quer dizer então, que elétrons que estão níveis mais acima, possuem mais energia dos que estão em níveis mais abaixo (próximo ao núcleo)[5]. Representação das camadas de níveis de energia, segundo Bohr Fonte: DESCOMPLICA, 2016[12]. De forma que, os níveis de energia são de maneira crescente, logo, quanto mais distante do núcleo, maior é a energia do elétron[2][5]. Toda essa junção de postulados e novas descobertas, deram origem ao modelo Rutherford-Bohr, que apesar das falhas conhecidas atualmente, é o modelo mais utilizados para a descrição do átomo[2]. EXERCÍCIOS 1.(ENEM-2019) Em 1808, Dalton publicou o seu famoso livro o intitulado Um novo sistema de filosofia química (do original A New System of Chemical Philosophy), no qual continha os cinco postulados que serviam como alicerce da primeira teoria atômica da matéria fundamentada no método científico. Esses postulados são numerados a seguir: 1. A matéria é constituída de átomos indivisíveis. 2. Todos os átomos de um dado elemento químico são idênticos em massa e em todas as outras propriedades. 3. Diferentes elementos químicos têm diferentes tipos de átomos; em particular, seus átomos têm diferentes massas. 4. Os átomos são indestrutíveis e nas reações químicas mantêm suas identidades. 5. Átomos de elementos combinam com átomos de outros elementos em proporções de números inteiros pequenos para formar compostos. Após o modelo de Dalton, outros modelos baseados em outros dados experimentais evidenciaram, entre outras coisas, a natureza elétrica da matéria, a composição e organização do 8 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 átomo e a quantização da energia no modelo atômico. OXTOBY, D.W.; GILLIS, H. P.; BUTLER, L. J. Principles of Modern Chemistry. Boston: Cengage Learning, 2012 (adaptado). Com base no modelo atual que descreve o átomo, qual dos postulados de Dalton ainda é considerado correto? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 2.(PUC-SP) Uma importante contribuição do modelo de Rutherford foi considerar o átomo constituído de: A) elétrons mergulhados numa massa homogênea de carga positiva. B) uma estrutura altamente compactada de prótons e elétrons. C) um núcleo de massa desprezível comparada com a massa do elétron. D) uma região central com carga negativa chamada núcleo. E) um núcleo muito pequeno de carga positiva, cercado por elétrons. 3.(FUVEST-SP) Thomson determinou, pela primeira vez, a relação entre a massa e a carga do elétron (m/z), o que pode ser considerado como a descoberta do elétron. É reconhecida como uma contribuição de Thomson ao modelo atômico: A) o átomo ser indivisível. B) a existência de partículas subatômicas. C) os elétrons ocuparem níveis discretos de energia. D) os elétrons girarem em órbitas circulares ao redor do núcleo. E) o átomo possuir um núcleo com carga positiva e uma eletrosfera. 4.(UFMG-Adaptada) Ao resumir as características de cada um dos sucessivos modelos do átomo de hidrogênio, um estudante elaborou o seguinte resumo: Modelo atômico: Dalton Características: átomos maciços e indivisíveis. Modelo atômico: Thomson Características: elétron, de carga negativa, incrustado em uma esfera de carga positiva. A carga positiva está distribuída, homogeneamente, por toda a esfera. Modelo atômico: Rutherford Características: elétron, de carga negativa, em órbita em torno de um núcleo central, de carga positiva. O número de erros cometidos pelo estudante é: A)1 B)2 C)0 D)3 E)4 5.(ENEM-2019) Um teste de laboratório permite identificar alguns cátions metálicos ao introduzir uma pequena quantidade do material de interesse em uma chama de bico de Bunsen para, em seguida, observar a cor da luz emitida. A cor observada é proveniente da emissão de radiação eletromagnética ao ocorrer a: 9 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 A) Mudança da fase sólida para a fase líquida do elemento metálico. B) Combustão dos cátions metálicos provocada pelas moléculas de oxigênio da atmosfera. C) Diminuição da energia cinética dos elétrons em uma mesma órbita na eletrosfera atômica. D) Transição eletrônica de um nível mais externo para outro mais interno na eletrosfera atômica. E) Promoção dos elétrons que se encontram no estado fundamental de energia para níveis mais energéticos. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA Antes de aprendermos sobre como realizar a distribuição e que informação ela nos traz, é essencial conhecermos as relações dos cientistas, assim como, diversas teorias atreladas ao estudo das partículas subatômicas, bem como, da distribuição eletrônica. WOLFGANG PAULI Constatou que existia uma regra para a distribuição eletrônica dos níveis, subníveis e orbitais. Pauli estabeleceu que, em um átomo, dois elétrons não podem ter os mesmos números quânticos, fazendo com que, cada orbital acomodasse apenas um par de elétrons, com spins opostos e antiparalelos. Esse princípio ficou conhecido como Princípio de Exclusão de Pauli[6]. FRIEDRICH HUND Hund propôs uma regra para o preenchimento eletrônico dos elétrons, estabelecida pelo princípio da Máxima Multiplicidade. Devido à repulsão eletrônica pela presença de dois elétrons no mesmo orbital, o preenchimento eletrônico dos subníveis devem ser feitos adicionando um elétron em cada orbital. Somente após todos os orbitais do subnível estarem completamente semipreenchidos, coloca-se o segundo elétron no orbital[6]. Representação da forma como os elétrons devem ser preenchidos nos orbitais Fonte: COMPLEMENTOS DE ATOMÍSTICA: TEORIA DOS ORBITAIS, 2019.[6]. LINUS PAULING Linus Pauling estabeleceu a ordem de preenchimento, através de um diagrama, o famoso Diagrama de Linus Pauling. Já já veremos como é o diagrama de Linus Pauling e como é feita a distribuição eletrônica, mas antes, precisamos entender um pouco mais sobre as divisões dos orbitais, para aí sim, saber como Pauling chegou nessa ordem de organização. A partir do modelo atômico de Bohr, o físico Arnold Sommerfield propôs em 1919 que, as camadas (K,L,M,N,O,P e Q) estariam divididas em regiões ainda menores, denominadas de subníveis de energia[6]. De acordo com os experimentos realizados, os subníveis são formados pelas siglas: s, p, d, f (sharp, principal, diffuse e fundamental)[6]. 10 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 S: 2 elétrons (s2), P: 6 elétrons (p6), D: 10 elétrons (d10), F: 14 elétrons (f14) [6]. Pauling então, organizou todas as informações e descobertas, de forma que, através do diagrama desenvolvido por ele, seria possível distribuir todos os elétrons presentes no átomo, entre os orbitais e subníveis, para encontrar a região mais provável da presença do elétron[6][3]. Linus Pauling, estabeleceu a ordem crescente de energia representado pelo seu diagrama. Cada linha horizontal, representa uma camada eletrônica com os seus respectivos subníveis. À medida que se desce pelas diagonais, a energia vai aumentando[3]. Representação do Diagrama de Linus Pauling Fonte: Autoria própria. Não tem segredo! Quando aprendermos a distribuir corretamente os elétrons, ficará fácil e viciante. EXEMPLO 1 Dê a distribuição eletrônica do seguinte elemento. Fonte: Autoria própria. O primeiro passo para realizar a distribuição, é conhecer o número atômico do elemento. Pois, o número atômico corresponde ao número de prótons, e em seu estado fundamental, também representa o número de elétrons presentes. Na representação acima vemos que, o número atômico do elemento Sódio (Na) é igual a 11, logo, há 11 elétrons, na qual, serão distribuídos entre os subníveis. Distribuição eletrônica do Na Fonte: Autoria própria Que também pode ser escrito da maneira extensiva: 1s2, 2s2, 2 p6, 3s1. Onde 3s1 é a camada de valência, ou seja, última camada a receber elétron e, normalmente, será o elétron que participará de uma ligação química. 11 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 EXEMPLO 2 Dê a distribuição eletrônica do seguinte elemento. Fonte: Autoria própria. Como o número atômico do Cálcio (Ca) é igual a 20, portanto, ele terá 20 elétrons, consequentemente, a seguinte distribuição eletrônica. Distribuição eletrônica do Ca Fonte: Autoria própria. Escrito por extenso: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2. Onde 4s2 é sua camada de valência. EXERCÍCIOS 1.(UniRio) “Os implantes dentários estão mais seguros no Brasil e já atendem às normas internacionais de qualidade. O grande salto de qualidade aconteceu no processo de confecção dos parafusos e pinos de titânio, que compõem as próteses. Feitas com ligas de titânio, essas próteses são usadas para fixar coroas dentárias, aparelhos ortodônticos e dentaduras, nos ossos da mandíbula e do maxilar.” (Jornal do Brasil, outubro 1996). Considerando que o número atômico do titânio é 22, sua configuração eletrônica será: A) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 B) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 C) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 D) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 E) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 2.(IFSP) O número de elétrons da camada de valência do átomo de cálcio (Z =20), no estado fundamental, é A) 1 B) 2 C) 6 D) 8 E) 10 3.(UFSC) O número de elétrons em cada subnível do átomo estrôncio (38Sr) em ordem crescente de energia é: A) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 B) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 3d10 5s2 C) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2 D) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4p6 4s2 3d10 5s2 E) 1s2 2s2 2p6 3p6 3s2 4s2 4p6 3d10 5s2 NÚMEROS QUÂNTICOS NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n) O número quântico principal (n) especifica o nível de energia do elétron, ou seja, ele é representado pelas famosas camadas K, L, M, N, O, P e Q, lembra? Que nada mais é do que; n = 1, n = 2, n = 3, n = 4... n = 7. 12 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria. NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO OU AZIMUTAL (ℓ) O número quântico secundário (ℓ), determina a forma da região no espaço onde o elétron será encontrado. É o nosso famoso subnível de energia s, p, d, f, na qual, assume os valores inteiros entre 0 e n -1, onde, n é o número quântico principal[6]. Por exemplo, se um número quântico principal de um elétron for n = 3, há três possibilidades para o número quântico secundário: ℓ = 0, ℓ = 1 ou ℓ = 2. Fonte: Autoria própria. NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO (m ou mℓ) O número quântico magnético (mℓ), determina a orientação espacial da região onde o elétron pode ser encontrado, ou seja, determina a orientação do orbital. Ele assume valores inteiros de -ℓ até +ℓ (incluindo o 0), onde, ℓ é o número quântico secundário[6]. O valor que obtemos de mℓ, nos fornece as possibilidades de orientações espaciais dos orbitais[6]. Fonte: Autoria própria. NÚMERO QUÂNTICO SPIN (s ou ms) O termo spin já não é desconhecido para nós, conversamos um pouquinho sobre ele quando falamos do Princípio Da Exclusão de Pauli e, depois acrescentamos com a regra de Máxima Multiplicidade de Hund. Pelos princípios já apresentados, nós sabemos que dois elétrons conseguem ficar em um mesmo orbital e não se repelirem, isso porque, suas rotações são em sentidos opostos, causando uma força magnética de atração entre eles e, consequentemente, um sistema mais estável[6]. Por convenção, as setas que adotamos para preencher os orbitais correspondem a: seta para cima () ms = -1/2, seta para baixo () ms = +1/2[6]. Portanto, quando distribuímos os elétrons nos orbitais, o sentido da seta do último elétron a ser preenchido, denomina o valor de ms como + ou -1/2. EXEMPLO Dê a distribuição eletrônica e os números quânticos do seguinte elemento: 13 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria. Inicialmente, vamos realizar a distribuição eletrônica dos 26 elétrons através do diagrama de Pauling, respeitando as regras estabelecidas. Fonte: Autoria própria. Assim, a distribuição eletrônica do Ferro (Fe) e dada por: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6. Como o subnível d é considerado mais energético do que o s, então a camada de valência do Fe será dada por exceção, então ao invés de ser a 4s, sua valência será dada pela 3d6 A partir dessas informações e com base no que aprendemos, sabemos então que o número quântico principal (n) do elemento Fe, é igual a 3. Já para o número quântico secundário, como o subnível de valência é d, então olhando na tabelinha, ℓ=2. Para o número quântico magnético (m), é necessário fazer a representação da distribuição dos elétrons no subnível de valência. Como há 6 elétrons no subnível d, então a distribuição respeitando as regras de Pauli e Hund se dará por: Fonte: Autoria própria. Com ℓ variando entre - ℓ e + ℓ, ou seja -2 e +2, vemos que, o último elétron é preenchido no orbital que corresponde o valor de -2. Portando, m=-2. Quanto ao último número quântico, o spin (s), ele pode ser tanto -1/2 como +1/2, dependendo do sentido que se inicia e finaliza o preenchimento. EXERCÍCIOS 1.(UERN) A principal aplicação do bromo é a produção de brometo de etileno, que é utilizado em combustíveis para motores, com o intuito de evitar a acumulação de chumbo no interior dos cilindros. Considerando que o número atômico do bromo é 35, afirma-se que ele possui: 14 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 I. O número quântico principal igual a 4. II. 3 orbitais completos. III. 5 elétrons no nível de valência. IV. O número quântico magnético igual a 0. V. 5 elétrons na última camada, com número quântico azimutal igual a 1. Estão corretas apenas as afirmativas: A) I e IV. B) I, II e V. C) III, IV e V. D) I, II, IV e V E) N.D.A 2.(Mackenzie-Adaptada) Os valores dos números quânticos principal (n), secundário (ℓ), magnético(m) e de spin (s) para o elétron de maior energia do átomo B (Z= 5), são respectivamente: A) n = 2, ℓ = 2, m = -1, s = + 1 /2 B) n = 2, ℓ = 2, m = +1, s = - 1 /2 C) n = 1, ℓ = 2, m = -1, s = - 1 /2 D) n = 2, ℓ = 1, m = -1, s = - 1 /2 E) n = 3, ℓ = 2, m = +1, s = + 1 /2 3.(UFPI) Indique a alternativa que representa um conjunto de números quânticos permitido: A) n = 3; ℓ = 0, m= 1; s = +1/2 B) n = 3; ℓ = 4, m= 1; s = +1/2 C) n = 3; ℓ = 3, m= 0; s = +1/2 D) n = 3; ℓ = 2, m= 1; s = +1/2 E) n = 4; ℓ = 0, m= 3; s = -1/2 4.(UFAC) Um elétron localiza-se na camada “2” e subnível “p” quando apresenta os seguintes valores de números quânticos: A) n = 4 e ℓ= 0 B) n = 2 e ℓ= 1 C) n = 2 e ℓ= 2 D) n = 3 e ℓ= 1 E) n = 2 e ℓ= 0 5.(UFPA) Os números quânticos principal “n”, secundário “ℓ”, magnético “m” do elétron mais energético do átomo de cloro são respectivamente: (Dado Cl: Z=17) A) 3, 1, 0 B) 3, 1, +1 C) 2, 0, +1 D) 2, 1, -1 E) 2, 3, 0 6.(UECE) Considere três átomos A, B e C. Os átomos A e C são isótopos, B e C são isóbaros e A e B são isótonos. Sabendo-se que A tem 20 prótons e número de massa 41 e que o átomo C tem 22 nêutrons, os números quânticos do elétron mais energético do átomo B são: A) n = 3; ℓ = 0, m= 2; s = -1/2 B) n = 3; ℓ = 2, m= -2; s = -1/2 C) n = 3; ℓ = 2, m= 0; s = -1/2 D) n = 3; ℓ = 2, m= -1; s = +1/2 E) n = 4; ℓ = 0, m= 0; s = +1/2 TABELA PERIÓDICA A tabela periódica apresenta 7 períodos e 18 grupos, dispostos da seguinte forma: 1º Grupo: Metais alcalinos (com exceção do Hidrogênio). 2º Grupo: Metais Alcalino- terrosos. 3º Grupo ao 12º Grupo: Metais de transição. 15 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 13º Grupo: grupo do Boro. 14º Grupo: grupo do Carbono. 15º Grupo: grupo do Nitrogênio. 16º Grupo: Calcogênios. 17º Grupo: Halogênios 18º Grupo: Gases nobres. Os períodos (linhas horizontais), nos mostram quantas camadas eletrônicas cada elemento possui. Já os grupos (linhas verticais), nos trazem a informação de quantos elétrons o elemento possui na camada de valência, além disso, a tabela é dividida em blocos, conforme o subnível eletrônico, como visto na figura abaixo. Fonte: ANDRIETTA, M. 2016[14]. PROPRIEDADES QUÍMICAS Vamos entender como estão distribuídas as propriedades dos elementos químicos, visto que, todas essas informações nos trarão mais clareza do porquê de muitas coisas, além disso, os fatores que levam cada ligação química acontecer. I. Raio Atômico O primeiro da nossa lista é o raio atômico. Ele representa a distância entre o centro do núcleo e a camada mais externa do átomo[3]. Quando nós pensamos no átomo do modelo Rutherford-Bohr, é um pouco mais fácil visualizar como essa distância é descrita. Do mesmo modo, podemos observar que quanto mais camadas eletrônicas um elemento possui, maior é o raio atômico dele[3]. Fonte: MAGALHÃES, L. 2019[13]. Por isso, em um grupo, o raio cresce de cima para baixo, sendo assim, os elementos no 1º período têm menor raio atômico e os do 7º período tem maior raio[3]. II. Energia de Ionização A energia de ionização, diz respeito a energia mínima que precisamos fornecer, para remover elétrons de um átomo, em seu estado fundamental[3]. Essa propriedade está diretamente ligada ao raio atômico, pois, quanto maior o raio, mais afastados do núcleo os elétrons estão, ou seja, mais afastados das cargas positivas que os atraem. Assim, podemos dizer que, elétrons da camada mais externa, precisam de menor energia de ionização para removê-los, pois, eles são menos atraídos pela carga do núcleo[3]. Assim, a 1ª energia de ionização (E.I.), aquela que retira o primeiro elétron, é menor do que a 2ª energia de ionização, que por sua vez, será menor que a 3ª energia e, assim 16 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 sucessivamente. De forma que, essa energia necessária para a ionização cresce conforme diminui o raio atômico, isto é, conforme os elétrons estão mais atraídos pelo núcleo[3]. 1ª E.I. < 2ª E.I. < 3ª E.I. ... III. Afinidade Eletrônica Quando tratamos de afinidade eletrônica, ela também diz respeito a energia, porém, desta vez, é a quantidade de energia liberada quando um átomo recebe um elétron[3]. Talvez, possa parecer confuso entender a diferença entre energia de ionização e afinidade eletrônica (A.E.), já que a ordem crescente também é no mesmo sentido. Mas, pensa assim, quando nós falamos de E.I., estamos nos referindo a energia absorvida pelo elétron e, quando falamos de A.E., estamos olhando a quantidade de energia liberada pelo elétron[3]. IV. Eletronegatividade A eletronegatividade, é a tendência do átomo em receber elétrons, ou seja, ela indica a atração entre eles[3]. Sua ordem de crescimento é no mesmo sentido da afinidade eletrônica, pois, quanto menos elétrons um átomo precisa para alcançar estabilidade, mais vontade de possuir esses elétrons ele terá, portanto, será mais eletronegativo[3]. Quando comparamos átomos de um mesmo grupo, o elemento que obtiver o menor raio, será o mais eletronegativo, pois, a camada de valência está mais próxima do núcleo e assim os prótons exercem maior força de atração[3]. V. Eletropositividade A eletropositividade, opõe-se a eletronegatividade, pois, indica a tendência de um átomo perder elétrons em uma ligação química. A partir dessa perda, os átomos ficam com mais prótons do que elétrons, logo, apresentam carga positiva[3]. Seu sentido de crescimento também é oposto ao da eletronegatividade. Cresce de cima para baixo e da direita para esquerda[3]. VI. Semelhança Atômica A partir do conhecimento que temos sobre o número atômico, número de massa etc., é importante saber (além de cair suuuuuper no ENEM), que nós podemos encontrar conjuntos de átomos com números e/ou massa atômica igual. Assim, surgem novos conceitos que podemos definir. ISÓTOPOS São átomos com mesmo número de prótons (Z) e diferente número de massa (A)[6]. Exemplo: 6C12 6C13 6C14 O hidrogênio, é o único elemento químico cujos isótopos têm nome próprio. Os demais, são chamados apenas pelo nome do elemento seguido do número de massa, como o, carbono- 14[6]. 1H1 Hidrogênio comum 1H2 Deutério 1H3 Trítio, tritério, tricério 17 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 ISÓBAROS São átomos com os mesmos números de massa (A) e diferentes números atômicos (Z). São átomos, portanto, de elementos químicos diferentes[6]. Exemplo: 6C14 7N14 ISÓTONOS São átomos com diferentes números atômicos (Z) e, diferentes números de massa (A), mas, com o mesmo número de nêutrons[6]. Exemplo: 17Cl37 20Ca40 O átomo de Cloro (Cl) tem: 37-17 = 20 nêutrons. O átomo de Cálcio (Ca) tem: 40-20 = 20 nêutrons. PROPRIEDADES FÍSICAS I. Densidade A densidade, na verdade, não é uma característica de um átomo e, sim da junção de um mol de átomos, dada pela razão da massa pelo volume. Essa razão, nos períodos, tem crescimento das laterais para o centro e nos grupos, de cima para baixo[3]. II. Temperatura de Fusão e Ebulição As temperaturas de fusão e ebulição dos elementos, nos dizem respectivamente, quando eles passam do estado sólido para o líquido e do líquido para o gasoso[3]. O que determina essas temperaturas, são as interações intermoleculares, na qual, aprenderemos mais à frente[3]. O crescimento dessas temperaturas nos períodos, é em direção ao centro da tabela e de cima para baixo nos grupos, com exceção dos grupos 1 e 2 que serão de baixo para cima[3]. EXERCÍCIOS 1.(ENEM- 2018) Na mitologia grega, Nóbia era a filha de Tântalo, dois personagens conhecidos pelo sofrimento. O elemento químico de número atômico (Z) igual a 41 tem propriedades químicas e físicas tão parecidas com as do elemento de número atômico 73 que chegaram a ser confundidos. Por isso, em homenagem a esses dois personagens da mitologia grega, foi conferido a esses elementos os nomes de nióbio (Z = 41) e tântalo (Z = 73). Esses dois elementos químicos adquiriram grande importância econômica na metalurgia, na produção de supercondutores e em outras aplicações na indústria de ponta, exatamente pelas propriedades químicas e físicas comuns aos dois. KEAN, S. A colher que desaparece: e outras histórias reais de loucura, a mor e morte a partir dos elementos químicos. Rio de Janeiro: Zahar, 201 1 (adaptado). A importância econômica e tecnológica desses elementos, pela similaridade de suas propriedades químicas e físicas, deve-se a A) terem elétrons no subnível f. 18 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 B) serem elementos de transição interna. C) pertencerem ao mesmo grupo na tabela periódica. D) terem seus elétrons mais externos dos níveis 4 e 5, respectivamente. E) estarem localizados na família dos alcalinos terrosos e alcalinos, respectivamente. 2.(ENEM-2017) No ar que respiramos existem os chamados “gases inertes”. Trazem curiosos nomes gregos, que significam “o Novo”, “o Oculto”, “o Inativo”. E de fato são de tal modo inertes, tão satisfeitos em sua condição, que não interferem em nenhuma reação química, não se combinam com nenhum outro elemento e justamente por esse motivo ficaram sem ser observados durante séculos: só em 1962 um químico, depois de longos e engenhosos esforços, conseguiu forçar “o Estrangeiro” (o xenônio) a combinar-se fugazmente com o flúor ávido e vivaz, e a façanha pareceu tão extraordinária que lhe foi conferido o Prêmio Nobel. Qual propriedade do flúor justifica sua escolha como reagente para o processo mencionado? A) Densidade. B) Condutância. C) Eletronegatividade. D) Estabilidade nuclear. E) Temperatura de ebulição. 3.