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Li vr o 2 Assunto Apostila Exercícios Revisão Rendimento % Relação de Massa e Quantidade Soluções Propriedades Coligativas Termoquímica Cinética Química Equilíbrio Químico Equilíbrio Iônico e pH Oxirredução Eletroquímica Radioatividade Química PLANEJAMENTO Livro 2 #EsseAnoVai! Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Índice Relação de Massa e Quantidade 3 Soluções 24 Propriedades Coligativas 50 X Termoquímica 57 Cinética Química Equilíbrio Químico 83 Equilíbrio Iônico e pH 90 Oxirredução 97 Eletroquímica 102 Radioatividade 120 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Vamos supor que existisse uma “balança imaginária” com sensibilidade suficiente para pesar um único átomo. Vamos supor, ainda, que fosse possível efetuar a seguinte pesagem: colocar um único átomo de flúor num dos pratos da balança; no outro prato, colocar gradativamente as frações correspondentes à unidade de massa atômica (u). Notaríamos que são necessárias 19 u para equilibrar o átomo de flúor; dizemos, então, que a massa atômica do flúor é 19 u. Quando pesamos um pacote de açúcar e dizemos que ele pesa 5 kg, estamos comparando a massa do pacote com certa massa-padrão, que é o quilograma. Surgiu então entre os químicos a ideia de usar um certo átomo como padrão de pesagem dos demais átomos e moléculas. Atualmente, o padrão escolhido é o átomo do isótopo de carbono de número de massa igual a 12. 4 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Relações de Massa e Quantidade Massa Atômica Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com No cotidiano, várias mercadorias são vendidas “em conjunto” ou “por atacado”. Normalmente não se compra um ovo, mas sim uma dúzia de ovos; não se compra uma folha de papel, mas sim uma resma de papel (pacote com 500 folhas); não se compra um tijolo, mas sim um milheiro de tijolos (1.000 tijolos); e assim por diante. Na Química, ocorre algo semelhante. O átomo é tão pequeno que é impossível “trabalhar”, “pesar” etc. um único átomo. Mesmo uma dúzia, uma resma, um milheiro de átomos são quantidades extremamente pequenas. Os químicos procuraram então uma quantidade de átomos que pudesse ser “pesada” em balanças comuns. A escolha mais lógica foi considerar uma quantidade de átomos que, “pesada”, fornecesse em gramas, o mesmo número já estabelecido como massa atômica. O cálculo prático da massa molecular é feito considerando que uma molécula é uma “soma” de átomos. Daí concluiremos que o caminho mais fácil para obter a massa molecular é exatamente o de somar as massas atômicas dos átomos formadores da molécula considerada. Observe o exemplo do CO2: 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Mol Massa Molecular Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Evidentemente o mesmo raciocínio pode ser feito em relação a moléculas, íons etc. A esse conjunto de N partículas foi dado o nome de mol. Seu valor é aproximadamente 602.000.000.000.000.000.000.000 (seiscentos e dois sextilhões) (ou, abreviadamente, 6,02 x 1023 partículas/mol) e foi chamada de Constante de Avogadro em homenagem a Amedeo Avogadro. A constante de Avogadro (6,02 x 1023) é extremamente grande. Se pudéssemos contar, uma por uma, todas as moléculas existentes em 1 mol (342 g) de sacarose (que é o açúcar comum), contando uma molécula por segundo, demoraríamos 190.000.000.000.000 séculos para completar a contagem! Vamos agora ver alguns fatos interessantes sobre o mol e sobre a constante de Avogadro, para termos uma noção da magnitude desse número: 1. Se separássemos um mol de grãos de arroz, toda a superfície da Terra seria coberta com uma camada de 75 metros de altura. 2. Um mol de grãos de arroz contém mais grãos do que todo o arroz que já foi cultivado desde o início dos tempos. 3. Alguns computadores conseguem contar numa taxa de 1 a 800 milhões por segundo. Nesse ritmo, este computador levaria mais de 25 milhões de anos para contar até 6,02 x 1023. 4. Se convertêssemos a constante de Avogadro para quilômetros, o comprimento resultante seria suficiente para irmos da Terra ao Sol mais de 4 013 333 333 333 333 vezes, ou seja, mais de quatro quatrilhões de vezes! 5. Se voltássemos no tempo 602 213 670 000 000 000 000 000 segundos, simplesmente não saberíamos o que havia, pois isso seria muito antes do Big Bang, ou seja, muito antes do tempo existir! O SI estabelece que quando se utiliza o mol, as entidades elementares devem ser especificadas, podendo ser átomos, moléculas, íons, elétrons, assim como outras partículas ou agrupamentos especificados em tais partículas: Enfim, mol deve ser entendido como quantidade de matéria ligada a um número de partículas — uma noção tão simples quanto dúzia, resma, milheiro etc. 6 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Massa molar (M) é a massa, em gramas, de um mol da substância (ou elemento ou íon etc.). • massa molar do Ca = 40 g/mol • massa molar do CO2 = 44 g/mol • massa molar do Na+ = 23 g/mol É muito importante então fazermos a conversão de gramas em mols e vice e versa. A partir destas informações retiramos a RELAÇÁO ESTEQUIOMÉTRICA, essencial para os problemas deste e do capítulo de Estequiometria. 1 mol - “x” gramas - 6,02 x 10²³ entidades (moléculas, átomos, íons...) Verifica-se experimentalmente que, nas condições normais de pressão e temperatura (CNPT) (1 atm e 0ºC), o volume molar é 22,4 L/mol Observe agora nossa RELAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA: 1 mol - “x” gramas - 6,02 x 10²³ entidades – 22,4 L Para gases que não estão nas CNTP, deveremos usar a Equação de Clayperon: P= Pressão do gás (em atm) V = Volume do gás (em L) n = número de mols T = Temperatura absoluta (em Kelvin) R: Constante Geral dos gases (0,082 atm.L/mol.K) Com a equação de Clapeyron você calcula o volume do gás nas devidas condições e após aplica a Relação Estequiométrica para resolver o que se pede. Hipótese De Avogadro: Volumes iguais de gases quaisquer, quando medidos à mesma pressão e temperatura, encerram o mesmo número de moléculas. Volume molar (VM) dos gases é o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás, em determinada pressão e temperatura. O volume molar independe da natureza do gás, mas varia com a pressão e a temperatura. São conhecidas, atualmente, milhões de substâncias químicas. Para identificá-las, são usados nomes e fórmulas. E atualmente como as fórmulas são determinadas? É evidente que, quando os químicos descobrem uma nova substância, eles não conhecem a sua fórmula. O caminho clássico, nessas ocasiões, é submeter a substância a uma análise química. A análise começa pela purificação da substância, que é a chamada análise imediata. Em seguida, a substância já purificada é submetida a uma análise elementar (qualitativa e quantitativa). Na qualitativa, determinam-se quais são os elementos presentes na substância e, na quantitativa, quanto há de cada elemento. Com esses dados, pode-se, então, calcular a fórmula centesimal. 7 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Volume Molar Cálculo de Fórmulas 1º exemplo: Quantos mols correspondem a 88 g de dióxido de carbono (CO2 )? (Massas molares: C = 12; O = 16) 2º exemplo: Quantos mols correspondem a 100g de cálcio? Dado: massa molar do cálcio = 40. 3° exemplo: Quantos gramas estão presentes em 3,5 mols de dióxido de carbono (CO2 )? (Massas molares: C = 12; O = 16) 4° exemplo: Quantos gramas estão presentes em 10 mols de cálcio? (Dado: massa molar do cálcio: 40 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Massa molar (M) é a massa, em gramas, de um mol da substância (ou elemento ou íon etc.). • massa molar do Ca = 40 g/mol • massa molar do CO2 = 44 g/mol • massa molar do Na+ = 23 g/mol É muito importante então fazermos a conversão de gramas em mols e vice e versa. A partir destas informações retiramos a RELAÇÁO ESTEQUIOMÉTRICA, essencial para os problemas deste e do capítulo de Estequiometria. 1 mol - “x” gramas - 6,02 x 10²³ entidades (moléculas, átomos, íons...) Verifica-se experimentalmente que, nas condições normais de pressão e temperatura (CNPT) (1 atm e 0ºC), o volume molar é 22,4 L/mol Observe agora nossa RELAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA: 1 mol - “x” gramas - 6,02 x 10²³ entidades – 22,4 L Para gases que não estão nas CNTP, deveremos usar a Equação de Clayperon: P= Pressão do gás (em atm) V = Volume do gás (em L) n = número de mols T = Temperatura absoluta (em Kelvin) R: Constante Geral dos gases (0,082 atm.L/mol.K) Com a equação de Clapeyron você calcula o volume do gás nas devidas condições e após aplica a Relação Estequiométrica para resolver o que se pede. Hipótese De Avogadro: Volumes iguais de gases quaisquer, quando medidos à mesma pressão e temperatura, encerram o mesmo número de moléculas. Volume molar (VM) dos gases é o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás, em determinada pressão e temperatura. O volume molar independe da natureza do gás, mas varia com a pressão e a temperatura. 7 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Volume Molar 1º exemplo: Quantos mols correspondem a 88 g de dióxido de carbono (CO2 )? (Massas molares: C = 12; O = 16) 2º exemplo: Quantos mols correspondem a 100 g de cálcio? Dado: massa molar do cálcio = 40. 3° exemplo: Quantos gramas estão presentes em 3,5 mols de dióxido de carbono (CO2 )? (Massas molares: C = 12; O = 16) 4° exemplo: Quantos gramas estão presentes em 10 mols de cálcio? (Dado: massa molar do cálcio: 40 01) Qual o volume ocupado por 26 g de CO2, nas CNTP? 02) Quantas moléculas estão presentes em 12 L de N2, nas CNTP? 03) Qual o volume de gás metano, CH4 estão presentes em 12 mols, nas CNTP? Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Na Química, acontece fato semelhante. Dizemos, por exemplo, que a composição centesimal do metano (CH4) é 75% de carbono e 25% de hidrogênio. Isso significa que, em cada 100 g de metano, encontramos 75 g de carbono e 25 g de hidrogênio. Fórmula centesimal (ou composição centesimal ou composição percentual) refere-se às porcentagens em massa dos elementos formadores da substância considerada. São conhecidas, atualmente, milhões de substâncias químicas. Para identificá-las, são usados nomes e fórmulas. E atualmente como as fórmulas são determinadas? É evidente que, quando os químicos descobrem uma nova substância, eles não conhecem a sua fórmula. O caminho clássico, nessas ocasiões, é submeter a substância a uma análise química. A análise começa pela purificação da substância, que é a chamada análise imediata. Em seguida, a substância já purificada é submetida a uma análise elementar (qualitativa e quantitativa). Na qualitativa, determinam-se quais são os elementos presentes na substância e, na quantitativa, quanto há de cada elemento. Com esses dados, pode-se, então, calcular a fórmula centesimal. 7 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Fórmula Centesimal Cálculo de Fórmulas 01) A análise de 0,40 g de um certo óxido de ferro revelou que ele encerra 0,28 g de ferro e 0,12 g de oxigênio. Qual é a sua fórmula centesimal? 02) Calcular a composição centesimal do ácido sulfúrico (massas atômicas: H = 1; O = 16; S = 32). Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Substituir os valores em % por valores em gramas, denominando-os massa dada; Determinar o número de mols para cada elemento; Dividir todos os valores do número de mols pelo menor entre eles; Se for necessário, multiplicar os valores encontrados por 2 ou 3 para que fiquem todos inteiros. Estabelecer a seguinte regra de três para cada elemento presente na fórmula: Massa molecular dada – 100% X g - % do elemento Determinar um número de mols para cada elemento Calcula-se a massa da fórmula mínima; Divide-se a massa molecular dada pela massa da fórmula mínima calculada, encontrando-se um fator “x” Multiplicam-se os índices da fórmula mínima pelo fator “X”. 8 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Fórmula Mínima a partir da Fórmula Centesimal Fórmula Molecular a partir da fórmula centesimal e massa molecular Determine a fórmula mínima de um composto que contém 140 g de silício e 160g de oxigênio. Qual a fórmula mínima de um sulfato de ferro que contém 28% de ferro, 24% de enxofre e 48% de oxigênio? Determinar a fórmula molecular de um composto que apresenta massa molecular 78 u sabendo que este possui uma composição centesimal: 92,31% de carbono e 7,68% de hidrogênio. Fórmula Molecular a partir da fórmula mínima e massa molecular Qual a fórmula molecular do composto cuja fórmula mínima é CH2O e a massa molecular é 180 g/mol? Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com São conhecidas também como Leis ponderais: Lei de Conservação da Massa e Lei das Proporções LEI DE LAVOISIER OU LEI DA CONSERVAÇÃO DAS MASSAS No final do século XVIII, o cientista Antoine Lavoisier realizou uma série de experiências em recipientes fechados (para que não entrasse nem escapasse nada do sistema em estudo) e, efetuando pesagens com balanças mais precisas do que as dos cientistas anteriores, concluiu: No interior de um recipiente fechado, a massa total não varia, quaisquer que sejam as transformações que venham a ocorrer. Tal afirmativa é uma lei da Natureza, descoberta por Lavoisier e que, por esse motivo, ficou conhecida como lei de Lavoisier (ou lei da conservação da massa, ou lei da conservação da matéria). Por exemplo: verifica-se que 3 gramas de carbono reagem com 8 gramas de oxigênio, produzindo 11 gramas de gás carbônico. Como 3 g + 8 g = 11 g, conclui-se que nada se perdeu. “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.” LEI DE PROUST OU LEI DAS PROPORÇÕES DEFINIDAS Quase na mesma época de Lavoisier, Joseph Louis Proust, efetuando também uma grande série de pesagens em inúmeras experiências, chegou à seguinte conclusão: Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa. Por exemplo, observa-se que o gás carbônico é sempre formado por carbono e oxigênio, e verifica-se também que: 1ª experiência: 3 g de carbono (C) se unem a 8 g de oxigênio (O2), produzindo 11 g de gás carbônico (CO2) 2ª experiência: 6 g de carbono (C) se unem a 16 g de oxigênio (O2), produzindo 22 g de gás carbônico (CO2) Veja que, na 1ª experiência, a proporção entre as massas é de 3 : 8 : 11. Na 2ª experiência, é de 6 : 16 : 22. Nesta última, os números mudaram, mas obedecendo à relação: 6 é o dobrode 3; 16 é o dobro de 8; e 22 é o dobro de 11. Enfim, os números mudaram, mas a proporção é a mesma, como se diz em Matemática. Essa conclusão é chamada de lei de Proust ou lei das proporções constantes (ou fixas ou definidas). 8 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Lei das Combinações Químicas Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Nossa vida é cheia de cálculos: calculamos o tempo para chegar até o trabalho; calculamos o saldo da nossa conta bancária; calculamos a distância que falta para chegar ao fim de uma viagem, etc. No ramo da Química acontece algo semelhante: os laboratórios e as industrias precisam calcular as quantidades de produtos que serão formados ao final de uma reação. Ao preparar um bolo, por exemplo, devemos misturar os ingredientes (farinha, ovos, açúcar etc.) numa proporção adequada. Caso contrário, ao levar o bolo ao forno, a reação química que aí se processa não atingirá o resultado desejado Cálculo estequiométrico ou estequiometria (do grego: stoikheion, elemento; metron, medição) é o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos das reações químicas feito com base nas leis das reações e executado, em geral, com o auxílio das equações químicas correspondentes. A síntese da amônia pode ser equacionada da seguinte maneira: N2(g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) Numa equação química, os números colocados antes da fórmula de cada substância, seja reagente ou produto, são os coeficientes estequiométricos. Átomos não são criados nem destruídos numa reação química. Assim, os coeficientes devem ser corretamente escolhidos a fim de que o número de átomos de um certo elemento químico seja o mesmo em ambos os membros da equação química. Quando os coeficientes estão adequadamente colocados, diz-se que a equação química está corretamente balanceada Regras para o Balanceamento: Seguir a ordem do MACHO, ou ainda acertar os coeficientes daqueles elementos que aparecem uma vez nos reagentes e uma vez nos produtos O cálculo estequiométrico é uma decorrência das leis das reações químicas e da teoria atômico- molecular. Uma equação química, escrita com fórmulas corretas e corretamente balanceada, nos dá uma série de informações quantitativas de grande importância. 