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Química Geral e Ambiental Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Profa. Ms. Luciana Borin de Oliveira Revisão Textual: Prof. Ms. Luciano Vieira Francisco As Funções Químicas 5 • Introdução • Função Química • Função Inorgânica • Base • Sal • Óxido • Função orgânica Nesta Unidade abordaremos as funções químicas orgânicas e inorgânicas. O principal objetivo desta Unidade é classificar, avaliar e conhecer funções orgânicas e inorgânicas. Leia atentamente o conteúdo desta Unidade, que lhe possibilitará conhecer as dimensões das funções químicas. Aqui você também encontrará uma atividade relacionada com o conteúdo estudado e composta por questões de múltipla escolha. Além disso, terá a oportunidade de trocar conhecimentos e debater questões no fórum de discussão. É extremamente importante que você consulte os materiais complementares, pois são ricos em informações, possibilitando-lhe o aprofundamento de seus estudos sobre os assuntos nesta Unidade tratados. As Funções Químicas 6 Unidade: As Funções Químicas Contextualização Para iniciar esta Unidade, a partir das seguintes ilustrações reflita sobre as diferentes funções e apresentações das substâncias químicas na natureza. Figuras 1, 2 e 3 – Limão, cal, ferrugem e sal de cozinha. Oriente sua reflexão pelas seguintes questões: » Qual a função dessas substâncias? » O que as diferencia ou as une em um mesmo grupo? 7 Introdução Diálogo com o Autor O conhecimento e a classificação das funções químicas são importantes para entender o comportamento das substâncias e como essas reagem, podendo transformar-se em outras. Fonte: Thinkstock / Getty images Função Química Funções químicas são definidas como os grupos de substâncias compostas que apresentam propriedades químicas semelhantes. Os fenômenos de acidez, basicidade, solubilidade em água e reatividade são temas estudados. Os quatro tipos de função inorgânica principais são: óxidos, ácidos, bases e sais, compostos que não possuem cadeia carbônica. 8 Unidade: As Funções Químicas Figura 2. Já os compostos orgânicos apresentam átomos de carbono distribuídos em cadeias, átomos de carbono ligados diretamente ao hidrogênio. Figura 3. 9 Função Inorgânica A base de classificação das funções inorgânicas é a Teoria da Dissociação Iônica, proposta por Arrhenius, em 1884, após realização de experimentos para explicar a condutividade de algumas soluções. De acordo com fatos históricos, Svante Arrhenius concluiu que as soluções iônicas transportavam corrente elétrica pelo fato de que os seus íons se separavam quando colocados em água, constatando que a condutividade elétrica das soluções dependia dos íons responsáveis pelo transporte de carga. Já as substâncias moleculares em água, sofriam o fenômeno da ionização. Daí surgiu o fenômeno da dissociação iônica. Após essa conclusão, Arrhenius descreveu que certos grupos de substâncias inorgânicas liberavam os mesmos cátions quando colocados em água; ao passo que em outros grupos, essas substâncias liberavam os mesmos ânions. As substâncias inorgânicas foram então divididas em grupos menores – ou funções inorgânicas –, conhecidas até hoje como ácidos, bases, sais e óxidos. Observe os dois seguintes experimentos: Temos eletrodos mergulhados em duas soluções diferentes: uma de sacarose e outra de sal de cozinha: Reflita Por que a lâmpada só acende na solução aquosa do sal de cozinha? 10 Unidade: As Funções Químicas Figura 6. Importante! Número de Oxidação (NOX) – para entender o fenômeno da eletroquímica, torna- se necessário saber calcular o número de oxidação das substâncias que são envolvidas em uma reação química. Apresentaremos a seguir alguns exemplos da forma de calcular o Número de Oxidação – mais conhecido como NOX: » Substância simples: quando não há perda, nem ganho de elétrons. H2 NOX H = 0 » Átomo como íon simples: apresenta sua própria carga. Na+ NOX Na = 1+ » Metais alcalinos: 1+ NaCl NOX Na = 1+ » Metais alcalino-terrosos: 2+ CaO NOX Ca = 2+ » Halogênios: 1- Cl NOX Cl = 1- 11 » Calcogênios: 2- CaO NOX O = 2- » Elementos Ag: 1+ AgCl NOX Ag = 1+ » Elementos Zn: 2+ ZnCl2 NOX Ag = 1+ » Elementos Al: 3+ AlCl3 NOX Al = 3+ » Hidrogênio em composto: 1+ H2O NOX H = 1+ » Hidrogênio como hidreto metálico: 1- NaH NOX H = 1- » Oxigênio em