(ENEM-2009) Os núcleos dos átomos são constituídos de prótons e nêutrons, sendo ambos os principais responsáveis pela sua massa. Nota-se que, na maioria dos núcleos, essas partículas não estão presentes na mesma proporção. O gráfico mostra a quantidade de nêutrons (N) em função da quantidade de prótons (Z) para os núcleos estáveis conhecidos. O antimônio é um elemento químico que possui 50 prótons e possui vários isótopos - átomos que só se diferem pelo número de nêutrons. De acordo com o gráfico, os isótopos estáveis do antimônio possuem A) entre 12 e 24 nêutrons a menos que o número de prótons. B) exatamente o mesmo número de prótons e nêutrons. C) entre 0 e 12 nêutrons a mais que o número de prótons. D) entre 12 e 24 nêutrons a mais que o número de prótons. E) entre 0 e 12 nêutrons a menos que o número de prótons. LIGAÇÕES QUÍMICAS REGRA DO OCTETO Como os gases nobres são estáveis por si só, possuindo 8 elétrons na sua 19 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 camada de valência (exceto o Hélio) e, não precisam se ligar a outros elementos, os cientistas Kossel, Lewis e Langmer, constataram que, todos os elementos buscam adquirir configuração eletrônica de um gás nobre, para então, alcançarem estabilidade química[3]. Ou seja, os demais elementos, realizam ligações químicas com outros átomos, onde, ganham, perdem ou compartilham elétrons, para completar suas camadas de valência com 8 elétrons, de forma que, todos os átomos envolvidos atinjam o octeto[3]. LIGAÇÃO IÔNICA A ligação iônica, ocorre quando há transferência de elétrons do átomo de um elemento químico, para o átomo de outro elemento[3]. Essa transferência, acontece quando, o átomo de um elemento químico com tendência de doar elétrons, eletropositivo, perde seus elétrons da camada de valência, para o átomo de um elemento químico com tendência de receber esses elétrons, eletronegativo. Ou seja, a ligação iônica ocorre quando, um metal doa seus elétrons e, um não- metal os recebe[3]. Como podemos visualizar no exemplo abaixo, onde há a ligação do Na com o Cl, formando o NaCl. Fonte: Autoria Própria. No momento em que o elétron mais externo é doado pelo Sódio (Na), o átomo fica com maior número de prótons, logo, maior carga positiva e, há a formação do íon positivo, nesse caso, +1, chamado de cátion[3]. Quando o elétron, é recebido pelo Cloro (Cl), o átomo ganha mais uma carga negativa e, ocorre a formação do íon negativo, nesse caso, -1, denominado ânion[3]. Essa formação de íons, segue para todos os elementos que realizam ligações químicas iônicas, onde, o átomo doador se torna íon positivo e, o átomo receptor se torna íon negativo[3]. Pelo fato de a ligação iônica ser a ligação mais forte de todas, necessita-se de maior energia para quebrá-la. Isso faz com que, compostos iônicos sejam sólidos à temperatura ambiente, devido à formação de redes cristalinas, assim como acontece com o cloreto de sódio (NaCl) [3]. LIGAÇÃO COVALENTE A ligação covalente, ocorre entre átomos de elementos químicos que possuem tendência de ganhar elétrons, ou seja, todos os envolvidos precisam receber elétrons para completar o octeto e, atingir estabilidade[3]. Mas, como ocorre uma ligação química, em que todos os átomos precisam receber elétrons? Bom, nesse caso, há o compartilhamento de elétrons, para que seja possível completar a camada de valência de ambos os átomos, ou seja, os elétrons da camada mais externa são 20 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 utilizados em todos os átomos envolvidos[3]. Como no caso da molécula de H2: Fonte: MARIA, A. 2019[15]. LIGAÇÃO DATIVA OU COORDENADA A ligação dativa, também diz respeito ao compartilhamento de elétrons entre dois átomos, porém, a diferença para a covalente é que, esses átomos são unidos por um par eletrônico, proveniente de apenas um dos átomos da ligação[6]. Essa ligação acontece somente, quando um dos átomos participantes, aquele que irá compartilhar seus elétrons, já está com o octeto completo. Como no caso da ligação dativa com Dióxido de Enxofre (SO2)[6] . Fonte: Autoria própria. Na representação acima, podemos observar que, o enxofre (S) realiza ligação covalente com o primeiro oxigênio (O), alcança seu octeto e, realiza uma ligação dativa com o segundo oxigênio, onde, apenas ele – enxofre - compartilha seu par de elétrons. Desse modo, para as ligações dativas, o compartilhamento do par de elétrons não precisa ser mútuo e, ainda assim, ambos ficam com 8 elétrons na camada de valência e devidamente estáveis[6]. LIGAÇÃO METÁLICA A ligação metálica não segue a regra do octeto. Acontece entre átomos metálicos, com o compartilhamento entre todos os átomos envolvidos[3]. Eles podem se mover livremente por todo o volume do sólido metálico, pelas chamadas bandas de condução, que na verdade, são orbitais atômicos vazios muito próximos, na qual, permitem a passagem dos elétrons[3]. Exemplos de ligas metálicas: Liga de aço, formada por átomos de ferro e carbono. Liga de bronze, formada por cobre e estanho. Liga de latão, formada por cobre e zinco. EXERCÍCIOS 1. (ENEM-2019) Por terem camada de valência completa, alta energia de ionização e afinidade eletrônica praticamente nula, considerou-se por muito tempo que os gases nobres não formariam compostos químicos. Porém, em 1962, foi realizada com sucesso a reação entre o xenônio (camada de valência 5s2 5p6) e o hexafluoreto de platina e, desde então, mais compostos novos de gases nobres vêm sendo sintetizados. Tais compostos demonstram que não se pode aceitar acriticamente a regra do octeto, na qual 21 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 se considera que, numa ligação química, os átomos tendem a adquirir estabilidade assumindo a configuração eletrônica de gás nobre. Dentre os compostos conhecidos, um dos mais estáveis é o difluoreto de xenônio, no qual dois átomos do halogênio flúor (camada de valência 2s2 2p5) se ligam covalentemente ao átomo de gás nobre para ficarem com oito elétrons de valência. Ao se escrever a fórmula de Lewis do composto de xenônio citado, quantos elétrons na camada de valência haverá no átomo do gás nobre? A) 6 B) 8 C) 10 D) 12 E) 14 2.(UEMG) As propriedades exibidas por um certo material podem ser explicadas pelo tipo de ligação química presente entre suas unidades formadoras. Em uma análise laboratorial, um químico identificou para um certo material as seguintes propriedades: Alta temperatura de fusão e ebulição Boa condutividade elétrica em solução aquosa Mau condutor de eletricidade no estado sólido A partir das propriedades exibidas por esse material, assinale a alternativa que indica o tipo de ligação predominante no mesmo: A) metálica B) covalente C) dipolo induzido D) iônica E) dativa 3.(FUVEST) As unidades constituintes dos sólidos: óxido de magnésio (MgO), iodo (I2) e platina (Pt) são, respectivamente: A) átomos, íons e moléculas; B) íons, átomos e moléculas; C) íons, moléculas e átomos D) moléculas, átomos e íons; E) moléculas, íons e átomos 4.(UNI-RIO) O dióxido de carbono (CO2) é um gás essencial no globo terrestre. Sem a presença desse gás, o globo seria gelado e vazio. Porém, quando ele é inalado em concentração superior a 10%, pode levar o indivíduo à morte por asfixia. Esse gás apresenta em sua molécula um número de ligações covalentes igual a: A) 4 B) 1 C) 2 D) 3 E) 0 GEOMETRIA MOLECULAR A geometria molecular, descreve como os núcleos dos átomos que constituem a molécula estão posicionados, uns em relação aos outros. Além de tudo, ela é fundamental para entender sobre a polaridade das moléculas[3]. As moléculas são ordenadas no espaço com uma organização específica, na qual, depende de alguns fatores, como[3]: http://www.uemg.br/ https://www.fuvest.br/ http://www.unirio.br/ 22 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Quantos átomos compõem a molécula. Quantidade de ligações formadas. Quantidade de elétrons não ligantes no átomo central, ou seja, quantidade de elétrons que não participam da(s) ligação(ões) e, acabam “sobrando” no átomo do meio. MODELO DA REPULSÃO DOS PARES ELETRÔNICOS DA CAMADA DE VALÊNCIA (VSEPR) Imagine que, nós enchemos dois balões. Então, os amarramos pelo bico e, soltamos sobre o chão. Em que disposição geométrica você imagina que eles irão cair? E se repetíssemos o mesmo experimento para três e quatro balões amarrados? [3]. Se você já realizou essa experiência, deve ter percebido que, mesmo com apenas dois balões, os mesmos, sempre se afastam o máximo possível um do outro, formando uma angulação ao caírem. Essa angulação formada para minimizar a repulsão acontece também nos pares de elétrons, originando geometrias nas moléculas e, para determinar tal geometria, o modelo VSEPR propõe uma sequência de passos, que por sinal, levam em conta as ideias que acabamos de discutir[3]. 1º Passo Escreva a fórmula eletrônica da substância e conte os polos de repulsão no átomo central. Ou seja, após escrever a fórmula, é necessário somar a quantidade de ligações sigma presentes, com a quantidade de pares de elétrons não participantes da ligação, contidas no elemento central[3]. Ligação σ + par eletróns não ligantes = polo de repulsão 2º Passo Após saber a somatória entre as ligações sigma e pares não-ligantes, escolha a disposição geométrica e distribua os polos de repulsão, da melhor forma. Seguindo a tabela abaixo[3]: Fonte: Autoria própria. 3º Passo Depois que já conhecemos a quantidade de polos de repulsão envolvidos e, já sabemos qual disposição geométrica escolher. Devemos discutir um pouco mais, sobre algumas considerações, acerca da quantidade de átomos envolvidos na molécula, para então, determinar a geometria exata[3]. Para 2 polos de repulsão: Moléculas contendo 2 átomos: toda molécula biatômica, ou seja, com apenas dois átomos, tem o seguimento de reta. Portanto, geometria linear[3]. Moléculas contendo 3 átomos: no caso de moléculas com três átomos, o seguimento só continuará sendo de reta, caso o elemento central não tenha nenhum par de elétron não-ligante, ou seja, nenhum par de elétron “sobrando” [3]. 23 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Para 3 polos de repulsão: No caso de 3 polos de repulsão, em que formamos um triângulo equilátero, esse triângulo pode designar duas diferentes geometrias, dependendo do número de átomos[3]. Moléculas contendo 3 átomos: para moléculas que contém três átomos e, três polos de repulsão, isso significa que, um polo corresponde à um par de elétrons não-ligantes, portanto, esse par, apesar de fazer parte do formato de triângulo equilátero, ele não integra a geometria da molécula. Então, quando temos 3 polos de repulsão e 3 átomos presentes na molécula, nós determinamos a geometria como, angular[3]. Moléculas contendo 4 átomos: para as moléculas com 3 polos de repulsão, porém agora, já não mais com 3 átomos e sim com 4, nós determinamos a geometria como trigonal plana[3]. Para 4 polos de repulsão: No caso de 4 polos de repulsão, em que formamos um tetraedro, esse formato pode designar três diferentes geometrias, dependendo do número de átomos[3]. Moléculas contendo 3 átomos: para moléculas com três átomos e quatro polos de repulsão, nós designamos a geometria angular[3]. Moléculas contendo 4 átomos: determinamos a geometria piramidal[3]. Moléculas contendo 5 átomos: denominamos a geometria tetraédrica[3]. Para 5 polos de repulsão: Moléculas contendo 3 átomos: geometria linear[3]. Moléculas contendo 4 átomos: geometria T[3]. Moléculas contendo 5 átomos: geometria gangorra[3]. Moléculas contendo 6 átomos: geometria bipirâmide trigonal[3]. Para 6 polos de repulsão: Moléculas contendo 5 átomos: geometria quadrado planar[3]. Moléculas contendo 6 átomos: geometria pirâmide de base quadrada[3]. Moléculas contendo 7 átomos: geometria octaédrica[3]. EXEMPLO 1 Determine a geometria molecular do BF3 e, seu respectivo ângulo de ligação. Solução: Para a resolução do problema, precisamos seguir os três passos, prescritos pelo modelo de VSEPR. 1° passo. Vamos escrever a estrutura eletrônica da molécula em questão, BF3. Não vamos nos preocupar, se ela realmente estará correta, estamos priorizando apenas, a quantidade de elétrons na camada de valência. 24 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria. Após desenharmos as estruturas de Lewis, vamos agora, determinar a quantidade de polos de repulsão. Fonte: Autoria própria. 𝐿𝑖𝑔𝑎çã𝑜 𝜎 + 𝑝𝑎𝑟 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟ó𝑛𝑠 𝑛ã𝑜 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝑝𝑜𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜 Como o composto possui três ligações sigma e, nenhum par de elétrons não-ligantes, ou seja 3+0, então serão 3 polos de repulsão. 2° passo. Como já conhecemos a quantidade de polos de repulsão, três, agora já sabemos identificar qual a melhor disposição geométrica para o BF3. Seguindo a tabela apresentada, quando possuímos três polos de repulsão, a melhor disposição é triangular. 3° passo. Com base na disposição geométrica, triangular, contamos então, a quantidade de átomos presentes na molécula, para obter sua real geometria. No caso do BF3, sabemos que há 4 átomos, logo, sua geometria molecular é designada de trigonal plana. Agora que você conhece o real formato da molécula, trigonal plana, vamos reescrever sua estrutura de modo correto, com angulação de 120°. Fonte: Autoria própria. EXEMPLO 2 Determine a geometria molecular do PCl5 Solução: 1° passo. Vamos escrever a estrutura eletrônica da molécula em questão, PCl5. Não vamos nos preocupar, se ela realmente estará correta, estamos priorizando apenas, a quantidade de elétrons na camada de valência. Fonte: Autoria própria. Após desenharmos as estruturas de Lewis, vamos agora, determinar a quantidade de polos de repulsão: 25 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria. Como o composto possui cinco ligações sigma e, nenhum par de elétrons não-ligantes, então serão 5 polos de repulsão, pois 5+0=5. 2° passo. Como já conhecemos a quantidade de polos de repulsão, cinco, agora já sabemos identificar qual a melhor disposição geométrica para o PCl5. Seguindo a nova tabela apresentada, quando possuímos cinco polos de repulsão, a melhor disposição é bipirâmide de base triangular. 3° passo. Com base na disposição geométrica, bipirâmide de base triangular, contamos então, a quantidade de átomos presentes na molécula, para obter sua real geometria. No caso do PCl5, sabemos que há 6 átomos (5 átomos de Cloro + 1 átomo de Fósforo), logo, sua geometria molecular é designada de bipirâmide trigonal. Agora que você conhece o real formato da molécula, bipirâmide trigonal, vamos reescrever sua estrutura, mas agora de modo correto: Representação da molécula PCl5 em estrutura de linhas Fonte: Autoria própria. . EXERCÍCIOS 1.(UFSM) Observe as duas colunas a seguir 1- NH3 2- H2O 3- O2 4- CO2 (a) geometria linear (b) geometria angular (c) geometria piramidal A alternativa que relaciona, corretamente, a primeira coluna com a segunda. A) 1b-2a-3c-4a. B) 1a-2c-3a-4b C) 1b-2a-3b-4c D) 1a-2b-3b-4c E) 1c-2b-3a-4a 2.(UEM-PR) Considerando a molécula de amônia (NH3), assinale a alternativa correta. A) A geometria molecular corresponde a um tetraedro regular. 26 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 B) O átomo de nitrogênio e dois átomos de hidrogênio ocupam os vértices de um triângulo equilátero. C) O centro da pirâmide formada pelos átomos de nitrogênio e pelos átomos de hidrogênio é ocupado pelo par de elétrons livres. D) Os átomos de hidrogênio ocupam os vértices de um triângulo equilátero. E) As arestas da pirâmide formada pelos átomos de nitrogênio e pelos átomos de hidrogênio correspondem a ligações iônicas. 3.(UFES) A molécula do OF2 é polar e a molécula do BeF2 é apolar. Isto se deve à (ao): A) diferença de eletronegatividade entre os átomos nas respectivas moléculas. B) geometria molecular. C) tamanho dos átomos ligados ao flúor. D) grande reatividade do oxigênio em relação ao flúor. E) fato de o oxigênio e o flúor serem gases. POLARIDADE POLARIDADE DAS LIGAÇÕES Em uma ligação química, há pelo menos dois elétrons envolvidos, correto? Bom, já vou logo respondendo que sim!! Então, relaciona-se a palavra polaridade com a formação de polos na molécula. Indicando que um polo será positivo e o outro negativo[3]. Quando pelo menos dois átomos se ligam, formando uma molécula na ligação covalente, existe entre eles uma certa “disputa” pelos elétrons. Quando um dos átomos é mais eletronegativo que o outro, ele conseguirá manter os elétrons mais próximos de si por mais tempo[3]. Assim, podemos dizer que, o lado da molécula que possui o átomo mais eletronegativo, forma polo negativo e, o lado que possui o átomo menos eletronegativo fica com polo positivo. E assim, se formam os polos da ligação[3]. Quando os dois átomos têm a mesma eletronegatividade, ou seja, uma molécula composta pelo mesmo elemento químico, nenhum deles é capaz de garantir a presença dos elétrons por mais tempo do que o outro. Dessa forma, nenhum dos dois lados ficará mais positivo ou negativo em comparação ao outro, consequentemente, não haverá a formação de polos na ligação e ela será uma ligação APOLAR[3]. Então, se liga no super macete que eu vou ensinar, para você nunca mais esquecer a ordem de crescimento da eletronegatividade!!!!! FONCLBRISC-PH Flúor > Oxigênio > Nitrogênio > Cloro > Bromo > Iodo > Enxofre > Carbono > Fósforo > Hidrogênio. Dessa forma, o flúor é o elemento mais eletronegativo e o hidrogênio, menos eletronegativo. Já para ligações em quem há a transferência de elétrons, sempre encontramos um elemento mais eletronegativo do que o outro, porque só assim, é possível que um doe e o outra receba. Logo, sempre haverá um átomo que atrai mais os elétrons, formando 27 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 polo negativo e, outro átomo que fica mais afastado dos elétrons e, consequentemente, polo positivo[3]. Assim, podemos concluir que, toda ligação iônica é polar[3]. POLARIDADE DAS MOLÉCULAS O átomo mais eletronegativo atrai os elétrons, formando uma carga parcial negativa (δ − ), enquanto automaticamente, é formada uma carga parcial positiva (δ + ) no átomo menos eletronegativo. A resultante da soma dos vetores positivos e negativos é chamada de momento de dipolo, representada por µ[3]. Após analisarmos os vetores e, identificarmos quem são os positivos e os negativos, somamos os mesmos e concluímos se há influência da eletronegatividade sobre a molécula[3]. Assim, quando: µ.= 0, molécula APOLAR. µ.≠0, molécula POLAR. EXEMPLO 1 Polaridade da Molécula H2O Fonte: Autoria própria. O vetor possui a direção do elemento menos eletronegativo para o mais eletronegativo. Fonte: Autoria própria. Como esses vetores não se anulam, há a formação de um vetor momento de dipolo com a resultante diferente de zero, identificando a presença de POLOS na molécula. Molécula polar. Fonte: Autoria própria. EXEMPLO 2 Polaridade da Molécula CH4 Fonte: Autoria própria Analisando os vetores de acordo com o sentido de crescimento de eletronegatividade: 28 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria A molécula de CH4 será APOLAR, pois, o vetor 1 se anula com o vetor 2, assim como, o vetor 3 com o 4, resultando em µ= 0. EXERCÍCIOS 1.(FESP) As ligações químicas existentes na formação das substâncias KCl, HCl e Cl2, são respectivamente: (Números atômicos: H = 1; Cl = 17; K = 19) A) covalente polar, iônica e covalente apolar. B) covalente polar, covalente apolar e iônica. C) covalente apolar, covalente polar e iônica. D) iônica, covalente apolar e covalente polar E) iônica, covalente polar e covalente apolar. 2.(Mackenzie) O aumento de diferença de eletronegatividade entre os elementos ocasiona a seguinte ordem no caráter das ligações: A) covalente polar, covalente apolar, iônica. B) iônica, covalente polar, covalente apolar. C) covalente apolar, iônica, covalente polar. D) covalente apolar, covalente polar, iônica. E) iônica, covalente apolar, covalente polar. 3.(UFTM) Os gases amônia, dióxido de carbono e trióxido de enxofre são insumos importantes na indústria química. Em relação à polaridade de suas moléculas, é correto afirmar que NH3, CO2 e SO3 são, respectivamente, A) polar, polar e apolar. B) polar, apolar e polar. C) polar, apolar e apolar. D) apolar, polar e apolar. E) apolar, apolar e polar. 4.(ESPCEX) O carvão e os derivados do petróleo são utilizados como combustíveis para gerar energia para maquinários industriais. A queima desses combustíveis libera grande quantidade de gás carbônico como produto. Em relação ao gás carbônico, são feitas as seguintes afirmações. I. É um composto covalente de geometria molecular linear. II. Apresenta geometria molecular angular e ligações triplas, por possuir um átomo de oxigênio ligado a um carbono. III. É um composto apolar. Das afirmativas apresentadas está(ão) correta(s): A) Apenas I. B) Apenas I e II. C) Apenas I e III. D) Apenas II e III. E) Todas. HIBRIDIZAÇÃO COMO E POR QUE OCORRE A HIBRIDIZAÇÃO? 29 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Vamos começar a explicar “como e porque” a hibridização ocorre, pensando no elemento Berílio (Be), como exemplo. O Berílio, é o primeiro elemento químico do grupo 2, na tabela periódica. Pela sua localização, é considerado um elemento eletropositivo, ou seja, possui forte tendência de doar seus elétrons em uma ligação química. Mas, se observarmos as demais características do Be, como, a sua posição no período 2 e, o tamanho de seu raio atômico, conseguimos ver que, além de eletropositivo, o Be é um elemento muito pequeno[7]. Em casos como esse, dificilmente o elemento irá conseguir doar seus elétrons, devido à grande atração que a carga do núcleo exerce sobre eles[7]. Portanto, os elementos em situações parecidas com a do Berílio, precisarão reorganizar seus orbitais, de alguma forma que, permita a realização de ligações de compartilhamento (ligação covalente) ao invés da transferência de elétrons (ligação iônica) [7]. Então, a partir disso, a reorganização dos orbitais, tem o intuito de desemparelhar os elétrons e, por conseguinte, permitir a ligação[7]. EXEMPLO 1 Hibridização do Berílio 4Be 1s22s2 Fonte: Autoria própria. Ao olharmos para o Berílio, sabemos que o número atômico dele é 4, então, a distribuição eletrônica dele, é dada por; 1s22s2, como mostrado acima. Sendo a camada de valência (CV), ou seja, a camada mais externa, 2s2, onde irão ocorrer as ligações[7]. Como o Be tem 2 elétrons na CV e, seu orbital de valência é o s, nós representamos o seu preenchimento na imagem acima, a partir disso, podemos observar, que não há elétrons desemparelhados, para que seja possível, ligação covalente[7]. Então, o nosso querido berílio, será obrigado a desemparelhar esses elétrons, através de hibridização[7]. Nós sabemos que, o próximo subnível disponível na distribuição, é o p. Então, um elétron do subnível s, passa para o próximo orbital disponível, fazendo com que ocorra, a junção entre os orbitais s e p. Originando assim, o orbital híbrido sp[7]. Conforme a representação abaixo. Fonte: Autoria própria DETERMINAÇÃO DA HIBRIDIZAÇÃO DE UM ELEMENTO QUÍMICO Para entender como funciona essa regra super prática, nós vamos utilizar o conceito sobre polos de repulsão, no 30 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 qual, aprendemos no conteúdo de geometria molecular[3][7]. Então, para relembrar: 𝐿𝑖𝑔𝑎çã𝑜 𝜎 + 𝑝𝑎𝑟 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟ó𝑛𝑠 𝑛ã𝑜 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝑝𝑜𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜 Obtendo os valores dos polos de repulsão, podemos determinar a hibridização, igualando a quantidade de orbitais com o número de polos. Seguindo o esquema abaixo[7]. Fonte: Autoria própria EXEMPLO 2 2 ligações sigma = 2 polos de repulsão Hibridização do elemento Be: sp (como visto anteriormente). EXEMPLO 3 2 Polos de repulsão Hibridização do elemento N: sp. EXEMPLO 4 4 Polos de repulsão Hibridização do elemento C: sp3 FORÇAS INTERMOLECULARES Neste capítulo, aprenderemos sobre as forças intermoleculares, exercidas para manterem as moléculas unidas. Fonte: Autoria própria PONTE DE HIDROGÊNIO A ligação ou ponte de hidrogênio, ocorre em moléculas polares, que possuem o hidrogênio (H), ligado diretamente à flúor (f), oxigênio (O) e nitrogênio (N)[3]. Devido à ligação ser feita entre esses elementos eletronegativos e o hidrogênio, há grande diferença de eletronegatividade, ocasionando assim, grande polarização na ligação. Isso quer dizer que, a ligação de hidrogênio se 31 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 torna a maior força intermolecular dentre as classificações[3]. EXEMPLO 1 Ligação de Hidrogênio entre as moléculas de água (H2O). Fonte: Autoria própria DIPOLO-DIPOLO A força intermolecular dipolo- dipolo, assim como a ponte de hidrogênio, ocorre apenas entre moléculas polares. Entretanto, diferentemente da anterior onde temos hidrogênio (H) ligado a F O N, agora, ocorre quando temos qualquer outra molécula polar ligada com polar[3]. EXEMPLO 2 Fonte: Autoria própria FORÇAS DE LONDON As forças de London, também conhecidas como dipolo induzido, é o único tipo de atração entre moléculas apolares[3]. Nessas moléculas, os elétrons estão distribuídos uniformemente e, não há formação de dipolo elétrico. Porém, quando as mesmas se aproximam, pode ocorrer deformações devido as atrações e repulsões ocorridas entre os elétrons e os núcleos dos átomos envolvidos[3]. Essas deformações ocasionadas, são temporárias, durando pequenas frações de segundos. Contudo, esse tempo é suficiente para formar regiões com maior quantidade de elétrons e, consequentemente, dipolos momentâneos. Assim, podemos dizer que, por alguns instantes, a molécula mesmo que apolar, contém polo positivo e negativo[3]. Ao se aproximar de outras moléculas, esse dipolo momentâneo, induz a molécula vizinha a se polarizar também, para assim, surgirem forças atrativas entre elas. Essas forças de atração entre as duas, é o que chamamos de forças de dipolo induzido ou forças de London[3]. EXEMPLO 3 Fonte: Autoria própria. EXERCÍCIOS 1.(ITA-SP) Sobre a temperatura de ebulição de um líquido, são feitas as seguintes afirmações: I. Aumenta com o aumento da força da ligação química intramolecular. II. Aumenta com o aumento da força da ligação química intermolecular. 32 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 III. Aumenta com o aumento da pressão exercida sobre o líquido. IV. Aumenta com o aumento da quantidade de sólido dissolvido. Estão corretas: A) Apenas I e II. B) Apenas I e IV. C) Apenas III e IV. D) Apenas II, III e IV. E) Todas. 