9 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Estequiometria Coeficientes Estequiométricos Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Resumindo, temos as seguintes regras para efetuar um cálculo estequiométrico: 1º) Escrever a equação química mencionada no problema; 2º) acertar os coeficientes dessa equação (lembre-se que os coeficientes indicam a proporção em mols existente entre os participantes da reação). 3º) Estabelecer uma regra de três entre o dado e a pergunta do problema, obedecendo aos coeficientes da equação, que poderá ser escrita em massa, ou em volume, ou em mol, ou em número de moléculas, conforme as conveniências do problema. A PRIMEIRA LINHA DA REGRA DE TRÊS É RETIRADA UTILIZANDO OS DADOS DA PRÓPRIA REAÇÃO. SOMENTE NA SEGUNDA LINHA DA REGRA DE TRÊS VAMOS UTILIZAR OS DADOS FORNECIDOS NO PROBLEMA. A REAÇÃO QUÍMICA SEMPRE INFORMA OS COEFICIENTES EM MOLS. DEVEMOS FAZER A CONVERSÃO DEPENDENDO DO QUE A QUESTÃO EXIGIR. Sem esquecermos da Relação Estequiométrica. ! O cálculo estequiométrico é uma decorrência das leis das reações químicas e da teoria atômico-molecular. Uma equação química, escrita com fórmulas corretas e corretamente balanceada, nos dá uma série de informações quantitativas de grande importância. Por exemplo: 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Faça o balanceamento das seguintes equações químicas Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 1º Caso: Relação Simples de Massa/Mols/Moléculas/Volume 01) (UFSM-RS) O ácido fosfórico, usado em refrigerantes do tipo “cola” e possível causador da osteoporose, pode ser formado a partir da equação não-balanceada: Ca3 (PO4)2 + H2SO4 → H3PO4 + CaSO4 Partindo-se de 62 g de Ca3 (PO4)2 e usando-se quantidade suficiente de H2SO4, qual, em gramas, a massa aproximada de H3PO4 obtida? a) 19 c) 39 e) 51 b) 25 d) 45 02) (Cesgranrio – RJ) Calcular o volume de gás carbônico obtido, nas condições normais de pressão e temperatura, por calcinação de 200 g de carbonato de cálcio. CaCO3 → CaO + CO2 03) Quantos mols de ácido clorídrico são necessários para produzir 23,4 gramas de cloreto de sódio? HCl + NaOH → NaCl + H2O 04) Quantas moléculas de gás carbônico podem ser obtidas pela queima completa de 4,8 g de carbono puro? C + O2 → CO2 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 1º Caso: Relação Simples de Massa/Mols/Moléculas/Volume 05) (Ceeteps-SP) Um dos mecanismos de destruição da camada de ozônio na atmosfera é representado pela equação: NO (g) + O3 (g) → NO2 (g) + O2 (g) Considerando que um avião supersônico de transporte de passageiros emita 3 toneladas de NO (g) por hora de vôo, a quantidade de ozônio, em toneladas, consumida em um vôo de 7 horas de duração é: a) 336,0 d) 21,0 b) 70,0 e) 13,1 c) 33,6 06) (Cesgranrio-RJ) Numa estação espacial, emprega-se óxido de lítio para remover o CO2 no processo de renovação do ar de respiração, segundo a equação: Li2O + CO2 → Li2CO3 Sabendo-se que são utilizadas unidades de absorção contendo 1,8 kg de Li2O, o volume máximo de CO2 , medido nas CNPT, que cada uma delas pode absorver, é: a) 1.800 L c) 1.120 L e) 672 L b) 1.344 L d) 980 L 07) (PUC-RJ) Na poluição atmosférica, um dos principais irritantes para os olhos é o formaldeído, CH2O, o qual é formado pela reação do ozônio com o etileno: O3 (g) + C2H4 (g) → 2 CH2O (g) + O (g) Num ambiente com excesso de O3 (g), quantos mols de etileno são necessários para formar 10 mols de formaldeído? a) 10 mols d) 2 mols b) 5 mols e) 1 mol c) 3 mols 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 2° CASO: REAÇÕES CONSECUTIVAS Às vezes, viajamos em etapas, percorrendo várias cidades, até chegar ao destino final. Em alguns processos químicos, ocorrem fatos semelhantes: os átomos “percorrem” várias reações (Etapas), até chegar ao produto desejado. É fácil, então, relacionar as quantidades dos reagentes iniciais com as quantidades dos produtos finais que são formados. Exemplo: Qual é a massa de H2SO4 produzida a partir de 8 toneladas de enxofre (S)? S + O2 → SO2 SO2 + ½ O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 Quando um problema fornece, por exemplo, a massa inicial de enxofre e pede a massa de H2SO4 produzido, um dos caminhos do cálculo seria manter as três equações separadas e calcular primeiro a massa de SO2, depois a massa de SO3 e, finalmente, a massa de H2SO4. No entanto, é muito mais fácil “somar algebricamente” as equações químicas e efetuar o cálculo estequiométrico diretamente na equação final. Nesse tipo de problema é indispensável que: Todas as equações estejam balanceadas individualmente As substâncias intermediárias (no caso SO2 e SO3), sejam canceladas em certos problemas isso nos obriga a multiplicar ou dividir uma ou outra equação por números convenientes, que nos levam ao cancelamento desejado. Daí para diante recaímos num cálculo estequiométrico comum, em que a regra de três é estabelecida emfunção da equação química que resulta da soma das equações intermediárias. DISSOLUÇÃO FRACIONADA: apenas um 11 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 2º Caso - Exemplos 01) A produção do combustível nuclear hexafluoreto de urânino (UF6) envolve as seguintes etapas: Considerando as etapas descritas e as massas moleculares: U = 235; F = 19; H = 1; O = 16, faça o que se pede: a) Escreva a equação global da produção do UF6 b) Calcule a massa de UO3 necessária para produzir 44 kg de combustível nuclear, UF6. 02) O air bag usado em automóveis contém azida de sódio, NaN3, e nitrato de potássio, KNO3, Quando ocorre um acidente, a azida de sódio se decompõe para formar nitrogênio gasoso, N2, e sódio metálico: O sódio produzido reage imediatamente com o nitrato de potássio, produzindo mais nitrogênio gasoso: Considerando essa sequência de reações, a quantidade de matéria de gás nitrogênio produzida por 1 mol de azida de sódio é de: a) 1,5 mol b) 1,6 mol c) 3,0 mol d) 4,0 mol )(6)(2)(4 )(2)(4)()(2 )(2)(2)(2)(3 24 ggs gsgs gsgs UFFUFIII OHUFHFUOII OHUOHUOI →+− +→+− +→+− )(2)()(3 322 gss NNaNaN +→ )(2)(2)(2)(3)( 5210 ssgss OKONaNKNONa ++→+ 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 2º Caso - Exemplos 03) A produção industrial do ácido sulfúrico pe realizada a partir do enxofre, extraído de jazidas localizadas normalmente em zonas vulcânicas. O enxofre extraído é queimado ao ar atmosférico produzindo o dióxido de enxofre (Etapa I). Após essa reação, a ácido sulfuroso é oxidado a trióxido de enxofre, em alta temperatura e presença de um catalisador adequado (Etapa II). Em seguida o trióxido de enxofre é borbulhado em água, formando o ácido sulfúrico (Etapa III). As reações referentes a cada uma das etapas do processo encontram-se abaixo equacionadas: Desse modo, ao serem extraídos 200 kg de enxofre (S) com 80% de pureza de uma jazida, considerando- se que o rendimento global do processo seja de 90%, a massa de ácido sulfúrico que será produzida é: (Dados: massas molares(g/mol): H = 1, O = 16 e S = 32) a) 612,5 kg b) 551,2 kg c) 490,0 kg d) 441,0 kg e) 200,0 kg )(42)(2)(3 )(3)(2)(2 )(2)(2)( : 22: : llg ggg ggs SOHOHSOEtapaIII SOOSOEtapaII SOOSEtapaI →+ →+ →+ 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 3° CASO: GRAU DE PUREZA Imagine a seguinte situação: vamos convidar para um churrasco 25 parentes e amigos; supondo que, em média, cada pessoa coma 300 g de picanha, precisamos comprar 25 x 300 g = 7500 g ) ou 7,5 kg de picanha. Se formos comprar costela, deveremos comprar mais de 7,5 kg para que, retirados os ossos, sobrem 300 g de carne “limpa” para cada convidado. Precisamos sempre trabalhar com os reagentes puros, pois são eles que interessam no meu cálculo. Para isso, devemos eliminar as impurezas antes de seguirmos com o cálculo estequiométrico. 11 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Quantos gramas de sacorose em um pacote com 5 kg de açúcar com 95% de sacarose? DICA: PARA UTILIZAR A PUREZA, MULTIPLIQUE A MESMA (DIVIDIDA POR 100) NA SEGUNDA LINHA DA REGRA DE TRÊS PELO VALOR DA SUBSTÂNCIA IMPURA Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 3º Caso - Exemplos 01) Considere a equação que representa a produção do ferro a partir da hematita (Fe2O3): a) Calcule, em toneladas, a massa de ferro produzida a partir de 200 toneladas de minério com 20% de impurezas. b) Calcule o volume de CO2 liberado na atmosfera a partir da mineração de 1,6t de Fe2O3. Considere que o grau de pureza do minério é de 62,5% e que a transformação ocorre nas CNTP. 02) (UFRGS-RS) O gás hilariante, N2O(g), pode ser obtido pela decomposição térmica do nitrato de amônio, NH4NO3(s), conforme mostra a reação a seguir: NH4NO3(s) → N2O(g) + 2 H2O(ℓ) Se de 4,0 g do NH4NO3(s) obtivemos 2,0 g de gás hilariante, podemos prever que a pureza do sal é de ordem: a) 100% b) 90% c) 75% d) 50% e) 20% )(2)()(2)(32)( 64326 gsgss COFeOOFeC +→++ 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 4° CASO: RENDIMENTO Suponha que sejam necessários 8 dúzias de laranjas para fazer 5 litros de suco. Se comprarmos 8 dúzias de laranjas e, por infortúnio, 1 dúzia apodrecer e for jogada fora, é evidente que só conseguiremos fazer menos de 5 litros e suco. Em Química, é um comum uma reação produzir uma quantidade de produto menor do que a esperada pela equação química correspondente; quando isso acontece, dizemos que o rendimento da reação não foi total. Esse fato pode ocorrer porque a reação é “incompleta” ou porque ocorreram “perdas” durante a reação (vários são os fatores). Vamos considerar a reação C + O2 → CO2 e supor que, pelo cálculo estequiométrico normal, deveriam ser obtidos 200 L de CO2. Porém, devido a perdas, foram produzidos apenas 180 litros. Diremos então que: 200 litros ------- 100% 180 litros ------- x x = 90% de rendimento 11 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 DICA: PARA UTILIZAR O RENDIMENTO, MULTIPLIQUE O MESMO (DIVIDIDA POR 100) NA PRIMEIRA LINHA DA REGRA DE TRÊS PELO VALOR DO PRODUTO. Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 4º Caso - Exemplos 01) Queimando-se um saco de carvão (C) de 3 kg, numa churrasqueira, com rendimento de 90%, quantos quilogramas de CO2 são formados? a) 2,7 b) 3,0 c) 4,4 d) 9,9 e) 11 02) O processo industrial de obtenção da soda barrilha, conhecido como “Processo Solvay”, tem, em sua última etapa, a conversão, por aquecimento, de bicarbonato de sódio em carbonato de sódio: Admitindo-se que, nessa etapa, 420 kg de bicarbonato de sódio originaram 212 kg de carbonato de sódio, é correto afirmar que o valor mais próximo do rendimento percentual dessa reação é: a) 50% b) 60% c) 70% d) 80% e) 90% 03) A equação mostra a reação envolvida no processo de obtenção do formaldeído (CH2O) a partir do metanol (CH3OH), por reação com o O2 em presença de prata como catalisador. Sabendo-se que o rendimento da reação é de apenas 10%, a massa de formaldeído obtida pela reação de 320 g de metanol é: a) 310 g b) 15 g c) 150 g d) 200 g e) 31 g )(2)(2)(32)(32 lgss OHCOCONaNaHCO ++→ OHOCHOOHCH Ag 2223 +→+ 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 5° CASO: REAGENTE EM EXCESSO E LIMITANTE Quantos cachorros-quentes conseguimos produzir com estes ingredientes? Considerando que cada cachorro-quente é feito com uma salsicha inteira, serão produzidos no máximo 4 cachorros-quentes. Concluímos assim, que na questão proposta, existem salsichas “em excesso” (ou pães em falta). Podemos ainda dizer que o número de pães constitui o fator limitante. É isto que precisamos identificar neste tipo de questão: Serão sempre fornecidas duas quantidades de reagentes; Será sempre pedido qual a quantidade de produto a ser formada. Para isso, vamos seguir o seguinte esquema: Coloque o valor da massa molar de cada reagente e o valor da massa de cada reagente, um abaixo do outro. Multiplique cruzado. O MAIOR valor será o reagente em EXCESSO. O MENOR valor será o reagente LIMITANTE. Usar SEMPRE O LIMITANTEpara relacionar com o produto e estabelecer a Regra de 3. Q U ÍM IC A | LI V R O 2 12 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com 4º Caso - Exemplos 01) Misturam-se 147 g de ácido sulfúrico e 100 g de hidróxido de sódio para que reajam segundo a equação: H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O Pede-se calcular: a) a massa de sulfato de sódio formada; b) a massa do reagente que sobra (em excesso) após a reação. 02) (Vunesp) Na indústria, a amônia é obtida pelo processo denominado Haber-Bosh, pela reação entre o nitrogênio e o hidrogênio na presença de um catalisador apropriado, conforme mostra a reação não- balanceada: Com base nessas informações, considerando um rendimento de 100% calcule: a) a massa de amônia produzida reagindo-se 7 g de nitrogênio com 3 g de hidrogênio; b) nas condições descritas no item a, existe reagente em excesso? Se existir, qual a massa em excesso desse reagente? 03) (Fuvest-SP) A combustão do gás metano, CH4, dá como produtos CO2 e H2O, ambos na fase gasosa. Se 1 L de metano for queimado na presença de 10 L de O2, qual o volume final da mistura resultante? Suponha todos os volumes medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão e comportamento ideal para todos os gases. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com São sistemas nos quais uma substância está disseminada, sob a forma de pequenas partículas, numa segunda substância. A substância que se disseminou chama-se disperso ou fase dispersa e a segunda (que serviu de meio para a disseminação da primeira) chama-se dispersante, dispergente ou fase de dispersão. Dispersão – Água + Sal: Dispersante água e Disperso sal. Dispersão água + areia: Dispersante água e Disperso areia Classificação das dispersões As dispersões são classificadas em função do tamanho médio das partículas dispersas. A mistura de água e sal constitui uma solução (mistura homogênea); Leite, sangue, gelatina e maionese são exemplos de dispersões coloidais; As suspensões são as clássicas misturas heterogêneas, como a mistura de água e areia. Soluções são misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Uma solução é formada por soluto e solvente. SOLUTO: geralmente se está em menor quantidade na solução. O soluto é dissolvido/solubilizado pelo solvente. SOLVENTE: geralmente se está em maior quantidade na solução. O solvente dissolve/solubiliza o soluto. As soluções são muito importantes em nosso dia- a-dia: o ar que respiramos é uma solução (mistura) de gases; a água do mar é uma solução que contém vários sais; muitos produtos, como bebidas, materiais de limpeza, remédios, etc. muitas reações químicas, feitas em laboratórios e em indústrias, são realizadas em solução; em nosso corpo (que contém cerca de 65% em massa de água), o sangue, o suco gástrico, a urina são líquidos que contêm em solução um número enorme de substâncias que participam de nosso metabolismo. Dispersões 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Soluções Soluções Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Quanto ao estado de agregação (estado físico): Sólida Gasosa Líquida Quanto à natureza das partículas dispersas Soluções não eletrolíticas: quando todas as partículas do soluto dispersas são moleculares, o soluto é molecular e não há processo de ionização ou dissociação do soluto. Não há íons em solução e, portanto, é uma solução não condutora de eletricidade. Exemplo: água e açúcar (sacarose). Soluções eletrolíticas: quando pelo menos uma parte da solução é constituída por íons. O soluto pode sofrer ionização ou dissociação. A solução é condutora de eletricidade. Exemplo: água e sal de cozinha. O coeficiente de solubilidade é a máxima quantidade de soluto que se solubiliza em uma dada quantidade de solvente, a uma dada temperatura. O coeficiente de solubilidade do sal na água, por exemplo, é igual a 36 g de NaCl/ 100 g de água a 20°C. Porém, ao variarmos a temperatura da solução, há uma variação na quantidade máxima de soluto que o solvente consegue dissolver. Quando o coeficiente de solubilidade é praticamente nulo, dizemos que a substância é insolúvel naquele solvente; é o caso do cloreto de prata, cujo grau de solubilidade em água é 0,014 g/L. Em se tratando de dois líquidos, dizemos que são imiscíveis; é o caso de