composto: 2- H2O NOX O = 2- » Oxigênio ligado a flúor: 1+ e 2+ O2F2 NOX O = 1+ » Oxigênio como peróxido: 1- H2O2 NOX O = 1- Ácido é o grupo que compreende toda substância que libera um íon H+ em água, segundo a teoria de Arrhenius. Contudo, na teoria mais atual de Brønsted-Lowry ácido é toda substância com capacidade de receber um par de elétrons. A partir dessas duas teorias, a de Arrhenius sofreu atualização e hoje podemos dizer que ácido é toda a substância que libera um íon H+ A classificação dos ácidos pode ser realizada de diversas formas e a partir da observação de sua fórmula: A partir da presença ou não de oxigênio, temos: » Hidrácidos que não possuem oxigênio na fórmula. Exemplo: HF » Oxiácidos que possuem oxigênio na fórmula. Exemplo: H2CO3 12 Unidade: As Funções Químicas Levando em consideração o grau de dissociação iônica, observa-se que o cálculo de α nos ácidos é igual ao desenvolvido nas bases. Sendo α – em porcentagem – igual a cem vezes o número de moléculas dissociadas, é dividido pelo número total de moléculas dissolvidas: 50% forteα > → e 5% fracoα < → Dessa forma, os hidrácidos se classificam: Fortes HCl < HBr < Hl Médios: HF Fracos: Os demais Quanto aos Oxiácidos, observando que x é igual ao número de oxigênio, menos o número de hidrogênio, temos: Se x > 1 Fortes como o H2SO4 Se x = 1 Médios como o HClO2 Se x < 1 Fracos como o HClO A nomenclatura dos ácidos também apresenta particularidades de acordo com a sua composição. Para os Hidrácidos utilizamos a seguinte nomenclatura: Ácido + elemento + ídrico Assim: HCl = ácido clorídrico Para os oxiácidos é necessário observar o NOX: Ácido + prefixo + elemento + sufixo NOX Prefixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso +3 ou +4 - oso +5 ou +6 - ico +7 hiper ico Fonte: elaborado pela professora conteudista. Cabe ressaltar que quanto menor a quantidade de oxigênio na fórmula, menor será o NOX do elemento que está na posição central; por sua vez, quanto maior a quantidade de oxigênio na fórmula, maior será o NOX. Assim: HClO4 = ácido perclórico (onde o NOX do Cloro será Cl = +7). 13 Base As bases são os compostos que se dissociam em meio aquoso, liberando ânions OH − . Na teoria de Lewis a base é definida como uma substância capaz de doar um par de elétrons. A classificação das bases segue as seguintes regras: Em função de seu grau de dissociação, utilizamos o mesmo cálculo dos ácidos: Para α = 100% fortes. » São as bases formadas por metais dos grupos 1A e 2A, alcalinos e alcalinos terrosos, ou seja, quando o grau de ionização é praticamente 100%. Para α < 5% fracas. » São as bases cujo grau de ionização é, na maioria dos casos, inferior a 5%. Podemos exemplificar com o hidróxido de amônio e os hidróxidos dos metais em geral, excluindo as bases formadas por metais das famílias dos metais alcalinos e alcalinos terrosos. A nomenclatura das bases também apresenta particularidades. Será chamada de hidróxido de + cátion quando o cátion possuir NOX fixo. Exemplo: KOH = Hidróxido de Potássio Será chamada de hidróxido de + cátion + sufixo, ou hidróxido + cátion + NOX – esse representado em algarismo romano – quando o cátion não apresentar NOX fixo. Exemplo: Fe(OH)2 = hidróxido de ferro II, ou hidróxido ferroso 14 Unidade: As Funções Químicas Sal Sais são os compostos que apresentam característica de dissociação em meio aquoso e liberação de um cátion diferente de H +e um ânion específico de OH − . Podem também ser definidos como os compostos resultantes da reação de uma substância ácida e uma substância básica. Tem a propriedade de se tornarem condutores de eletricidadequando dissolvidos em água. A classificação dos sais se faz de acordo com: A presença ou não de oxigênio. Sendo Haloides quando não possuem oxigênio. Exemplo: KBr E Oxissais quando possuem oxigênio. Exemplo: CaCO3 A presença de íons H+ ou íons OH- É sal normal aquele formado pela neutralização completa na reação de um ácido e uma base. Detalhe, esse tipo de sal não possui íon H+ nem OH- Exemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O Já o hidrogenossal – ou hidroxissal – é formado na reação de neutralização quando ocorre neutralização parcial, com sobra de íons H+ ou íons OH-, isso quando o ácido e a base não se apresentam em proporção estequiométrica. Exemplo: H2CO3 + NaOH → NaHCO3 + H2O Há ainda o sal misto, que apresenta mais de um cátion, ou mais de um ânion, os quais diferentes em sua fórmula. Esse sal é formado pela neutralização de um ácido por mais de um tipo de base, ou de uma base por mais de um tipo de ácido. Exemplo: Al(OH)3 + HCl + H2SO4 → AlClSO4 + 3H2O A nomenclatura dos sais segue as seguintes regras: Pela terminação do ácido: Ácido Ânion ídrico eto oso ito ico ato Fonte: elaborado pela professora conteudista. Exemplo: NaCl = Cloreto de Sódio 15 Para oxissais temos: Número de Oxidação (NOX) - Óxidos ácidos e Oxiácidos Oxissais Prefixo Sufixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso ito +3 ou +4 - oso ito +5 ou +6 - ico ato +7 hiper ico ato Fonte: elaborado pela professora conteudista. Atenção Os elementos B+3, C+4 e Si+4 são exceções à regra, pois só possuem sufixo "ico" na forma de ácido. Assim, quando sais, usa-se sempre o sufixo "ato", como se segue: NOX N = +3 = Nitrito de Potássio Outra exceção aparece quando na fórmula do sal há um hidrogênio, devendo ser acrescentado o prefixo "bi" ao nome do cátion. Daí temos: NaHCO3 = Bicarbonato de Sódio Óxido Os óxidos são compostos binários que apresentam o oxigênio com número de oxidação igual a -2, sendo o elemento mais eletronegativo da fórmula. As classificações e propriedades de um óxido dependem das características iniciais do elemento formador desse óxido. Vamos à classificação dos óxidos: Óxidos Neutros São aqueles formados por um elemento ametal e oxigênio. Suas características são: » Possuir ligação covalente; » Não reagir com água, base ou ácidos. Exemplo: CO = Monóxido de Carbono 16 Unidade: As Funções Químicas Óxidos Básicos São aqueles formados por um metal e oxigênio. Sua principal característica é possuir ligação iônica. Exemplo: BaO = Óxido de Bário Óxidos Duplos ou Mistos São aqueles formados por dois óxidos provenientes de um mesmo elemento químico. Exemplo: Fe3O4 = Magnetita FeO + Fe2O3 → Fe3O4 Óxidos Ácidos São formados por um elemento ametal e oxigênio. Suas principais características são » Possuir ligação covalente; » Na presença de água, tornar-se um ácido; enquanto na presença de base, tornar-se sal e água. Exemplo: SO2 = Óxido de Enxofre Peróxidos São formados por um elemento qualquer e oxigênio do grupo [ ]22O − Exemplo: Na2O2 = Peróxido de Sódio A nomenclatura dos óxidos segue a seguinte classificação: De prefixo + óxido de + prefixo + elemento Para qualquer óxido. Exemplo: Fe3O4 = Tetróxido de Ferro (3) De óxido de + elemento Para elementos com número de oxidação NOX fixo. Exemplo: Al2O3 = Óxido de Alumínio De óxido + elemento + sufixo, ou óxido de + elemento + NOX (sendo NOX em algarismo romano). Para os elementos que não apresentam número de oxidação NOX fixo. Exemplo: Fe2O3 = Óxido Férricou ou Óxido de Ferro III De anidrido + prefixo + elemento + sufixo. 17 Apenas para os óxidos ácidos e de acordo com o seguinte Quadro: NOX Prefixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso +3 ou +4 - oso +5 ou +6 - ico +7 hiper ico Fonte: elaborado pela professora conteudista. Novamente as exceções são os elementos B+3, C+4 e Si+4, onde apenas se usa o sufixo "ico". Exemplo: Mn2O7 = Anidrido Permangânico A nomenclatura dos peróxidos é a seguinte: Regra de ser chamado de Peróxido de + elemento. Exemplo: H2O2 = Peróxido de Hidrogênio Quanto à nomenclatura dos superóxidos: Regra de ser chamado de: Superóxido de + elemento Exemplo: NaOH2 = Superóxido de sódio Óxidos anfóteros são os óxidos básicos na presença de ácidos e os óxidos ácidos na presença de bases. Exemplo: Al2O3 = Óxido de Alumínio 18 Unidade: As Funções Químicas Função orgânica Dado o grande número de compostos orgânicos existentes, foi necessário agrupá-los em funções orgânicas. Assim, as substâncias são classificadas de acordo com a semelhança de suas propriedades e composições, melhorando o estudo desses compostos. As principais funções orgânicas são: » Hidrocarboneto; » Álcool; » Cetona; » Éter; » Ácido carboxílico. Hidrocarboneto Os hidrocarbonetos correspondem à função mais simples da Química orgânica. A partir do seu conhecimento é possível determinar com facilidade as demais funções. O petróleo e o gás natural são exemplos de fontes de hidrocarbonetos. Ponto de partida para a produção de combustíveis, plásticos, corantes e muitos