2.(ENEM-2011) A pele humana, quando está bem hidratada, adquire boa elasticidade e aspecto macio e suave. Em contrapartida, quando está ressecada, perde sua elasticidade e se apresenta opaca e áspera. Para evitar o ressecamento da pele é necessário, sempre que possível, utilizar hidratantes umectantes, feitos geralmente à base de glicerina e polietilenoglicol: Glicerina Polietilenoglicol A retenção de água na superfície da pele promovida pelos hidratantes é consequência da interação dos grupos hidroxila dos agentes umectantes com a umidade contida no ambiente por meio de A) Ligações iônicas. B) Forças de London. C) Ligações covalentes. D) Forças dipolo-dipolo. E) Ligações de hidrogênio. 3.(UFRN) Na molécula de propeno, qualquer um dos carbonos com hibridização sp2 apresenta: A) 1 ligação sigma e 3 ligações pi. B) 4 ligações sigma e 2 pi. C) 2 ligações sigma e 2 pi. D) 3 ligações sigma e 1 ligação pi. E) 3 ligações sigma e 1 par de elétrons não-ligantes. 4.(FGV-SP Adaptada) O conhecimento das estruturas das moléculas é um assunto bastante relevante, já que as formas das moléculas determinam propriedades das substâncias como odor, sabor, coloração e solubilidade. Quanto às forças intermoleculares, a molécula que forma ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio) com a água é: A) H2S. B) CH4. C) NH3. D) PH3. E) CO2. MATÉRIA ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA A matéria, é tudo aquilo que ocupa lugar no espaço, sendo ela, constituída de átomos e partículas subatômicas. Ou seja, a matéria, é basicamente tudo o nós vemos e conhecemos[8]. Agora sim, vamos chamar o nosso famosinho trio, para nos ajudar a compreender. 33 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Sólido: as moléculas encontram- se muito próximas umas das outras, com baixa energia cinética (energia de movimento) [8]. Líquido: as moléculas apresentam-se dispersas e menos agregadas, a energia cinética presente, é intermediaria, porém, maior do que no estado sólido[8]. Gasoso: nesse estado físico, as moléculas estão completamente aleatórias e separadas, devido ao alto grau de agitação entre elas, assim, a energia cinética presente, é beem mais alta[8]. Fonte: ABECEDÁRIO DA EDUCAÇÃO, 2019 [16]. MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO As mudanças de estado físico, recebem nomes conforme mostra o esquema abaixo. Fonte: TRISTÃO, I. 2020[17]. A mudança de sólido para líquido, nós chamamos de fusão e, de líquido para gasoso, denominamos vaporização[8]. Mas, como podemos ver na figura acima, também rola um esquema de mudança ao contrário. De gasoso para líquido, ocorre a condensação ou também conhecida como liquefação e, de líquido para sólido, a solidificação[8]. E olha só que interessante! Também é possível acontecer a mudança de sólido para gasoso direto e, vice-versa, sem passar pelo estado líquido. Que é nada mais nada menos, do que chamamos de sublimação[8]. Abaixo segue o link de um experimento sobre sublimação: https://www.youtube.com/watch?v=bC Ink79- 6tg&ab_channel=Eug%C3%A9niaTemt em TIPOS DE VAPORIZAÇÃO No caso da vaporização ela pode se dividir em três categorias: Evaporação: acontece em temperatura ambiente, de forma bem lenta e, predominantemente na superfície do líquido[8]. Um exemplo de evaporação, é quando colocamos roupas molhadas para secar no varal e, depois de um tempo, elas aparecem magicamente secas!!! Pera aí, magicamente não né! Simplesmente, todo o líquido que estava na superfície da roupa, mudou de estado líquido para gasoso e, foi-se embora 😉. https://www.youtube.com/watch?v=bCInk79-6tg&ab_channel=Eug%C3%A9niaTemtem https://www.youtube.com/watch?v=bCInk79-6tg&ab_channel=Eug%C3%A9niaTemtem https://www.youtube.com/watch?v=bCInk79-6tg&ab_channel=Eug%C3%A9niaTemtem https://www.youtube.com/watch?v=bCInk79-6tg&ab_channel=Eug%C3%A9niaTemtem 34 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Ebulição: ocorre somente, em determinadas temperaturas, especificas para cada substância pura e, pode variar de acordo com a pressão da atmosfera[8]. O melhor exemplo de ponto de ebulição, é quando fervemos um bule com água, pois, quando atingida a temperatura de 100ºC, a água passa de estado líquido para gasoso. Calefação: a calefação, é a mudança súbita para o estado gasoso. Acontece quando um líquido se aproxima de uma superfície muito quente[8]. Sabe quando não deu tempo de secar a roupa no varal, lá da parte da evaporação??! Ai o que você faz? Uma calefação, é claro! Usa um ferro de passar bem quente para obrigar a blusinha a ficar seca. SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS Substâncias são materiais que possuem todas as propriedades bem definidas e praticamente constantes, quando submetidas nas mesmas condições de temperatura e pressão[3]. Dentre essas propriedades, estão o ponto de fusão, ebulição, densidade, cor, odor, dentre outras[3]. Um fato interessante que podemos destacar, é que, duas substâncias diferentes podem, eventualmente, possuir algumas propriedades iguais, mas, nunca todas elas[3]. SUBSTÂNCIAS PURAS E AS MISTURAS As substâncias podem ser divididas em dois tipos, as puras e misturas. Substâncias puras simples: São substâncias formadas por apenas um elemento químico, com moléculas que podem ser monoatômicas, diatômicas e tri atômicas[3]. Exemplos: He, O2, O3. Substâncias puras compostas: São substâncias ainda puras, porém, formadas por mais de um elemento químico[3]. Exemplos: HCl, H2O, NaCl. Misturas: As misturas, são formadas pela junção de diferentes substâncias, sejam elas simples ou compostas. Passando a ser classificadas como homogêneas, heterogêneas, eutéticas e azeotrópicas[3]. Exemplos: Enxofre + Ferro Água + Açúcar Água + Óleo CLASSIFICAÇÕES DE MISTURAS Como vimos anteriormente, as misturas podem ser classificadas em quatro tipos, nas quais, aprenderemos nesse tópico. Misturas homogêneas: são misturas que possuem as mesmas propriedades em todos os seus pontos, de mesmo modo, uma única fase visível aos nossos olhos[3]. 35 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: NAHRA, S. 2019[20]. Misturas heterogêneas: são misturas que não possuem as mesmas propriedades em toda sua extensão e, aos nossos olhos, nós conseguimos observar a presença de duas ou mais fases[3]. Fonte: NAHRA, S. 2019[20]. Misturas eutéticas: são misturas que se comportam como se fossem substâncias puras no processo de fusão, isto é, a temperatura se mantém inalterada do início ao fim no ponto de fusão (PF) (PF = constante) [3]. ligas metálicas em geral Exemplos: A solda é uma mistura eutética de estanho e chumbo O bronze é uma mistura de cobre com estanho. Misturas azeotrópicas: são misturas que se comportam como se fossem substâncias puras em relação à ebulição, ou seja, Ponto de Ebulição = constante[3]. Exemplos: Água + Álcool etílico Acetona + metanol ALOTROPIA As variedades alotrópicas podem resultar de duas situações. Uma delas se refere à quantidade de átomos presentes nas moléculas, a outra, do arranjo da sua estrutura, ou seja, na forma como os átomos se dispõem geometricamente[3]. Oxigênio: 2 formas alotrópicas Gás oxigênio (O2): mais estável, incolor, inodoro[3]. Gás ozônio (O3): azulado, odor desagradável[3]. Carbono: 3 formas alotrópicas Grafite (Cn): mais estável, formado por hexágonos, geometria trigonal[3]. Diamante (Cn): mais resistente, geometria tetraédrica[3]. Fulereno (C60 ou C70) [3]. Enxofre: mais de 30 formas alotrópicas, porém 2 principais, ambas diferencias pelo arranjo da geometria[3]. Rômbico (S8): estável [3]. Monoclínico (S8) [3]. Fósforo: 3 formas alotrópicas Vermelho (Pn): mais estável, amorfo[3]. 36 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Branco (P4): cristalino, mais reativo[3]. Negro: obtido por meio do aquecimento do fósforo branco[3]. SEPARAÇÃO DE MISTURAS FUNÇÕES DA SEPARAÇÃO DE MISTURAS Alguns exemplos do cotidiano, em que, a separação de misturas é utilizada e, muitas vezes necessária. Tratamento de esgotos e tratamento de água; Obtenção do sal de cozinha (NaCl); Reciclagem do lixo; Destilação da cachaça; Exame de sangue; Preparo de chás e café. E com tantas funções e composições diferentes a serem separadas, é claro que existem vários métodos diferentes e específicos para cada tipo de separação. SEPARAÇÃO DE MISTURAS HETEROGÊNEAS I. CATAÇÃO (S+S // S+L) Esse é um processo considerado grosseiro e manual. É baseado na separação de misturas que apresentam diferentes tamanhos no meio[3]. Um bom exemplo aplicado ao nosso dia a dia, é a separação de resíduos, essencial para a efetuação da reciclagem e, ajudar a cuidar do planeta ❤. II. PENEIRAÇÃO/TAMISAÇ ÃO (S+S) Esse tipo de processo recebe esse nome, porque, utiliza-se a peneira (ou tamis) para separar os componentes da mistura. Em uma mistura de dois compostos sólidos, onde um deles tem uma granulometria maior, utiliza-se a tamisação para separar os dois compostos. Como é o caso da mistura entre areia e brita[3]. Coloca-se a mistura na tamis (peneira) e o composto de maior tamanho, a brita, nesse caso, é mantida na peneira, enquanto o composto menor, a areia, passa pelos furos e é mantida separada da mistura inicial[3]. III. VENTILAÇÃO (S+S) A ventilação se baseia no método de arraste por corrente de ar. Quando o fluxo de ar é aplicado, é possível separar grãos de quaisquer impurezas que estejam misturadas com eles, como no caso da palha e o grão de arroz[3]. IV. LEVIGAÇÃO (S+S) A levigação, se baseia no mesmo princípio que a ventilação, só que ao invés do arraste por corrente de ar, nós temos agora, o fluxo de água como separador da mistura[3]. Por meio da corrente de água, sólidos de baixa densidade são arrastados, enquanto os mais densos não sofrem ação da corrente e, permanecem no recipiente[3]. V. SEPARAÇÃO MAGNÉTICA (S+S) 37 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Esse tipo de processo, é usado para separar misturas contendo substâncias magnéticas das demais (não- magnéticas) [3]. Coloca-se um ímã próximo a mistura e assim, as substâncias magnéticas são atraídas, separando-se das restantes. Esse tipo de separação é muito utilizado na indústria e em ferros- velhos[3]. VI. FLOTAÇÃO (S+S) Esse processo é baseado na diferença de densidade dos compostos de uma mistura. Em uma mistura com dois compostos diferentes, pode-se separar um do outro colocando-os em um recipiente com líquido. O mais denso irá para o fundo e, o menos denso, irá flutuar na superfície do líquido[3]. Um exemplo bem simples dessa técnica, é imaginar uma mistura de areia e serragem. A areia que é a mais densa, ficará no fundo, e a serragem, menos densa, ficará flutuando na superfície. Como visto na imagem abaixo. Fonte: NAHRA, S. 2019[19]. VII. DISSOLUÇÃO FRACIONADA (S+S) Esse tipo de separação, leva em consideração as diferenças de solubilidade e polaridade, dos compostos da mistura. Funcionando da seguinte forma: Um solvente específico que tenha afinidade com apenas um dos componentes da mistura, é adicionado ao meio. O componente que obtiver a afinidade para a dissolução, irá se dissolver, enquanto o outro permanecerá sem dissolução. Dessa forma o sólido A estará separado do sólido B[3]. VIII. DECANTAÇÃO (S+L // L+L) Esse processo se baseia na diferença de densidade entre os componentes da mistura. No caso de uma mistura S+L, a mistura é deixada em repouso no recipiente. Após determinado tempo, pela diferença de densidade, o sólido se deposita no fundo e a partir disso, é possível então, inclinar o recipiente para retirar o líquido e separá-lo do sólido[3]. Já para os casos de misturas líquido-líquido (L+L), o recipiente também fica em repouso e, após algum tempo, de mesmo modo, pela diferença de densidade, o componente mais denso ficará na parte de baixo, e o menos denso na parte superior[3]. IX. FILTRAÇÃO (S+L // S+G) Esse método de separação é um dos mais utilizados por nós, no nosso dia a dia. É usado para separar misturas heterogêneas sólido+líquido e sólido+gás, baseando-se na passagem 38 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 da mistura por um filtro. Onde, o componente que tiver uma granulometria maior ficará retido no filtro e, aquele com menor granulometria passará pelos poros do filtro[3]. X. CENTRIFUGAÇÃO (S+L // L+L) Esse processo, é na verdade, um método de decantação acelerado. É usado para substâncias que tenham diferentes densidades, mas que não sejam tão grosseiras ao ponto de serem separadas por uma decantação simples[3]. SEPARAÇÃO DE MISTURAS HOMOGÊNEAS I. DESTILAÇÃO SIMPLES (S+L) O método de destilação simples, se baseia na propriedade física da ebulição das substâncias[3]. A mistura é aquecida e, o componente de menor ponto de ebulição vai passar do estado líquido para o estado gasoso primeiro[3]. Esse método é muito usado para separar, por exemplo, uma mistura de água e sal. Para separar a mistura, utiliza um balão de fundo redondo acoplado a um condensador; com o aquecimento da mistura, o componente com menor ponto de ebulição, no caso desse exemplo é a água, entra em ebulição e passa para o condensador, onde é resfriada e volta a ser líquido, para a captura de um recipiente[3]. Como mostrado no esquema abaixo. Fonte: OSHIO, R.2020[18]. II. DESTILAÇÃO FRACIONADA (L+L) Esse processo, é baseado no mesmo princípio da destilação simples, os componentes são separados pelo ponto de ebulição. A diferença em comparação com o processo anterior, é que, na destilação fracionada, é usado uma coluna de fracionamento, que vai deixar apenas o componente com menor ponto de ebulição passar para o condensador[3]. Fonte: QUEVEDO, R. No prelo[21]. III. EVAPORAÇÃO (S+L) Esse método é baseado no mesmo princípio que a destilação. Os componentes são separados pelos seus diferentes pontos de ebulição. A diferença é que a destilação é feita em 39 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 um ambiente fechado e o vapor é condensado para retornar a líquido e ser capturado. Já no processo de evaporação, o processo é feito em ambiente aberto e, o líquido é evaporado por completo, restando somente o componente sólido da mistura[3]. IV. LIQUEFAÇÃO (G+G) Esse processo de separação se baseia na passagem do estado gasoso para o estado líquido. É usada para separar misturas entre gases[3]. A temperatura ou a pressão da mistura é diminuída e, a substância com maior ponto de ebulição (ou seja, a que entrou em ebulição por último), é a que irá se converter primeiro do estado gasoso para o estado líquido[3]. EXERCÍCIOS 1. (ENEM PPL-2016) Em Bangladesh, mais da metade dos poços artesianos cuja água serve à população local está contaminada com arsênio proveniente de minerais naturais e de pesticidas. O arsênio apresenta efeitos tóxicos cumulativos. A ONU desenvolveu um kit para tratamento dessa água a fim de torná-la segura para o consumo humano. O princípio desse kit é a remoção do arsênio por meio de uma reação de precipitação com sais de ferro que origina um sólido volumoso de textura gelatinosa. Com o uso desse kit, a população local pode remover o elemento tóxico por meio de A) fervura. B) filtração. C) destilação. D) calcinação. E) evaporação. 2. (ENEM-2013) Entre as substâncias usadas para o tratamento de água está o sulfato de alumínio que, em meio alcalino, forma partículas em suspensão na água, às quais as impurezas presentes no meio se aderem. O método de separação comumente usado para retirar o sulfato de alumínio com as impurezas aderidas é a: A) Flotação B) Levigação C) Ventilação D) Tamisação E) Centrifugação 3.(ENEM-2016) Uma pessoa é responsável pela manutenção de uma sauna úmida. Todos os dias cumpre o mesmo ritual: colhe folhas de capim- cidreira e algumas folhas de eucalipto. Em seguida, coloca as folhas na saída do vapor da sauna, aromatizando-a, conforme representado na figura. Qual processo de separação é responsável pela aromatização promovida? A) Filtração simples B) Destilação simples C) Extração por arraste. 40 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 D) Sublimação fracionada. E) Decantação sólido-líquido. 4.(UFRJ) Com a adição de uma solução aquosa de açúcar a uma mistura contendo querosene e areia, são vistas claramente três fases. Para separar cada componente da mistura final, a melhor sequência é: A) filtração, decantação e destilação. B) cristalização, decantação e destilação. C) filtração, cristalização e destilação. D) centrifugação, filtração e decantação. E) destilação, filtração e decantação. ESTEQUIOMETRIA A estequiometria é o assunto dentro da química geral, responsável pelo cálculo das quantidades de substâncias reagentes e produtos encontrados em uma reação química. Assim, é possível quantificar a proporção correta de reagentes que devem ser utilizados para formar determinada quantidade de produto[3]. Para entender os cálculos estequiométricos, inicialmente, é necessário conhecer as Leis Ponderais que relacionam as massas dos elementos químicos dentro das reações[3]. LEIS PONDERAIS I. LEI DE LAVOISIER Também conhecida como “Lei de Conservação das Massas”. Baseia-se no princípio: "A soma das massas das substâncias reagentes em um recipiente fechado é igual à soma das massas dos produtos da reação"[3]. II. LEI DE PROUST Chamada de “Lei das Proporções Constantes”. Ela baseia-se em “Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa” [3]. III. LEI DE AVOGADRO A Lei de Avogadro, também conhecida como Constante de Avogadro (NA ou L). Ela indica que "volumes iguais de dois gases quaisquer nas mesmas condições de pressão e temperatura contêm o mesmo número de mols de moléculas de gás". Isto é, 1 mol contém 6,022.1023 entidades[3]. Isso significa que, 1 mol de átomos contém 6,022.1023 átomos, 1 mol de moléculas contém 6,022.1023 moléculas, e assim por diante[3]. PASSO A PASSO PARA OS CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS 1º Passo Escrever a reação química ocorrente 2º Passo Fazer o balanceamento da reação, ajustando os coeficientes e respeitando as Leis Ponderais, isto é, mantendo a mesma quantidade de átomos nos reagentes e produtos. 3º Passo Estabeleça a relação existente entre os números de mols. https://ufrj.br/ http://geekiegames.geekie.com.br/signup?redirectPath=%2FagpzfmdlZWtpZWlkchkLEgxPcmdhbml6YXRpb24YooCE_qbe4REM%2Fcontent-group%2Fall%2Flearning_object%2F5531087c27c49a002103842a&utm_source=blog&utm_medium=post&utm_campaign=resumo-estequiometria-equacoes-quimicas 41 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 4º Passo Transforme a quantidade de mols dada utilizando a Constante de Avogadro. 5º Passo Faça uma regra de três para calcular os valores que são pedidos na questão. CASOS PARTICULARES Existem questões de vestibulares e até do próprio Enem, onde além dos dados básicos oferecidos pela questão, onde já estamos habituados a aplicar o passo a passo geral, casos particulares como grau de pureza, limitante e excesso e rendimento, também poder ser fornecidos ou até mesmos pedidos no cálculo. I. GRAU DE PUREZA Quando a questão tratar de grau de pureza, antes de realizar o 5° passo aprendido anteriormente, você deve multiplicar a massa do reagente pelo grau de pureza que a questão indica e então, seguir normalmente para a regra de três no quinto passo[3]. II. LIMITANTE E EXCESSO Para sabermos quem é o reagente que limita a reação de acontecer, é necessário fazer uma regra de três antes de iniciar o 5° com os participantes da reação[3]. III. RENDIMENTO Para este caso, depois de realizados os 5 passos gerais normalmente, será necessário multiplicar o resultado obtido pelo rendimento informado no resultado[3]. EXEMPLO Quantos mols do gás hidrogênio são necessários para a formação de amônia (NH3), sabendo que a quantidade do gás nitrogênio é de 4 mols? Solução: 1° passo. Como aprendemos, no primeiro passo devemos escrever a reação química. N2+H2 NH3 2° passo. Balancear a equação. N2+3 H2 2 NH3 3° passo. Estabelecendo a relação existente entre o número de mols, sabemos que o valor dado pelo exercício é de 4 mols de N2 e X (desconhecido) mols de H2. E pela reação química, temos 1 mol de N2 reagindo com 3 mols de H2. 4° passo. Como o exercício está interessado somente na quantidade de mols, não é necessário realizar o 4° passo, onde a quantidade de mols é transformada em outras grandezas. 5° passo. Agora é a hora de montarmos a regra de três com todas as informações que recolhemos em cada passo. Então sabendo que, 1 mol de N2 reage com 3 mols de H2 para formar amônia assim como, 4 mols irão reagir com alguma quantidade desconhecida de H2, montamos a seguinte regra de três: https://www.todamateria.com.br/regra-de-tres-simples-e-composta/ 42 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria. Assim, chegamos ao resultado de 12 mols de H2 são necessários para reagir com 4 mols de N2 e a amônia. EXERCÍCIOS 1.(UFMG) Num recipiente foram colocados 15g de ferro e 4,8g de oxigênio. Qual a massa de Fe2O3 formada após um deles ser completamente consumido? (Fe = 56; O = 16). A)19,8g B)16,0g C)9,6g D)9,9g E) 10,2g 2.(Enem-2006) Para se obter 1,5 kg do dióxido de urânio puro, matéria-prima para a produção de combustível nuclear, é necessário extrair-se e tratar-se 1,0 tonelada de minério. Assim, o rendimento (dado em % em massa) do tratamento do minério até chegar ao dióxido de urânio puro é de A) 0,10 %. B) 0,15 %. C) 0,20 %. D) 1,5 %. E) 2,0 %. 3.(Enem-2005) Na análise de uma amostra biológica para análise forense, utilizou-se 54 g de luminol e peróxido de hidrogênio em excesso, obtendo-se um rendimento final de 70 %. Sendo assim, a quantidade do produto final (IV) formada na reação foi de A) 123,9. B) 114,8. C) 86,0. D) 35,0. E) 16,2. 4.(Enem-2011) O peróxido de hidrogênio é comumente utilizado como antisséptico e alvejante. Também pode ser empregado em trabalhos de restauração de quadros enegrecidos e no clareamento de dentes. Na presença de soluções ácidas de oxidantes, como o permanganato de potássio, este óxido decompõe-se, conforme a equação a seguir: De acordo com a estequiometria da reação descrita, a quantidade de permanganato de potássio necessária para reagir completamente com 20,0 mL de uma solução 0,1 mol/L de peróxido de hidrogênio é igual a A)2,0×100 mol. B)2,0×10-3 mol. C)8,0×10-1 mol. D)8,0×10-4 mol. E) 5,0×10-3 mol. https://ufmg.br/ 43 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1SUPER INTERESSANTE. Teoria atômica: O poder das menores partículas para maiores estragos. Disponível em:< https://super.abril.com.br/historia/teori a-atomica/> Acesso em: Mai. de 2020. 2DESCOMPLICA. Química: como entender os modelos atômicos? Youtube, 21 de jul. de 2017. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=lDr KIqubzdw&ab_channel=Descomplica. Acesso em: Mai. De 2020. 3PERUZZO, M. CANTO, E. Química na abordagem do cotidiano — 4. ed. — São Paulo : Moderna, 2006. 4FOGAÇA, J. Experimento de Rutherford. Prepara Enem. Disponível em:<https://www.preparaenem.com/q uimica/experimento-rutherford.htm>. Acesso em: Mai. De 2020. 5FOGAÇA, J. Modelo Atômico de Rutherford-Bohr. Manual da Química. Disponível em:< https://www.manualdaquimica.com/qui mica-geral _qu/modelo-atomico-rutherford- bohr.htm>. Acesso em: Mai. De 2020. 6FUVESTIBULAR. Complementos da Atomística: Teoria dos Orbitais. Objetivo 2011. Disponível em:< https://fuvestibular.com.br/apostilas/ob jetivo/ensino-medio/#gsc.tab=0>. Acesso em: Mai. De 2020. 7MICHEL. Café com química. Hibridação | Tudo que você precisa saber. Youtube, ju. de 2019. Disponível em:< https://www.youtube.com/watch?v=R5 XBDIhQX7A&ab_channel=Caf%C3%A9c omqu%C3%ADmica-ProfMichel>. Acesso em: Mai. De 2020. 8FUVESTIBULAR. Estados de Agregação da Matéria. Objetivo 2011. Disponível em:< https://fuvestibular.com.br/apostilas/ob jetivo/ensino-medio/#gsc.tab=0>. Acesso em: Mai. De 2020. 9NOTICIAS MODELO.2020 Que Es El Modelo Atomico de Thomson. Disponível em:< https://noticiasmodelo.blogspot.com/20 20/03/que-es-el-modelo-atomico-de- thomson.html>. Acesso em: Mai. De 2020. 10CONHECIMENTO CIENTÍFICO. 2020. Modelo atômico de Bohr, o que é? Definição, fundamentos e exemplos. Disponível em:< https://conhecimentocientifico.r7.com/ modelo-atomico-de-bohr-2/>. Acesso em: Mai. De 2020. 11ASTROCENTRO. 2019. O que são planetas retrógrado? Descubra como interpretá-los em seu Mapa Astral. Disponível em:< https://www.astrocentro.com.br/blog/a strologia/planetas-retrogrados/>. Acesso em: Mai. De 2020. 12DESCOMPLICA. 2016. Evolução dos Modelos Atômicos: De Dalton à Bohr, conheça todos para sua prova de química! Disponível em:< https://descomplica.com.br/artigo/evol ucao-dos-modelos-atomicos-de-dalton- a-bohr-conheca-todos-para-sua-prova- de-quimica/4Qr/>. Acesso em: Mai. De 2020. 13MAGALHÃES, L. 2019. Distribuição eletrônica. Toda Matéria. Disponível em:< https://www.todamateria.com.br/distri 44 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 buicao-eletronica/>. Acesso em: Mai. De 2020. 