água e óleo. Quando duas substâncias se dissolvem em qualquer proporção (coeficiente de solubilidade infinito), dizemos que elas são totalmente miscíveis; é o caso da mistura de água com álcool. Quando o coeficiente de solubilidade é praticamente nulo, dizemos que a substância é insolúvel naquele solvente; é o caso do cloreto de prata, cujo grau de solubilidade em água é 0,014 g/L. Em se tratando de dois líquidos, dizemos que são imiscíveis; é o caso de água e óleo. Quando duas substâncias se dissolvem em qualquer proporção (coeficiente de solubilidade infinito), dizemos que elas são totalmente miscíveis; é o caso da mistura de água com álcool. Observe como varia o coeficiente de solubilidade do nitrato de potássio (KNO3) com a temperatura: 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Classificação das Soluções Coeficiente ou Grau de Solubilidade Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Solução supersaturada Agora, se nós aquecermos essa solução saturada com corpo de fundo até 40°C, observamos que o coeficiente de solubilidade muda para 63,9 g/100g de água, o corpo de fundo (precipitado) dissolver-se-á totalmente, pois, a uma temperatura mais elevada, o seu coeficiente de solubilidade aumenta. Se deixarmos essa solução em repouso, até ela voltar para a temperatura de 20 °C, obteremos uma solução supersaturada, que é muito instável, pois contém mais soluto dissolvido do que o coeficiente de solubilidade naquela temperatura. Assim, se adicionarmos a ela um pequeno cristal do soluto, ocorrerá a precipitação dos 18,4 g de sal, que é a quantidade dissolvida acima da quantidade possível para a saturação (31,6 g). Podemos resumir esta classificação de acordo com o esquema abaixo: A QUANTIDADE DE SOLUTO DISSOLVIDA É DIRETAMENTE PROPORCIONAL À QUANTIDADE DE SOLVENTE. Por exemplo, em 100 g de água, a 20°C, conseguimos dissolver 31,6 g de KNO3... Em 200 g de água conseguimos dissolver o dobro (63,2 g), em 300 g de água o triplo (94,8 g) e assim por diante... Observe como varia o coeficiente de solubilidade do nitrato de potássio (KNO3) com a temperatura: Com base no exemplo do KNO3, vamos classificar as soluções de acordo com o seu coeficiente de solubilidade. Vamos tomar como exemplo o Cs KNO3 a 20°C = 31,6 g/100 g de água Solução insaturada Quando colocamos uma quantidade de soluto abaixo de seu coeficiente de solubilidade, temos uma solução insaturada ou não saturada. Solução com 20 g de KNO3 em 100 g de água a 20°C. Porém, se colocaram 50 g desse sal e mantivermos a mesma quantidade de solvente e a mesma temperatura vamos observar que 18,4 g não se dissolveram, temos uma solução saturada com corpo de fundo. Para obter somente a solução saturada, basta realizar uma filtração. Solução saturada Se colocarmos exatamente o coeficiente de solubilidade (31,6 g), teremos uma solução saturada, isto, solução que contém a máxima quantidade de soluto em uma certa quantidade de solvente e em uma determinada temperatura. Solução com 31,6g de KNO3 em 100 g de água a 20°C. Porém, se colocaram 50 g desse sal e mantivermos a mesma quantidade de solvente e a mesma temperatura vamos observar que 18,4 g não se dissolveram, temos uma solução saturada com corpo de fundo. Para obter somente a solução saturada, basta realizar uma filtração. 16 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Curvas de solubilidade são os gráficos que apresentam a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. Consideremos, por exemplo, a tabela seguinte, que mostra os coeficientes de solubilidade do nitrato de potássio (em gramas de KNO3 por 100 g de água) em várias temperaturas. Desses dados resulta a curva de solubilidade do nitrato de potássio em água, apresentada ao lado. As curvas de solubilidade têm grande importância no estudo das soluções de sólidos em líquidos, pois nesse caso a temperatura é o único fator físico que influi perceptivelmente na solubilidade. Existem substâncias que aumentam a solubilidade com o aumento da temperatura. É o caso da maioria dos sólidos (sais, bases..) e que apresentam então uma dissolução endotérmica. No entanto, algumas substâncias, como os gases dissolvidos em líquidos, apresentam uma diminuição da solubilidade com o aumento da temperatura. Estas substâncias apresentam então uma dissolução exotérmica. Um grave problema ambiental que ocorre com base nesse conceito está no aumento da temperatura das águas próximas às usinas nucleares que acaba diminuindo a quantidade de oxigênio dissolvido, o que prejudica a respiração de peixes e outros animais aquáticos, podendo levá-los à morte. 16 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Curvas de Solubilidade Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exercício Resolvido O gráfico representa as curvas de solubilidade das substâncias A, B e C: Com base no diagrama, responda: a) Qual das substâncias tem sua solubilidade diminuída com a elevação da temperatura? b) Qual a máxima quantidade de A que conseguimos dissolver em 100 g de H2O a 20 °C? c) Considerando apenas as substâncias B e C, qual delas é a mais solúvel em água? d) Considerando apenas as substâncias A e B, qual delas é a mais solúvel em água? e) Qual é a massa de C que satura 500 g de água a 100 °C? Indique a massa da solução obtida (massa do soluto + massa do solvente). f) Uma solução saturada de B com 100 g de água, preparada a 60 °C, é resfriada até 20 °C. Determine a massa de B que irá precipitar, formando o corpo de fundo a 20 °C. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Resolução! a) A única curva descendente é a da substância A, o que indica que sua solubilidade diminui com a elevação da temperatura. b) Observando o gráfico, percebemos que a 20 °C conseguimos dissolver 60 g de A em 100 g de água, sendo esse seu coeficiente de solubilidade. c) Em qualquer temperatura, a substância B é a mais solúvel (a curva de B está sempre acima da curva de C). d) As curvas de A e B se cruzam aproximadamente a 40 °C, indicando que, a essa temperatura, essas substâncias apresentam a mesma solubilidade. Para temperaturas inferiores a 40 °C, a solubilidade de A é maior que a de B; enquanto a temperaturas superiores a 40 °C, a solubilidade de B é maior que a de A. e) A 100 °C temos: Essa solução contém 500 g de H2O e 400 g de C; portanto, sua massa é 900 g. f) A 60 °C conseguimos dissolver 80 g de B em 100 g de H2O, enquanto a 20 °C a quantidade máxima de B dissolvida em 100 g de H2O é 20 g. Portanto, se resfriarmos uma solução saturada de B a 60 °C até 20 °C em 100 g de água, ocorrerá uma precipitação de 60 g de B. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Cálculos de Concentração Quando falamos em concentração, podemos dizer que é uma relação estabelecida entre as partes do soluto e a própria solução. CONCENTRAÇÃO COMUM Indica a quantidade de massa (m), em gramas que se encontra dissolvido em um volume de solução (V), em litros. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração 01) Calcule a concentração, em g/L, de uma solução de nitrato de potássio, sabendo que ela encerra 60 g do sal em 300 mL de solução. 02) Qual é a massa de NaOH existentes em 200 mL de solução de concentração igual a 80 g/L? Gabarito: 01) 200g/L 02) 16g 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Cálculos TÍTULO (T) OU TÍTULO EM MASSA Denomina-se título de uma solução a razão estabelecida entre a massa do soluto e a massa dessa solução, ambas medidas na mesma unidade. Podemos conhecer a porcentagem em massa do soluto na solução fazendo T% ou %m = 100 x T 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração Prepara-se uma solução dissolvendo-se 50 g de açúcar em 0,45 kg de água. Qual é o título dessa solução? Qual a porcentagem em massa dessa solução? Em um frasco de 300 mL de soro fisiológico, quantos gramas de NaCl estão dissolvidos? 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Cálculos CONCENTRAÇÃO MOLAR, MOLARIDADE OU CONCENTRAÇÃO EM QUANTIDADE DE MATÉRIA É a relação entre a quantidade de matéria do soluto (em mols) e o volume da solução (em litros). A unidade utilizada é mol/L. A fórmula da molaridade pode ser descrita dessa forma: Uma solução que apresenta 1 mol a cada litro de solução pode ser expressa como: 1 mol/L, 1M ou 1 molar. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração 01) Qual é a molaridade de uma solução de iodeto de sódio (NaI) que encerra 45 g do sal em 400 mL de solução? (Massas atômicas: Na = 23; I = 127) 02) Calcule a massa de hidróxido de sódio necessária para preparar meio litro de solução 0,2 molar (massas atômicas: H = 1; O = 16; Na = 23). 03) Qual é a molaridade de uma solução de ácido clorídrico (HCl) que apresenta concentração igual a 146 g/L? (Massas atômicas: H = 1; Cl = 35,5) 04) Uma solução de cloreto de sódio é 0,2 molar. Qual é sua concentração em gramas por litro? (Massas atômicas: Na = 23; Cl = 35,5) Gabarito: 01) 0,75 mol/L 02) 4 g 03) 4 mol/L 04) 11,7 g/L 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Relação entre as concentrações 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração 01) Uma dada solução aquosa de ácido sulfúrico contém 25% em massa de H2SO4. Sendo a densidade da solução de 1,15 g/cm3 , sua concentração, em g/L,será igual a: a) 300 b) 28,75 c) 250 d) 25 e) 287,5 02) A molaridade de uma solução de ácido sulfúrico a 49% em peso e densidade igual a 1,5 g/mL é: Dados: massa molar do ácido sulfúrico = 98 g/mol a) 7,5 mol/L. b) 1,5 mol/L. c) 3,75 mol/L. d) 0,75 mol/L. e) 15 mol/L. 03) Uma solução de H3PO4 apresenta concentração de 9,8g/L. Calcule sua concentração molar e seu título em massa, sabendo-se que a densidade da solução é igual a 1,2 g/mL. (Dados: P = 31; O = 16; H = 1) Gabarito: 01) E 02) A 03) 0,1mol/L e 0,81% 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É possível determinar as concentrações em mol/L dos íons presentes em soluções se forem conhecidos dois dados essenciais, que são: As fórmulas das substâncias dissolvidas em água; A molaridade de suas soluções. Com esses dados em mãos, escreve-se a equação de dissociação ou de ionização do soluto em questão e encontra-se por dedução a concentração dos íons, pois ela é proporcional ao número de mol de cada íon. Isso significa que a concentração dos íons é proporcional aos seus respectivos coeficientes na equação de ionização ou de dissociação. Quando trabalhamos com soluções em que a quantidade de soluto dissolvida é muito pequena, costuma-se utilizar a unidade ppm, que significa partes por milhão. Por exemplo, se dissermos que a concentração de uma solução é de 50 ppm, significa que existem 50 gramas do soluto dissolvidos em um milhão de partes da solução. Por exemplo, o padrão aceitável para a concentração de monóxido de carbono, CO, no ar é de 9 ppm, o que quer dizer que deve haver 9 L de monóxido de carbono em cada milhão de litros de ar. Porém, em cidades grandes, como São Paulo, já foram registrados índices de 13,4 ppm. 17 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Molaridade de íons Partes por Milhão (PPM) Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É possível determinar as concentrações em mol/L dos íons presentes em soluções se forem conhecidos dois dados essenciais, que são: As fórmulas das substâncias dissolvidas em água; A molaridade de suas soluções. Com esses dados em mãos, escreve-se a equação de dissociação ou de ionização do soluto em questão e encontra-se por dedução a concentração dos íons, pois ela é proporcional ao número de mol de cada íon. Isso significa que a concentração dos íons é proporcional aos seus respectivos coeficientes na equação de ionização ou de dissociação. 17 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Molaridade de íons Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração Exemplo: Em uma solução aquosa 0,8 mol/L de fosfato de magnésio, Mg3(PO4)2, a concentração dos íons magnésio e fosfato é: Exemplo 1: Preparou-se uma solução aquosa de Al(NO3)3 de modo que cada 100 mL tivessem 63,9 g do sal dissolvido a 20°C. Considerando que nessa temperatura o grau de dissociação do nitrato de alumínio é igual a 80%, qual será a concentração em quantidade de matéria dos seus íons? a) 2,4 para ambos os íons. b) 3,0 e 9,0. c) 3,0 e 6,0. d) 2,4 e 7,2. e) 2,4 e 4,8. Exemplo 2: Uma solução aquosa de sulfato de alumínio, Al2(SO4)3, foi preparada de modo que cada 100 mL de solução tivesse 68,4 g do sal dissolvido a 20°C. Sabendo que nessa temperatura o grau de dissociação α% do sulfato de alumínio é igual a 60%, a concentração em quantidade de matéria (em mol/L) dos íons Al3+ (aq) e SO2- 4(aq), respectivamente, é de: a) 4,0 e 6,0 b) 2,0 e 3,0 c) 2,4 e 3,6 d) 2,0 e 6,0 e) 4,5 e 5,6 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Quando trabalhamos com soluções em que a quantidade de soluto dissolvida é muito pequena, costuma-se utilizar a unidade ppm, que significa partes por milhão. Por exemplo, se dissermos que a concentração de uma solução é de 50 ppm, significa que existem 50 gramas do soluto dissolvidos em um milhão de partes da solução. Por exemplo, o padrão aceitável para a concentração de monóxido de carbono, CO, no ar é de 9 ppm, o que quer dizer que deve haver 9 L de monóxido de carbono em cada milhão de litros de ar. Porém, em cidades grandes, como São Paulo, já foram registrados índices de 13,4 ppm. Para o cálculo envolvendo as concentrações em ppm precisamos identificar primeiramente o SOLUTO E A SOLUÇÃO de quem a questão está tratando e transformar nas unidades abaixo: Quando trabalhamos com soluções em que a quantidade de soluto dissolvida é muito pequena, costuma-se utilizar a unidade ppm, que significa partes por milhão. Por exemplo, se dissermos que a concentração de uma solução é de 50 ppm, significa que existem 50 gramas do soluto dissolvidos em um milhão de partes da solução. Por exemplo, o padrão aceitável para a concentração de monóxido de carbono, CO, no ar é de 9 ppm, o que quer dizer que deve haver 9 L de monóxido de carbono em cada milhão de litros de ar. Porém, em cidades grandes, como São Paulo, já foram registrados índices de 13,4 ppm. 01) A contaminação de águas e solos por metais pesados tem recebido grande atenção dos ambientalistas, devido à toxicidade desses metais ao meio aquático, às plantas, aos animais e à vida humana. Dentre os metais pesados há o chumbo, que é um elemento relativamente abundante na crosta terrestre, tendo uma concentração ao redor de 20 ppm (partes por milhão). Uma amostra de 100 g da crosta terrestre contém um valor médio, em mg de chumbo, igual a: a) 20 b) 10 c) 5 d) 2 e) 1 17 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Partes por Milhão (PPM) Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração 01) A contaminação de águas e solos por metais pesados tem recebido grande atenção dos ambientalistas, devido à toxicidade desses metais ao meio aquático, às plantas, aos animais e à vida humana. Dentre os metais pesados há o chumbo, que é um elemento relativamente abundante na crosta terrestre, tendo uma concentração ao redor de 20 ppm (partes por milhão). Uma amostra de 100 g da crosta terrestre contém um valor médio, em mg de chumbo, igual a: a) 20 b) 10 c) 5 d) 2 e) 1 02) (PUCC-SP) No rótulo de uma garrafa de “água mineral” lê-se, entre outras coisas: Conteúdo 1,5 L Bicarbonato de cálcio: 20 ppm Com base nesses dados, determine a massa do bicarbonato de cálcio no conteúdo da garrafa. a)0,03g b)0,02g c)0,01g d)0,06g e)150 mg 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo – Cálculo de Concentração A propanona pura, C3H6O, é um líquido volátil, incolor, inflamável, moderadamente tóxico, de sabor adocicado e cheiro agradável. Um ser humano comum pode perceber o cheiro da propanona diluída no ar na concentração mínima de 1,6 ppm. A análise de uma amostra do ar de determinado ambiente revelou que existe 0,00015% em volume de propanona. Uma pessoa, ao entrar no ambiente, irá perceber o odor da propanona? 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Diluição de Soluções Diluir uma solução significaacrescentar solvente de modo a diminuir a sua concentração. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos - Diluição 01) Diluindo-se 100 mL de solução de cloreto de sódio (NaCl) de concentração igual a 15 g/L ao volume final de 150 mL, qual será a nova concentração? 