outros produtos largamente utilizados pelo homem. Hidrocarbonetos são compostos orgânicos formados exclusivamente por hidrogênio e carbono. Daí vem o nome hidrocarboneto, hidro = H e carboneto = C. Sua fórmula geral é: CxHy Exemplo: C3H8 = Propano que está presente no gás de conzinha GLP H H H H c c c H H H H C8H18 = Octano (Gasolina) H H H H c c c H H H H H H H c c c H H H H H c c H H 19 Álcool O Álcool é a denominação de uma substância orgânica contendo um ou mais grupos Oxidrila ou Hidroxila (OH) ligados diretamente aos átomos de carbono saturados. O álcool etílico – ou etanol – é de grande importância. Trata-se de componente das bebidas alcoólicas. É considerada uma substância tóxica, pois age no organismo como agente depressivo do sistema nervoso. Apresenta grande importância na indústria química, em processos de laboratório, na fabricação de perfumes e aromas, na produção de solventes e nos combustíveis. A representação de um monoálcool pode ser: Onde: R = Radical OH = Hidroxila Exemplo: CH3 - CH2 - OH Álcool alifático H2C - CH2 Diálcool alifático OH OH Cetona Todo composto orgânico que possui o grupo funcional – CO – é chamado de Cetona. Nos aldeídos e nas cetonas, chamamos esse grupo – CO – de Carbonila. Por esse motivo, os Aldeídos e Cetonas fazem parte do grupo dos Carbonilados. As Cetonas são encontradas em abundância na natureza em flores e frutos. São líquidos que apresentam odor agradável. As diversas Cetonas artificiais e naturais são usadas amplamente na indústria de aromas e fragrâncias como perfumes e aromatizantes. Temos também como exemplo de Cetonas os compostos cetônicos da urina, que são substâncias medicinais. As cetonas possuem o grupo Carbonila – CO – ligado a outros dois átomos de carbono. São exemplos de cetonas: O H3C C CH3 Propanona O CH3 C CH2 CH3 Butanona Ciclobutano 20 Unidade: As Funções Químicas Éter Chamamos de éter a todo composto orgânico que apresenta a cadeia carbônica ligada por Oxigênio – O – entre dois carbonos. Esse oxigênio deve também estar diretamente ligado a dois radicais orgânicos. Entre os compostos classificados como éter mais conhecidos temos o éter dietílico, ou comumente chamado de éter comum. Esse possui característica de ser um líquido altamente volátil, dado que seu ponto de ebulição gira em torno de 35°C. Possui ainda característica de alta inflamabilidade, é incolor e tem odor muito conhecido e característico. É um composto muito utilizado em formulações de solvente de óleos, resinas e tintas. Pela possibilidade de utilização como composto alucinógeno, possui uso restrito. O éter apresenta uma fórmula genérica R – O – R, sendo que R é a representação do Radical, enquanto O é o elemento Oxigênio. Eis algumas fórmulas para exemplificar: 3 3 3 2 2 2 3 CH - O - CH CH - CH - CH - O - CH - CH Ácidos Carboxílicos Os ácidos carboxílicos são compostos orgânicosque apresentam um ou mais grupos – COOH – ligados à cadeia de carbonos. Grupo Funcional C ou simplesmente O HO COOH Entre os ácidos carboxílicos conhecidos, temos o ácido fórmico, que é o ácido mais simples por conter apenas um carbono em sua fórmula. Fórmico é o nome popular do ácido metanoico, por esse ser o elemento presente nas picadas de formigas e abelhas. Concluindo, seguem representações de ácidos carboxílicos: 3 3 2CH - COOH CH - CH - COOH 21 Material Complementar Caro(a) aluno(a), Para complementar os conhecimentos adquiridos nesta Unidade, leia o seguinte artigo: Livros: FERREIRA, A. de M.; SILVA, G. C. S.; DUARTE, H. A. Materiais funcionais para a proteção ambiental. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, n. 8, p. 30-38, maio 2014. BRADY, J. E.; SENESE, F. A.; JESPERSEN, N. D. Química – a matéria e suas transformações. v. 1. 5. ed. [São Paulo?]: LTC, 2009a. ______. Química – a matéria e suas transformações. v. 2. 5. ed. [São Paulo]: LTC, 2009b. 22 Unidade: As Funções Químicas Referências ATKINS, P. W.; JONES, L. Princípios de Química. Porto Alegre, RS: Bookman, 2001. PERUZZO, F.; CANTO, E. do. Química na abordagem do cotidiano – Química orgânica. v. 3. 3. ed. São Paulo: Moderna, 2003. REIS, M. Completamente Química. São Paulo: FTD, 2001. USBERCO, J.; SALVADOR, E. Química – Química orgânica. v. 3. 11. ed. São Paulo: Saraiva, 2005. 23 Anotações
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