14ANDRIETTA, M. 2016. A Tabela Periódica dos Elementos Químicos. Infoenem. Disponível em:< https://infoenem.com.br/a-tabela- periodica-dos-elementos-quimicos/>. Acesso em: Mai. De 2020. 15MARIA, A. 2019. Ligações Químicas: tipos, conceito e definição. Disponível em: < https://blog.biologiatotal.com.br/ligaco es-quimicas-tipos-conceito-e-definicao/ >. Acesso em: Mai. De 2020. 16ABECEDÁRIO DA EDUCAÇÃO. 2019. Como explicar os estados físicos da matéria às crianças? Disponível em: < https://www.abecedariodaeducacao.pt/ 2019/07/06/como-explicar-os-estados- fisicos-da-materia-as-criancas/>. Acesso em: Jun. De 2020. 17TRISTÃO, I. 2020 Estados físicos da água, quais são? Quantos são? E as mudanças dos estados. Conhecimento Científico. Disponível em: < https://conhecimentocientifico.r7.com/ estados-fisicos-da-agua/>. Acesso em: Jun. De 2020. 18OSHIO, R. 2020. Destilação simples e fracionada: entenda a diferença. Estratégia vestibulares. Disponível em:< https://blog.estrategiavestibulares.com .br/quimica/destilacao-simples-e- fracionada/>. Acesso em: Jun. De 2020. 19NAHRA, S. 2019. Separação de Misturas. Quero bolsa. Disponível em:<https://querobolsa.com.br/enem/ quimica/separacao-de-misturas>. Acesso em: Jun. De 2020. 20 NAHRA, S. 2019. Misturas: Homogênea e Heterogênea. Quero bolsa. Disponível em:< https://querobolsa.com.br/enem/quimi ca/misturas-homogenea-e- heterogenea>. Acesso em: Jun. De 2020. 21QUEVEDO, R. No prelo. Destilação fracionada. Infoescola. Disponível em:< https://www.infoescola.com/quimica /destilacao-fracionada/>. Acesso em: Jun. De 2020. GABARITO MODELOS ATÔMICOS 1. E 2. E 3. B 4. C 5. D DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA 1. D 2. B 3. A NÚMEROS QUÂNTICOS 1. D 2. D 3. D 4. B 5. A 6. B TABELA PERIÓDICA 1. C 2. C 3. D LIGAÇÕES QUÍMICAS 45 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Geral Profª. Stefanie Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 1. C 2. D 3. C 4. A GEOMETRIA MOLECULAR 1. E 2. D 3. B POLARIDADE 1. E 2. D 3. C 4. C FORÇAS INTERMOLECULARES 1. D 2. E 3. D 4. C SEPARAÇÃO DE MISTURAS 1. B 2. A 3. C 4. A ESTEQUIOMETRIA 1. B 2. B 3. D 4. D 46 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 47 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 SOLUÇÕES Iremos começar este primeiro capítulo da frente de físico-química com uma pergunta bem simples, o que é uma solução? De maneira simples, solução é qualquer mistura homogênea (que apresenta somente uma fase) formadas por duas ou mais substâncias. Uma solução é formada por dois componentes: 1. Soluto: Substância que será dissolvida e se apresenta em menor quantidade; 2. Solvente: Substância responsável por dissolver o soluto. Exemplo: a. Açúcar + Água: A mistura entre esses dois componentes dá uma solução, em que o açúcar será o soluto e a água o solvente. Devido à sua capacidade de dissolver uma grande quantidade de substâncias, a água é chamada de solvente universal. Contudo, há casos em que a água pode ser considerada como um soluto, como por exemplo, no álcool etílico 70% (que é composto por 70% de álcool e 30% de água). Naturalmente pode surgir a pergunta, “O que não é uma solução?” Bem, se a mistura entre dois componentes da origem a duas fases ou mais (sistema heterogêneo), essa mistura não é uma solução!! Exemplo: a. Água + Óleo: Se misturarmos água e óleo podemos ver claramente duas fases. Deste modo, temos um sistema heterogêneo, não podendo ser considerado uma solução. b. Sangue: Quando observamos o sangue a olho nu, ele parece ser uma solução. Contudo, se olharmos por intermédio de um microscópio veremos que ele apresenta vários componentes, que são: glóbulos vermelhos, glóbulos brancos, plaquetas e plasma. Tipo de Dispersão Dispersão são sistemas nos quais uma substância está espalhada, sob a forma de pequenas partículas, em uma segunda substância [6]. Podemos classificar as dispersões de acordo com o diâmetro médio das partículas em: solução verdadeira, coloides e suspensões. 1. Solução Verdadeira: São misturas homogêneas translúcidas, com diâmetro médio das partículas entre 0 e 1 nm (nanômetros). Dentro desse sistema de dispersão, o soluto será denominado disperso e o solvente o dispersante[6]. 2. Coloides: Dispersão em que o diâmetro médio das partículas do disperso fica entre 1 e 1.000 nm. Este tipo de mistura dispersa facilmente a luz, sendo chamadas de opacas[6]. Exemplo: Neblina, leite, creme. 3. Suspensões: São misturas com grandes aglomerados de átomos, íons e 48 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 moléculas. O tamanho médio das partículas é acima de 1.000 nm [6]. Coeficiente de Solubilidade (C.S.) Não podemos abordar o tópico de soluções sem falar sobre o coeficiente de solubilidade (C.S.). Podemos definir C.S. como a quantidade máxima de soluto que se pode dissolver em uma quantidade padrão de solvente em uma determinada temperatura. Em outras palavras, o C.S.me informa a quantidade de soluto máxima que consigo dissolver em um solvente em uma determinada condição (temperatura e pressão). Por exemplo, o gráfico a seguir demonstra o C.S. para do Nitrato de Potássio ( 𝐾𝑁𝑂3) [7,8,9]. Fonte: Autoria própria O traço vermelho é o C.S.. Esse gráfico pode representar dois tipos de dissolução, uma que chamamos de dissolução endotérmica e outra exotérmica. Dissolução endotérmica é quando o coeficiente de solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. Já uma dissolução exotérmica é quando o coeficiente de solubilidade diminui com o aumento da temperatura[7,8,9]. Observando o gráfico acima podemos ainda classificar a solução em três tipos: a. Solução Insaturada: São aquelas que contém menos soluto do que o estabelecido pelo C.S. Por exemplo, o gráfico apresentado me informa que em 40 °C eu consigo dissolver até 60 gramas de 𝐾𝑁𝑂3 em 100 gramas de água. Se for dissolvido menos de 60 gramas do sal nessas condições, estaremos dissolvendo abaixo da quantidade máxima permitida. Portanto, teremos uma solução insaturada[7,8,9]. b. Solução Saturada São aquelas que atingiram o C.S. Está no limite da saturação. Contém a máxima quantidade de soluto dissolvido[7,8,9]. c. Solução Saturada com corpo de fundo: Isso acontece quando eu coloco mais do que é permitido pelo C.S [7,8,9]. d. Solução Supersaturada: São aquelas que contém mais soluto do que o necessário para formar uma solução saturada em determinada temperatura. Mas, mesmo assim, eu quero dissolver. Então, acontece uma elevação da temperatura, para que todo aquele corpo de fundo seja dissolvido. Após a dissolução, acontece um resfriamento até chegar na temperatura inicial, e se não tiver nenhuma perturbação que ocasione uma precipitação do meu soluto, terei uma solução supersaturada[7,8,9]. 49 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exercícios 1. (UERJ-2014) Um laboratorista precisa preparar 1,1 kg de solução aquosa saturada de um sal de dissolução exotérmica, utilizando como soluto um dos três sais disponíveis em seu laboratório: X, Y e Z. A temperatura final da solução deverá ser igual a 20 ºC. Observe as curvas de solubilidade dos sais, em gramas de soluto por 100 g de água: A massa de soluto necessária, em gramas, para o preparo da solução equivale a: A) 100. B) 110. C) 300. D) 330. E) 280 2.(PUC Rio) A solubilização do oxigênio em água é um processo exotérmico. Assim, I - O que deve acontecer com o teor de oxigênio dissolvido na água, quando a temperatura do dia aumenta? II - Por outro lado, supondo uma mesma temperatura e duas cidades diferentes, como Rio de Janeiro (nível do mar) e Teresópolis (alto de uma serra), em qual a água teria um maior teor de oxigênio dissolvido? A) I - Aumenta; II - Rio de Janeiro B) I - Diminui; II - Rio de Janeiro C) I - Aumenta; II - Igual para ambas as cidades D) I - Diminui; II - Teresópolis E) I - Aumenta; II - Teresópolis 3. (UFGO) O gráfico a seguir representa a solubilidade de vários sais em função da temperatura, expressa em gramas do soluto por 100 gramas de água. Sobre esse gráfico, é incorreto afirmar que: A) a solubilidade dos sais aumenta com a elevação da temperatura na ordem: 𝑁𝑎𝐶𝑙, 𝐾𝐶𝑙, 𝑅𝑏𝐶𝑙, 𝐶𝑠𝐶𝑙. B) com exceção do 𝐿𝑖2𝑆𝑂4, a solubilidade de todos os sais aumenta com a elevação da temperatura. C) a solubilização do 𝐾𝐶𝑙 aumenta com o aumento da temperatura. D) a 0 °C, o 𝑁𝑎𝐶𝑙 é menos solúvel que o 𝐾𝐶𝑙. E) N.D.A 4. (UFBA - adaptada) Sobre soluções, pode-se afirmar: (Faça o somatório das afirmativas corretas) (01) O latão, mistura de cobre e zinco, é uma solução sólida. (02) Soluções saturadas apresentam soluto em quantidade menor do que o limite estabelecido pelo coeficiente de solubilidade. (04) A variação da pressão altera a solubilidade dos gases nos líquidos. (08) O etanol é separado do álcool hidratado por destilação simples. 50 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES Geralmente quando vamos tomar um suco podemos utilizar algumas frases do tipo, “nossa, que suco aguado” ou “que suco forte” ou ainda, “hummm, esse suco é bem nutritivo“. De maneira bem simples, utilizamos a primeira frase quando o suco está pouco concentrado e a segunda quando está muito concentrado. Mas, o que vem a ser concentração? A concentração é uma ferramenta que informa a quantidade de soluto presente em uma determinada quantidade de solvente. Por exemplo, a terceira frase, como poderíamos chegar à conclusão de que o suco é nutritivo? Sabendo a quantidade de vitaminas presente naquele suco, ou seja, a concentração de vitaminas[1,3]. É valido ressaltar que existem diversas formas de calcular a concentração de uma solução e diferentes unidades de medidas podem ser utilizadas, vamos ver cada uma delas a seguir. Tipos e formas de Calcular a Concentração 1.Concentração Comum (C) É a relação entre a massa de soluto em gramas (𝑚) e o volume da solução em litros (𝑉) [1,3]. Expressa matematicamente por: 𝐶 = 𝑚 𝑉 OBS: O volume utilizado é da solução, ou seja, o volume do soluto e do solvente. 2. Densidade (d) É a relação entre a massa da solução (𝑚𝑇) e o volume (𝑉), ocupada por ela[1]. Para saber qual será a massa da solução, será necessário somar a massa do soluto e a massa do solvente! 𝑑 = 𝑚𝑡 𝑉 Assim como a concentração comum, densidade pode ser expressa em gramas por litro ( 𝑔/𝐿), mas, também pode ser expressa em outras unidades de massa e volume [1]. 3. Concentração massa/massa ou Título É a relação entre a massa do soluto (𝑚) e a massa da solução (𝑚𝑡). Deve-se tomar cuidado com as unidades de medida, pois sendo uma relação entre duas massas, ambas devem estar na mesma unidade, ou seja, ambas devem estar em g ou kg ou qualquer outra unidade de massa[1,3]. 𝐶𝑚/𝑚𝑡 = 𝑚 𝑚𝑡 51 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 4. Concentração Molar ou Molaridade É a relação entre o número de mols do soluto e o volume da solução, em litros[1,3]. 𝑀 = 𝑛 𝑉 A unidade de medida da concentração molar é mol por litro (𝑚𝑜𝑙/𝐿). 5. Partes por milhão (ppm) Utilizamos esse tipo de medida para soluções muito diluídas, isto é, quando há uma quantidade muito grande de solvente em relação ao soluto. Ela é calculada fazendo a razão entre a massa do soluto em miligramas (mg) pela massa da solução em quilogramas (kg) [1,3]. 𝐶𝑝𝑝𝑚 = 𝑚 𝑚𝑡 Em que 𝑚 é a massa do soluto e 𝑚𝑡 a massa da solução. 6. Fração Molar A fração molar (𝑋𝑎) é a relação entre a quantidade de matéria, em número de mols, 𝑛𝑎 , de um determinado componente pela soma da quantidade total de matéria presente na solução (𝑛𝑡) [1,3]. 𝑋𝑎 = 𝑛 𝑛𝑡 Exemplo: Uma massa de 100 g de Na foi dissolvida em 250 g de água. Qual é a fração em quantidade de matéria do soluto e do solvente? (Dadas as massas atômicas: Na = 23 u, O = 16 u, H = 1 u) Resolução a. A massa do soluto é = 100 g b. A massa do solvente é = 250 g Vamos calcular a massa atômica de cada um dos componentes. 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 23 + 16 + 1 = 40 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂 = 1 ∗ 2 + 16 = 18 𝑔/𝑚𝑜𝑙 Se pegarmos a massa e dividirmos pela massa molar obteremos o número de mols de cada um dos componentes. 𝑛𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑚 𝑀 = 100 𝑔 40 𝑔 𝑚𝑜𝑙 = 2.5 𝑚𝑜𝑙 𝑛𝐻2𝑂 = 𝑚 𝑀 = 250 𝑔 18 𝑔 𝑚𝑜𝑙 = 13,88 𝑚𝑜𝑙 O número total de mols na solução é de 16,38 mol. Agora ficou fácil descobrir a fração molar do soluto e do solvente, basta pegar o número de mols de cada um e dividir pelo total. Deste modo, 𝑋𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑛𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑛𝑡 = 2,5 16,38 = 0,1525 = 15,26% 𝑋𝐻2𝑂 = 𝑛𝐻2𝑂 𝑛𝑡 = 13,88 16,38 = 0,8474 = 84,74% 52 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exercícios 1.(Enem–2016) Para cada litro de etanol produzido em uma indústria de cana-de- açúcar são gerados cerca de 18 L de vinhaça que é utilizada na irrigação das plantações de cana-de-açúcar, já que contém teores médios de nutrientes N, P e K iguais a 357 mg/L, 60 mg/ L e 2034 mg/L, respectivamente. Na produção de 27.000 L de etanol, a quantidade total de fósforo, em kg, disponível na vinhaça será mais próximo de A) 1 B) 29 C) 60 D) 170 E)1000 2.(UFRGS-RS) Um aditivo para radiadores de automóveis é composto de uma solução aquosa de etilenoglicol. Sabendo que em um frasco de 500 mL dessa solução existem cerca de 5 mols de etilenoglicol (C₂H₆O₂), a concentração comum dessa solução, em g/L, é: A) 0,010 B) 0,62 C) 3,1 D) 310 E) 620 3.(ENEM-2018) O carro flex é uma realidade no Brasil. Estes veículos estão equipados com motor que tem a capacidade de funcionar com mais de um tipo de combustível. No entanto, as pessoas que têm esse tipo de veículo, na hora do abastecimento, têm sempre a dúvida: álcool ou gasolina? Para avaliar o consumo desses combustíveis, realizou-se um percurso com um veículo flex, consumindo 40 litros de gasolina e no percurso de volta utilizou-se etanol. Foi considerado o mesmo consumo de energia tanto no percurso de ida quanto no de volta. O quadro resume alguns dados aproximados sobre esses combustíveis. O volume de etanol combustível, em litro, consumido no percurso de volta é mais próximo de A) 27. B) 32. C) 37. D) 58. E) 67. 4. (UFOP MG/2009) Durante uma festa, um convidado ingeriu 5 copos de cerveja e 3 doses de uísque. A cerveja contém 5% v/v de etanol e cada copo tem um volume de 0,3 L; o uísque contém 40% v/v de etanol e cada dose corresponde a 30 mL. O volume total de etanol ingerido pelo convidado durante a festa foi de: A) 111 mL B) 1,11 L C) 15,9 mL D) 1,59 L E) 11,1 L 53 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Diluição e Mistura de Soluções Diluímos uma solução quando adicionamos mais solvente a uma solução já existente, de modo que, a concentração da solução diminua. Isso pode ser feito por retirada de soluto ou por adição de solvente puro [1,3]. E qual é o processo mais utilizado? Experimentalmente e rotineiramente, adicionar mais solvente puro é o processo mais utilizado. Por exemplo, quando preparamos um suco de limão, se ele ficar “muito forte”, o que fazemos? Tiramos limão ou adicionamos água? Adicionamos água. Equação de diluição Em um processo de diluição por adição de solvente à solução, a quantidade de soluto é sempre constante, ou seja, a massa inicial do soluto é igual a massa final do soluto após o processo de diluição[1,3]. Deste modo, podemos escrever matematicamente que: 𝑚1𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑚1𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 Como: 𝐶 = 𝑚1 𝑉 𝑚1 = 𝐶 ∗ 𝑉 Deste modo, 𝑚1𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 . 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑚1𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 . 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 Portanto, 𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 . 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙. 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 A equação acima é a famosa equação de diluição de soluções com a adição de solvente puro. É válido ressaltar que o volume final é a soma de dois volumes, o inicial e o adicionado. Misturas de Soluções Além de diluir, podemos misturar soluções com o objetivo de modificar a sua concentração. Há diferentes tipos de misturas que podem ser feitas, iremos ver alguns casos. 1. Mesmo soluto e solvente Para esse caso, a solução final será formada pela soma da quantidade de soluto e do volume presente em cada uma das soluções[1]. Em outras palavras, sejam duas soluções, A e B, formadas pelo mesmo soluto e solvente, ao misturarmos ambas, a concentração da solução final poderá ser calculada por intermédio da equação abaixo. 𝐶𝑓 . 𝑉𝑓 = 𝐶𝐴. 𝑉𝐴 + 𝐶𝐵. 𝑉𝐵 A B 𝐹 Fonte: Autoria própria 54 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 2. Mistura de Soluções de Solutos diferentes Para esse caso, temos duas possíveis situações, ou a mistura terá reação química ou não. Naturalmente vem a pergunta, “Como irei saber se haverá ou não reação química?” A maneira de você identificar se a mistura ocasionará uma reação química é olhando para os componentes. Geralmente, se as duas misturas apresentarem um íon em comum, será uma mistura sem reação química. Vamos olhar esses dois casos separadamente. 2.1 Sem reação Química Iremos resolver como se fosse uma grande diluição, sabe por quê? Por que a quantidade de íons do soluto que participa da mistura será a mesma antes e depois da diluição. Para este caso, geralmente estamos interessados em saber qual será a concentração final de cada soluto após a mistura[1]. Vamos fazer um exemplo, talvez com ele fique um pouco mais claro. Exemplo: Qual é a concentração final de cloreto de potássio (𝐾𝐶𝑙) e de cloreto de sódio (𝑁𝑎𝐶𝑙) após a mistura da solução A e B. Fonte: Autoria própria. Para o NaCl 𝐶1. 𝑉1 = 𝐶𝑁𝑎𝐶𝑙 . 𝑉𝑓 𝑉1 = 100 𝑚𝐿. 𝐶1 = 10 𝑔/𝐿. 𝑉𝑓 = 500 𝑚𝐿. 10 ∗ .100 = 𝐶𝑁𝑎𝐶𝑙. 500 𝐶𝑁𝑎𝐶𝑙 = 2 𝑔/𝐿 Para o KCl 𝐶2. 𝑉2 = 𝐶𝐾𝐶𝑙 . 𝑉𝑓 𝑉2 = 400 𝑚𝐿. 𝐶2 = 20 𝑔/𝐿. 𝑉𝑓 = 500 𝑚𝐿. 20 ∗ 400 = 𝐶𝐾𝐶𝑙 . 500 𝐶𝐾𝐶𝑙 = 16 𝑔/𝐿 2.2 Com Reação Química A titulação é uma técnica utilizada que visa determinar a concentração de uma solução, fazendo-a reagir com outra solução cuja sua concentração é conhecida[1]. A titulação mais conhecida é a titulação ácido-base, que se divide em duas, acidimetria e alcalimetria. Na acidimetria o objetivo é determinar a concentração de uma solução ácida e a alcalimetria determina a concentração de uma solução básica [1,10]. Para ambos os casos citados acima, vale o princípio da equivalência e podemos calcular a concentração desconhecida por intermédio da formula abaixo[1,10]. 𝑥. 𝐶 ( 𝑚𝑜𝑙 𝐿 ,á𝑐𝑖𝑑𝑜) . 𝑉á𝑐𝑖𝑑𝑜 = 𝑦. 𝐶(𝑚𝑜𝑙 𝐿 ,𝑏𝑎𝑠𝑒) . 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑥 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜𝑠 𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧á𝑣𝑒𝑖𝑠 . 𝑦 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑥𝑖𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑠𝑠𝑜𝑐𝑖á𝑣𝑒𝑖𝑠 . 55 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exercícios 1.(UPF/2019) Diariamente, o mar morto – cuja concentração salina fica em torno de 30% em massa – recebe toneladas de água, que, no entanto; não são suficientes para diluir suas águas de modo a alcançar o índice dos oceanos, cuja concentração salina fica em média de 5% (m/m). Considerando que 200 mL de solução salina apresentaram 26% (m/v) de cloreto de sódio (NaCl), qual volume aproximado de água, em litros, deve ser adicionado para se obter NaCl(aq) 0,45 mol/L? Dados: Na = 22,99; Cl = 35,45 A) 2,4 B) 2,6 C) 1,5 D) 2,0 E) 1,8 2.(FUVEST/2020) Os chamados “remédios homeopáticos” são produzidos seguindo a farmacotécnica homeopática, que se baseia em diluições sequenciais de determinados compostos naturais. A dosagem utilizada desses produtos é da ordem de poucos mL. Uma das técnicas de diluição homeopática é chamada de diluição centesimal (CH), ou seja, uma parte da solução é diluída em 99 partes de solvente e a solução resultante é homogeneizada (ver esquema). Alguns desses produtos homeopáticos são produzidos com até 200 diluições centesimais sequenciais (200CH). Considerando uma solução de partida de 100 mL com concentração 1 mol/L de princípio ativo, a partir de qual diluição centesimal a solução passa a não ter, em média, nem mesmo uma molécula do princípio ativo? A) 12.ª diluição (12CH). B) 24.ª diluição (24CH). C) 51.ª diluição (51CH). D) 99.ª diluição (99CH). E) 200.ª diluição (200CH). 3. (Fuvest-SP) Para se determinar o conteúdo de ácido acetilsalicílico (𝐶9𝐻8𝑂4) num comprimido analgésico, isento de outras substâncias ácidas, 1,0 g do comprimido foi dissolvido numa mistura de etanol e água. Essa solução consumiu 20 mL de solução aquosa de NaOH, de concentração 0,10 mol/L, para reação completa. Ocorreu a seguinte transformação química: 𝐶9𝐻8(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝑁𝑎𝐶9𝐻2𝑂4(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) Logo, a porcentagem em massa de ácido acetilsalicílico no comprimido é de, aproximadamente: (Dado: massa molar do C9H8O4 = 180 g/mol) A) 0,20% B) 2,0% C) 18% D) 36% E) 55% 56 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Propriedades Coligativas Quando acrescentamos um soluto não volátil em um solvente puro, podemos perceber que as suas propriedades físicas são alteradas. Estas são chamadas de propriedades coligativas [1,3]. As propriedades coligativas dependem somente da quantidade de partículas do soluto que estão sendo dissolvidos no solvente e não da sua natureza [1,3]. Mas Cuidado!! Isso cai direto nos vestibulares e muitas pessoas acabam errando. As propriedades coligativas dependem somente da quantidade de soluto e não de sua origem. E quais são as propriedades coligativas? Bem, iremos ver cada uma delas a partir de agora. Particularmente, eu amo esse assunto pois dá para fazer muitos experimentos. 1. Tonoscopia ou Tonometria Podemos definir tonoscopia como o estudo da diminuição da pressão máxima de um solvente pela adição de um soluto não volátil [1,3,11]. Por exemplo, a água em 25 °C possui pressão de vapor igual a 3,172 kPa. Se adicionarmos açúcar à água e medirmos novamente a pressão de vapor, veremos que ela sofreu uma queda. Esse fenômeno é demostrado no gráfico a seguir. Fonte: ColégioWeb, 2012.[11] Mas, por que isso acontece? Isso ocorre porque as moléculas ou íons presentes no soluto interagem com as moléculas do solvente por meio de forças intermoleculares, dificultando a passagem das moléculas da água para o estado de vapor [1,3,11]. 2. Ebulioscopia ou Ebuliometria Podemos definir ebulioscopia como o aumento do ponto de ebulição de um líquido ao se adicionar a ele um soluto não volátil [1,3,11]. Vamos a um exemplo prático. Você está fervendo água para colocar no arroz, sabemos que a água, no nível do mar, entre em ebulição a 100°C, e teve a brilhante ideia de adicionar os temperos à água que já está fervendo. Quando você adicionou uma certa quantidade de sal, você percebeu que a água parou de borbulhar, por quê? Porque quando se adiciona sal à água, aumenta-se a temperatura de ebulição, passando a ser maior que 100°C. 57 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Por que isso acontece? Bem, isso ocorre devido a interações entre as moléculas do solvente e do soluto que acaba dificultando a passagem da água para o estado de vapor[1,3,11]. Podemos visualizar esse fenômeno no gráfico abaixo. Fonte: Toda matéria, 2017. [15] 3. Crioscopia ou Crometria Iremos definir crioscopia como o estudo da diminuição da temperatura da solidificação de um solvente ao ser adicionada a ele um soluto não volátil [1,3,11]. Bora partir de uma curiosidade para descrever esse fenômeno. Você sabia que em países frios como a Rússia e Canadá, a neve presente nas estradas é descongelada com maior facilidade utilizando sal? E que em locais quentes como Cuiabá, Acre e Rondônia utiliza-se o mesmo princípio para congelar bebidas mais rapidamente utilizando gelo com sal misturado [6]? Por que isso acontece? Isso ocorre porque o sal interage com as moléculas de água, aumentando a sua massa e dificultando o congelamento. Deste modo, o gelo começa a derreter [1,3,11]. O fenômeno é ilustrado no gráfico a seguir. Fonte: Toda matéria, 2017. [15] OBS: Este princípio é o mesmo que é utilizado para explicar a ação de anticongelantes. 4. Osmose Iremos definir osmose como passagem do solvente, de uma solução de menor concentração para uma de maior concentração por intermédio de uma membrana semipermeável [1,3,11]. Esse processo irá ocorrer até que a pressão exercida pela solução impeça a passagem de solvente [1,3,11]. Para essa propriedade, a forma que ela cai nos vestibulares é para realizar o cálculo da pressão osmótica[1,3,11]. A equação para encontrá-la é mostrada a seguir. 𝜋 = 𝑀. 𝑅. 𝑇 Onde: 𝜋 → Pressão osmótica; 𝑀 → Concentração em mol/L; 𝑅 → Constante universal dos gases perfeitos; 𝑇 → Temperatura absoluta, em Kelvin. 58 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exercícios 1.