02) Que volume de água se deve adicionar a 250 mL de solução com 2 mol/L de hidróxido de sódio (NaOH), a fim de obter uma solução final com molaridade igual a 0,5 mol/L? 03) Uma solução de NaOH tem concentração igual a 200 g/L. Se 50 mL dessa solução são diluídos a 200 mL, qual será a molaridade da solução final? 04) Na preparação de 500 mL de uma solução aquosa de H2SO4 de concentração 3 mol/L, a partir de uma solução de concentração 15 mol/L do ácido, deve-se diluir o seguinte volume da solução concentrada: a) 10 mL c) 150 mL e) 450 mL b) 100 mL d) 300 mL 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Mistura de Soluções de solutos diferentes SEM REAÇÃO QUÍMICA Neste caso, devemos resolver o problema considerando cada soluto de forma independente na solução final. Como há o somatório de volumes, o soluto passa a dispersar em um volume maior após a mistura, ou seja, é como se o soluto sofresse uma DILUIÇÃO. Devemos utilizar a fórmula da diluição para determinarmos as concentrações finais dos solutos. A maior parte dos problemas que envolvem esse caso são misturas de SAIS. Exemplo: Determinar a concentração das espécies após a mistura. Exemplo 2: Misturando-se 50 mL de solução 5 molar de NaNO3 com 150 mL de solução 2 molar de KCl, quais serão as molaridades dessas duas substâncias, na solução final? Mistura de Soluções de solutos diferentes COM REAÇÃO QUÍMICA Quando as substâncias reagem entre si, a determinação das concentrações de cada espécie química, após a mistura é feita usando cálculo estequiométrico. Nas misturas de duas ou mais soluções ocorre o aumento de volume da solução final. Vamos trabalhar com três casos de misturas: Mistura de Soluções de mesmo soluto Mistura de Soluções de solutos diferentes sem reação química Mistura de Soluções de solutos diferentes com reação química Mistura de Soluções de mesmo soluto Nestes casos não ocorre reação química entre os participantes, isto é, entre as soluções misturadas. O volume final é a soma dos volumes das soluções participantes. A concentração após a mistura é intermediária entre as soluções misturadas. Ao misturarmos duas soluções, podemos determinar a concentração final por meio da equação abaixo: Observe o exemplo: Qual a concentração da solução final? Exemplo 2: 150 mL de ácido clorídrico de molaridade desconhecida são misturados a 350 mL de ácido clorídrico, HCl 2 M, dando uma solução 2,9 M. Qual é a molaridade do ácido inicial? 16 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Mistura de Soluções Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Exemplo resolvido: (UFGD-MS) Um caminhão-tanque tombou e derramou 400 L de ácido sulfúrico, de concentração 6 mol/L, para dentro de uma lagoa. Para amenizar os danos ecológicos, decidiu-se adicionar bicarbonato de sódio à água da lagoa. Calcule a massa mínima de bicarbonato de sódio necessária para reagir com todo o ácido derramado. Dados: NaHCO3 = 84 g/mol 1º Passo: Montar e balancear a equação química: H2SO4 + 2NaHCO3 → 1Na2SO4 + 2H2CO3 2º Passo: Proporção da reação. De acordo com o balanceamento, há 1 mol do ácido sulfúrico (H2SO4) para 2 mol do bicarbonato de sódio nos reagentes e 1 mol de sulfato de sódio (Na2SO4) para 2 mol de ácido carbônico (H2CO3) no produto. 3º Passo: Determinar o número de mol do ácido, a partir dos dados fornecidos, pela expressão a seguir: M = nH2SO4 V 6 mol/L = nH2SO4 400L nH2SO4 = 6.400 nH2SO4 = 2400 mol 4º Passo: Determinar o número de mol de bicarbonato de sódio (NaHCO3). Para isso, deve-se apenas multiplicar o número de mol do ácido encontrado no terceiro passo por dois, respeitando a estequiometria da equação: nNaHCO3 = 2. nH2SO4 nNaHCO3 = 2.2400 nNaHCO3 = 4800 mol 5º Passo: Determinar a massa de NaHCO3. Para isso, são utilizados o número de mol encontrado no quarto passo e a massa molar desse sal na expressão a seguir: nNaHCO3 = mNaHCO3 MNaHCO3 4800 mol = mNaHCO3 84 g/mol mNaHCO3 = 4800.84 mNaHCO3 = 403200 g Exemplo2: (UFBA) 100 mL de uma solução 1 mol/L de Al2(SO4)3 são adicionados a 900 mL de uma solução 0,33 mol/L de Pb(NO3)2. Determine, em gramas, o valor aproximado da massa do PbSO4 formado. Considera-se desprezível a perda de massa do PbSO4 por solubilidade. Al2(SO4)3 + 3 Pb(NO3)2 → 3 PbSO4 + 2 Al(NO3)3 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Na titulação o que se faz é medir o volume de uma solução conhecida que reage com a amostra em análise. Em seguida, a partir do volume medido, determinam-se as quantidades desconhecidas, por meio de cálculos. Durante a titulação, sempre ocorre uma mistura de soluções contendo solutos diferentes com ocorrência de reação química. Como as soluções misturadas apresentam sempre um ácido e uma base, logo, a reação química que ocorre é uma neutralização. O processo para determinar a concentração molar de uma solução desconhecida durante a titulação depende dos seguintes fatores: Conhecer a concentração molar da solução que será misturada à desconhecida; Conhecer o volume da solução de concentração desconhecida; Conhecer o volume da solução de concentração conhecida. Para determinar a concentração molar da solução desconhecida, podemos utilizar a seguinte fórmula: Ma x Va x Xa = Mb x Vb x Xb Ma = Molaridade do ácido (mol/L) Mb = Molaridade da base (mol/L) Va = volume do ácido (L) Vb = volume da base (L) Xa = número de H+ do ácido Xb = número de OH- da base 16 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Titulação Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Exemplo: Em uma titulação, foram usados 25 mL de NaOH a 0,2 mol/L para titular 50 mL de solução de H2SO4. Qual é a concentração em mol/L do ácido nessa solução: a) 0,05. b) 0,5. c) 5,0. d) 0,2 e) 0,1. Exemplo 2: (ENEM - 2022) O ácido tartárico é o principal ácido do vinho e está diretamente relacionado com sua qualidade. Na avaliação de um vinho branco em produção, uma analista neutralizou uma alíquota de 25,0 mL do vinho com NaOH a 0,10 mol L-1, consumindo um volume igual a 8,0 mL dessa base. A reação para esse processo de titulação é representada pela equação química: A concentração de ácido tartárico no vinho analisado é mais próxima de: a) 1,8 g L-1 b) 2,4 g L-1 c) 3,6 g L-1 d) 4,8 g L-1 e) 9,6 g L-1 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Propriedades coligativas das soluções são propriedades físicas que se somam pela presença de um ou mais solutos e dependem única e exclusivamente do número relativo de partículas de soluto e solvente das espécies que estão dispersas na solução, não dependendoda natureza do soluto. São quatro as propriedades coligativas: TONOSCOPIA, EBULIOSCOPIA, CRIOSCOPIA e OSMOSE. Porém, todas as propriedades se relacionam com um fator: a PRESSÃO DE VAPOR. A evaporação é um fenômeno físico que ocorre em qualquer temperatura, pelo fato de a superfície ficar exposta ao meio ambiente. É certo então dizer que sem fornecer calor à água ela evaporará. A evaporação ocorre porque as moléculas com maior velocidade conseguem escapar através da superfície livre do líquido. É o que observamos ao ver uma roupa secando no varal, ou uma poça de água secar com a incidência do sol. Considere um líquido em um interior de um recipiente fechado. Propriedades Coligativas 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Propriedades Coligativas Pressão de Vapor de um Líquido Puro Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Quando se coloca em um recipiente fechado certa quantidade de água, à determinada temperatura, logo se inicia o processo de evaporação da água contida no recipiente. Depois de um certo tempo, o recipiente fica cheio de vapor de água. Isso não significa que a água não evapora em recipientes fechados; o que acontece é que, na superfície do líquido, há a passagem constante de moléculas da fase líquida para a gasosa e vice-versa. Ou seja, a mesma quantidade de moléculas que passa para o estado gasoso volta para o líquido; por isso, o volume permanece o mesmo. A pressão que as moléculas de vapor fazem no recipiente é a chamada PRESSÃO MÁXIMA DE VAPOR. Podemos dizer em outras palavras que a Pressão de Vapor é a tendência que um líquido tem de virar vapor. Vamos lembrar do conceito de pressão dos gases: resultado dos choques das moléculas dos gases nas paredes de um recipiente A pressão de vapor de um líquido não depende da quantidade desse líquido. Observe o exemplo abaixo: no primeiro caso temos um volume menor de água, porém a pressão de seu vapor a 25°C permanece a mesma: Dois fatores podem alterar a pressão de vapor (Pvap): Temperatura – Com o aumento da temperatura, a velocidade de agitação das moléculas também aumenta. Elas ganham mais energia cinética e se desprendem com maior facilidade. Assim, quanto maior a temperatura, maior será a pressão de vapor da substância. Natureza do líquido – Se colocarmos três frascos abertos contendo acetona, água e óleo, numa mesma temperatura, veremos com o passar do tempo que o primeiro a evaporar será a acetona, posteriormente a água e dificilmente o óleo irá evaporar. Podemos concluir que a acetona tem a maior pressão de vapor dos três líquidos e o óleo a menor pressão de vapor. Isso se deve às interações intermoleculares presentes nas moléculas que unem estes líquidos. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com QUANTO MAIOR A ALTITUDE, MENOR O PONTO DE EBULIÇÃO Se você for cozinhar ao nível do mar, a temperatura da água ao ferver será de 100°C, mas se você estiver no Himalaia, ela deve ferver a uma temperatura bem mais baixa, por exemplo, 75°C. Existem algumas situações em que precisamos que a água continue líquida com uma temperatura superior a 100°C e, para isso, a solução é bastante simples: mantenha a pressão atmosférica em um valor superior a 1 atm. Isso ocorre nas panelas de pressão que permite aos alimentos cozinharem mais depressa pois a pressão interna da panela é superior a 1 atm o que obriga a água a ferver acima de 100°C. A temperatura interna da panela de pressão pode chegar a cerca de 120°C. QUANTO MAIOR A PRESSÃO DE VAPOR, MAIOR A VOLATILIDADE DO LÍQUIDO Um líquido muito volátil evapora facilmente e possui uma alta pressão de vapor. O benzeno está dentro do grupo das substâncias químicas consideradas cancerígenas, causando danos à medula óssea e leucemia, quando exposto a longo prazo em altas concentrações. Por ser um líquido volátil, o benzeno libera gases com facilidade e, por isso, a contaminação por benzeno ocorre, principalmente, pelas vias respiratórias. O benzeno é uma das substâncias constituintes do petróleo e está presente na gasolina, sendo lançado na atmosfera pela queima dos combustíveis dos automóveis. Pressão de Vapor e Ponto de Ebulição A ebulição é caracterizada pela formação de bolhas no líquido. Essas bolhas vão até superfície e se rompem. Para que elas se formem, subam para a superfície e se rompam, escapando do líquido, é necessário que a pressão de vapor no interior da bolha seja, no mínimo, igual ou levemente maior à pressão atmosférica sobre a superfície do líquido. UM LÍQUIDO FERVE QUANDO A PRESSÃO MÁXIMA DE VAPOR SE IGUALA A PRESSÃO ATMOSFÉRICA A pressão atmosférica é a força exercida pela massa de gases da atmosfera sobre uma determinada superfície. O valor da pressão atmosférica não é constante. Varia em função da altitude do local, sendo menor à medida que a altitude aumenta. QUANTO MAIOR A ALTITUDE, MENOR A PRESSÃO ATMOSFÉRICA O valor da pressão atmosférica padrão ao nível médio do mar é de 760 mmHg (milímetros de mercúrio) ou 1 atm (atmosfera). 16 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com PARA UMA MESMA ALTITUDE, QUANTO MAIOR A PRESSÃO DE VAPOR, MENOR SERÁ O PONTO DE EBULIÇÃO. Como as interações intermoleculares são menos intensas, o líquido tende a passar para o estado gasoso mais facilmente (volatilidade maior), necessitando absorver menor energia para romper as interações e ocorrer a formação de bolhas. Agora, vamos ver o que acontece com a pressão de vapor e com as propriedades do líquido quando adicionamos a ele um soluto não-volátil Soluto não-volátil: toda substância que possui elevado ponto de ebulição e baixo ponto de fusão e que é capaz de dissolver-se em um determinado solvente. É uma propriedade coligativa que estuda o abaixamento da pressão máxima de vapor de um determinado solvente em virtude da dissolução de um soluto não volátil (molecular ou iônico). Em uma solução aquosa de NaCl (b), a quantidade de moléculas de água que passa para o estado de vapor é menor que na água pura (a), a uma dada temperatura. Com a adição de um soluto não-volátil, ocorre a formação de novas interações intermoleculares, mais fortes, que dificultam a passagem do líquido para o estado gasoso. Graficamente, podemos perceber a diminuição da pressão de vapor 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Tonoscopia Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com O consequente aumento da pressão de vapor, com a adição de um soluto não volátil, ocasiona um aumento no ponto de ebulição. Nos países com temperatura ambiente muito alta é usual colocar-se etilenoglicol na água do sistema de refrigeração do motor dos veículos para aumentar a temperatura de ebulição da água, evitando que ela ferva. Faça o teste: coloque água para ferver. Quando ela estiver fervendo, adicione uma colher de sal de cozinha. Observe que a água para imediatamente de ferver e recomeça depois de alguns minutos. Neste momento, ocorreu o aumento da temperatura de ebulição da solução. Graficamente, podemos perceber o aumento do ponto de ebulição É uma propriedade coligativa que estuda o abaixamento do ponto de congelamento (ponto de fusão) de um solvente pela adição de um soluto não volátil, como o cloreto de sódio ou a sacarose. Por exemplo, ao nível do mar,a água pura congela em 0°C; esse é o seu ponto de fusão. No entanto, se acrescentarmos sal à água, ela demorará mais para congelar, ou seja, o seu ponto de fusão irá diminuir, atingindo valores abaixo de 0ºC. A água do mar não se congela em locais próximos aos polos, apesar de nessas regiões se atingirem temperaturas abaixo de 0°C. Isso acontece porque há uma grande quantidade de sais dissolvidos na água. Os icebergs e as camadas de gelo que se formam são feitos de água sem esses sais; Em países frios, quando o inverno é bastante rigoroso e cai muita neve, é comum jogar sal nas estradas para ela derreter; Nesses países, também há o risco de congelamento da água dos radiadores usados para refrigerar os motores. Por isso, há alguns produtos comerciais (aditivos) que são adicionados com a finalidade de diminuir o ponto de ebulição da água e evitar o seu congelamento, como o etilenoglicol. Graficamente, podemos perceber o abaixamento do ponto de fusão da solução. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Ebulioscopia Crioscopia Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A osmose estuda a passagem espontânea de solvente de uma solução mais diluída (menos concentrado – hipotônico) para outra mais concentrada (hipertônico) através de uma membrana semipermeável. As soluções devem ser do mesmo soluto, a fim de igualar a concentração. NÃO ESQUEÇA: NA OSMOSE OCORRE A PASSAGEM DE SOLVENTE Para impedir que o solvente passe para a solução mais concentrada, é adicionada uma pressão sobre a solução concentrada, chamada de pressão osmótica. É um processo inverso ao que ocorre naturalmente durante a osmose, onde a água flui de um meio menos concentrado (hipotônico) para outro mais concentrado (hipertônico). Nesse caso, o solvente flui do meio mais concentrado para o menos concentrado e isola-se do soluto, por uma membrana que permite a sua passagem. Na osmose reversa, o soluto é forçado a passar para o meio menos concentrado. Isso só é possível graças à pressão exercida, fazendo com que a membrana semipermeável permita apenas a passagem da água, retendo o soluto. A técnica de dessalinização por osmose reversa é limpa e altamente eficaz, sendo muito utilizada para a potabilização da água salobra. Este processo é extremamente necessário para o abastecimento de água em regiões onde existe escassez de recursos hídricos como em regiões, áridas e semiáridas. As propriedades coligativas dependem do número de partículas de um soluto não volátil dissolvido em um solvente. O cloreto de sódio aumenta a temperatura de solidificação da água, acelerando o processo de degelo da neve. Para isso, precisamos lembrar das equações de dissociação e ionização dos compostos. Compostos iônicos Sofrem dissociação Liberam íons em solução Ácidos Sofrem ionização Liberam íons em solução Compostos moleculares Não sofrem ionização nem dissociação Não liberam íons em solução 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Osmose Osmose Reversa Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) (ACAFE 2017) Considere soluções aquosas diluídas e de mesma concentração das seguintes soluções: 1: Mg3(PO4)2 2: K2Cr2O7 3: Na2S2O3 x 5H2O 4: Al(NO3)3 A ordem crescente do ponto de ebulição dessas soluções é: a) 2 ~ 3 > 4 > 1 b) 2 < 4 < 1 < 3 c) 2 > 4 > 1 > 3 d) 2 ~ 3 < 4 < 1 Dica: Faça as reações de dissociação/ionização das espécies e some os números de mols de íons formados. O maior número de mols total será aquela solução que terá o maior número de partículas. 