(Enem-2017) Umas das estratégias para conservação de alimentos é o salgamento, adição de cloreto de sódio (NaCl), historicamente utilizado por tropeiros, vaqueiros e sertanejos para conservar carnes de boi, porco e peixe. O que ocorre com as células presentes nos alimentos preservados com essa técnica? A) O sal adicionado diminui a concentração de solutos em seu interior. B) O sal adicionado desorganiza e destrói suas membranas plasmáticas. C) A adição de sal altera as propriedades de suas membranas plasmáticas. D) Os íons 𝑁𝑎+ e 𝐶𝑙− proveniente da dissolução do sal entram livremente nelas. E) A grande concentração de sal no meio extracelular provoca a saída de água de dentro delas. 2.(FAC. PEQUENO PRÍNCIPE 2020) O tipo de solo constituído por rocha, terra e gelo que é habitual de regiões como a Antártida e montanhas de elevadas altitudes vem sendo constantemente estudado pelos cientistas que observam preocupados o derretimento dessas camadas de gelo chamadas permafrost. Na Antártida esse gelo é de água salgada, mas nas montanhas a concentração de sal é muito baixa. Essa diferença na constituição é muito relevante para que um permafrost descongele antes do outro. O estudo da concentração de sais nesse gelo ocorre em laboratório a partir de relações obtidas pela temperatura de congelamento das soluções aquosas. PERUZZO. F.M.; CANTO. E.L., Química na abordagem do cotidiano, volume 1, 4ª edição, ed moderna, São Paulo, 2006 SANTOS, Wildson L. (coord.), Química & Sociedade. Nova Geração, São Paulo, 2005. A respeito dos processos de congelamento do permafrost, considerando iguais condições de pressão, percebe-se CORRETAMENTE que A) O gelo da Antártida congela em temperaturas superiores ao gelo das montanhas. B) O gelo das montanhas congela em temperaturas superiores ao gelo da Antártida. C) Os dois tipos de gelo congelam em temperaturas iguais, pois a principal constituição de ambos é de água. D) Os dois tipos de gelo por possuírem sal em sua constituição congelam em temperaturas acima de 0°C. E) Os dois tipos de gelo têm suas propriedades modificadas devido às interações de hidrogênio que ocorrem entre a água e os íons. 3.(UCDB-MT) As propriedades coliga- tivas das soluções dependem: A) Da pressão máxima de vapor do líquido. B) Da natureza das partículas dispersas na solução. C) Da natureza do solvente, somente. D) Do número de partículas dispersas na solução. E) Da temperatura de ebulição do líquido. 59 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução a Cinética Química Você já se perguntou por que algumas reações químicas são rápidas e outras são lentas? Por exemplo, a combustão do trinitrotolueno (TNT), ocorre em fração de segundos, mas o consumo dos carboidratos pelo nosso organismo é uma reação lenta [3]. Os químicos buscam mecanismos que permitam o controle das reações químicas. O estudo desse controle das reações químicas é realizado pela área denominada cinética química. Segundo Russell, 2000, a cinética química é o estudo das velocidades e mecanismos das reações químicas. A velocidade de uma reação é a medida da rapidez com que se formam os produtos e se consomem os reagentes [2]. Em geral, a velocidade de uma reação química é determinada: pelas propriedades dos reagentes, pelas concentrações dos reagentes e pela temperatura. Além do mais, a velocidade da reação pode ser influenciada por outros dois fatores: a concentração de outros reagentes que não são os reagentes da própria reação e pelas áreas das superfícies em contato com os reagentes[1,2,3]. E como se calcula a velocidade de uma reação química? Iremos ver a seguir algumas formas para realizar esse cálculo. Cálculo da velocidade de uma reação química 1. Velocidade média Sendo uma reação genérica, 𝐴 + 𝐵 → 𝐶 + 𝐷 Podemos calcular a velocidade de consumo dos reagentes A ou B, ou a velocidade de formação dos produtos C ou D por intermédio da equação abaixo[1,2,3]. 𝑉 = |[ ]𝑓 − [ ]𝑖| ∆𝑡 Onde: [ ]𝑓 → Concentração final do reagente ou produto de interesse, em mol/L. [ ]𝑖 → Concentração inicial do reagente ou produto de interesse, em mol/L. ∆𝑡 → Intervalo de tempo de interesse. 2. Velocidade média do processo A diferença dessa velocidade média com a que foi enunciada acima é que, a velocidade média do processo leva em consideração os coeficientes estequiométricos em questão[1,2,3]. Tomemos como exemplo de síntese da amônia: 𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) → 2𝑁𝐻3(𝑔) A velocidade média de consumo do 𝑁2 e do 𝐻2 podem ser calculadas da seguinte forma: 60 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 𝑉𝑁2 = ∆[𝑁2] 1 ∗ ∆𝑡 𝑉𝐻2 = ∆[𝐻2] 3 ∗ ∆𝑡 De forma geral, basta dividir a variação da espécie química pelo produto do seu coeficiente estequiométrico e o tempo[1,2,3]. 3. Lei cinética para reações elementares Para uma reação elementar do tipo 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠, a lei cinética é dada pela seguinte equação[3]. 𝑣 = 𝐾. [𝐴]𝑎 ∗ [𝐵]𝑏 Onde k é a constante cinética. A equação acima informa a velocidade com que os reagentes se transformam em produtos (Velocidade direta) [1,2,3]. 4. Teoria das colisões Você sabe a definição de reação química e como ela acontece? As reações químicas são o resultado de transformações que ocorrem nas substâncias, onde os átomos rearranjam-se modificando seu estado inicial[3]. Uma reação química acontece em 3 estágios: 1. Quebra das ligações a partir de choques efetivos; 2. Rearranjo atômico 3. Formação de novas ligações. Assistam ao vídeo por intermédio do link à seguir para uma melhor compreensão dessa parte. Link:https://www.youtube.com/watch?v=TX6BYceUSL0 Para que tenhamos a quebra de uma ligação química, as espécies reagentes devem efetuar choques entre si para que ocorra o enfraquecimento das ligações e posteriormente, a ruptura. Os choques necessários para a realização do processo são denominados choques efetivos. As características de um choque efetivo dependem: da energia mínima, da orientação favorável e da frequência com que esses choques acontecem[3]. 5. Complexo ativado (C.A.) Podemos definir complexo ativado como o estado intermediário ou de transição de uma reação. Ele é o estado de mais alta energia em uma reação química, tendo como característica, ser um pouco instável[1,2,3]. Fonte: Autoria própria. O C.A. é o topo do caminho percorrido para que ocorra uma reação química. Ele é o ponto mais energético desse caminho. Quanto maior for o C.A., maior será a energia necessária para que a reação possa acontecer. Sabe como podemos modificar isso? Utilizando um catalizador, pois ele aumenta a velocidade de uma reação e abaixa a energia de ativação. Reação que utilizam catalisadores são chamadas https://www.youtube.com/watch?v=TX6BYceUSL0 61 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 de reações de catálise ou reações catalíticas[1,2,3]. Exercícios 1.(ENEM PPL – 2020) O peróxido de hidrogênio é um produto secundário do metabolismo celular e apresenta algumas funções úteis, mas, quando em excesso, é prejudicial, gerando radicais que são tóxicos para as células. Para se defender, o organismo vivo utiliza a enzima catalase, que decompõe H2O2 em H2O e O2. A energia de reação de decomposição, quando na presença e ausência da catalase, está mostrada no gráfico. Na situação descrita, o organismo utiliza a catalase porque ela. A) Diminui a energia de ativação. B) Permite Maior rendimento da reação. C) Diminui o valor da entalpia da reação. D) Consome rapidamente o oxigênio do reagente. E) Reage rapidamente com o peróxido de hidrogênio. 2. (Unesp) Sobre catalisadores, são feitas as quatro afirmações seguintes. I. São substâncias que aumentam a velocidade de uma reação. II. Reduzem a energia de ativação da reação. III. As reações nas quais atuam não ocorreriam nas suas ausências. IV. Enzimas são catalisadores biológicos. Dentre estas afirmações, estão corretas, apenas: A) I e II. B) II e III. C) I, II e III. D) I, II e IV. E) II, III e IV. 3. (ENEM – 2020) compostos estão na ordem de milionésimos de milímetros, como na utilização de nanomateriais catalíticos nos processos industriais. O uso desses materiais aumenta a eficiência da produção, consome menos energia e gera menores quantidades de resíduos. O sucesso dessa aplicação tecnológica muitas vezes está relacionado ao aumento da velocidade da reação química envolvida. O êxito da aplicação dessa tecnologia é por causa da realização de reações químicas que ocorrem em condições de: Qual das alternativas abaixo está correta? A) Elevada energia de ativação. B) O Alta temperatura. C) Alta pressão. D) Excesso de reagentes. E) Maior superfície de contato. 62 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução ao Equilíbrio Químico Bem, vamos bater um papo sobre equilíbrio químico? Vamos começar definindo o que seria equilíbrio químico. Podemos definir equilíbrio químico como uma situação na qual as concentrações dos participantes da reação não se alteram, pois as reações direta (transformação de reagentes em produtos) e inversa (transformação de produto em reagente) estão ocorrendo com a mesma velocidade [1]. É uma situação de equilíbrio dinâmico [1]. Somente reações reversíveis atingem o estado de equilíbrio químico. “Mas o que é uma reação reversível professor?” Uma reação reversível é aquela na qual o reagente está se transformando em produto e o produto em reagente. Elas podem ser representadas da seguinte forma[1,3]: 𝐴 + 𝐵 ⇄ 𝐶 + 𝐷 ou 𝐴 + 𝐵 ⇌ 𝐶 + 𝐷 Por exemplo, 𝑁2𝑂4(𝑔) ⇄ 2𝑁𝑂2(𝑔) No equilíbrio químico: a. Tanto os reagentes quanto os produtos são consumidos na mesma proporção que são formados[1,3]; b. Reagentes e produtos coexistem em concentração que não se alteram[1,3]; c. A velocidade da reação direta é igual à velocidade da reação inversa[1,3]; d. As propriedades macroscópicas do sistema são constantes[1,3]. Há dois tipos de equilíbrio: a. Equilíbrio Homogêneo: É aquele em que todos os participantes da reação estão na mesma fase [1,3]. Exemplo, 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) ⇌ 𝐻(𝑎𝑞) + + 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞) − b. Equilíbrio Heterogêneo: É aquele em que os participantes estão em mais de uma fase [1,3]. Exemplo, 𝑁𝐻4𝐶𝑙5(𝑠) ⇄ 𝑁𝐻3(𝑔) + 𝐻𝐶𝑙(𝑔) Quando estudamos sobre equilíbrio químico, geralmente, estamos interessados em saber o que pode modificar o estado de equilíbrio de uma reação química e no cálculo da constante de equilíbrio da reação. Iremos discutir esses dois tópicos abaixo. Princípio de Le Chatelier O químico francês Henry Louis Le Chatelier (1850-1936) estudou sobre as alterações dos estados de equilíbrio de uma reação química, em consequência de condições físicas ou químicas [1,3]. Ele chegou as seguintes conclusões sobre o que causaria um descolamento do equilíbrio químico: a. A elevação da temperatura do sistema favorece o sentido da reação endotérmica. Em contrapartida, o abaixamento da mesma, favorece o sentido da reação exotérmica[1,3]. b. O aumento da concentração de uma substância favorece o sentido da reação em que tal substância é consumida. Ou 63 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 seja, se aumentarmos a concentração dos reagentes, estaremos favorecendo a formação de produtos, e vice-versa[1,3]. c. Um aumento de pressão no sistema, irá deslocar o equilíbrio para o lado em que há uma menor quantidade de componentes gasosos, e vice-versa[1,3]. Constante de equilíbrio A famosa expressão da constante de equilíbrio é definida como a multiplicação das concentrações em mol/L dos produtos dividida pela dos reagentes, todas elevadas aos seus respectivos coeficientes estequiomé tricos[1,3]. Seja a reação genérica, 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 ⇄ 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 A constante de equilíbrio pode ser calculada da seguinte forma: 𝐾𝐶 = [𝐶]𝐶 ∗ [𝐷]𝑑 [𝐴]𝑎 ∗ [𝐵]𝑏 Onde 𝐾𝐶 é a constante de equilíbrio. Constante de equilíbrio em termos de pressão parcial Denominada de 𝐾𝑝, a constante de equilíbrio para sistemas gasoso leva em consideração as pressões parciais de cada componente da reação[1,3]. Seja a reação genérica, 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 ⇄ 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 A constante de equilíbrio para sistemas gasosos é calculada por intermédio da equação abaixo[1,3]. 𝐾𝑝 = 𝑝𝐶 𝐶 ∗ 𝑝𝐷 𝑑 𝑝𝐴 𝑎 ∗ 𝑝𝐵 𝑏 Onde, 𝑝𝐶 , 𝑝𝐷 , 𝑝𝐴, 𝑝𝐵, são as pressões parciais do componente C, D, A e B, respectivamente. Relação entre 𝑲𝒄 e 𝑲𝒑 Há uma relação entre essas duas constantes, expressa matematicamente por[1,3]: 𝐾𝑐 = 𝐾𝑝. 𝑅𝑇 𝑎+𝑏−𝑐−𝑑 Onde R é a constante universal dos gases e T é a temperatura em Kelvin. Complementação Como complementação desse conteúdo, sugiro que pesquise sobre os gráficos de equilíbrio e sobre os outros tipos de equilíbrio que são: Equilíbrio iônico da água, equilíbrio de soluções aquosas de ácido, base e sais, solução tampão e sobre pH. Para isso, recomendo a leitura do capítulo 5 do livro Química Cidadã do Wildson Santos e Gerson Mól e capitulo 8 do livro Química na abordagem do Cotidiano, volume 2, do Francisco Peruzzo e Eduardo Leite. Exercícios 1. (Enem PPL-2018) O sulfato de bário (𝐵𝑎𝑆𝑂4) é mundialmente utilizado na forma de suspensão de esôfago, estômago e intestino. Por se tratar de um sal pouco solúvel, quando em meio aquoso estabelece o seguinte equilíbrio: 64 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 𝐵𝑎𝑆𝑂4(𝑠) ⇄ 𝐵𝑎(𝑎𝑞) 2+ + 𝑆𝑂4 2− (𝑎𝑞) Por causa da toxicidade do bário (𝐵𝑎2+), é desejado que o contraste não seja absorvido, sendo totalmente eliminado nas fezes. A eventual absorção de íons 𝐵𝑎2+, porém, pode levar a reação adversas ainda nas primeiras horas após sua administração, como vômito, cólicas, diarreia, tremores, crises convulsivas e até mesmo a morte. PEREIRA, L. F. Entenda o caso da intoxicação por Celobar®. Disponível em: www.unifesp.br. Acesso em: 20 nov. 2013 (adaptado). Para garantir a segurança do paciente que fizer uso do contraste, deve-se preparar essa suspensão em A) Água Destilada. B) Soro fisiológico C) Solução de cloreto de bário, 𝐵𝑎𝐶𝑙2 D) Solução de sulfato de bário, 𝐵𝑎𝑆𝑂4. E) Solução de sulfato de potássio, 𝐾2𝑆𝑂4. 2.(UFPB) No mundo atual, são produzidas milhões de toneladas de compostos nitrogenadas, entre os quais os fertilizantes são os mais importantes pelo papel que desempenham na produção de alimentos. Esses adubos agrícolas nitrogenados são fabricados a partir da amônia, que é produzida industrialmente através da síntese de Haber-Bosh, descrita pela seguinte equação: 𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇄ 𝑁𝐻3(𝑔) ∆𝐻 = −133 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 Considerando a equação e a condição de equilíbrio do sistema, é correto afirmar que o rendimento da produção da amônia: A) diminui com a remoção de 𝑁𝐻3. B) aumenta com a elevação da temperatura. C) aumenta com o aumento da concentração de 𝐻2. D) Permanece inalterado com a diminuição da concentração de 𝑁2. E) permanece inalterado com a redução do volume do reator. 3. (UEL – PR) O odor de muitas frutas e flores deve-se á presença de ésteres voláteis. Alguns ésteres são utilizados em perfumes, doces e chicletes para substituir o aroma de algumas frutas e flores. Como exemplos, podemos citas o acetato de isopentila, que dá o odor característico da banana e o acetato de etila, que dá o odor das roas. Este último provém da reação entre o ácido acético e o álcool etílico, como demonstrado na reação a 100 °C: 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑙) + 𝐶𝐻3𝐶𝐻2𝑂𝐻(𝑙) ⇄ 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻2𝐶𝐻3(𝑙) + 𝐻2𝑂(𝑙) 𝐾𝐶 = 3,8 Se as concentrações de 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻2𝐶𝐻3(𝑙) e 𝐻2𝑂(𝑙) forem dobradas em seus valores no equilíbrio, na mesma temperatura, então o valor de KC será igual a: A) 7,6 B) 3,8 C) 0,95 D) 0,95 E) 1,27 65 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução a Termoquímica parte 1 Pronto para o início de mais um assunto da nossa apostila? Eu espero que sim, então, borá lá. A termoquímica é uma área da físico-química que estuda as trocas de calor ligadas as reações químicas. Quando uma reação química libera energia, dizemos que a reação é exotérmica. Por outro lado, se durante a reação química há uma absorção de energia, dizemos que a reação é endotérmica[1,3,5]. Talvez você deva estar se perguntando: “Como irei identificar se a reação é exotérmica ou endotérmica?” Bem, nós olhamos para a variação da entalpia. O que representa essa variação? Ela representa a diferença de energia dos produtos e dos reagentes participantes da reação química. Representada matematicamente por: ∆𝐻 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 − 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 Caso a variação de entalpia for positiva, os produtos gerados são mais energéticos do que os reagentes, o que representa uma reação endotérmica, ou seja, ∆𝐻 > 0. Caso a variação a variação da entalpia for negativa, os reagentes são mais energéticos do que os produtos da reação, o que representa uma reação exotérmica, ou seja, ∆𝐻 < 0. [1,3,5] Essas reações serão mostradas no gráfico abaixo. - Reação Exotérmica 𝐴 → 𝐵 ∆𝐻 < 0 Fonte: NAHARA, 2019.[14] 1- Reação Endotérmica 𝐴 → 𝐵 ∆𝐻 > 0 Fonte: NAHARA, 2019.[14] As mudanças de fase envolvem reações exotérmica e endotérmica. Fonte: NAHARA, 2018. [13] 66 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Equações Termoquímica Veremos a seguir um pouquinho sobre os principais tipos de calores de reação. “Mas prof, o que é calor de reação?” Bem, podemos definir calor de reação como a energia liberada ou absorvida em uma reação química[[1,3,5]]. Acho que deva estar pensando: “Ué, acabei de ver isso”, Sim! você acabou de ver isso. Quando queremos saber o calor de reação, queremos saber o valor da variação da entalpia, ∆𝐻[1,3,5]. Calor de formação padrão Podemos definir calor de formação padrão como a variação de entalpia verificada na reação de formação de um mol da substância, a partir de uma substância simples dos elementos que a compõem no estado padrão[[1,3,5]]. Ela é expressa matematicamente por, ∆𝐻° = ∑ ∆𝐻°𝑓𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 − ∑ ∆𝐻°𝑓𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 A entalpia de cada elemento em seu estado padrão é tabelada, então você não precisa se preocupar em decorar nada. Substâncias puras como o 𝑂2, 𝑁2, 𝐻2 𝑒 𝐶𝑙2, possuem a entalpia igual a zero[1,3,5]. O cálculo do calor padrão de formação é bem simples, basta somar a entalpia de cada produto e reagente multiplicando pela quantidade de vezes que o elemento aparece na reação e, após isso, fazer a diferença entre esses dois somatórios, vamos a um exemplo, acho que irá ficar mais claro. Exemplo Qual é a variação de entalpia da seguinte equação. 𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 3𝑂2 → 2𝐶𝑂2 + 3𝐻2𝑂 Sabendo que Substância 𝐻°𝑓 𝑘𝑗/𝑀𝑜𝑙 𝐶2𝐻5𝑂𝐻 −227,8 𝐶𝑂2 −393,5 𝑂2 0 𝐻2𝑂 −286 Fonte: Autoria própria Sendo: ∆𝐻° = ∑ ∆𝐻°𝑓𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 − ∑ ∆𝐻𝑓𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∆𝐻°𝑓𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 = [2 ∗ 𝐻°𝑓(𝐶𝑂2) + 3 ∗ 𝐻°𝑓(𝐻2𝑂) ] ∆𝐻°𝑓𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = [𝐻°𝑓(𝐶2𝐻5𝑂𝐻) + 3 ∗ 𝐻°𝑓(𝑂2) ] Substituindo os dados que foram fornecidos na tabela e realizando as operações matemáticas necessárias, obteremos que: ∆𝐻° = −1367,2 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 Exercícios 1. (UFRJ) Desde a pré-história, quando aprendeu a manipular o fogo para cozinhar seus alimentos e se aquecer, o homem vem percebendo sua dependência cada vez maior das várias formas de energia. A energia é 67 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 importante para uso industrial e doméstico, nos transportes, etc. Existem reações químicas que ocorrem com liberação ou absorção de energia, sob a forma de calor, denominadas, respectivamente, como exotérmicas e endotérmicas. Observe o gráfico a seguir e assinale a alternativa correta: A) O gráfico representa uma reação endotérmica. B) O gráfico representa uma reação exotérmica. C) A entalpia dos reagentes é igual á dos produtos. D) A entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes. E) A variação de entalpia é maior que zero. 2. (ENEM PPL – 2020) A água sofre transições de fase sem que ocorra variação da pressão externa. A figura representa a ocorrência dessas transições em um laboratório. Tendo como base as transições de fase representadas (1 a 4), a quantidade de energia absorvida na etapa 2 é igual à quantidade de energia A) liberada na etapa 4. B) absorvida na etapa 3. C) liberada na etapa 3. D) absorvida na etapa 1. E) liberada na etapa 1. 3. (PUC-MG) O fenol (C6H5OH) é um composto utilizado industrialmente na produção de plásticos e corantes. Sabe- se que sua combustão total é representada pela equação: 𝐶6𝐻5𝑂𝐻(𝑙) + 7𝑂2(𝑔) → 6𝐶𝑂2(𝑔) + 3𝐻2𝑂(𝑔) ∆𝐻 = 3054 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 e que as entalpias de formação do CO2(g) e H2O(g) valem, respectivamente: –395kJ/mol e –286kJ/mol a 25ºC e 1 atm. A entalpia de formação do fenol, a 25ºC e a 1 atm, em kJ/mol, é igual a: A) – 174,0 B) – 2373,0 C) + 174,0 D) + 2373,0 E) N.D.A 4.(UFMG) Um béquer aberto, contendo acetona, é mergulhado em outro béquer maior, isolado termicamente, o qual contém água,1 conforme mostrado na figura a seguir. A temperatura da água é monitorada durante o processo de evaporação da acetona, até que o volume desta se reduz à metade do valor inicial. Identifique a alternativa cujo gráfico descreve qualitativamente a variação da temperatura registrada pelo termômetro mergulhado na água, durante esse experimento. https://www.pucminas.br/destaques/Paginas/default.aspx 68 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução à Termoquímica parte 2 Iremos dar continuidade ao nosso conteúdo anterior. Leis de Hess Conhecido o valor da entalpia de formação das substâncias, é possível calcular o valor da entalpia das reações, nas quais essas substâncias estão envolvidas[1,3,5]. Henri Hess (1802-1850), percebeu que se nós conhecermos o valor da entalpia de formação das substâncias, seriamos capazes de determinar a entalpia das reações, nas quais essas substâncias estão envolvidas [1,3,5]. Segundo a lei de Hess, uma reação depende exclusivamente da entalpia inicial, seja ela realizada em uma única etapa ou em várias etapas [1,3,5].Ou seja, a variação de entalpia final corresponde ao somatório das variações de entalpia das reações intermediárias no produto desejado [1,3,5]. Achar o ∆𝐻 a partir da lei de Hess é como brincar de quebrar cabeça. Vamos a um exemplo, vamos analisar qual é a variação de entalpia de produção do metanol, a partir da reação do gás metano, apresentada a seguir[3]. 𝐶𝐻4(𝑔) + 1 2 𝑂2(𝑙) → 𝐶𝐻3𝑂𝐻(𝑙) Podemos obter a variação de entalpia dessa reação por intermédio de valores de variação de entalpia de uma série de outras reações[3]. Como por exemplo, as três equações abaixo: 1. 𝐶𝐻4(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐶𝑂(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ∆𝐻°𝐴 = 206,1 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 2. 2𝐻2(𝑔) + 𝐶𝑂(𝑔) → 𝐶𝐻3𝑂𝐻(𝑙) ∆𝐻°𝐵 = −128,3 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 3. 2𝐻2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) → 2𝐻2𝑂(𝑙) ∆𝐻°𝐶 = −428,6 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 O que temos que fazer agora é tentar “montar” a equação da síntese do gás metanol a partir dessas 3 equações. Para isso, será necessário realizar algumas operações matemáticas com objetivo de encontrá-la. A reação de síntese do metanol possui ½ de 02, então, tem-se que dividir a equação 3 por dois, o que resulta em dividir também o ∆𝐻°𝐵. [3] Resultando em 𝐶𝐻4(𝑔) + 1 2 𝑂2(𝑙) → 𝐶𝐻3𝑂𝐻(𝑙) ∆𝐻° = −136,5 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 OBS: Tudo o que você fizer na equação tem que fazer no ∆𝐻. Se multiplicar ou dividir a equação, deve multiplicar ou 69 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 dividir o ∆𝐻, se inverter a equação química, deve-se trocar o sinal do ∆𝐻. [3] Entalpia de Ligação A energia de ligação é a energia necessária para romper ou formar um mol de ligação no estado gasoso. Como a energia de ligação entre os átomos é praticamente constante, qualquer que seja a substância da qual façam parte, podemos tabelar esses valores e calcular o ∆𝐻 de uma reação por meio da expressão[3,1]. ∆𝐻 = ∑ ∆𝐻𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 − ∑ ∆𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 Exemplo Calcule a entalpia de ligação da reação química abaixo. 𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) → 2𝑁𝐻3(𝑔) Dados: Ligação Entalpia 𝐻 − 𝐻 432 kJ/mol 𝑁 ≡ 𝑁 942 kJ/mol 𝑁 − 𝐻 383 kJ/mol Fonte: Autoria própria - Uma dica que eu dou para não errar nenhuma questão sobre entalpia de ligação é desenhar as estruturas de cada componente da reação. Fonte: Autoria própria ∆𝐻 = ∑ ∆𝐻𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 − ∑ ∆𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 ∆𝐻 = [942 + (3 ∗ 432)] − [2 ∗ 3 ∗ 386] OBS: São 3 ligações N – H por molécula. Temos 2 moléculas. Por isso 2*3* a entalpia de ligação. ∆𝐻 = −78𝑘𝐽 Exercícios 1. (UEPG-PR) Com base nas informações e no diagrama a seguir, relacionados com a combustão completa do propano, a qual resulta em dióxido de carbono e água, identifique o que for correto. Entalpias de formação: ∆𝐻(𝐶𝑂2(𝑔)) = −394 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. ∆𝐻(𝐻2𝑂(𝑙𝑖𝑞)) = −286 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. 