02) Relacione as colunas: Gabarito: 01) D 02) (3) (1) (2) 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É uma parte da Termodinâmica que estuda as trocas de calor entre o sistema e o meio ambiente e o possível aproveitamento desse calor. Todas as transformações químicas, ou mudanças de estado são acompanhadas de variações energéticas. Esses processos são objetos de estudo da termoquímica. Antes de avançarmos para o estudo dessas variações nos sistemas químicos vamos buscar um conceito na Física. O conceito de Temperatura e Calor TEMPERATURA: definida como a medida do grau de agitação das moléculas que compõem um corpo. Quanto maior a agitação molecular, maior será a temperatura do corpo e vice-versa. CALOR: corresponde à energia em trânsito que se transfere de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura. Essa transferência ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até que atinjam o equilíbrio térmico. O Sistema Internacional de Unidade (SI) recomenda que a unidade de energia utilizada seja o Joule (J). Apesar dessa recomendação, frequentemente aparecerão exercícios e situações envolvendo calorias ou quilocalorias. 1 cal = 4,18 J Considere um sistema contendo álcool. Se a combustão (queima) do álcool for provocada, uma determinada quantidade de energia será liberada nessa reação, e essa energia será transferida desse sistema para as vizinhanças. Em outras palavras, a combustão é um processo que libera calor. Quando um sistema formado por água líquida é colocado em um congelador, ele perde calor para esse ambiente e, em decorrência disso, ocorre o congelamento da água. Assim, quando a água líquida passa para a fase sólida também ocorre um exemplo de processo que libera calor. Há, no entanto, acontecimentos que absorvem calor. Se um pedaço de gelo for deixado sobre a mesa à temperatura ambiente, ele receberá calor do ambiente e isso provocará a fusão do gelo. A transição da água sólida para a fase líquida é um processo que absorve calor. Conceitos 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Termoquímica Transformações que liberam ou absorvem calor Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É a reação química acompanhada do estado físico dos reagentes e produtos, além do calor envolvido na reação. A equação C(s) + O2(s) → CO2(g) + 393,3 kJ, mostra que esta reação está liberando calor, visto que o valor é um produto da reação, ou seja, foi produzido pela reação. A equação H2O(s) + 6,0 kJ → H2O(l), mostra que esta reação absorve calor, visto que o valor da energia é um reagente da reação, ou seja, é necessária uma quantidade de 6,0 kJ para que a água sólida possa transforma-se em água líquida. (EXO = PARA FORA; TERMO = CALOR) São aquelas reações ou processos que liberam calor para o sistema, pois são reações com muita energia acumulada. Um processo exotérmico é aquele em que o sistema inicial possui mais energia do que o sistema final, de forma que ao final do processo ocorrerá liberação de energia. Todo processo exotérmico AQUECE o sistema, visto que é ele que recebe o calor liberado pela reação, portanto a temperatura do sistema AUMENTA. Exemplo: queima da madeira. É o conteúdo energético de um sistema mantendo- se a pressão constante. A entalpia total de um sistema não pode ser medida diretamente, no entanto é mais viável calcularmos a variação de entalpia associada a um fenômeno físico ou químico. A entalpia é uma função de estado, ou seja, só nos interessa saber o estado final e o estado inicial, sem nos preocuparmos com o processo em si da reação. Dessa forma: Em uma reação química, sabemos que o estado inicial corresponde aosreagentes e o estado final corresponde aos produtos, podemos definir a variação de entalpia de uma reação como: 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Equação Termoquímica Entalpia Reações Exotérmicas Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com (ENDO = PARA DENTRO; TERMO = CALOR) São aquelas reações ou processos que absorvem calor do sistema. Um processo endotpermico é aquele em que o sistema inicial possui menos energia do que o sistema final, de forma que para chegar ao final do processo é necessário adicionar energia. Todo processo endotérmico RESFRIA o sistema, visto que lhe é retirado calor para que a reação possa ocorrer, portanto a temperatura do sistema DIMINUI. Exemplo: a fusão do gelo. A passagem da água do estado sólido para o estado líquido é um processo que necessita de calor. Numa reação Termoquímica, cada substância participante da equação poderá ser relacionada ao ∆H. Esta relação poderá ser feita através do número de mols, moléculas, volume molar e a própria massa, em gramas. Exemplo: Dada a reação termoquímica: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = - 68,3 kcal Qual o calor liberado a partir de 3 mols de H2(g) com suficiente O2(g)? 1 mol H2(g) libera -------------- - 68,3 kcal 2 mol H2(g) liberam ------------- x X = - 204,9 kcal Qual o calor liberado na formação de 100g de H2O(l)? 18 g liberam -------------- - 68,3 kcal 100 g liberam ------------- x X = - 379,4 kcal 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Reações Endotérmicas Proporcionalidade nas reações termoquímicas Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) (ACAFE 2017) Considere soluções aquosas diluídas e de mesma concentração das seguintes soluções: 1: Mg3(PO4)2 2: K2Cr2O7 3: Na2S2O3 x 5H2O 4: Al(NO3)3 A ordem crescente do ponto de ebulição dessas soluções é: a) 2 ~ 3 > 4 > 1 b) 2 < 4 < 1 < 3 c) 2 > 4 > 1 > 3 d) 2 ~ 3 < 4 < 1 Dica: Faça as reações de dissociação/ionização das espécies e some os números de mols de íons formados. O maior número de mols total será aquela solução que terá o maior número de partículas. 02) Relacione as colunas: Gabarito: 01) D 02) (3) (1) (2) 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) (ACAFE 2017) Considere soluções aquosas diluídas e de mesma concentração das seguintes soluções: 1: Mg3(PO4)2 2: K2Cr2O7 3: Na2S2O3 x 5H2O 4: Al(NO3)3 A ordem crescente do ponto de ebulição dessas soluções é: a) 2 ~ 3 > 4 > 1 b) 2 < 4 < 1 < 3 c) 2 > 4 > 1 > 3 d) 2 ~ 3 < 4 < 1 Dica: Faça as reações de dissociação/ionização das espécies e some os números de mols de íons formados. O maior número de mols total será aquela solução que terá o maior número de partículas. 02) Relacione as colunas: Gabarito: 01) D 02) (3) (1) (2) 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Classifique os fenômenos em endotérmicos ou exotérmicos a) Fusão do gelo b) Evaporação da água c) Vaporização do mercúrio líquido d) H2O (l) → H2O (s) 02) Identifique as seguintes reações sob o ponto de vista termoquímico, em exotérmico ou endotérmico. a) H2(g) + ½ O2(g) → H2O (g) + 58.000 cal b) Processo de acender um fósforo c) C(s) + 2S(s) → CS2 ΔH = +19 Kcal d) S(l) + O2(g) → SO2 ΔH = -71 Kcal e) Descongelar carne no microondas f) Resfriar a carne no freezer g) Cozinhar alimentos h) Fe(s) + 2,7 Kcal → Fe(l) i) C6H6(l) → C6H6(s) + 2,34 Kcal 03) O calor liberado quando 1 mol de H2O(v) se transforma em 1 mol de H2O(l) (condensação), segundo o gráfico vale: 04) 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 à dos produtos. d) A entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes. e) A variação de entalpia é maior que zero. Gabarito: 1) a)endo b) endo c) endo d) exo 2) a) exo b) endo c) endo d) exo e) endo f) exo g) endo h) endo i) exo 3) + 44 kJ 4) b 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Uma vela é feita de um material ao qual se pode atribuir a fórmula C20H42. Qual o calor liberado na combustão de 10,0 g desta vela à pressão constante? (massas molares: C = 12 ; H = 1 ; O = 16) C20H42(s) + 61/2 O2(g) → 20 CO2(g) + 21 H2O(g) ΔH = –13 300 kJ 02) Considere a equação termoquímica: C2H5OH(ℓ) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) ΔH = -330 kcal/mol A massa de álcool que, por combustão completa, libera 561 kcal é igual a: (Dado: M C2H5OH = 46 g/mol) a) 78,2 b) 85,6 c) 90,4 d) 106,6 e) 115,7 Gabarito 01) 471,6 kJ 02) A 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Estado físico dos reagentes e produtos Quando os reagentes são gases e o produto formado também é gasoso ocorre liberação de menos energia. Entretanto, quando os reagentes são gases e o produto for líquido ou sólido ocorre liberação de maior quantidade de energia, respectivamente. Estado alotrópico de reagentes e produtos O estado alotrópico da substância influi na entalpia da reação. A forma de maior entalpia é a mais reativa, e a de menor entalpia é a mais estável. É por isso que não é comum um diamante entrar em combustão, justamente por ser muito difícil iniciar e manter essa reação (alta energia de ativação), ao contrário do carbono grafite (que é o carvão que costumamos usar para fazer churrasco). Quantidade de Reagentes e Produtos A reação varia em função da concentração de cada um de seus participantes. O aumento da concentração provoca um aumento proporcional da variação de entalpia. H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = - 68,3 kcal São liberados 68,3 kcal por mol de água formada. São liberados 68,3 kcal por mol de gás hidrogênio consumido. São liberados 136,6 kcal por mol de gás oxigênio consumido. A equação toda pode ser multiplicada por 2. Neste caso teremos: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ∆H = - 136,6 kcal Por convenção, considera-se como entalpia zero, as substâncias nas seguintes condições: SUBSTÂNCIA SIMPLES NO ESTADO PADRÃO (COMO SÃO ENCONTRADAS NA NATUREZA), NA TEMPERATURA DE 25°C E 1 atm E NA FORMA ALOTRÓPICA MAIS ESTÁVEL. CALOR DE FORMAÇÃO OU ENTALPIA DE FORMAÇÃO É o calor liberado ou absorvido quando se forma 1 mol da substância a partir dos elementos que a constituem na forma de substância simples no estado padrão. Vamos equacionar juntos as reações de formação. H2SO4 (l) NH3 (g) C4H10 (l) CaCO3 (s) O3 (g) N2O3 (g) CALOR DE COMBUSTÃO OU ENTALPIA DE COMBUSTÃO É o calor liberado na queima de 1 mol da substância. As reações de combustão são sempre exotérmicas, portanto, a variação de entalpia é sempre negativa. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Fatores que influem navariação de entalpia Entalpia padrão Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Entalpia nas mudanças de estados físicos 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Cálculos de ∆H ENTALPIA DE FORMAÇÃO Sabemos que a variação de entalpia é igual à diferença entre a soma das entalpias de formação dos produtos e a soma das entalpias de formação dos reagentes: ΔH = ∑ 𝑛𝐻𝑝 -∑ 𝑛𝐻𝑟 ATENÇÃO: ESSA FÓRMULA SÓ PODE SER APLICADA QUANDO FORNECEREM OS CALORES DE FORMAÇÃO LEI DE HESS A quantidade de calor envolvida em uma reação química, sob determinadas condições experimentais, depende exclusivamente dos estados inicial e final da reação, seja ela realizada em uma única etapa, seja em várias etapas sucessivas. Observe a reação química abaixo e orientações para o cálculo da variação de entalpia pela Lei de Hess. Vamos determinar o valor de entalpia para esta reação baseando-se nas reações I, II e III e seus respectivos valores de ∆H. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Cálculos de ∆H Na primeira equação, o C (grafite) é o termo comum, então ele deve ser escrito da mesma forma. A segunda equação, o termo comum é o H2(g), contudo essa equação foi multiplicada, inclusive a variação. E na terceira equação, o CH4(g) é o termo comum, e sua variação de entalpia teve o sinal alterado pois a posição da equação foi invertida. As reações, após as modificações ficaram assim: A reação global é obtida após cancelarmos os reagentes e produtos comuns nas reações e escrevermos as substâncias restantes todas em uma só. A lei de Hess afirma que para calcularmos a variação de entalpia basta somarmos as entalpias das reações intermediárias após as modificações. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Considere os valores de entalpia padrão de formação (ΔHo f) em KJ.mol-1 à 25°C das seguintes substâncias: CH4(g) - 74,8 CHCl3(l) - 134,5 HCl(g) - 92,3 Para a reação: CH4(g) + 3Cl2(g) → CHCl3(l) + 3HCl(g) Qual será o valor do ΔHo f? 02) Adicionando bicarbonato de sódio para auxiliar o cozimento dos alimentos, tem-se a seguinte reação: 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O. Considerando os dados a seguir, calcule a variação de entalpia da reação ∆H(NaHCO3) = - 226,5 kcal/mol ∆H(Na2CO3) = - 270,3 kcal/mol ∆H(CO2) = - 94 kcal/mol ∆H(H2O) = - 57,8 kcal/mol 03) A reação de trimerização cíclica do acetileno, dando benzeno, pode ser representada pela equação termoquímica: 3C2H2(g) → C6H6(l) ∆H = –120 kcal (25°C, 1atm) Sabendo que a entalpia do benzeno, C6H6(l) , vale + 30kcal/mol, determine a entalpia de um mol de acetileno, C2H2(g). 04) As entalpias molares do CH4(g), H2O(l) e CO2(g) valem, respectivamente: -18 kcal/mol, -68 kcal/mol e - 94 kcal/mol, calcular o calor de combustão do metano. Gabarito: 01) -336,6 02) +30,9 03) +50 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Considere as seguintes variações de entalpia de formação: C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94 kcal/mol H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = - 68 kcal/mol 2 C(s) + H2(g) → C2H2(g) ∆H = + 54 kcal/mol Determine a variação de entalpia da combustão do acetileno: C2H2(g) + 5/2 O2(g) → 2 CO2(g) + H2O(l) 02) Calcule a variação de entalpia de combustão do metanol (CH4O): CH4O(l) + 3/2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = ? sabendo que as variações de entalpia de formação do gás carbônico, da água e do metanol são: C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94 kcal/mol H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = - 68 kcal/mol C(s) + 2 H2(g) + ½ O2(g) → CH4O(l) ∆H = - 57 kcal/mol 03) Determine a variarão de entalpia da reação entre cloreto de prata e gás iodídrico: AgCl(s) + HI(g) → AgI(s) + HCl(s) ∆H =? sabendo que as variações de entalpia de formação dos reagentes e produtos são: Ag(s) + ½ Cl2(g) → AgCl(g) ∆H = - 30 kcal/mol Ag(s) + ½ I2(g) → AgI(g) ∆H = - 15 kcal/mol ½ H2(g) + ½ Cl2(g) → HCl(g) ∆H = - 22 kcal/mol ½ H2(g) + ½ I2(s) → HI(g) ∆H = + 6 kcal/mol . Gabarito: 01) -310 kcal 02) -173 kcal 03) -13 kcal 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Toda reação química envolve energia na quebra de ligações nos reagentes para formar os produtos. A energia de ligação corresponde à energia absorvida (processo endotérmico) fornecida para romper 1 mol de ligações no estado gasoso. Quando há a formação de novas ligações, nos produtos, haverá liberação de uma certa quantidade de energia (processo exotérmico), maior ou menor que a absorvida. ΔH = ∑ Energia de ligação dos reagentes -∑ Energia de ligação dos produtos 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Energia ou entalpia de ligação Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Determine o calor de formação do gás clorídrico (HCl), conhecendo as seguintes energias de ligação (em valor absoluto): H-H: 104 kcal/mol Cl-Cl: 58 kcal/mol H-Cl: 103 kcal/mol 02) Determine a variação de entalpia da reação: CH4(g) + Cl2 → CH3Cl(g) + HCl(g) sabendo que as energias de ligação, em valor absoluto, são (kcal/mol): C-H: 99 Cl-Cl: 58 C-Cl: 80 H-Cl: 10 03) Veja a seguir a reação de cloração do etano na presença de luz: H3C – CH3 + Cl2 → H3C – CH2 – Cl + HCl Sabe-se que ela apresenta uma variação de entalpia igual a -35 Kcal.mol-1. Considerando os valores das energias de ligação presentes na reação, determine a energia da ligação C-Cl no composto CH3CH2Cl. C-H 105 kcal.mol–1 Cl-Cl 58 kcal.mol–1 H-Cl 103 kcal.mol–1 C-C 368 kcal.mol–1 a) -75 kcal.mol–1. b) - 85 kcal.mol–1. c) 85 kcal.mol–1. d) - 95 kcal.mol–1. e) 95 kcal.mol–1. Gabarito: 01) -22 kcal 02) -26 kcal 03) E 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A Cinética Química é o ramo da Físico- química que estuda a velocidade em que uma reação química ocorre e os fatores que a influenciam. Estudam ainda a possibilidade de controlar essa velocidade, tornando as reações mais rápidas ou mais lentas, com base no mecanismo das reações. As reações podem ser lentas, moderadas ou muito rápidas, dependendo de um referencial. Pela variação da quantidade de reagentes consumidos e produtos formados. Para determinar sua velocidade, medimos a quantidade de reagentes que desaparecem e a quantidade de produtos que se formam. A concentração dos produtos vai aumentar pois estão sendo formados. A concentração dos reagentes vai diminuir pois estão sendo consumidos. Cinética Química 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Cinética Química Como é medida a velocidade de uma reação? Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos O gráfico a seguir representa a variação de concentração das espécies A, B e C com o tempo. Qual das alternativas a seguir contém a equação química quemelhor descreve a reação representada pelo gráfico: a) 2A + B → C b) A → 2B + C c) B + 2C → A d) 2B + C → A e) B + C → A Gabarito: C 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Utilizamos a fórmula que relaciona a variação de concentração de reagentes ou produtos que diminui ou aumenta com o passar do tempo. Vamos agora considerar, por exemplo, que a reação N2 + 3 H2 → 2 NH3 nos forneça os seguintes resultados, sob determinadas condições experimentais: Utilizando os dados dessa tabela, obtemos, de acordo com a definição, as seguintes velocidades médias: no intervalo de 0 a 5 min: no intervalo de 5 a 10 min: no intervalo de 10 a 15 min: no intervalo de 15 a 20 min: 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Como calcular a velocidade média de uma reação? Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Perceba que esse cálculo é muito semelhante ao cálculo de velocidade média feito em Física. De fato, se, na segunda coluna da tabela anterior, no lugar de “molaridade” tivéssemos “quilômetros rodados por um automóvel”, o mesmo cálculo teria nos fornecido a velocidade média do automóvel em cada um dos intervalos de tempo Outra maneira de encontrar a velocidade média de uma reação é por meio dos coeficientes da reação de cada substância participante. Considere, por exemplo, a reação genérica abaixo, em que as letras minúsculas representam os coeficientes da reação; e as letras maiúsculas os reagentes e produtos: A velocidade média da reação pode ser calculada em função de qualquer substância participante da reação, pois o resultado será o mesmo. Analisando as duas primeiras linhas da tabela da página anterior, concluímos que, nos primeiros 5 minutos, essa reação produziu 20 mol/L de NH3 — quantidade esta que, pelos cálculos já apresentados, corresponde a uma velocidade média de 4,0 mol/L de NH3 por minuto. Acontece que o NH3 é produzido a partir de N2 e de H2. Desse modo, de acordo com a estequiometria da equação, temos: Concluímos, portanto, que são necessários 10 mol/L de N2 e 30 mol/L de H2 para produzir os citados 20 mol/L de NH3. Sendo assim, naqueles 5 minutos iniciais da reação, teríamos as seguintes velocidades médias: em relação ao N2: 2,0 mol/L em relação ao H2: 6,0 mol/L em relação ao NH3: 4,0 mol/L Para evitar essa confusão — isto é, para obtermos um resultado único que expresse a velocidade média da reação —, convencionou-se dividir cada um desses valores pelo coeficiente estequiométrico da substância na equação química considerada. Com isso, os valores da velocidade média passam a ser: em relação ao N2: 2,0 / 1 = 2 mol/L.min em relação ao H2: 6,0 / 3 = 2 mol/L.min em relação ao NH3: 4,0 / 2 = 2 mol/L.min Condições para a ocorrência das reações químicas: Afinidade entre os reagentes Contato entre os reagentes Choques efetivos Durante o processo de reação, após os reagentes colidirem, é necessário que haja uma energia mínima para que as colisões sejam eficazes e os reagentes atinjam um estado ativado e aí a reação se processe. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Como ocorrem as reações químicas? Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É a energia mínima para que uma reação química possa ocorrer, ou seja, é um dos fatores determinantes para a ocorrência de uma reação, juntamente com o contato e a colisão favorável entre as moléculas dos reagentes. QUANTO MENOR A ENERGIA DE ATIVAÇÃO, MAIS RÁPIDA ELA É. Quando a energia de ativação é atingida, forma- se primeiro o complexo ativado, que é uma estrutura intermediária e instável entre os reagentes e os produtos. No complexo ativado, as ligações presentes nos reagentes estão enfraquecidas e as ligações presentes nos produtos estão se formando. O complexo ativado decompõe-se espontaneamente formando os produtos da reação. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Energia de ativação Complexo ativado Gráficos Termocinéticos Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Determinar a) Energia dos reagente: ________________ b) Energia dos produtos: ________________ c) Energia de ativação: __________________ d) Energia do complexo ativado: __________ e) Variação de entalpia: _____________ f) Classificação da reação (endotérmica ou exotérmica):___________ 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com ESTADO FÍSICO Esperamos que a reação entre sólidos seja mais lenta que entre líquidos (ou entre sólido e líquido) e esta, mais lenta que entre gases. No estado gasoso, as partículas estão mais agitadas, portanto a probabilidade de choques é maior. Vestado gasoso> Vestado líquido > Vestado sólido LUZ No caso de reações fotoquímicas, a presença de luz aumenta a velocidade da reação. Um exemplo muito importante é a reação da fotossíntese. Medicamentos são guardados em frascos escuros para não ocorrer uma alteração no princípio ativo do medicamento. PRESSÃO Um aumento da pressão numa reação, principalmente entre gases, é considerável, pois diminui o volume do sistema, implicando num maior contato entre os reagentes. Este efeito possibilita um maior número de colisões entre as partículas, acelerando a reação. Exemplo: Utiliza-se uma panela de pressão para acelerar o cozimento dos alimentos. TEMPERATURA Um aumento de temperatura da reação aumenta a energia cinética da reação, fazendo com que aumenta o número de colisões e a reação ocorra mais rapidamente. Exemplos: cozimento dos alimentos, vinhos azedam mais rapidamente se guardados em locais aquecidos, alimentos estragam cerca de quatro vezes mais rápidos à temperatura ambiente (25°C) do que na geladeira (5°C). Por isso utilizamos um freezer, pois a temperatura baixa diminui a velocidade das reações e os alimentos se conservam por mais tempo. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Fatores que influem na velocidade da reação Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com SUPERFÍCIE DE CONTATO Quanto mais reduzido, pulverizado ou triturado for a substância reagente, mais veloz será a reação, pois facilita o contato entre as moléculas, aumentando o número de colisões. É recomendável mastigar muito bem os alimentos: a divisão física aumenta a velocidade das reações e, no caso, a da digestão. Para acender mais facilmente uma fogueira, uma churrasqueira ou uma lareira, deve-se usar gravetos e não toras: quanto maior a superfície de contato exposta, mais a velocidade da reação. CONCENTRAÇÃO Quando aumentamos a concentração dos reagentes, aumentamos o número de moléculas ou partículas reagentes por unidade de volume e, consequentemente, o número de colisões entre elas aumenta, resultando em uma maior velocidade da reação. Onde a reação ocorre mais rapidamente? CATALISADORES E INIBIDORES Catalisador é uma substância capaz de aumentar a velocidade da reação sem que seja consumida no processo; O catalisador diminui a Energia de Ativação; O catalisador não altera o valor de ∆H da reação. Em um gráfico termocinético o catalisador aparece daseguinte maneira: Em um mecanismo de reação, o catalisador aparece da seguinte maneira: 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com As substâncias que retardam a reação são chamadas de inibidores, aumentando a energia de ativação. A principal função dos inibidores se encontra como conservantes de alimentos, bebidas, cosméticos e toda espécie de produtos perecíveis. Exemplos: benzoato de sódio, nitrito de sódio. Também conhecida como Lei de Guldberg- Waage, diz que: a velocidade de uma reação é diretamente proporcional às concentrações molares dos reagentes elevadas aos seus respectivos coeficientes obtidos na equação química correspondente. Catálise é o aumento de velocidade da reação, provocado pelo catalisador. Costuma-se classificar a catálise em homogênea ou heterogênea, conforme o sistema em reação e o catalisador formem um todo homogêneo ou heterogêneo. Por exemplo: Nessa reação, temos um caso de catálise homogênea porque todas as substâncias (SO2, O2, SO3) e o catalisador (NO) são gases e constituem uma única fase (conjunto homogêneo). A catálise homogênea ocorre, por exemplo, em sistemas gasosos catalisados por um gás. Vejamos agora a mesma reação, catalisada por platina: Trata-se de um exemplo de catálise heterogênea porque o sistema em reação é gasoso, enquanto o catalisador é sólido (são duas fases distintas). A catálise heterogênea em geral ocorre quando uma substância sólida catalisa uma reação entre gases ou líquidos. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Tipos de Catálise Lei de ação das massas ou lei de velocidade Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Ordem de uma reação é a soma dos expoentes que aparecem na fórmula da velocidade. Molecularidade é o número de moléculas que se chocam em cada reação elementar. Soma dos coeficientes estequiométricos dos reagentes. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Ordem e Molecularidade das Reações Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Cálculo da Expressão da Lei de Velocidade envolvendo análise de tabelas: são dadas várias experiências onde alteram a concentração dos reagentes e verificam a influência deles na velocidade da reação. Neste tipo de questão não se pode aplicar diretamente a fórmula da lei da velocidade sobre a reação dada. Deve ser feita uma análise da influência de cada substância na velocidade da reação. 01) Num laboratório, foram efetuadas diversas experiências para a reação: 2 H2(g) + 2 NO(g) → N2(g) + 2 H2O(g) Com os resultados das velocidades iniciais obtidos, montou-se a seguinte tabela: Baseando-se na tabela acima, podemos afirmar que a lei de velocidade para a reação é: 02) Considere a seguinte reação a 55°C: (CH3)3CBr(aq) + OH- (aq) → (CH3)3COH(aq) + Br- (aq) Determine a equação da rapidez ou lei da velocidade dessa reação a 55°C 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com O equilíbrio químico é estabelecido numa reação reversível quando as velocidades das reações direta e inversa se igualarem. Equilíbrio Químico 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Equilíbrio Químico Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Gráficos Graficamente podemos representar da seguinte maneira: As taxas são iguais, mas as concentrações não. As concentrações dos reagentes e dos produtos dificilmente serão iguais. Somente em casos raros isto ocorre. Na maioria das vezes a concentração dos reagentes será maior que a dos produtos ou vice-versa. Deve-se salientar que quando uma reação atinge o equilíbrio ela não para. Ela continua se processando, porém tanto a reação direta como a inversa ocorrem à mesma velocidade. Os catalisadores não têm efeito sobre o equilíbrio das reações, ou seja, um catalisador pode acelerar ou retardar a velocidade na qual uma reação atinge o equilíbrio sem afetar a composição do seu equilíbrio, possibilitando que as moléculas de reagentes se convertam em produtos sem sofrer modificações. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É uma fórmula que permite calcular o valor numérico de um Equilíbrio Químico. Essa constante pode ser expressa em concentração molar (Kc) ou em pressão parcial (Kp) das substâncias que participam da reação. Definindo a Constante de Equilíbrio com base nas leis de velocidade das reações direta e inversa Vd = Vi k1 [A]a.[B]b= k2 [C]c.[D]d k1 = k2 [C]c.[D]d [A]a.[B]b k1 = [C]c.[D]d k2 [A]a.[B]b A constante de equilíbrio em termos de concentração é a relação entre o produto da concentração molar dos produtos com o produto da concentração molar dos reagentes, elevados todos a seus coeficientes na reação. SÓ É APLICADA EM SUBSTÂNCIAS EM SOLUÇÃO AQUOSA OU GASES POIS AS SUBSTÂNCIAS SÓLIDAS NÃO CONTRIBUEM PARA O ESTABELECIMENTO DO EQUILÍBRIO. A ÁGUA E LÍQUIDOS PUROS TAMBÉM NÃO SÃO CONSIDERADOS NA CONSTANTE. Para determinarmos a Constante de Equilíbrio (Kp), é semelhante a aplicação da fórmula para a concentração molar, a diferença é que na fórmula da pressão parcial só entram substâncias gasosas pois, a pressão parcial de líquidos e sólidos é desprezível. Observações: 1°) Tanto o Kc como o Kp só variam com a temperatura; 2°) Para o cálculo de Kp só devemos representar os componentes gasosos; 3°) Para o cálculo de Kc não devemos representar os componentes sólidos ou líquidos. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Constante de Equilíbrio Químico Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Aplique a expressão da Constante de Equilíbrio Kc e Kp para as reações: Como calcular o valor da constante de equilíbrio de uma equação global a partir de suas etapas? VAMOS RESOLVÊ-LA POR MEIO DA LEI DE HESS. Vários ácidos são utilizados em indústrias que descartam seus efluentes nos corpos d’água, como rios e lagos, podendo afetar o equilíbrio ambiental. Para neutralizar a acidez, o sal carbonato de cálcio pode ser adicionado ao efluente, em quantidades apropriadas, pois produz bicarbonato, que neutraliza a água. As equações envolvidas no processo são apresentadas: Com base nos valores das constantes de equilíbrio das reações II, III e IV a 25 oC, qual é o valor numérico da constante de equilíbrio da reação I? a) 4,5x10-26 b) 5x105 c) 0,8x10-9 d) 0,2x105 e) 2,2x1026 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos - Cálculo do valor das constantes Kp e Kc 01) (FEI-SP) Calcule a constante de equilíbrio, em termos de concentração, para a reação representada pela equação química abaixo, sabendo que nas condições de temperatura e pressão em que se encontra o sistema existem as seguintes concentrações dos compostos presentes no equilíbrio: [SO3 ] = 0,1 mol/L; [O2 ] = 1,5 mol/L; [SO2 ] = 1,0 mol/L 02) (UnB-DF) O pentacloreto de fósforo é um reagente muito importante em Química Orgânica. Ele é preparado em fase gasosa através da reação:Um frasco de 3,00 L contém as seguintes quantidades de equilíbrio, a 200 °C: 0,120 mol de PCl5 ; 0,600 mol de PCl3 ; e 0,0120 mol de Cl2 . Calcule o valor da constante de equilíbrio, em (mol/L) , a essa temperatura. Sugestão: Com as quantidades de mols e o volume do recipiente, calcule as concentrações em mol/L das substâncias; depois siga o exercício 03) (Faap-SP) Em um recipiente de 500 mL, encontram-se, em condições de equilíbrio, 0,48 g de NO2 e 2 g de N2O4. Calcule a constante de equilíbrio, em termos de concentração, para a reação abaixo (massas atômicas: N = 14; O = 16). 04) No equilíbrio, encontramos as seguintes concentrações: 10 mol/L de H2 e 0,01 mol/L de I2 . Qual é a concentração em mol/L do HI, sabendo que, nas condições de experiência, Kc vale 10-3 ? 05) Aqueceram-se 2 mols de PCl5 em um recipiente fechado, com capacidade de 2 L. Atingindo o equilíbrio, o PCl5 estava 40% dissociado em PCl3 e Cl2 . Calcule a constante de equilíbrio. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Quando há um aumento de concentração de uma das espécies químicas presentes no equilíbrio, este se desloca no sentido de consumir o que foi adicionado. Já quando há diminuição da concentração de uma das espécies químicas presentes no equilíbrio, este se desloca no sentido de formar o que foi retirado. Aumentando a concentração de N2 ou de H2, o equilíbrio desloca para a direita de forma a consumir o que foi adicionado; Aumentando a concentração de NH3, o equilíbrio desloca para a esquerda de forma a consumir o que foi adicionado; Diminuindo a concentração de N2 ou H2, o equilíbrio desloca para a esquerda de forma a repor o que foi retirado; Diminuindo a concentração de NH3, o equilíbrio desloca para a direita de forma a repor o que foi retirado. Efeito da pressão sobre uma reação só pode ser considerado para substâncias gasosas. Isso ocorre porque a aplicação de uma maior ou menor pressão em um sistema exclusivamente líquido ou sólido não altera a concentração das espécies químicas envolvidas. Aumentando a pressão, o equilíbrio desloca para o lado de menor volume, ou seja, há maior produção de NH3. Diminuindo a pressão, o equilíbrio desloca para o lado de maior volume, aumentando a produção de N2 e H2. REAÇÕES COM MESMOS VOLUMES NOS REAGENTES E PRODUTOS NÃO SOFREM INFLUÊNCIA DA PRESSÃO. Princípio de Le Chatelier: Quando um sistema em equilíbrio é perturbado, reage com a finalidade de atenuar essa perturbação. Ao ser perturbado, ocorre o deslocamento desse equilíbrio, e o sistema é levado a uma nova condição de equilíbrio. O equilíbrio químico numa reação pode ser deslocado para a direita ou para a esquerda alterando três fatores: CONCENTRAÇÃO, PRESSÃO e TEMPERATURA. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Concentração Pressão Deslocamento do Equilíbrio Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com O aumento da temperatura implica um aumento na energia cinética das moléculas, que, por sua vez, aumenta o número de colisões efetivas, proporcionando maior rendimento reacional. Em um processo de equilíbrio, o aumento da temperatura produz aumento nas velocidades das reações direta e inversa, em virtude do aumento do número de colisões. Aumentando a temperatura o equilíbrio desloca para a esquerda (por ser o sentido da reação endotérmica, já que o ΔH é negativo). Diminuindo a temperatura o equilíbrio desloca para a direita (por ser o sentido da reação exotérmica, já que o ΔH é negativo). IMPORTANTE: A VARIAÇÃO DE ENTALPIA FORNECIDA NA REAÇÃO CORRESPONDE SEMPRE A REAÇÃO DIRETA É o deslocamento que ocorre no equilíbrio químico de uma reação reversível, quando se adiciona um íon já existente (íon comum) no equilíbrio. Existe a adição de íons que não são comuns aos íons existentes em solução e que também provocam o deslocamento de um equilíbrio. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Temperatura Efeito do Íon Comum Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É o caso particular dos equilíbrios químicos em que aparecem íons. Os íons estão presentes em todas as soluções aquosas. Como acontece em qualquer equilíbrio, aqui também serão definidos um grau de equilíbrio (α) e uma constante de equilíbrio (Kc). O grau de ionização segue a definição geral: A constante de ionização segue normalmente a lei de Guldberg-Waage. Se estivermos falando de um ácido a constante se chama Constante Ácida (Ka) e é determinada por meio da reação de ionização dos ácidos. Da mesma forma, se estivermos falando de uma base, a constante se chama Constante Básica (Kb) e é determinada por meio da reação de dissociação das bases. Equilíbrio Iônico e pH 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Equilíbrio Iônico e pH Constante de ionização Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos Questões envolvendo valores de Ka e Kb costumam aparecer em provas. Observe o exemplo resolvido: (UPF 2016) Para os ácidos listados abaixo, foram preparadas soluções aquosas de mesmo volume e concentração. I. Ácido Cloroso (HClO2) Ka = 1,1 x 10-2 II. Ácido Fluorídrico (HF) Ka = 6,7 x 10-4 III. Ácido Hipocloroso (HClO) Ka = 3,2 x 10-8 IV. Ácido cianídrico (HCN) Ka = 4,0 x 10-10 Considerando as constantes de ionização (Ka), a concentração do íon H3O+ é: a) menor na solução do ácido I. b) maior na solução do ácido I. c) igual nas soluções dos ácidos III e IV. d) igual nas soluções dos ácidos I, II, III e IV. e) maior na solução do ácido IV. Gabarito: B. Quanto maior o valor de Ka, maior a concentração de H+, portanto maior a acidez do composto. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A água é um eletrólito extremamente fraco, que se ioniza segundo a equação de autoionização: O produto iônico da água, Kw, em valor de 10-14 a 25°C. Para a água pura (soluções neutras: [H+] = [OH-] As soluções em que [H+] > [OH-] terão características ÁCIDAS As soluções em que [H+] < [OH-] terão características BÁSICAS OU ALCALINAS Exemplo: Determinar as [H+] e [OH-] para as soluções e classificar as soluções em ácidas, básicas ou alcalinas: Como os valores das concentrações de hidrogênio e hidroxila são muito pequenos, sendo valores negativos, as medidas de acidez e basicidade são representadas na forma de logaritmos surgiram os conceitos e pH e pOH. ESCALA DE pH 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Equilíbrio Iônico da Água Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Calcule o pH de uma solução com [H+] = 0,001 mol/L. 02) Qual a concentração de OH- de uma solução com pOH = 5, basta substituir o valor na seguinte fórmula: 03) (Cesgranrio-RJ) Considerando que a concentração de íons H+ em um ovo fresco é 0,00000001M, o valor do pH será igual a: a) 2 c) 6 e) 10 b) 4 d) 8 04) Sabe-se que uma determinada solução aquosa apresenta uma concentração de hidroxila igual a 1,0 x 10-3 mol/L. Identifique o pH dessa solução. a) 3,00 c) 8,40 e) 13,00 b) 4,80 d) 11,005 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 05) Calcule o pH de uma solução cuja concentração hidrogeniônica é [H+ ] = 3,45 x 10-11 mol/L. (Dado: log 3,45 = 0,54) 06) (Ceub-DF) A 25 °C, uma solução aquosa de NaOH tem concentração 1,0 x 10-1 mol/L. Qual o pH dessa solução? a) 0,01 c) 1 e) 13 b) 0,1 d) 7 07) Em solução aquosa 0,1 M, o ácido acético está 1,0% ionizado. Calcule a concentração hidrogeniônica e o pH da solução 08) (Vunesp-SP) Dois comprimidos de aspirina, cada um com 0,36 g desse composto, foram dissolvidos em 200 mL de água. a) Calcule a concentração molar da aspirina nessa solução, em mol/L. (Dado: massa molar da aspirina = 180 g/mol) b) Considerando a ionização da aspirina segundo a equação e sabendo que ela se encontra 5% ionizada, calcule o pH dessa solução. 09) (PUC-MG) A concentração hidrogeniônica do suco de limão puro é 10-2 mol/L. O pH de um refresco preparado com 30 mL de suco de limão e água suficiente para completar 300 mL é igual a: a) 2 b) 3 c) 4 d) 6 e) 11 10) (Vunesp) 80,0 mL de uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH) de concentração 0,250 mol/L são parcialmente neutralizados por 20,0 mL de uma solução aquosa de ácido nítrico (HNO3) de concentração 0,500 mol/L. a) Escreva a equação química da reação de neutralização. b) Calcule o pH da solução após a adição do ácido. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Para entender melhor o produto de solubilidade vamos considerar uma solução saturada de BaSO4, com corpo de fundo. A expressão matemática para calcular a constante do produto de solubilidade sempre usa a concentração molar de cada íon, elevada às suas respectivas quantidades molares: Kps = [Y+]b.[X-]a A expressão da constante do produto de solubilidade para o sulfato de bário, de acordo com o exposto anteriormente, seria: Kps = [Ba+2]1.[SO4 -2]1 Obs.: A partir da análise da constante do produto de solubilidade, é possível determinar a classificação de uma solução em saturada, insaturada ou saturada com corpo de fundo. Essa análise sempre relaciona o produto da solubilidade com o Kps. Se o produto de solubilidade for menor ao valor do Kps, a solução será insaturada. Se o produto de solubilidade for igual ao valor do Kps, a solução será saturada. Se o produto de solubilidade for maior ao valor do Kps, a solução será saturada com corpo de fundo. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Constante do produto de solubilidade dos sais: Kps Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos resolvidos 01) A 36,5 °C a solubilidade do sulfato de bário em água (BaSO4(aq)) é igual a 1,80.10-5 mol/L. Calcule o produto da solubilidade desse sal a 36,5 °C. BaSO4(s) ⇔ Ba2+ (aq) + SO4 -2 (aq) Kps = [Ba2+] . [SO4 -2] Kps = (1,80.10-5 mol/L) . (1,80.10-5 mol/L) Kps = 3,24.10-10 02) Os chamados cálculos renais apresentam como principal constituinte o sal Fosfato de cálcio, Ca3(PO4) 2(s). Determine o valor da concentração de íons fosfato (PO4 -3) que devem estar presentes na urina para favorecer a precipitação do sal. Dados: Concentração média de íons Ca+2 na urina: 2 x 10-3 mol/L, Kps do Ca3(PO4) 2 = 10- 25, raiz quadrada de 0,125 = 0,354. a) 3,54.10-5 mol/L b) 3,54.10-6 mol/L c) 3,54.10-7 mol/L d) 3,54.10-9 mol/L e) 3,54.10-8 mol/L [PO4 -3] = x [Ca+2] = 2 x 10-3 mol/L Kps = 10-25 √0,125 = 0,354 Como devemos encontrar apenas a concentração de PO4 -3 e temos todos os valores necessários, basta montar a equação de dissociação da base para construir sua expressão de Kps: Ca3(PO4)2 → 3 Ca+2 + 2 PO4 -3 Temos, de acordo com a equação, 3 mol de Ca+2 e 2 mol de PO4 -3, assim, a expressão do Kps terá a multiplicação da concentração molar do Cálcio (Ca) ao cubo pelo quadrado da concentração do PO4 -3 . Kps = [Ca+2]3 .[PO4 -3]2 10-25 = ( 2.10-3)3. [x]2 10-25 = 8.10-9.x2 10-25 = x2 8.10-9 x2 = 0,125.10-16 x = √ x = 0,354.10-8 x = 3,54.10-9 mol/L 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Os fenômenos ou reações de oxidação e redução, também chamados abreviadamente de oxirredução, oxi-red ou redox, são dos mais importantes na Química e dos mais frequentes em nosso cotidiano. O fenômeno de oxirredução está presente por exemplo, quando o ferro enferruja, quando as calças jeans descoram, quando se descolorem os cabelos com água oxigenada, quando as pilhas e acumuladores produzem eletricidade e em muitas outras situações. Devemos lembrar também que a oxirredução é a reação de queima dos combustíveis, como acontece com a gasolina nos automóveis, o querosene nos aviões a jato etc. Do ponto de vista da estrutura da matéria, a oxirredução é apenas a transferência de elétrons entre átomos. Ora, considerando que já estudamos as ligações químicas — nas quais ocorrem trocas ou compartilhamento de elétrons —, torna-se bastante oportuno detalharmos o fenômeno da oxirredução, partindo dos conceitos apresentados. Na formação de uma ligação iônica, um dos átomos cede definitivamente elétrons para o outro. Por exemplo: Dizemos, então, que o sódio sofreu oxidação (perda de elétrons) e o cloro sofreu redução (ganho de elétrons). Evidentemente, os fenômenos de oxidação e redução são sempre simultâneos. O significado primitivo da palavra oxidação foi o de reação com o oxigênio, como neste exemplo: Nesse caso, o ferro também se oxidou (ou, em linguagem comum, “enferrujou”). Oxirredução 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Oxirredução Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Oxidação é a perda de elétrons. Redução é o ganho de elétrons. Reação de oxirredução é aquela em que há transferência de elétrons. Nos exemplos anteriores, o cloro e o oxigênio são chamados agentes oxidantes, porque provocaram a oxidação do sódio e a do ferro, respectivamente. Ao contrário, o sódio e o ferro são chamados agentes redutores, porque provocaram a redução do cloro e a do oxigênio, respectivamente. Oxidante é o elemento (ou substância) que provoca oxidações (ele próprio se reduzindo). Redutor é o elemento (ou substância) que provoca reduções (ele próprio se oxidando). NOX Substância Simples ZERO Íons Monoatômicos Carga do íon Grupo 1 (Metais Alcalinos) +1 Grupo 2 (Metais Alcalinos Terrosos) +2 Prata (Ag) +1 Zinco (Zn) +2 Alumínio (Al) +3 Grupo 6A (Calcogênios) -2 (Substâncias binárias em que o calcogênio é o mais eletronegativo)) Grupo 7A (Halogênios) -1 (Substâncias binárias em que o halogênio é o mais eletronegativo) Hidrogênio (H) +1, exceto, quando estiver ligado a metal do G1 e G2 ou quando for o elemento mais eletronegativo. (passa a ser -1) Oxigênio -2, exceto: Peróxidos: -1 Em superóxidos: -1/2 A soma de todos os valores do NOX de um composto é igual a ZERO A soma de todos os valores do NOX de um íon composto é igual à carga do íon 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos - NOX O3 Al+3 CaCl2 CO2 H2O H2O2 CuBr2 NaH HNO3 Al2(SO4)3 PO4 -3 Na2O4 BaSO3 Ca3(PO4)2 KMnO4 K2Cr2O7Existem alguns radicais com NOX fixo e que nos ajudam a descobrir o NOX de alguns metais que sofrem variação. X = F, Cl, Br, I MnSO4 FePO4 Pb(NO2)3 Fe(NO3)2 Cu(SiO4)2 CuClO2 O íon amônio (NH4 +) apresenta NOX = +1 NH4NO3 O íon ciano (CN-) apresenta NOX = -1 NaCN NOX de íons POLITÔMICOS: O SOMATÓRIO DOS NOX DEVE SER IGUAL À CARGA DO ÍON: Vamos aplicar estes conceitos nas reações redox 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplo: Determine o elemento que se oxidou, o elemento que se reduziu, o agente oxidante e o agente redutor: 2 HCl + 2 HNO3 → 2 NO2 + Cl2 + 2 H2O MnO2 + HCl → MnCl2 + H2O + Cl2 Determine o NOX de cada elemento e sua respectiva variação. Cálculo do ∆NOX: Escreva suas fórmulas, verificando o agente oxidante e agente redutor, colocando ao lado sua variação de NOX multiplicado pelo número de átomos do elemento que se oxidou ou reduziu; Inverta os valores, isto é, a variação de NOX do agente oxidante vai para o redutor, e a variação de NOX do agente redutor vai para o oxidante; Coloque estes valores como coeficientes na reação, e termine o ajustamento por tentativas. NaBr + MnO2 + H2SO4 → MnSO4 + Br2 + H2O + NaHSO4 Ca3(PO4)2 + SiO2 + C → CaSiO3 + CO + P H2SO4 + Cu → CuSO4 + SO2 + H2O Hg + HNO3 → Hg(NO3)2 + H2O + NO 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Ajustamento de reações pelo método redox Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) (ULBRA) O processo de Ostwald, para a produção de ácido nítrico, pode ser representado pelas três equações abaixo: I – 2NH3 + 1/2 O2 → 2NO + 3H2O II – NO + 1/2O2 → NO2 III – 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO O elemento nitrogênio, que aparece nas três etapas, sofreu, unicamente, oxidação a) apenas na etapa I. b) apenas nas etapas I e III. c) apenas nas etapas II e III. d) apenas nas etapas I e II. e) nas três etapas. 02) (UFRGS) Nos compostos H2SO4, KH, H2, H2O2, NaHCO3, o número de oxidação do elemento hidrogênio é, respectivamente, a) +1, -1, 0, +1, +1. b) +1, +1, +1, 0, +1. c) +1, -1, 0, +2, +1. d) -1, -1, +1, +1, -1. e) -1, +1, 0, +1, +2. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É o estudo das reações químicas que produzem corrente elétrica ou são produzidas pela corrente elétrica. Estas reações são de oxirredução, que consomem ou produzem corrente elétrica. Na pilha, a reação de oxirredução ocorre espontaneamente. Na eletrólise, a reação de oxirredução é um processo não-espontâneo. Eletroquímica 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Eletroquímica LEMBRE-SE OxiDAção → DÁ elétrons e o NOX aumenta REdução → REcebe elétrons e o NOX diminui. ! Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A reação dada abaixo é um exemplo de reação de oxi-redução. Mergulhou-se parcialmente uma chapa de zinco (cor cinza) numa solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO4), durante 15 ou 20 min. Ao retirar a chapa de zinco, nota-se que a parte que ficou mergulhada na solução estará recoberta por um material avermelhado, que é cobre metálico. (Adaptado do Livro Química 2 – Feltre, 2004) O que aconteceu nessa experiência? Houve simplesmente uma reação de deslocamento (que é também de oxi-redução): Desta reação podemos retirar as duas semi-reações: 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com É fácil perceber que somando essas duas semi-reações e cancelando os dois elétrons (esse cancelamento é indispensável, pois corresponde ao próprio balanceamento da equação), voltaremos à equação primitiva: Na reação que estamos considerando, o metal zinco (Zn0) sofre oxidação, pois perde 2 elétrons para o cátion cobre (Cu+2 ); este, por sua vez, ao receber os 2 elétrons, sofre redução. É muito importante notar que a reação é espontânea, enquanto a reação inversa não é espontânea. Generalizando, podemos dizer que certos metais têm mais tendência de ceder elétrons, enquanto outros têm mais tendência de receber elétrons. Se pudermos fazer com que o Zn0 ceda elétrons ao Cu+2 através de um fio externo, teremos construído uma pilha — a chamada pilha de Daniell. E como é feito isso? 