01) ∆H1 é igual a - 680 kJ 02) A combustão de um mol de propano produz um mol de gás carbônico e um mol de água. 70 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 04) A entalpia de formação do propano é igual a −126 𝑘𝐽. 08) A combustão do propano é um processo exotérmico. 16) ∆𝐻2 é igual a −126 𝑘𝐽 2. (ENEM–2019) Glicólise é um processo que ocorre nas células, convertendo glicose em piruvato. Durante a prática de exercícios físicos que demandam grande quantidade de esforço, a glicose é completamente oxidada na presença de 𝑂2. Entretanto, em alguns casos, as células musculares podem sofrer um déficit de 𝑂2 e a glicose ser convertida em duas moléculas de ácido lático. As equações termoquí micas para a combustão dá glicose e do ácido lático são, respectivamente, mostradas a seguir: 𝐶6𝐻12𝑂6(𝑠) + 6𝑂2(𝑔) → 6𝐶𝑂2(𝑔) + 6 𝐻2𝑂(𝑙) ∆𝐶𝐻 = −2800𝑘𝐽 𝐶𝐻3𝐶𝐻(𝑂𝐻)𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑠) + 3𝐶𝑂2(𝑔) + 3𝐻2𝑂(𝑙) + 3𝐻2𝑂(𝑙) ∆𝐶𝐻 = −1 344 𝑘𝐽 O processo anaeróbico é menos vantajoso energeticamente porque A) libera 112 kJ por mol de glicose. B) libera 467 kJ por mol de glicose. C) libera 2 688 kJ por mol de glicose. D) absorve 1 344 kJ por mol de glicose. E) absorve 2 800 kJ por mol de glicose. 3. (ENEM PPL – 2019) O gás hidrogênio é considerado um ótimo combustível, o único produto da combustão desse gás é o valor de água, como mostrado na equação química. 2 𝐻2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) → 2𝐻2𝑂(𝑔) Um cilindro contém 1 kg de hidrogênio e todo esse gás foi queimado. Nessa reação, são rompidas e formadas ligações químicas que envolvem as energias listadas no quadro. Massas molares (g/mol):𝐻2 = 2; 𝑂2 = 32; 𝐻2𝑂 = 18. Qual é a variação da entalpia, em quilojoule, da reação de combustão do hidrogênio contido no cilindro? A) -242 000. B) -121 000. C) -2 500. D) +110 500. E) +234 000. 4. (UFSM-RS) Muitos carros utilizam o álcool etílico como combustível. Sabendo que sua combustão total é representada pela equação química balanceada: 𝐶2𝐻5𝑂𝐻(𝑙) + 3𝑂2(𝑔) → 2 𝐶𝑂2(𝑔) + 3 𝐻2𝑂 ∆𝐻 = −327 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 A quantidade de calor liberada na queima de 141 g de álcool etílico é, aproximadamente, A) –327 kcal B) -460 kcal C) -1 000 kcal D) -10 000 kcal E) -46 000 kcal 71 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução a Eletroquímica parte 1 Estamos caminhando para o final da nossa apostila. O último capitulo é dedicado a processo processos eletroquímicos como pilhas e eletrólise. Esses processos envolvem reações de oxidação e redução, por isso, antes de abordarmos sobre eles, é de suma importância vermos um pouquinho sobre reações de oxidação e redução (também chamadas de reação de oxirredução) e sobre Número de oxidação (Nox). O Conceito de Oxidação e Redução A oxidação e a redução são fenômenos que ocorrem simultaneamente (ou seja, um não pode ocorrer sem o outro) em reações em que há transferência de elétrons entre os átomos das espécies químicas participantes da reação [1]. a. Oxidação: É a perda de elétrons por uma espécie química[1]. b. Redução: Ganho de elétrons por uma espécie química[1]. Vamos a um exemplo. A equação a seguir representa a reação do ferro com o oxigênio[1,4]. 𝐹𝑒(𝑠) + 1 2 𝑂2(𝑔) → 𝐹𝑒𝑂(𝑠) Essa reação composta por duas semirreações: A semirreação de oxidação do ferro e a semirreação de redução do oxigênio. Ambas demonstradas a seguir [1,4]. 𝐹𝑒 → 𝐹𝑒 2+ + 2𝑒− 𝑂 + 2𝑒− → 𝑂 2− Você não precisa se preocupar em decorar nenhuma semirreação, elas são tabeladas. O somatório de duas semirreações deve fornecer a reação global, e os elétrons não são representadas, porque a quantidade que entra em uma reação deve ser igual à que sai na outra reação [1,4]. Ainda há uma outra nomenclatura que utilizamos quando estudamos tais processos, que é agente oxidante (espécie química que sofre redução, provocando a oxidação, reduzindo o seu Nox) e agente redutor (espécie química que sofre oxidação, provocando a redução, aumentando o seu Nox). No exemplo acima, o ferro transferiu elétrons para o oxigênio, provocando a redução deste. Neste caso, o ferro é o agente redutor. Por outro lado, o oxigênio recebeu elétrons, causando a oxidação do ferro. Deste modo, o oxigênio é o agente oxidante [1,4]. Número de Oxidação (Nox) O número de oxidação indica a quantidade de elétrons cedidos ou perdidos quando [1,4,5] 72 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 a. Um átomo realiza uma ligação iônica; b. Ocorre uma quebra de todas as ligações covalentes realizadas pelo átomo, ficando os elétrons com os átomos mais eletronegativos. (Sugiro uma breve leitura sobre eletronegatividade) [1,4,5]. No exemplo acima, podemos notar que: 𝐹𝑒2+ 𝑂 2− Para o Ferro, o Nox = +2 Ele perdeu 2 elétrons (Lembrando que o elétron possui carga negativa e o sinal positivo representa a perda do elétron) = Ele oxidou-se [1,4,5]. Para oxigênio, o Nox = -2 Ele ganhou 2 elétrons = Ele reduziu-se [1,4,5]. Exemplo 2 Quando há quebras de ligações covalentes, como por exemplo a quebra da ligação entre os elementos do ácido clorídrico. O cloro fica com o elétron o par de elétrons da ligação por ser mais eletronegativo que o hidrogênio [1,4,5]. 𝐻𝐶𝑙 → 𝐻+ + 𝐶𝑙− Para o hidrogênio, o Nox = +1 Perdeu 1 elétron = Oxidou-se Para o cloro, o Nox = -1 Ganhou 1 elétron = reduziu-se. Regra do Nox 𝑯 → Para o hidrogênio, em quase todos os casos, Nox = 1[1,4,5]. 𝑶 → Oxigênio possui Nox = 2 em quase todos os casos, exceto: peróxidos o Nox = -1, superóxidos o Nox = - ½ e ele pode ser +1 ou +2 para fluoretos [1,4,5]. 𝑭𝒂𝒎í𝒍𝒊𝒂 𝟏𝑨 → Nox = +1 [1,4,5]. 𝑭𝒂𝒎í𝒍𝒊𝒂 𝟐𝑨 → Nox = +2[1,4,5]. 𝑭𝒂𝒎𝒊𝒍𝒊𝒂 𝟕𝑨 → Nox = -1 [1,4,5]. 𝑺𝒖𝒃𝒔𝒕â𝒏𝒄𝒊𝒂𝒔 𝒔𝒊𝒎𝒑𝒍𝒆𝒔 → Nox = 0 [1,4,5]. Exemplo 3 Fonte: Autoria própria 73 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Introdução a Eletroquímica parte 2 Vamos falar agora sobre um pouquinho sobre pilhas e eletrolise. Em ambos ocorre uma reação de oxirredução, mas a principal diferença entre uma pilha e um processo eletrolítico é que, na pilha, a reação é espontânea e tem como objetivo a obtenção de uma corrente elétrica. Por outro lado, a eletrólise é um processo não espontâneo e que para ocorrer necessita consumir uma corrente elétrica [1,4,5]. A forma de verificar a espontaneidade de uma reação química para então verificar se o processo se trata de uma pilha ou uma eletrólise é por intermédio do potencial de eletrodo. Potencial de Eletrodo (E) Em eletroquímica temos dois tipos de potenciais: a. Potencial de Oxidação (𝑬𝒐𝒙𝒊): É a tendência de um elemento químico em sofrer o processo de oxidação [1,4,5]. b. Potencial de Redução (𝑬𝒓𝒆𝒅): É a tendência de um elemento químico em sofrer o processo de redução [1,4,5]. Esses potenciais são tabelados, não há necessidade em decorar nada. Todos esses valores que são mostrados na tabela de potencial padrão de redução de eletrodo a seguir foram medidos através de um potencial de referência. O potencial de referência utilizado foi o do hidrogênio, ao qual foi atribuído, por conversão, o valor de 0,00 𝑉 (zero volt) [1,4,5]. Fonte: SANTOS0; MÓL, 2016[4]. a. 𝐸𝑟𝑒𝑑 0 > 0 → O eletrodo reduz mais facilmente do que o hidrogênio. b. 𝐸𝑟𝑒𝑑 0 < 0 → O eletrodo oxida mais facilmente do que o hidrogênio. Podemos determinar se o processo envolvendo dois elementos químicos, que é de interesse que passem por uma reação de oxirredução, será um processo espontâneo ou não fazendo a medição da sua diferencia de potencial (d.d.p). Experimentalmente, utilizamos um voltímetro, mas em posse das semirreações e do potencial de cada elemento, podemos achar a d.d.p por intermédio da equação abaixo [1,4,5]. ∆𝐸° = 𝐸°𝑟𝑒𝑑(𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟) − 𝐸°𝑟𝑒𝑑(𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟) Caso: ∆𝐸° > 0 → Reação é espontânea, logo, se trata de uma pilha. ∆𝐸° < 0 → Reação não é espontânea, logo, se trata de uma eletrolise. 74 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exemplo: Calcule a d.d.p da reação entre o zinco e o cobre e encontre a reação global [1,4,5]. 1. Escrevemos as duas semirreações com os potencias de cada elemento. 𝑍𝑛(𝑎𝑞) 2+ + 2𝑒− → 𝑍𝑛(𝑠) 0 𝐸°𝑟𝑒𝑑 = −0,74 𝑉 𝐶𝑢(𝑎𝑞) 2+ + 2𝑒− → 𝐶𝑢 𝐸°𝑟𝑒𝑑 = +0,34 𝑉 2. Invertemos a equação de menor potencial de redução. Essa reação é a que irá sofrer oxidação. 𝑍𝑛(𝑠) 0 → 𝑍𝑛(𝑎𝑞) 2+ + 2𝑒− 𝐸°𝑟𝑒𝑑 = +0,74 𝑉 Portanto, nessa reação, o cobre irá sofre redução e o zinco oxidação. ∆𝐸° = 𝐸°𝑟𝑒𝑑(𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟) − 𝐸°𝑟𝑒𝑑(𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟) ∆𝐸° = 0,74 − 0,34 ∆𝐸° = 1,10 𝑉 E a reação global é a soma das duas semirreações. Lembrando que não representamos os elétrons, pois eles “se cancelam quando somamos as duas reações” [1,4,5]. 𝑍𝑛(𝑠) 0 + 𝐶𝑢(𝑎𝑞) 2+ → 𝑍𝑛(𝑎𝑞) 2+ + 𝐶𝑢(𝑠) 0 E o processo se trata de uma pilha, pois o ∆𝐸° > 0. Pilha Fonte: SANTOS0; MÓL, 2016[4]. Nas pilhas, os eletrodos são chamados de polos e recebem os seguintes nomes: 𝐶á𝑡𝑜𝑑𝑜 → 𝑃𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 → 𝑂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢çã𝑜 Â𝑛𝑜𝑑𝑜 → 𝑃𝑜𝑙𝑜 𝑁𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 → 𝑂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑎 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎çã𝑜 De acordo com a IUPAC, a pilha deve ser representada da seguinte forma: Fonte: Autoria própria Eletrólise Fonte: SANTOS0; MÓL, 2016[4]. Â𝑛𝑜𝑑𝑜 → 𝑃𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 → 𝑂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢çã𝑜 𝐶á𝑡𝑜𝑑𝑜 → 𝑃𝑜𝑙𝑜 𝑁𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 → 𝑂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑎 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎çã𝑜 75 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Exercícios 1. (FEI-SP) São conhecidos os seguintes potenciais-padrão (redução) a 25°C das semirreações: E as seguintes reações: É correto afirmar que: A) A reação I é espontânea. B) A diferença de potencial padrão entre os eletrodos é +0,93 volt. C) A massa do eletrodo de chumbo aumenta com o tempo. D) O eletrodo de chumbo é catodo. E) Os elétrons se descolam no circuito externo do eletrodo de prata para o eletrodo de chumbo. 2.(UFC-CE) Considere as seguintes reações de oxidação-redução, as quais representam processos espontâneos: Identifique a alternativa que contém as relações corretas de ordem de grandeza dos potencias de redução (𝐸°) para os processos acima relacionados. A)𝐸°(𝑁𝑎+/𝑁𝑎) > 𝐸°(𝐴𝑔+/𝐴𝑔) > 𝐸°(𝐿𝑖+/𝐿𝑖) B)𝐸°(𝐴𝑔+/𝐴𝑔) > 𝐸°(𝑁𝑎+/𝑁𝑎) > 𝐸°(𝐿𝑖+/𝐿𝑖) C)𝐸°(𝐿𝑖+/𝐿𝑖) > 𝐸°(𝐴𝑔+/𝐴𝑔) > 𝐸°(𝑁𝑎+/𝑁𝑎) D) 𝐸°(𝐿𝑖+/𝐿𝑖) > 𝐸°(𝑁𝑎+/𝑁𝑎) > 𝐸°(𝐴𝑔+/𝐴𝑔) E) 𝐸°(𝐴𝑔+/𝐴𝑔) > 𝐸°(𝐿𝑖+/𝐿𝑖) > 𝐸°(𝑁𝑎+/𝑁𝑎) 3. (ENEM PPL-2020) Um cidadão que se mudou de Brasília para Recife, após algum tempo, percebeu que partes de seu carro estavam enferrujando muito rapidamente. Perguntou para seu filho, estudante do ensino médio, a explicação para o fenômeno. O filho pesquisou na internet e descobriu que, por causa da maresia, gotículas de água do mar atingem os objetos de aço (liga de ferro e carbono) e intensificam sua corrosão. Com base nessa informação, o estudante explicou corretamente ao pai o efeito do cloreto de sódio na corrosão. A explicação correta de a maresia acelerar a corrosão do aço é porque A) reduz o ferro B) oxida o carbono C) dissolve a pintura do carro D) torna a água mais condutora E) diminui a dissolução do oxigênio na água. 4. (ENEM-2020) As pilhas recarregáveis, bastante utilizadas atualmente, são formadas por sistemas que atuam como uma célula galvânica, enquanto estão sendo descarregadas, e como célula eletrolítica, quando estão sendo recarregadas. Uma pilha é formada pelos elementos níquel e cádmio e seu carregador deve fornecer uma diferença de potencial mínima para promover a recarga. Quanto maior a diferença de potencial gerada pelo carregador, maior será o seu custo. Considere os valores de potencial padrão de redução dessas espécies: 76 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Teoricamente, para que um carregador seja ao mesmo tempo eficiente e tenha o menor preço, a diferença de potencial mínima, em volt, que ele deve superar é de: A) 0,086. B) 0,172. C) 0,316. D) 0,632. E) 1,264. 5.(ENEM PPL-2020) Os tanques de armazenamento de gasolina podem, com o tempo, sofrer processos oxidativos, resultando na contaminação do combustível e do solo à sua volta. Uma forma de evitar tais problemas econômicos e ambientais é utilizar preferencialmente metais de sacrifício, protegendo os tanques de armazenamento. Suponha que seja necessário usar um metal de sacrifício em um tanque de aço (liga de ferro-carbono). Considere as semirreações de redução e seus respectivos potenciais padrão. Dos metais citados, o que garantirá proteção ao tanque de aço é o A) Zinco. B) cobre. C) níquel. D) cádmio. E) mercúrio. 6. (ENEM 2020) No final do século XIX, muitos cientistas estavam interessados nos intrigantes fenômenos observados nas ampolas de raios catódicos, que são tubos sob vácuo em que se ligam duas placas a uma fonte de alta tensão. Os raios catódicos passam através de um orifício no ânodo e continuam o percurso até a outra extremidade do tubo, onde são detectados pela fluorescência produzida ao chocarem-se com um revestimento especial, como pode ser observado na figura. Medições da razão entre a carga e a massa dos constituintes dos raios catódicos mostram que a sua identidade independe do material do cátodo ou do gás dentro das ampolas. Fonte: CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Química. Porto Alegre: Bookman, 2013 (adaptado) Essa radiação invisível detectada nas ampolas é constituída por: A) ânions B) cátions. C) prótons D) elétrons. E) partículas alfa. 77 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1PERUZZO, F. M; CANTO, E. L. Química na Abordagem do Cotidiano. 3. ed. vol. 2. São Paulo: Editora moderna, 2003. 2RUSSELL, J. B. Química Geral. 2. ed. vol. 2. São Paulo: Editoria Person, 2000. 3SANTOS, W; MÓL, G. Química Cidadã. 3. ed. vol. 2. São Paulo: Editora AJS, 2016. 4SANTOS, W; MÓL, G. Química Cidadã. 3. ed. vol. 3. São Paulo: Editora AJS, 2016. 5ATKINS, P. W.; DE PAULA, Julio. Atkins, Físico-Química. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, c2008. 2 v ISBN 9788521616009 (v.1). 6USP. Dispersões Coloidais. Instituto de Química. Disponível em: http://iq.usp.br/hvlinner/coloides.pdf. Acesso em: 30 de maio de 2021. 7. Colégio Curso Desafio. Solubilidade e curvas de solubilidade. Disponível em: http://colegiocursodesafio.com.br/MyFil eHandler.ashx?File=Cap%C3%ADtulo% 2014.pdf, Acesso em: 30 de maio de 2021. 8UNESP. Misturas e Solubilidade, Processos de Dissolução. Disponível em: https://acervodigital.unesp.br/bitstrea m/123456789/39958/6/qui_m4d8_tm0 2_box2.pdf. Acesso em: 2 de jun. de 2021. 9UFJF. Equilíbrio de Solubilidade. Disponível em: https://www.ufjf.br/quimicaead/files/20 13/05/FQAnalitica_Aula11.pdf. Acesso em: 2 de jun. de 2021. 10UFJF. Titulação em Química Analítica. Disponível em: http://www.ufjf.br/nupis/files/2014/03/ aula-2-Titula%C3%A7%C3%A3o- %C3%A1cido-base.pdf. Acesso em: 2 de jun. de 2021. 11COLÉGIO WEB. Ebuliometria ou ebulioscopia. Disponível em: https://www.colegioweb.com.br/proprie dades-coligativas/ebuliometria-ou- ebulioscopia.html. Acesso em: 2 jun. de 2021. 12TOSTES, D. Propriedades coligativas. Disponível em: http://www.editoraopirus.com.br/uploa ds/mg/materiais/tarefa_semanal/mg- tarefa-semanal-3-serie- 5ee76fe5ac1c6.pdf. Acesso em: 7 de jun. de 2021. 13NAHRA, SARA. Termoquímica. Disponível em: https://querobolsa.com.br/enem/quimi ca/termoquimica. Acesso em: 8 de jun. de 2021. 14NAHRA, SARA. Reações Exotérmica e Endotérmica. Disponível em: https://querobolsa.com.br/enem/quimi ca/reacao-exotermica-e-endotermica. Acesso em: 8 de jun. de 2021. 15TODA MATÉRIA. Propriedades Coligativas. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/propri edades-coligativas/. Acesso em: 7 de jun. de 2021. 78 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Físico-Química Prof. Gierdson Santos EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 GABARITO SOLUÇÕES 1. A 2. B 3. D 4. 5 CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES 1. B 2. E 3. D 4. A DILUIÇÃO E MISTURA DE SOLUÇÕES 1. E 2. A 3. D PROPRIEDADES COLIGATIVAS 1. E 2. C 3. D INTRODUÇÃO A CINÉTICA QUÍMICA 1. A 2. D 3. E INTRODUÇÃO AO EQUILÍBRIO QUÍMICO 1. E 2. C 3. B INTRODUÇÃO A TERMOQUÍMICA – PARTE 1 1. B 2. E 3. A 4. C INTRODUÇÃO A TERMOQUÍMICA – PARTE 2 1. 28 2. A 3. A 4. C INTRODUÇÃO A ELETROQUÍMICA – PARTE 2 1. B 2. B 3. D 4. B 5. A 6. D 79 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 80 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 O CARBONO DEFINIÇÃO DE QUÍMICA ORGÂNICA A química orgânica é definida pelo estudo de compostos que contém carbono e não são de fontes minerais, como: Butano (C4H10) e propano (C3H8) – Presentes no gás de cozinha GLP (Gás Liquefeito de Petróleo); Ácido acético (C2H4O2) – Constituinte principal do vinagre; Propanol (C3H8O) – Constituinte principal da Acetona; Hexano (C6H6) – Solvente utilizado na extração do óleo de soja; Etanol (C2H6O) e Octano – Utilizado como combustíveis. CURIOSIDADE: A gasolina é composta por vários hidrocarbonetos, entre eles, o heptano e o iso-octano (responsável pela octanagem). A proporção entre essas duas substâncias indica a qualidade do combustível. Quanto maior for a parcela de octano, melhor será a gasolina. De modo geral, a maior parte dos compostos orgânicos contêm ao menos um carbono ligado ao hidrogênio, essa característica, facilita sua identificação. No entanto, há sim compostos orgânicos onde essa particularidade não prevalece. Como no caso do ácido carbônico (H2CO3) e o cianeto de amônio (NH4CN) [1]. Outros exemplos de compostos que contêm carbono e NÃO são orgânicos: Carbonato de cálcio (CaCO3) – Utilizado na indústria de plásticos, dando ao produto resistência a abrasão; Monóxido de carbono (CO) – Resultado da combustão incompleta de compostos orgânicos; Dióxido de carbono (CO2) – Resultado da respiração e uma das bases para a fotossíntese. POR QUE O CARBONO CONSEGUE REALIZAR QUATRO LIGAÇÕES? Hibridização! Esse seria o advogado que permite as quatro ligações caso o carbono fosse preso. Pois é através da hibridização que o carbono consegue realizar suas quatro ligações. Se realizarmos a distribuição eletrônica do carbono, chegaremos ao seguinte resultado: 1s2 2s2 2p2, logo, seu estado de valência seria bivalente, podendo então realizar duas ligações [1,2]. Distribuição eletrônica do carbono sem hibridização. Fonte: omundodaquimica.com/ org1_hibridizacao, 2015. 81 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 No entanto, o fenômeno de hibridização, permite que ele realize um número maior de ligações covalentes. Deste modo, a distribuição eletrônica do carbono hibridizado será: 1s2 2sp3, passando a ter estado de valência tetravalente [1,2]. Distribuição eletrônica do carbono hibridizado. Fonte: <omundodaquimica.com.br /academica/org1_hibridizacao> 2015 Deste modo, para cada ligação, o átomo de carbono se comporta de modo distinto no espaço. Representação espacial das ligações. Fonte: Autoria própria, 2020. Deste modo, é possível criar uma tabela, relacionando o número de ligações, suas geometrias, hibridização e sua representação no espaço. Fonte: Autoria própria, 2020. CLASSIFICAÇÃO DO CARBONO Há dois tipos de classificação, a ligação que um carbono faz com outro carbono e, sua classificação dentro da cadeia. 1.1. Classificação do tipo de ligação Para classificarmos a ligação, precisamos saber: 1º - A primeira ligação sempre vai ser do tipo sigma (σ) [3]. 2º - As demais ligações sempre serão do tipo pi (π) [3]. Deste modo, podemos representar os tipos de ligações através da tabela abaixo: Representação das ligações. Fonte: Autoria própria, 2021. 82 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 1.2. Classificação do carbono dentro da cadeia. A característica que permite a sua classificação dentro da cadeia, advém da sua característica de catenação, isto é, sua característica de formar cadeias [3]. Desse modo, o carbono consegue se ligar com infinitos outros carbonos e através destas cadeias podemos classificá-los quanto: carbonos primários, carbonos secundários, carbonos terciários e carbonos quaternários [1,2]. Para melhor compreendermos, vamos observar a molécula de iso- octano e, como são as classificações do tipo carbono-carbono. Molécula de iso-octano com carbonos categorizados. Fonte: Autoria própria, 2020. ➢ O carbono que se liga somente com um carbono, é chamado de carbono primário [4]; ➢ Já carbono que se liga com outros dois carbonos, é denominado carbono secundário [4]; ➢ De mesmo modo, o carbono que se liga com outros três carbonos, é chamado carbono terciário [4]. ➢ Por fim, o carbono que realiza quatro ligações com outros quatro carbonos, é nomeado de carbono quaternário [4]. EQUIVALÊNCIA DO CARBONO. Por fim, a última característica do carbono, é sua equivalência. Vamos utilizar do clorometano (CH2Cl) para compreender essa propriedade. Fonte: Autoria própria, 2020. Observe que a molécula de clorometano em diferentes ângulos, continua igual, de modo que, independentemente da posição do cloro, a molécula continua sendo o clorometano. Comprovando então sua equivalência. EXERCÍCIOS 1. (ENEM 2018) O grafeno é uma forma alotrópica do carbono constituído por uma folha planar (arranjo bidimensional) de átomos de carbono compactados e com a espessura de apenas um átomo. Sua estrutura é hexagonal, conforme a figura. 83 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Nesse arranjo, os átomos de carbono possuem hibridação a) sp de geometria linear. b) sp2 de geometria trigonal planar. c) sp3 alternados com carbonos com hibridização sp de geometria linear. d) sp3d de geometria planar. e) sp3d2 com geometria hexagonal planar. 2. O carbono é encontrado na natureza em diferentes arranjos e estruturas. O carbono diamante (Cdiam), possui alto valor agregado e é formado sob alta pressão, possuindo estrutura onde o carbono realiza quatro ligações simples. Já o carbono grafite (Cgraf) possui valor agregado muito baixo, comparado ao seu alótropo diamante e realiza ligações duplas conjugadas. As representações das estruturas dos átomos de carbono nos diferentes alótropos, diamante e grafite, estão representadas abaixo. Diamante: Grafite: A partir das estruturas citadas e do enunciado da questão, podemos afirmar que a hibridização dos átomos de carbono presentes no diamante e no grafite são, respectivamente: a) sp3 e sp b) sp2 e sp2 c) sp3 e sp2 d) sp3 e sp3 e) sp2 e sp3 3. (UFV-MG) No hidrocarboneto de fórmula estrutural representada abaixo, os átomos de carbono estão numerados de 1 a 7. Sobre esse hidrocarboneto, são feitas as seguintes afirmativas: I - O total de ligações π (pi) na estrutura é igual a 3. II - O átomo de carbono 2 forma 3 ligações π (pi) e 1 ligação σ (sigma). III - O átomo de carbono 5 forma 3 ligações σ (sigma) e 1 ligação π (pi). IV - O átomo de carbono 1 forma 4 ligações σ (sigma). São corretas apenas as afirmativas: a) I, III e IV. b) II e IV. c) I e II. d) I, II e IV. e) I, II, III CLASSIFICAÇÃO DA CADEIA CARBÔNICA 84 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 REPRESENTAÇÃO DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS Existem três maneiras distintas de se representar um composto orgânico. A. Fórmula estrutural; B. Fórmula estrutural simplificada ou fórmula estrutural condensada; C. Fórmula estrutural de linhas. A primeira representação, fórmula estrutural, expõe todas as ligações do composto orgânico, conforme demonstrado abaixo: (Essência de morango) Acetato de isobutila Fonte: Autoria própria, 2020. Já a segunda representação, estrutural simplificada, oculta as ligações entre carbonos e hidrogênios. Conforme demonstrado abaixo: Acetato de isobutila Fonte: Autoria própria, 2020. Por fim, a terceira representação, estrutural de linhas, além de ocultar as ligações do hidrogênio, omite também o carbono, expondo somente átomos distintos ou funções orgânicas. Acetato de isobutila Fonte: Autoria própria, 2020. CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS Antes de classificarmos, precisamos saber que, a classificação é dividida para dois tipos de compostos. Os compostos de cadeias abertas e cadeias fechadas. No entanto, dentro da classificação das cadeias fechadas, há a subclassificação, de aromáticos ou alicíclicos, como pode ser observado abaixo: Fluxograma das cadeias. Fonte: Autoria própria, 2020. 85 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 1.1 Cadeias abertas, acíclicas ou alifáticas [1] Fonte: Autoria própria, 2019. 1.2 Cadeias fechadas - alicíclicas e aromáticas [1] 1.2.1 Cadeias fechadas – Alicíclicas Fonte: Autoria própria, 2019. 86 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 1.2.2 Cadeias fechadas – Aromáticas [1] Fonte: Autoria própria, 2019. EXERCÍCIOS 1. (PUCRJ) O óleo de citronela é muito utilizado na produção de velas e repelentes. Na composição desse óleo, a substância representada a seguir está presente em grande quantidade, sendo, dentre outras, uma das responsáveis pela ação repelente do óleo. A cadeia carbônica dessa substância é classificada como aberta, a) saturada, homogênea e normal. b) saturada, heterogênea e ramificada. c) insaturada, ramificada e homogênea. d) insaturada, aromática e homogênea. e) insaturada, normal e heterogênea. 2. (IFSUL) O 2,2,4-trimetilpentano, conforme a fórmula estrutural representada abaixo, é um alcano isômero do octano. Ele é o padrão (100) na escala de octanagem da gasolina e é impropriamente conhecido por iso- octano. Quanto maior é o índice de octanagem, melhor é a qualidade da gasolina. Sobre a cadeia do iso-octano, afirma-se que ela é: a) saturada, aberta, normal e heterogênea. b) insaturada, cíclica, normal e heterogênea. c) saturada, aberta, ramificada e homogênea. d) insaturada, cíclica, ramificada e homogênea. e) saturada, cíclica, normal e heterogênea. 87 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 3. (UERJ) A exposição ao benzopireno é associada ao aumento de casos de câncer. Observe a fórmula estrutural dessa substância: Com base na fórmula, a razão entre o número de átomos de carbono e o de hidrogênio, presentes no benzopireno, corresponde a: a)3/7 b)6/5 c)7/6 d)5/3 e)1 4. (FUVEST) Admite-se que as cenouras sejam originárias da região do atual Afeganistão, tendo sido levadas para outras partes do mundo por viajantes ou invasores. Com base em relatos escritos, pode-se dizer que as cenouras devem ter sido levadas à Europa no século XII e, às Américas, no início do século XVII. Em escritos anteriores ao século XVI, há referência apenas a cenouras de cor roxa, amarela ou vermelha. É possível que as cenouras de cor laranja sejam originárias dos Países Baixos, e que tenham sido desenvolvidas, inicialmente, à época do Príncipe de Orange (1533-1584). No Brasil, são comuns apenas as cenouras laranja, cuja cor se deve à presença do pigmento betacaroteno, representado a seguir. Com base no descrito acima, e considerando corretas as hipóteses ali aventadas, é possível afirmar que as cenouras de coloração laranja a) podem ter sido levadas à Europa pela Companhia das Índias Ocidentais e contêm um pigmento que é um polifenol insaturado. b) podem ter sido levadas à Europa por rotas comerciais norte-africanas e contêm um pigmento cuja molécula possui apenas duplas ligações cis. c) podem ter sido levadas à Europa pelos chineses e contêm um pigmento natural que é um poliéster saturado. d) podem ter sido trazidas ao Brasil pelos primeiros degredados e contêm um pigmento que é um polímero natural cujo monômero é o etileno. e) podem ter sido trazidas a Pernambuco durante a invasão holandesa e contêm um pigmento natural que é um hidrocarboneto insaturado. OBSERVAÇÃO A classificação é dada entre carbonos. Para ser ramificada, um carbono deve estar acima ou abaixo da cadeia. Para ser homogênea, deve haver um heteroátomo entre carbonos. Para ser insaturada, deve haver dupla ou tripla ligação entre carbonos. *Heteroátomo: qualquer átomo diferente de carbono e hidrogênio. 88 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 IDENTIFICAÇÃO DA CADEIA PRINCIPAL IDENTIFICAÇÃO DA CADEIA PRINCIPAL Para conseguirmos identificar a cadeia principal, precisamos seguir 4 passos [3,4]. 1º. Identificar o caminho que contém o maior número de carbonos. 2º. Incluir a função orgânica no caminho. 3º. Incluir as instaurações, se houver. 4º. Priorizar o maior número de radicais. ENUMERAÇÃO DA CADEIA PRINCIPAL Para enumerar a cadeia principal, devemos selecionar em qual carbono iniciamos a contagem [3,4]. Para isso seguiremos o seguinte ranking de prioridades: 1º. Iniciar pela função orgânica, exceto hidrocarbonetos. 2º. Iniciar pela insaturação, caso não haja função orgânica. 3º. Se não houver função, nem insaturação, priorizar o menor número nas ramificações. 4º. Caso não ocorra nenhuma das três prioridades, deve seguir ordem alfabética (nomenclatura). Depois de vermos o passo a passo da identificação e enumeração, vamos colocar em prática o que aprendemos. EXEMPLO 1. Identifique e numere a cadeia abaixo Fonte: Autoria própria, 2020. Para começar a resolução do exemplo 1, primeiro é necessário identificar a cadeia principal. Para isso, seguiremos os 4 passos citados. 1º Passo. A cadeia principal deve conter o maior número de carbonos. Então, iremos marcar o caminho que contempla o passo 1. Fonte: Autoria própria, 2020. *Na imagem acima, são apresentados três caminhos diferentes, mas você pode encontrar mais. Pela imagem acima, podemos observar que o caminho laranja contém 9 C, enquanto o azul e amarelo contém 7 C. Então escolhemos o caminho laranja, que contém o maior número de carbono e, seguimos para o passo 2. 89 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 2º Passo. Incluir a função orgânica. No caso dos hidrocarbonetos (compostos que contenham somente carbono e hidrogênio), a função orgânica é o próprio composto. Fonte: Autoria própria, 2020. Neste caso, a função orgânica já está inclusa no caminho escolhido. 3º Passo. Inserir as insaturações na cadeia principal. Fonte: Autoria própria, 2020. 4º Passo. Por fim, no último passo, a cadeia principal deve conter o maior número de ramificações. Neste exemplo, como não há outra Fonte: Autoria própria, 2020. Então, depois dos 4 passos, chegamos a nossa tão querida, cadeia principal. Agora só nos resta fazer sua enumeração. Podendo ser A ou B. Composto A. Fonte: Autoria própria, 2020. Composto B. Fonte: Autoria própria, 2020. Então, olhando a prioridade da enumeração, vimos que a insaturação deve conter a menor numeração. Portanto a cadeia correta é A. EXERCÍCIOS Enumere e identifique a cadeia principal 1. 2. 3. 90 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 INTRODUÇÃO A NOMENCLATURA PREFIXO Para quem não se recorda das aulas de português, prefixo é o elemento que aparece antes do radical e, emprega-lhe um novo sentido. Na química orgânica, os nossos prefixos serão as primeiras letras, que indicarão a quantidade de carbonos presentes na cadeia principal. A tabela abaixo, mostra a relação entre os prefixos e o número de carbonos contidos na cadeia principal [1]. Fonte: Autoria própria, 2019. INFIXO O infixo é o elemento intermediário do radical. Trazendo para química orgânica, o infixo serão as letras do meio, que indicam o tipo de ligação presente na cadeia principal. Na tabela abaixo, podemos observar os tipos de ligações e seus respectivos infixos [1]. Fonte: Autoria própria, 2019. SUFIXO Por fim, o sufixo é o elemento adicionado ao final da palavra, que na nossa química, indicará a que grupo funcional pertence a cadeia principal [1]. Fonte: Autoria própria, 2019. Outro ponto importante, ainda não comentado, é a respeito dos grupos funcionais. O grupo funcional é responsável pela semelhança no comportamento químico de uma série de compostos. Tanto a função álcool (-OH), quanto o ácido carboxílico (-COOH), são exemplos de grupos funcionais, da função do oxigênio [1]. Fonte: Autoria própria, 2019. RADICAIS (RAMIFICAÇÕES) Como vimos, muitas vezes as cadeias principais possuem ramificações, deste modo, precisamos atribuir nomes a estes radicais. 91 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 A tabela abaixo apresenta alguns tipos de ramificações com seus respectivos radicais [3,4]. Tabela dos radicais e suas respectivas nomenclaturas. Fonte: Autoria própria, 2019. Observações: I. A nomenclatura do radical, é nada mais que, a quantidade de carbonos sucedida do sufixo -il ou -ila. II. Para ramificações superiores a 2 carbonos, é necessário especificar qual carbono se liga a cadeia principal. i. Se a ramificação puder ser dividida igualmente em duas partes, dá-se o prefixo iso- [1]. Isopropil Fonte: Autoria própria, 2020. Isobutil Fonte: Autoria própria, 2020. ii. Caso o carbono ligante for secundário, ele recebe o prefixo Sec.- (Secundário), caso seja terciário, Terc.- (Terciário) [1]. Secbutil Fonte: Autoria própria, 2020. Tercbutil Fonte: Autoria própria, 2020. III. Quando um mesmo radical se repete no mesmo composto, adiciona-se os prefixos: di- (duas vezes); tri- (três vezes); tetra- (quatro vezes) [2]. 92 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 NOMENCLATURA Através dos prefixos, infixos e sufixos conseguiremos então dar nomes as cadeias carbônicas e, também através da nomenclatura, será possível esquematizar a molécula. EXEMPLO 1. Dê a nomenclatura do seguinte composto: Fonte: Autoria própria, 2020. O primeiro passo para a resolução do Exemplo 1 é identificar a cadeia principal. Fonte: Autoria própria, 2020. O segundo passo é fazer sua enumeração. Fonte: Autoria própria, 2020. O terceiro passo é montar sua nomenclatura. I. Prefixo: 5 carbonos Pent II. Infixo: somente ligações simples an III. Sufixo: função orgânica (hidrocarboneto) o Pentano O quarto passo é inserir as ramificações na nomenclatura. Perceba que, são três radicais iguais, portanto, trimetil (3 radicais metil). Visualize também que os radicais estão localizados nos carbonos 2, 2 e 4 respectivamente. Logo a nomenclatura das ramificações será: 2,2,4-trimetil Por fim, é só unir o radical com a cadeia principal, para obter a nomenclatura do composto. 2,2,4-trimetil-pentanto Ou 2,2,4-trimetilpentano EXERCÍCIOS 1) Dê a nomenclatura dos seguintes compostos. A) B) C) 2) Monte as estruturas das seguintes nomenclaturas: A) 3,4-dimetil-hex-1-ino B) 3,7-dimetil-octa-1,4-dieno C) 5-etil-2,3,4-trimetil-heptano 93 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 HIDROCARBONETOS Os hidrocarbonetos, são compostos contendo SOMENTE carbono e hidrogênio. Estudaremos esses compostos de acordo com os tipos de ligação, começando com os hidrocarbonetos de ligações simples. ALCANOS Hidrocarboneto - octano Fonte: Autoria própria, 2020. Os alcanos, são os compostos de cadeia aberta que apresentam apenas ligações simples. Sua fórmula molecular geral, pode ser expressa do seguinte modo: CnH2n+2 Os alcanos podem ser chamados também de parafinas ou hidrocarbonetos parafínicos. Esses compostos, podem ser encontrados na natureza através do gás natural e do petróleo. Como podemos imaginar, suas aplicações são diversas [1]. Propano e butano: presentes no gás de cozinha. Etano: matéria prima na produção do etileno. Hexano: utilizado em indústrias como solvente e desengraxante. Iso-octano e heptano: compostos presentes na gasolina, que podem indicar sua qualidade. Metano: gás de alto poder calorífico (queima com facilidade), gerado em aterros sanitários, no qual, pode ser extraído, para a geração de energia elétrica. Tipos de aplicação dos hidrocarbonetos. Fonte: Imagens google, domínio público, 2021. ALCENOS Hidrocarboneto – oct-1-eno Fonte: Autoria própria, 2020. Os alcenos, são compostos de cadeia aberta, que apresentam uma única ligação dupla. Sua fórmula molecular geral, pode ser expressa do seguinte modo: CnH2n Um ponto em destaque a respeito dos alcenos, é a presença da ligação pi, que traz maior instabilidade para a molécula, deste modo, os alcenos são mais reativos que os alcanos. Diferente dos alcanos, os alcenos raramente são encontrados na natureza e, são obtidos na maioria das vezes através do craqueamento do petróleo. Um dos produtos obtidos através deste processo é o etileno, monômero 94 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 utilizado para produção do polietileno, que tem como resultado, o plástico [1,3]. Pellets - (pequenos grãos de alta densidade de plástico) Fonte: mundodoplastico.plasticobrasil.com, 2014 ALCINOS Hidrocarboneto – oct-1-ino Fonte: Autoria própria, 2020. Os alcinos, são compostos de cadeia aberta que apresenta uma única ligação tripla. Sua fórmula molecular geral, pode ser escrita como: CnH2n-2 Os alcinos, assim como os alcanos e alcenos, também possuem inúmeras aplicações em nosso cotidiano. O composto responsável por tais aplicações é o acetileno (etino), que está presente nas matérias primas para a produção de fibras têxteis, borrachas sintéticas, plásticos, PVC, PVA, entre outros. A aplicação mais direta dos acetilenos, está relacionada aos maçaricos, pois, este gás ao sofrer combustão, alcança temperaturas acima de 2500°C, permitindo então o corte e solda de metais [1]. Chama do maçarico composta por acetileno e oxigênio Fonte: alusolda.com, 2021 Outro ponto importante, é o reconhecimento dos alcinos falsos e verdadeiros. Os alcinos falsos são aqueles que não apresentam hidrogênio em nenhum dos carbonos ligantes, enquanto os verdadeiros, apresentam ao menos um hidrogênio nos carbonos ligantes [1,3]. Representação dos alcinos falsos e verdadeiros Fonte: Autoria própria, 2020. Por fim, do mesmo modo que os alcenos são reativos devido a presença de uma única ligação pi, os alcinos, são ainda mais reativos, por possuírem duas ligações pi [1,2]. CONSIDERAÇÕES 1º Todos os hidrocarbonetos são apolares, logo, são insolúveis em água. 2º Alcanos, alcenos e alcinos são incolores. 3º O ponto de fusão e ebulição dos hidrocarbonetos, cresce conforme há o aumento do número de carbonos. 95 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 4º Para o mesmo número de carbonos, ou seja, para a mesma massa, o ponto de fusão (P.F.) e ebulição (P.E.) dos alcinos, são superiores ao dos alcenos, que por sua vez são superiores ao dos alcanos. P.F./P.E.: alcinos>alcenos>alcanos ALCADIENOS Os alcadienos, são hidrocarbonetos de cadeias abertas, nas quais, contém duas ligações duplas. Sua fórmula molecular geral, pode ser escrita do seguinte modo [1]. CnH2n-2 Por possuírem duas ligações duplas, essas ligações podem estar em diferentes posições, por isso, são feitas três classificações a seu respeito. 1º Dienos acumulados: as duas ligações duplas estão no mesmo carbono, ou seja, são ligações vizinhas [1,2]. Dienos acumulados Fonte: Autoria própria, 2020 2º Dienos isolados: as duas insaturações, estão separadas por um ou mais carbonos saturados, ou seja, separadas por duas ou mais ligações simples [1,2]. Dienos isolados Fonte: Autoria própria, 2020. 3º Dienos conjugados: as duas duplas estão separadas por uma única ligação simples [1,2]. Dienos conjugados: Fonte: Autoria própria, 2020. EXERCÍCIOS 1) (Unesp) O octano é um dos principais constituintes da gasolina, que é uma mistura de hidrocarbonetos. A fórmula molecular do octano é: a) C8H18 b) C8H16 c) C8H14 d) C12H24 e) C18H38 2) (Fatec-SP) O hidrocarboneto que apresenta a menor quantidade de átomos de H por molécula é: a) metano. b) etano. c) eteno. d) etino. e) propino. 3. (UNESP) A molécula orgânica de fórmula tem a seguinte característica: a) possui uma única ligação pi. b) só possui ligações sigma. c) possui dois átomos de carbono terciário. d) apresenta isomeria cis-trans. 96 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 HIDROCARBONETOS DE CADEIA FECHADA NOMENCLATURA GERAL Todos os ciclos compostos possuem o radical ciclo- antes do nome principal. A enumeração segue os mesmos rankings já visto. 1º Priorizar a função 2º Priorizar a insaturação 3º Priorizar o maior número de radicais Exemplo I - Ciclopentano Fonte: Autoria própria, 2020. Exemplo II - 1,2-deimetil- ciclobutano. Fonte: Autoria própria, 2020. Exemplo III - 1-metil-ciclohex-1,3- dieno Fonte: Autoria própria, 2020. Perceba que para o exemplo III, você pode ficar em dúvida por onde começar a enumerar. Em casos assim, siga a dica da aula 03, realizando a somatória dos radicais ou ramificações e por fim, escolha aquela que possuir a menor numeração. Possíveis numerações para a nomenclatura. Fonte: Autoria própria, 2020. Se realizada a soma obtém-se os seguintes resultados: Exemplo a: 1 + 5 = 6 Exemplo b: 1 + 3 = 4 Exemplo c: 1 + 3 = 4 Lembrando que, caso haja empate, prevalece a menor numeração para ramificação. Portanto, a escolha correta é a “c”. CICLOALCANOS Os cicloalcanos, possuem somente ligações simples e, diferente dos alcanos, possuem cadeia fechada. A fórmula molecular geral dos cicloalcanos é: CnH2n Os ciclanos, são obtidos através da indústria petroquímica, mais precisamente do petróleo bruto naftênico, daí o nome de hidrocarbonetos naftênicos [1,3]. Um dos principais hidrocarbonetos naftênicos, é o ciclohexano, muito utilizado como solvente, removedor de vernizes e tintas, presentes em primers e, a partir dele é possível realizar a sintetize do náilon [1,3]. 97 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 CICLOALCENOS Os cicloalcenos, possuem uma única ligação dupla e, diferente dos alcenos, possuem cadeia fechada [1,2]. A fórmula molecular geral dos cicloalcenos é: CnH2n-2 Os ciclenos podem ser encontrados em solventes, biocombustíveis, óleos, gás natural e, de mesmo modo que os ciclanos, no petróleo. Umas das características mais marcantes em alguns cicloalcenos, é o aroma, como no caso do pineno, presente no alecrim [1,3]. HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS Os hidrocarbonetos aromáticos, são compostos cíclicos que apresentam obrigatoriamente um anel ou núcleo aromático. O menor composto aromático existente, é o famoso benzeno, que à temperatura ambiente é um líquido, incolor, volátil e inflamável. É o composto aromático mais importante, por ser utilizado como matéria prima para plásticos, corantes, medicamentos, detergentes, adesivos, borrachas e tintas [1]. Benzeno Fonte: Autoria própria, 2020. As ligações duplas alternadas, presentes nesses compostos aromáticos, permitem o efeito de ressonância, na qual, possibilita a constante movimentação dos elétrons pi, presentes nas duplas ligações. Diferentes representações do benzeno. Fonte: Autoria própria, 2020. Um ponto importante a ser ressaltado, é o comprimento das ligações entre carbonos. Fonte: Autoria própria, 2020. Perceba que, para a ligação simples, a distância entre dois carbonos é maior que para a ligação dupla, do mesmo modo, a ligação dupla é maior que a ligação tripla. Através dessas distâncias, é possível observar que, quando há o efeito de ressonância, a distância das ligações não se comporta nem como simples, nem como dupla. De modo que, essa ligação está em constante movimento [1]. NOMENCLATURA Depois de conhecer sobre os hidrocarbonetos, vamos aproveitar para aprender alguns novos radicais, para utilizarmos em nossa nomenclatura. 98 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Fonte: Autoria própria, 2020. Lembrando que, a ligação em vermelho representa a ligação entre a cadeia principal e a ramificação. EXEMPLOS 1 1-etil-5-metil-naftaleno Fonte: Autoria própria, 2020. 1-metil-2-vinil-benzeno Fonte: Autoria própria, 2020. O benzeno além da nomenclatura usual, possuí uma nomenclatura própria através dos radicais orto-meta-para. Fonte: Autoria própria, 2020. O prefixo ORTO indica ramificações vizinhas, enquanto o META aponta ramificações distanciadas de um carbono. Por fim, o prefixo PARA indica ramificações opostas, isto é, separadas por dois carbonos [1]. EXERCÍCIOS 1. (Fatec) No rótulo de um solvente comercial há indicação de que contém apenas hidrocarbonetos alifáticos. A partir dessa informação conclui-se que esse solvente não deverá conter, como um de seus componentes principais, o a) tolueno. b) n-hexano. c) heptano. d) ciclohexano. e) pentano. 2. (Fatec) O gás liquefeito de petróleo, GLP, é uma mistura de propano, C3H8, e butano, C4H10. Logo, esse gás é uma mistura de hidrocarbonetos da classe dos a) alcanos. b) alcenos. c) alcinos. d) cicloalcanos. e) cicloalcenos. 99 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 PETRÓLEO PETRÓLEO O petróleo, como você já deve ter aprendido, é um combustível fóssil, formado através de um processo natural de decomposição da matéria orgânica. Essa matéria prima, o petróleo, só pode ser encontrado em bacias sedimentares. Processo de intemperismo. Fonte: Autoria própria, 2020. Como podemos imaginar, a primeira camada desse acúmulo está sobre muita pressão, devido as demais camadas estarem sobre ela. Essa elevada pressão, atrelada a compostos orgânicos, propiciam uma matéria prima de alto valor agregado denominada, petróleo. Formação do petróleo Fonte: Autoria própria, 2020. É claro que o processo de formação do petróleo não é “só isso”, mas, para nossas aulas de química orgânica, já é o suficiente. Vale ressaltar que esse processo é natural e extremamente lento, por isso é dito ser um recurso não renovável. COMPOSIÇÃO A composição do petróleo, varia de acordo com a região em que é extraído, mas em geral, o petróleo é constituído de uma mistura de hidrocarbonetos, na presença de compostos sulfurados, nitrogenados, oxigenados e metálicos, como ferro, cobre e zinco. APLICAÇÕES DO PETRÓLEO O petróleo, como já deve imaginar, é utilizado para a fabricação de combustíveis, mas, além desse produto, o chamado ouro negro, também é utilizado para a fabricação de plásticos, borrachas sintéticas, tintas, solventes, cosméticos, entre outras diversas aplicações. Essas e outras funcionalidades, só são possíveis graças ao processo de refino [1]. A mistura de hidrocarbonetos, presentes no petróleo, possui diferentes tamanhos, consequentemente, diferentes pontos de ebulição, proporcionais as cadeias. Através dessa característica é possível sua separação, por destilação fracionada [1]. DESTILAÇÃO FRACIONADA DO PETRÓLEO A destilação fracionada, é um processo físico de separação entre líquidos, com diferentes pontos de ebulição. 100 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Nesse processo é fornecido calor a mistura. O líquido de menor ponto de ebulição irá evaporar, enquanto o outro líquido, de maior ponto de ebulição, irá permanecer no recipiente [1,2]. Nesse método, utiliza-se da passagem de água fria, para condensar o líquido de menor ponto de ebulição. Com o petróleo, a separação da mistura de hidrocarbonetos, acontece de forma análoga ao processo acima, a “única” diferença, é no tamanho da coluna de fracionamento [2]. Destilação fracionada – petróleo Fonte: trabalhosparaescola.com/destilacao-do- petroleo-2, 2016 Na destilação do petróleo, os primeiros compostos a passarem do estado líquido a vapor, são os hidrocarbonetos contendo de 1 a 4 carbonos. Suas temperaturas de ebulição são de até 40°C e, em temperatura ambiente estão presentes em estado gasoso. Conforme a massa molecular desses compostos aumentam, suas temperaturas de ebulição também aumentam, sendo retirados em regiões inferiores na coluna de destilação. CRAQUEAMENTO Após a etapa de destilação, processo físico, utiliza-se agora o processo químico, chamado de craqueamento, que tem por finalidade quebrar grandes cadeias de hidrocarbonetos [2]. O craqueamento é muito importante para indústria, pois, as grandes cadeias de hidrocarbonetos possuem pouco valor agregado, enquanto as menores cadeias, possuem maior valor comercial. Existem dois tipos de craqueamento, o craqueamento térmico e o catalítico. O craqueamento térmico, utiliza de altas temperaturas e pressões para romper as moléculas mais pesadas de hidrocarbonetos. Enquanto o craqueamento catalítico, é mais econômico e seguro, pois utiliza apenas de catalisadores. EXERCÍCIO 1. (Enem 2004) Há estudos que apontam razões econômicas e ambientais para que o gás natural possa vir a tornar-se, ao longo deste século, a principal fonte de energia em lugar do petróleo. Justifica-se essa previsão, entre outros motivos, porque o gás natural a) além de muito abundante na natureza é um combustível renovável. b) tem novas jazidas sendo exploradas e é menos poluente que o petróleo c) vem sendo produzido com sucesso a partir do carvão mineral. d) pode ser renovado em escala de tempo muito inferior à do petróleo. e) não produz CO2 em sua queima, impedindo o efeito estufa. 101 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 OXIGENADOS I ÁLCOOL (-OH) Os álcoois são compostos formados por hidroxilas (-OH), ligadas a átomos de carbonos saturados. A aplicação mais direta que você deve conhecer de um álcool, é o etanol, presente em bebidas e combustíveis. Mas, há também outros compostos bem interessantes, que são formados por álcoois, como os metanóis [3]. Nomenclatura Os álcoois contêm o sufixo, -ol. EXEMPLO 1 Hexan-2-ol Fonte: Autoria própria, 2020. Hex: 6 carbonos na cadeia principal; an: somente ligações simples; 2-ol: localização da função álcool no carbono número 2. ENOL (-OL) Diferente dos álcoois, os enóis são funções orgânicas, nas quais, as hidroxilas estão ligadas a carbonos insaturados. Portanto, os enóis, não são álcoois, apenas apresentam a hidroxila em comum com os álcoois. Um ponto importante a ser ressaltado nos enóis, é sua instabilidade, na qual, para alguns casos, transformam-se imediatamente em seu tautômero [3]. Nomenclatura Os enóis, também contêm o sufixo, -ol. EXEMPLO 2 Etenol Fonte: Autoria própria, 2020. Et: 2 carbonos na cadeia principal; en: ligação dupla; ol: Função enol. OBS: Como só há dois carbonos no composto, a ligação dupla estará entre eles, portanto, não há a necessidade de enumerar essa ligação. FENOL (HIDROXI) Os fenóis, são hidroxilas ligadas a um anel aromático. O fenol também pode ser conhecido como, benzenol ou hidroxibenzeno. As principais aplicações dos fenóis são: fabricação de desinfetantes, medicamentos dermatológicos, produção de resinas e, matéria prima na produção de fenolftaleína, indicador ácido-base [3]. Nomenclatura Em relação a nomenclatura principal, utiliza-se o prefixo hidroxi + nome do composto aromático. Se o composto aromático for o benzeno, pode-se utilizar como nomenclatura principal o fenol ou benzenol. EXEMPLO 3 Meta-metil-fenol ou 3-metil-fenol ou 3-metil-benzenol 102 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 ou 3-metil-hidroxibenzeno Fonte: Autoria própria, 2020. ALDEÍDOS (-AL) Os aldeídos, são compostos orgânicos que possuem o radical formila ou aldoxila, isto é, ao início ou ao fim da cadeia carbônica, há o grupo –CHO [3]. Nomenclatura Os aldeídos contêm o sufixo, -al. EXEMPLO 4 Etanal Fonte: Autoria própria, 2020. Et: 2 carbonos na cadeia principal; an: somente ligações simples (entre carbonos); al: função aldeído. OBS: perceba que os exemplos 4.1 e 4.2 são iguais, a única diferença é em sua representação. Fique atento ao exemplo 4.2 para não o confundir com uma cetona. CETONAS (-ONA) As cetonas, são funções orgânicas que apresentam o grupo carbonila entre dois átomos de carbono. A propanona, é o solvente comercialmente vendido como acetona, utilizado para remover esmaltes. Porém, a acetona vem sendo substituída pelo acetato de etila. Nomenclatura Em relação a nomenclatura, utiliza-se do sufixo, -ona. EXEMPLO 5 Propanona Fonte: Autoria própria, 2020. Prop: 3 carbonos na cadeia principal; an: somente ligações simples (entre carbonos); ona: função cetona. OBS: Como não há possibilidade de a função cetona estar localizada em outro carbono, pois passaria a ser um aldeído, não é preciso enumerá-la. EXERCÍCIOS Dê as seguintes nomenclaturas e funções: 1. Função orgânica:____ 2. Função orgânica:_______ 3. Função orgânica:_________ 103 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 OXIGENADOS II ÁCIDO CARBOXÍLICO A principal característica dos ácidos carboxílicos, é a presença dos grupos funcionais carboxila (=O) e hidroxila (-OH), nas quais, estão ligadas ao mesmo carbono [1]. Nomenclatura Em relação a nomenclatura, esse grupo funcional contém uma peculiaridade. Além do sufixo -oico na cadeia principal, é necessário a adição da palavra ácido no começo da nomenclatura. EXEMPLO 1 Ácido butanoico Fonte: Autoria própria, 2020. but: 4 carbonos na cadeia principal; an: ligações simples na cadeia principal; Ácido – oico: função ácido carboxílico. ÉTER Os éteres, são compostos orgânicos, que possuem um átomo de oxigênio ligado a dois carbonos. O éter mais conhecido, é o chamado éter comum. Um composto que já foi muito empregado na medicina. Suas propriedades anestésicas por inalação, junto ao fato de ser um líquido altamente volátil, proporcionavam cirurgias mais invasivas [1]. Nomenclatura Em relação a nomenclatura dos éteres, adiciona-se o sufixo -oxi à menor cadeia (menor número de carbonos) e, em sequência, dá-se o nome da cadeia principal (maior número de carbonos). EXEMPLO 2 2-Etoxi-propano Fonte: Autoria própria, 2020. 2-: A menor cadeia, ligada ao carbono número 2, da cadeia principal; Fonte: Autoria própria, 2020. Et: Dois carbonos da menor cadeia; Fonte: Autoria própria, 2020. oxi: sufixo do éter; prop: 3 carbonos na cadeia principal (maior cadeia); an: ligação simples na cadeia principal o: hidrocarboneto na cadeia principal ÉSTERES Os ésteres, são obtidos através de reações entre ácidos carboxílicos e álcoois, mas fique tranquilo por agora, pois veremos essa e outras reações mais para frente. 104 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 As principais aplicações dos ésteres, são na indústria alimentícia, proporcionando aroma e sabor artificial, aos produtos [1]. Nomenclatura A nomenclatura desses compostos, é tida da seguinte forma: I. Carbono contendo os dois oxigênios, recebe o sufixo -oato; II. Em seguida, adiciona-se o substantivo “de”; III. Por fim, o radical que contém apenas um carbono, recebe o sufixo -ila. EXEMPLO 3 Aromatizante de abacaxi Butanoato de etila Fonte: Autoria própria, 2020. But: 4 carbonos (carbono que liga com 2 oxigênios); an: ligação simples; oato: sufixo da função éster (dois oxigênios); de: substantivo; et: radical contendo 2 carbonos que liga a um oxigênio; ila: sufixo da função éster (um oxigênio). EXERCÍCIOS 1. (UFLA) Um grande número de compostos orgânicos contém oxigênio em sua estrutura, formando diferentes classes funcionais. Alguns grupos funcionais oxigenados estão representados a seguir. Assinale a alternativa que apresenta as classes funcionais dos grupos I, II, III e IV, respectivamente. a) Éster, álcool, aldeído, ácido carboxílico. b) Álcool, aldeído, cetona, éter. c) Cetona, álcool, éter, aldeído. d) Aldeído, ácido carboxílico, éster, éter. e) Aldeído, álcool, ácido carboxílico, éster. 2. (ENEM 2018) As abelhas utilizam a sinalização química para distinguir a abelha-rainha de uma operária, sendo capazes de reconhecer diferenças entre moléculas. A rainha produz o sinalizador químico conhecido como ácido 9-hidroxidec-2-enoico, enquanto as abelhas-operárias produzem ácido 10-hidroxidec-2-enoico. Nós podemos distinguir as abelhas- operárias e rainhas por sua aparência, mas, entre si, elas usam essa sinalização química para perceber a diferença. Pode-se dizer que veem por meio da química. a) fórmula estrutural. b) fórmula molecular. c) identificação dos tipos de ligação. d) contagem do número de carbonos. e) identificação dos grupos funcionais. 105 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 HALETOS ORGÂNICOS, AMINAS, AMIDAS e OUTROS RADICAIS HALETOS ORGÂNICOS Os haletos orgânicos, são compostos que apresentam ao menos, um átomo do grupo dos halogênios, em sua composição. Nomenclatura A nomenclatura dos haletos orgânicos, é similar aos radicais de carbono. Adiciona-se o nome do haleto e sua posição na cadeia principal. EXEMPLO 1 2-Cloro-3-bromo-pentano Fonte: Autoria própria, 2020. pent: 5 carbonos na cadeia principal; an: ligações simples; 2-cloro: posição do haleto cloro; 3-bromo: posição do haleto bromo. AMINAS As aminas, são compostos orgânicos derivados da amônia (NH3), que ao substituírem seus átomos de hidrogênio, por um radical orgânico, propiciam a formação desse grupo funcional [1,3]. Classificação da amina: Fonte: Autoria própria, 2020. As aminas possuem como característica física, momento dipolo diferente de zero, ou seja, são moléculas polares. E como propriedade química, seu caráter básico, devido ao nitrogênio possuir um par de elétrons não-ligantes [1]. Nomenclatura A nomenclatura das aminas, pela IUPAC, é acrescentando o sufixo - amina na nomenclatura. EXEMPLO 2 N-etil-propan-2-amina Fonte: Autoria própria, 2020. prop: 3 carbonos na cadeia principal an: ligações simples na cadeia principal; 2-amina: amina ligada ao carbono 2; N-etil: radical ligado a amina. OBS: Quando houver radicais ligados a amina, utiliza-se a letra N, para simbolizar o radical ligado ao nitrogênio. Amidas Apesar de possuírem nomes similares, as amidas, contêm uma carbonila (C=O) ligada ao nitrogênio, diferente das aminas [1,3]. 106 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 As amidas, também podem ser classificadas de acordo com a quantidade de hidrogênios, ligados ao nitrogênio. Fonte: Autoria própria, 2020. As amidas, da mesma forma que as aminas, são funções polares, de caráter básico. Nomenclatura Acerca da nomenclatura, as amidas são similares as aminas pela IUPAC, com diferença no sufixo - amida. EXEMPLO 3 3-metil-but-3-enamida Fonte: Autoria própria, 2020. but: 4 carbonos na cadeia principal; 3-en: ligação dupla no carbono 3; amida: Função amida; 3-metil: radical metil ligado ao carbono 3. OUTROS RADICAIS Quando há mais de uma função na molécula, qual delas estará na cadeia principal? Nesses casos, precisamos definir uma “prioridade” nas funções e, assim, aquela que possuir maior prioridade, estará contida na cadeia principal. Prioridade das funções. Fonte: Autoria própria, 2020. A partir da prioridade, vamos observar, as novas ramificações e suas respectivas nomenclaturas, para então, respondermos a primeira pergunta através de alguns exemplos. Tabelas com as funções como radicais. Fonte: Autoria própria, 2020. EXEMPLO 4.1 Ácido 4-hidroxi-pentanoico Fonte: Autoria própria, 2020. Ácido: função ácido carboxílico; pent: 5 carbonos na cadeia principal; an: ligações simples na cadeia principal; oico: Função ácido carboxílico; 4-hidroxi: ramificação do álcool no carbono 4. OBS: A primeira observação que pode ser feita a respeito dessas nomenclaturas 107 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 mais complexas, é a respeito da prioridade do ácido carboxílico. O ácido carboxílico, sempre estará na cadeia principal. EXEMPLO 4.2 5-hidroxi-hexan-2-ona Fonte: Autoria própria, 2020. hex: 6 carbonos na cadeia principal; an: ligações simples na cadeia principal; ona: Função cetona; 5-hidroxi: ramificação do álcool no carbono 5. OBS: Função cetona é superior ao álcool. EXERCÍCIOS 1. A testosterona (I) é um hormônio sexual masculino responsável, entre outras coisas, pelas alterações sofridas pelos rapazes na puberdade. Já a progesterona (II) é um hormônio sexual feminino, indispensável à gravidez e estão representadas pelas respectivas estruturas abaixo. Assinale a alternativa que indica corretamente às funções orgânicas presentes nas duas substâncias. a) I –fenol e cetona; II -cetona. b) I –ácido e cetona; II -aldeído. c) I –álcool e cetona; II -aldeído. d) I –fenol e cetona; II -ácido. e) I –álcool e cetona; II -cetona. 2. (VUNESP 2006) – Em agosto de 2005 foi noticiada a apreensão de lotes de lidocaína que teriam causado a morte de diversas pessoas no Brasil, devido a problemas de fabricação. Este fármaco é um anestésico local muito utilizado em exames endoscópicos, diminuindo o desconforto do paciente. Sua estrutura molecular está representada a seguir e apresenta as funções: a) amina secundária e amina terciária. b) amida e amina terciária. c) amida e éster. d) éster e amina terciária. e) éster e amina secundária. 3. (UFRS) O aspartame, representado adiante, é um adoçante artificial usado em muitos refrigerantes e alimentos de baixa caloria. O grupo enquadrado na figura é característico da função orgânica a) éster. b) amida. c) aminoácido. d) amina. e) carboidrato. 108 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 POLARIDADE E SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS POLARIDADE A polaridade na química orgânica, é a mesma que na química geral. Através da eletronegatividade, obtemos os vetores resultantes e, quando esses vetores possuem momento dipolo (µ) diferente zero, a molécula é polar, caso contrário, a molécula é apolar [1.3]. µ ≠ 0 (polar) µ = 0 (apolar) EXEMPLOS 1) Polar, µ≠0 Fonte: Autoria própria, 2020. 2) Apolar, µ=0 Fonte: Autoria própria, 2020. No entanto, o que mais veremos na química orgânica, são moléculas que possuem parcelas polares e apolares, como no caso do etanol [1]. Molécula de etanol Fonte: Autoria própria, 2020. Em geral, a característica apolar, advém da parcela de hidrocarbonetos, enquanto, as outras funções, possibilitam a polarização da molécula. 3) 1,2-dicloro-benzeno - Haleto orgânico. Fonte: Autoria própria, 2020. 4) Ácido acético - Função: Ácido carboxílico. Fonte: Autoria própria, 2020. É importante ressaltar que, mesmo que a molécula tenha parte polar e apolar, a determinação de sua polaridade, é de acordo com a parte predominante. Por exemplo, os triglicerídeos, possuem parte polar e apolar. No entanto, são classificados como apolares, devido a maior parcela ser apolar. Molécula de triglicerídeo Fonte: Autoria própria, 2020. 109 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Caso a cadeia carbônica esteja cheia de hidrocarbonetos, sua classificação é tida como apolar. Caso contrário, a molécula é classificada como polar. Longas cadeias de hidrocarbonetos; (Apolar) Molécula apolar Fonte: Autoria própria, 2020. Várias funções orgânicas; (Polar) Molécula polar Fonte: Autoria própria, 2020. A aplicação deste conhecimento, é na solubilidade e miscibilidade dos compostos. SOLUBILIDADE E MISCIBILIDADE A solubilidade, é a capacidade de um soluto se dissolver em um solvente, formando uma única fase. Enquanto a miscibilidade, é a característica de dois líquidos se misturarem, formando também, uma única fase. Ambas características físicas se dão de mesmo modo, através das interações moleculares. Visto de maneira mais aprofundada em química geral. Mas só para relembrar quais são os quatro os tipos de interações [1]: Dipolo-induzido: Apolar + Apolar Dipolo-dipolo: Polar + Polar Ligação de hidrogênio: H - F O N Íon-dipolo: Íon + Polar Através das interações, podemos então explicar a miscibilidade de algumas misturas. Na tabela abaixo é possível observar alguns exemplos de miscibilidade. Fonte: Autoria própria, 2020. 110 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 ISÔMEROS Mas afinal, o que são isômeros? ISO = mesmo MEROS = parte Isômeros, são compostos orgânicos que apresentam a mesma fórmula molecular, isto é, possuem os mesmos átomos em iguais quantidades. Na química orgânica, você já deve ter percebido que uma fórmula molecular pode representar dois ou mais compostos diferentes, por exemplo: Exemplos de isômeros Fonte: Autoria própria, 2020. É possível saber o conteúdo dos frascos acima apenas pela fórmula molecular? – Bom, você pode até ter pensando em alguns compostos como: Prop-1-en-2-ol, Propano-2-ona, Metoxi- etano, conforme ilustrado abaixo 1. Prop-1-en-2- ol Fonte: Autoria própria, 2020. 2. Propano-2- ona Fonte: Autoria própria, 2020. 3. Metoxi-etano Fonte: Autoria própria, 2020. Como é possível observar, as fórmulas moleculares são iguais, C3H6O. No entanto, para cada uma das substâncias há um grupo funcional diferente, consequentemente, propriedades físicas e químicas diferentes. Devido a essas diferenças e características, o estudo dos isômeros é de grande importância, Todavia, para melhor compreensão deste capítulo, o estudo da isomeria será dividido e subdividido em dois grandes grupos, conforme mostrado abaixo: Estudo dos isômeros. Fonte: Autoria própria, 2020. Sendo os isômeros planos, aqueles que podem ser diferenciados através do plano e, os isômeros espaciais, que só podem ser diferenciados no espaço (3D). ISÔMEROS PLANOS Os isômeros planos, também conhecidos como isomeria constitucional, são compostos diferenciáveis por meio de sua fórmula estrutural [1,4]. 1.1 Isômeros de CADEIA São compostos de mesma fórmula molecular, diferenciados apenas pelo tipo de cadeia, isto é, possuem a mesma função orgânica. 111 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Mais recorrentes: Ramificada//Normal 1.1.1. C5H12 1.1.2. C5H12 Fechada//Aberta 1.1.3. C4H8 1.1.4. C4H8 Homogênea//Heterogênea 1.1.5. C3H9N 1.1.6. C3H9N Saturada//Insaturada 1.1.7. C3H6 1.1.8. C3H6 Fonte: Autoria própria, 2020. 1.2 Isômeros de POSIÇÃO São compostos de mesma fórmula molecular, diferenciados apenas pelas posições do grupo funcional, radical ou insaturação [1,4]. Mais recorrentes: Posição da FUNÇÃO 1.1.9. C4H10O Butan-2-ol 1.1.10. C4H10O Butan-1-ol Posição da RAMIFICAÇÃO 1.1.11. C6H14 1.1.12. C6H14 3-metil-pentano 2-metil-pentano Posição da INSATURAÇÃO 1.1.13. C4H8 Butan-2-eno 1.1.14. C4H8 Butan-1-eno Fonte: Autoria própria, 2020. 1.3 Isômeros de FUNÇÃO São compostos orgânicos de mesma fórmula molecular, que possuem funções orgânicas distintas [1,4]. Mais recorrentes: Álcool//Éter 1.1.15. C2H6O 1.1.16. C2H6O Cetona//Aldeído 1.1.17. C3H6O 1.1.18. C3H6O Éster//Ácido carboxílico 1.1.19. C3H6O2 1.1.20. C3H6O2 Fonte: Autoria própria, 2020. 1.4 Isômeros de COMPENSAÇÃO (METAMERIA) Também conhecido como METAMERIA, os isômeros de compensação, são um caso especial de 112 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 isomeria de posição. Entretanto, não podem ser considerados como tal [1,4]. Os isômeros de compensação, possuem a mesma função orgânica e, diferem-se pela posição do heteroátomo. Na metameria o aumento de um átomo na cadeia é COMPENSADO pela diminuição do outro lado. Mais recorrentes: Éter 1.1.21. C5H12O Etoxi-propano 1.1.22. C5H12O Metoxi-propano Amina 1.1.23. C6H15N N-metil-pentan-1- amina 1.1.24. C6H15N N-etil-butan-1-amina Éster 1.1.25. C7H14O2 Propanoato de butil 1.1.26. C7H14O2 Etanoato de pentil Amida 1.1.27. C7H15NO N-butil-propanamida 1.1.28. C7H15NO N-propil-butanamida Fonte: Autoria própria, 2020. 1.5 Isomeria DINÂMICA (TAUTOMERIA) A tautomeria, ocorre quando duas ou mais substâncias de mesma fórmula molecular, coexistem em equilíbrio químico [1,4]. MAIS RECORRENTES: Aldeído e enol 1.1.29. C2H4O Equilíbrio aldo-enólico Cetona e enol 1.1.30. C3H6O Equilíbrio ceto-enólico Fonte: Autoria própria, 2020. ISÔMEROS GEOMÉTRICOS Os isômeros geométricos, são compostos diferenciados pela geometria dos grupos ligados a carbonos que não possuem rotação livre. Em cadeias fechadas essa rotação é impedida naturalmente, enquanto, em cadeias abertas a presença da dupla ligação realiza essa restrição [1,3]. Um pouco confuso não? Mas o que acontece se girarmos as moléculas abaixo? Molécula I Fonte: Autoria própria, 2020. Molécula II Fonte: Autoria própria, 2020. 113 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 Para respondermos a essa pergunta, vamos utilizar um pouco da nossa imaginação. Pense em dois pedaços de madeira. Agora, insira um prego no meio deles, da seguinte forma [1]: Fonte: Química na abordagem do cotidiano, 2006. Perceba que as duas madeiras estão livres para “girar” no espaço. Mas, se inserirmos mais um prego no meio delas, ainda seria possível essa rotação [1]? Fonte: Química na abordagem do cotidiano, 2006. Como você deve imaginar, com dois pregos, não será possível a rotação e, da mesma forma, ocorre nas ligações, se a molécula apresenta um prego, ou seja, uma ligação simples, ela está sujeita a rotação. Enquanto a molécula que apresenta uma dupla ligação, ou seja, dois pregos, a sua rotação está comprometida [1]. Respondendo então aquela primeira pergunta, a molécula I irá girar livremente, enquanto a molécula II, não irá girar. 2.1 CADEIAS ABERTAS Em cadeias abertas, além da necessidade da dupla ligação, são necessários os radicais diferentes entre si, em cada uma das extremidades, de modo que, R1 ≠ R2 E R3 ≠ R4. Conforme demonstrado abaixo [1]: Possibilidade de um isômero geométrico – cadeia aberta. Fonte: Autoria própria, 2020. Perceba, que se esse princípio não for satisfeito, de modo que, R1 e R2 ou R3 e R4 forem iguais, ainda haverá os mesmos compostos, caso haja a rotação da molécula. Representação de uma mesma molécula. Fonte: Autoria própria, 2020. Mas, se R1 for diferente R2 e, R3 for diferente de R4, os compostos passam a ser diferentes [1,3]. Representação de moléculas diferentes Fonte: Autoria própria, 2020. 114 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 2.2 CADEIAS FECHADAS Nas cadeias fechadas, por já possuir a rotação prejudicada, só é necessário que os radicais sejam diferentes, do mesmo modo que nas cadeias abertas. Possibilidade de um isômero geométrico – cadeia fechada. R1 ≠ R2 E R3 ≠ R4 Fonte: Autoria própria, 2020. 2.3 CIS-TRANS Para diferenciar os compostos até então vistos, utiliza-se dos prefixos CIS- TRANS. De maneira objetiva, o prefixo CIS, diz respeito a moléculas iguais de mesmo lado, enquanto o TRANS, são moléculas iguais de lados opostos [2,3]. Conforme demonstrado abaixo: CIS TRANS Cis-but-2-eno Trans-but-2-eno Trans-1,2-dicloro- eteno Trans-1,2-dicloro- eteno Hex-3-eno Hex-3-eno Fonte: Autoria própria, 2020. No entanto, nem sempre haverá compostos iguais. Como nos exemplos abaixo. Nestes casos, utiliza-se a massas dos compostos para categorizá- los. CIS ou Z, para massas menores de mesmo lado e, TRANS ou E, para massas menores em lados opostos [1,4]. CIS TRANS Cis-pent-2-eno Trans-pent-2-eno Cis-2-bromo-1- fluor-prop-2-eno Trans-2-bromo-1- fluor-prop-2-eno Cis-1-cloro-3-metil- pentano Trans-1-cloro-3- metil-pentano Fonte: Autoria própria, 2020. EXERCÍCIOS 1. (UFRGS-RS) Considere as seguintes estruturas de dois compostos orgânicos, I e II. 115 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 A análise dessas estruturas permite concluir que a) ambos os compostos apresentam hidroxilas alcoólicas. b) o composto I apresenta as funções álcool e éster. c) os compostos são isômeros de função. d) o composto II apresenta as funções fenol, éter e ácido carboxílico. e) ambos os compostos devem ser insolúveis em água, pois são compostos com alto peso molecular. 2. (MACKENZIE-SP) Notícia veiculada em jornais e TV anunciaram que a Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC-RS) vendeu patentes para a produção de um medicamento contra doenças relacionadas ao envelhecimento. A base desse remédio é o resveratrol, molécula presente no suco de uva e no vinho e, em grande concentração (cem vezes maior do que no vinho), na raiz de uma hortaliça chamada azeda. Estudos indicam que o resveratrol diminui os níveis de LDL (mau colesterol) e aumenta os níveis de HDL (bom colesterol) reduzindo, assim, o risco de doenças cardiovasculares, além de ser um fator na prevenção do câncer. A notícia alerta que o uso "in natura" dessa hortaliça, ao invés de ajudar, pode causar problemas sérios de saúde. Da fórmula estrutural do resveratrol, dada anteriormente, fazem-se as afirmações: I. Pode apresentar isomeria cis-trans; II. Representa um difenol; III. Possui núcleos aromáticos; IV. Em um dos anéis, os grupos hidroxila estão em posição meta. Estão CORRETAS: a) I, II, III e IV. b) II e IV, apenas. c) II e III, apenas. d) III e IV, apenas. e) I e III, apenas. 3. (UNICAMP – 2016) Atualmente, parece que a Química vem seduzindo as pessoas e tem-se observado um número cada vez maior de pessoas portando tatuagens que remetem ao conhecimento químico. As figuras a seguir mostram duas tatuagens muito parecidas, com as correspondentes imagens tatuadas mais bem definidas abaixo. As imagens representam duas fórmulas estruturais, que correspondem a dois a) compostos que são isômeros entre si. b) modos de representar o mesmo composto. c) compostos que não são isômeros. d) compostos que diferem nas posições das 116 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 GABARITO O CARBONO 1-B 2-C 3-A CLASSIFICAÇÃO DA CADEIA CARBÔNICA 1-C 2-C INTRODUÇÃO A NOMENCLATURA 1. A) 1-metil-4-etil-hexano B) 3-etil-5-metil-heptano C) 3-etil-5-metil-hex-1-ino 2. A) B) C) HIDROCARBONETOS 1-A 2-D 3-A HIDROCARBONETOS DE CADEIA FECHADA 1-A 2-A PETRÓLEO 1-B OXIGENADOS I 1-Propan-1,2,3-triol || Álcool 2-hexa-2,5-dien-3-ol || Enol 3-butan-2-ol || Álcool OXIGENADOS II 1-E 2-A ISÔMEROS 1-C 2-A 3-B 79 E-book didático Enem e Vestibular QUÍMICA Orgânica Prof. Jeferson Lydijusse EduCursinho: Educação e Aprovação | 2021 REFERÊNCIAS 1. Química na abordagem do cotidiano. Francisco Miragaia Peruzzo, Eduardo Leite do Canto. 4. ed. São Paulo: Moderna, 2006. 2. QUÍMICA ORGÂNICA. ETEC LAURO GOMES. Prof. Valdevino. Disponível em:<http://www.etelg.com.br/paginaete/downloads/ensinomedio/qu%C3%ADmica_o rg%C3%A2nica.pdf> Acesso em: 27 de junho de 2021. 3. INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA. Manual Sérgio de Sá Carneiro. Janeiro de 2010. Disponível em:<http://educa.fc.up.pt/ficheiros/noticias/70/documentos/107/introducao_quimica _organica.pdf> Acesso em: 27 de junho de 2021. 4. Química orgânica. Jean Richard Dasnoy Marinho. UNESP. Disponível em:<https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocent es973/jeanricharddasnoymarinho/quimica-organica.pdf> Acesso em: 27 de junho de 2021. http://www.etelg.com.br/paginaete/downloads/ensinomedio/qu%C3%ADmica_org%C3%A2nica.pdf http://www.etelg.com.br/paginaete/downloads/ensinomedio/qu%C3%ADmica_org%C3%A2nica.pdf http://educa.fc.up.pt/ficheiros/noticias/70/documentos/107/introducao_quimica_organica.pdf http://educa.fc.up.pt/ficheiros/noticias/70/documentos/107/introducao_quimica_organica.pdf https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/jeanricharddasnoymarinho/quimica-organica.pdf https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/jeanricharddasnoymarinho/quimica-organica.pdf