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Fechando-se o interruptor, estará fechado um circuito elétrico, no qual teremos: • no compartimento da esquerda (chamado meia-célula do zinco), a reação: Zn0 → Zn+2 + 2e- (chamada semi-reação do zinco), que fornece os elétrons que irão transitar pelo fio externo em direção à chapa de cobre; • no compartimento da direita (chamado meia-célula do cobre), a reação: Cu+2 + 2e- → Cu0 (chamada semi-reação do cobre), que captura os elétrons que estão chegando pelo fio externo. Desse modo, teremos um fluxo de elétrons escoando, pelo fio externo, da chapa de zinco (pólo negativo ou anodo) para a chapa de cobre (pólo positivo ou catodo). 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Após certo tempo de funcionamento da pilha, teremos: Reação global de funcionamento da pilha: 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com O FLUXO DE ELÉTRONS VAI SEMPRE DO POLO – (ÂNODO) PARA O POLO + (CÁTODO) Convencionou-se representar a pilha de Daniell (e todas as demais pilhas), esquematicamente, da seguinte maneira: 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Um químico descobriu que o níquel metálico pode ceder elétrons espontaneamente em soluções de NiCl2, e construiu a seguinte pilha: Ni°|Ni2+|| Cu2+|Cu° Para esta pilha, é correto afirmar: a) o Ni° oxida e o Cu2+ reduz. b) o químico transformou cobre em níquel. c) o cátodo é o Ni2+ e o ânodo é o Ni°. d) a solução de Cu2+ ficará mais concentrada. e) a solução de Ni2+ ficará menos concentrada. 02) Considere as seguintes afirmações a respeito da pilha de Daniell: I. No ânodo ocorre redução dos íons da solução. II. A passagem de elétrons, no circuito externo, ocorre sempre do cátodo em direção ao ânodo. III. O cátodo sofre uma redução de massa. Marque a alternativa que indica os itens que são corretos: a) I e II. b) II e III. c) I e III. d) todas. e) nenhuma. 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 03) (UNIFESP-SP) Ferro metálico reage espontaneamente com íons Pb2+, em solução aquosa. Esta reação é representada por: Fe + Pb2+ → Fe2+ + Pb Na pilha representada pela figura Em que ocorre aquela reação global, a) os cátions devem migrar para o eletrodo de ferro. b) ocorre deposição de chumbometálico sobre o eletrodo de ferro. c) ocorre diminuição da massa do eletrodo de ferro. d) os elétrons migram através da ponte salina do ferro para o chumbo. e) o eletrodo de chumbo atua como ânodo. 04) (CESGRANRIO-RJ) Considere a pilha representada abaixo. Cu(s)/ Cu2+ || Fe3+, Fe2+ / Pt(s) Assinale a afirmativa falsa. a) A reação de redução que ocorre na pilha é: Cu2+ + 2 e– → Cu(s) b) O eletrodo de cobre é o ânodo. c) A semi-reação que ocorre no cátodo é Fe3+ + e– → Fe2+. d) A reação total da pilha é: 2 Fe3+ + Cu → 2 Fe2+ + Cu2+ e) Os elétrons migram do eletrodo de cobre para o eletrodo de ferro. Gabarito: 01) A 02) E 03) C 04) A 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com https://exercicios.mundoeducacao.bol.uol.com.br/exercicios-quimica/exercicios-sobre-pilha-daniell.htm O potencial do eletrodo é um número, medido em volts que indica a maior ou menor facilidade que um eletrodo tem em ganhar ou perder elétrons. POTENCIAL → VONTADE DE... Observe o exemplo comentado: 01) Dadas as semi-reações: Fe+2 + 2e- → Fe E° = - 0,44 V Cu+2 + 2e- → Cu E° = + 0,34 V Observe que as duas reações estão escritas na forma de redução (ganhando elétrons). Como as reações de oxirredução ocorrem simultaneamente, devemos decidir, por meio do potencial qual eletrodo vai oxidar e qual eletrodo vai reduzir. Com base nos potenciais, observamos que o eletrodo de Cu apresenta o maior potencial de redução (E° red), ou seja, o eletrodo de Cu tem a maior vontade de se reduzir. Já o eletrodo de ferro tem “uma vontade negativa” de se reduzir, devendo então, se oxidar. Observe que os elétrons sairão do eletrodo de ferro que se oxidará e irão ao encontro do eletrodo de cobre (que, pelo alto potencial de redução, irá se reduzir). Para determinarmos a equação global, devemos inverter a semirreação do ferro, deixando-a na forma de semirreação de oxidação. ATENÇÃO: O SINAL DO POTENCIAL DEVE DER INVERTIDO TAMBÉM. Desta forma, determinamos a equação global, em que o número de elétrons dados é o mesmo número de elétrons recebidos: Fe → Fe+2 + 2e- E° = + 0,44 V Cu+2 + 2e- → Cu E° = + 0,34 V E a diferença de potencial (ddp) será a SOMA dos potenciais de OXIDAÇÃO e REDUÇÃO DDP = (+0,44) + (+0,34) = +0,78 V ATENÇÃO: A IUPAC (UNIÃO INTERNACIONAL DE QUÍMICA PURA E APLICADA SEMPRE INFORMA OS VALORES DOS POTENCIAIS DE REDUÇÃO. CABE A NÓS ANALISARMOS E DECIDIRMOS QUAL ELETRODO REALMENTE REDUZ E QUAL OXIDA. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Potencial padrão e DDP (Diferença de potencial) das pilhas) Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) Determine a equação global e a DDP para cada pilha a seguir: Mn+2 + 2 e- → Mn0 Eº = -1,18 V Zn+2 + 2 e- → Zn0 Eº = - 0,76 V Ag+1 + 1 e- → Ag Eº = + 0,80 V Al+3 + 3 e- → Al0 Eº = - 1,66 V Ni+3 + 3 e- → Ni0 Eº = - 0,25 V Au+3 + 3 e- → Au Eº = + 1,50 V Pb+2 + 2 e- → Pb Eº = - 0,13 V Al+3 + 3 e- → Al0 Eº = - 1,66 V 02) (PUC-RIO 2007) Considere a célula eletroquímica abaixo e os potenciais das semi-reações: Sobre o funcionamento da pilha, e fazendo uso dos potenciais dados, é INCORRETO afirmar que: a) os elétrons caminham espontaneamente, pelo fio metálico, do eletrodo de níquel para o de cobre. b) a ponte salina é fonte de íons para as meia-pilhas. c) no anodo ocorre a semi-reação Ni(s) → Ni2+ (aq) + 2e d) no catodo ocorre a semi-reação Cu2+ (aq) + 2e → Cu(s) e) a reação espontânea que ocorre na pilha é: Cu(s) + Ni2+ (aq) → Cu2+ (aq) + Ni(s) Gabarito 02) E 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Para retardar a corrosão do ferro ou do aço em canalizações de água, oleodutos, cascos de navios, tanques subterrâneos de combustíveis, etc. é costume ligar, a essas estruturas, blocos de outro metal mais reativo do que o ferro, como o magnésio, o zinco, etc. Tendo potencial de oxidação superior ao do ferro, o magnésio, por exemplo, será corroído mais depressa, retardando assim a corrosão do ferro ou do aço. Dizemos, nesse caso, que o magnésio funcionou como metal de sacrifício É a reação de oxi-redução provocada pela corrente elétrica. A eletrólise converte energia elétrica em energia química. Para que uma eletrólise ocorra é necessário que haja um circuito elétrico formado por um gerador elétrico (pilha ou bateria) responsável pelo fornecimento e pela retirada dos elétrons no sistema, acoplado a uma célula ou cuba eletrolítica como mostrado no esquema: Desse modo: a) é necessário que haja eletrólitos dentro da célula (eletrólitos são espécies com cargas). b) pelo contrário, existindo um eletrólito, cada um de seus íons migrará para o eletrodo de sinal contrário ao seu e lá irá perder ou ganhar elétrons; esse fato causará: passagem de corrente elétrica; alterações químicas nos íons. c) o gerador elétrico fornecerá os elétrons no pólo negativo (cátodo) e retira elétrons no pólo negativo no pólo positivo (ânodo). d) a forma como os eletrólitos estarão dentro da cuba eletrolítica nos dirão qual o tipo de eletrólise que está ocorrendo: ígnea (a substância está fundida/derretida) e aquosa (a substância está dissolvida). ISSO NÃO MUDA: NO ÂNODO OCORRE OXIDAÇÃO E NO CÁTODO OCORRE REDUÇÃO!! O QUE ACONTECE SÃO AS INVERSÕES DOS PÓLOS 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Eletrólise Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Chama-se eletrólise ígnea aquela que é realizada com o eletrólito fundido. Aquecendo o NaCl a 808 °C, ele se funde e, no estado líquido, os íons Na+ e Cl- passam a ter liberdade de movimento. Passando corrente elétrica contínua através da célula eletrolítica Os cátions Na+ são atraídos pelo pólo negativo (catodo); chegando a esse pólo, eles ganham elétrons (se reduzem) e são descarregados Na+ + e- → Na0 (s) No cátodo ocorreu a formação de sódio metálico. Ao contrário, os ânions Cl- são atraídos pelo pólo positivo (anodo), no qual perdem elétrons (se oxidam) e se descarregam. Cl- → ½ Cl2 (g) + e- No ânodo ocorreu a formação de gás cloro. NÃO EXISTE ÁGUA NA ELETRÓLISE IGNEA!! Somando as duas semirreações, teremos a equação global da eletrólise (para o balanceamento correto, é indispensável cancelar os elétrons). Utiliza-se a eletrólise ígnea para isolar minérios na natureza, que encontram-se com ametais como oxigênio e enxofre. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Eletrólise Ígnea ATENÇÃO: NO CÁTODO FORMA SEMPRE A ESPÉCIE METÁLICA, COM CARGA ZERO. (É muito comum aparecer questões com “sódio metálico, cubre metálico, alumínio metálico...) NO ÂNODO FORMA SEMPRE UMA ESPÉCIE DIATÔMICA, COM CARGA ZERO (Cl2, F2, Br2, I2...) ! Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Eletrólise Aquosa Vamos supor, agora, que a eletrólise do NaCl fosse feita em solução aquosa. O resultado será totalmente diferente, pois a própria água da solução está ionizada segundo: Na eletrólise aquosa, há uma COMPETIÇÃO ENTRE OS ÍONS. Teremos agora dois cátions (o H+ vindo da água e o cátion vindo da espécie a ser eletrolisada) e dois ânions ( o OH- vindo da água e o ânion vindo da espécie a sereletrolisada). No caso da espécie ser o NaCl, ao sofrer dissolução em água, ocorre a dissociação: É importante saber que apenas um cátion e um ânion sofrerão descarga. Os outros permanecerão em solução. Essa “preferência” ou “prioridade” de descarga dos íons é dada pela própria tabela dos potenciais-padrão de eletrodo, que por esse motivo é também chamada de fila das tensões eletrolíticas. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Para a eletrólise aquosa do NaCl verifica-se que: entre o Na+ e o H+ , o pólo negativo “prefere” descarregar o H+ (o Na é um metal alcalino) entre o Cl- e o OH- , o pólo positivo “prefere” descarregar o Cl- (o Cl é um ânion não oxigenado) OS PRODUTOS DA ELETRÓLISE AQUOSA DO NaCl SÃO: GÁS HIDROGÊNIO, LIBERADO NO CÁTODO, GÁS CLORO, LIBERADO NO ÂNODO. O pH DA SOLUÇÃO RESULTANTE É BÁSICO OU ALCALINO (DEVIDO AO NaOH FORMADO PELOS ÍONS NÃO DESCARREGADOS. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos ATENÇÃO! • a descarga de um cátion produz o metal correspondente ou o hidrogênio gasoso. • a descarga de um ânion simples libera o próprio elemento (espécie diatômica): • a descarga da hidroxila (OH-) libera água e oxigênio gasoso: 1º exemplo — eletrólise de HCl em solução aquosa diluída, com eletrodos inertes 2º exemplo — eletrólise de H2SO4 em solução aquosa diluída, com eletrodos inertes 3º exemplo — eletrólise de FeSO4 em solução aquosa diluída, com eletrodos inertes 4º exemplo — eletrólise de NiCl2 em solução aquosa diluída, com eletrodos inertes 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Galvanoplastia é uma técnica industrial que utiliza a eletrólise em meio aquoso para cobrir uma determinada peça metálica com outro metal. O objetivo é obter uma ou mais das vantagens a seguir: Adquirir resistência a corrosão; Adquirir proteção contra a oxidação; Apresentar maior durabilidade; Aumentar a resistência da peça; Ampliar a espessura da peça; Aumentar a condutividade elétrica ou térmica; Fazer com que a peça possa passar por um processo de soldagem com maior resistência; Melhorar a estética da peça. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Aplicação da eletrólise Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/eletrolise.htm Aspectos quantitativos da eletrólise É muito importante relacionar a quantidade da substância transformada com a quantidade de eletricidade associada a essa transformação. Assim, por exemplo, na oxidação que ocorre no anodo de uma pilha de Daniell, teríamos: Na eletricidade, a quantidade de elétrons que passa por um circuito elétrico corresponde à ideia de quantidade de eletricidade (Q) e é medida em coulombs (símbolo C). A intensidade da corrente elétrica (i) é o quociente entre a quantidade de eletricidade (Q) que passou por um circuito e o intervalo de tempo (∆t) correspondente a essa passagem. Temos então: Um segundo passo importante para a estequiometria dos processos eletroquímicos foi dado por Millikan, em 1913, quando determinou a carga de 1 elétron, encontrando o valor de 1,6023 x 10-19 coulomb. Com esse valor e com a constante de Avogadro (6,023 x 1023), podemos calcular a carga elétrica de 1 mol de elétrons. Esse valor, que corresponde a aproximadamente 96.500 coulomb/mol, é a chamada constante de Faraday. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 1º Exemplo: Qual é a quantidade de eletricidade obtida em uma pilha de Daniell pela oxidação de 0,2612 g de zinco? (Massa atômica do Zn = 65,3.) E qual é a intensidade da corrente produzida, sabendo-se que a pilha funcionou durante 25 minutos e 44 segundos? 2º Exemplo: Calcule a massa de cobre metálico depositada por uma corrente elétrica de 1,93 A que atravessa uma solução de sulfato cúprico durante 10 minutos (massa atômica do Cu = 63,5). Gabarito: 01) 0,5A 02) 0,381 g 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A radioatividade foi descoberta em 1896, pelo cientista francês Henri Becquerel ao estudar a fosforescência natural das substâncias. Utilizando amostras que continham urânio, Becquerel observou que as emissões radioativas ocorriam espontaneamente. É uma propriedade físico-química de alguns elementos, tais como urânio e rádio, que possuem a capacidade natural e espontânea de emitirem energia na forma de partículas e onda, tornando-se elementos químicos mais estáveis e mais leves. É uma propriedade NUCLEAR, que trazem como consequência a modificação na massa e no número atômico do elemento. Essa emissão espontânea de radiações ocorre em núcleos instáveis de átomos, dando origem a outros núcleos, mais estáveis. Radioatividade 14 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Radioatividade Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com O processo mostrado na figura é chamado de reação nuclear, decomposição radioativa, transmutação, ou ainda decaimento radioativo. UM ÁTOMO RADIOATIVO POSSUI UM NÚCLEO MUITO INSTÁVEL E VAI EMITIR RADIAÇÃO (NA FORMA DE PARTÍCULAS OU ONDAS DE ENERGIA, COM O OBJETIVO DE CHEGAR A UM ESTADO DE ESTABILIDADE. É a mais pesada das partículas radioativas É a união de dois prótons e 2 nêutrons. Possui carga +2 e massa 4. Possui uma velocidade de emissão de 14.000 km/s, com pequeno poder de penetração (uma folha de papel intercepta a partícula α) Também pode ser chamada de núcleo de Hélio (que contém também 2 prótons e 2 nêutrons). É uma partícula sem massa e com carga negativa. Corresponde a um elétron Elétron no núcleo?? Forma-se a partir da desintegração de um nêutron em um neutrino, um próton e uma partícula beta, que é emitida. Possui uma velocidade de emissão de 299.000 km/s, sendo mais penetrante que a alfa Na sua emissão, ocorre o aumento do número atômico devido ao próton gerado na desintegração do nêutron. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Partícula alfa Partícula beta Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Não é considerada uma partícula, mas sim uma onda eletromagnética de energia. Não possui nem massa e nem carga. Possui grande poder de penetração, responsáveis pelos efeitos devastadores da radioatividade, pois consegue penetrar as células e modificar o material genético causando diversas doenças. Toda emissão de partícula alfa e beta é acompanhada por emissão de radiação gama. É o tempo necessário para que a concentração de material radioativo decaia à sua metade. Símbolo: P = meia vida 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Radiação gama Poder de penetração das partículas Tempo de meia vida Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Consideramos mo = quantidade inicial da amostra radiativa.m = quantidade final da amostra • Para determinarmos a quantidade de amostra radioativa final, utilizamos a fórmula: em que x = números de períodos que ocorrem Para determinarmos o tempo total decorrido, basta multiplicarmos o número de períodos que ocorrem pelo número de meias-vidas. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Cálculo do período de desintegração Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Exemplos 01) O criptônio-89 possui o tempo de meia-vida igual a 3,16 minutos. Dispondo-se de uma amostra contendo 4,0 x 1023 átomos desse isótopo, ao fim de quanto tempo restarão 1,0 x 1023 átomos? a) 3,16 minutos b) 6,32 minutos c) 9,48 minutos c) 12,64 minutos d) 15,8 minutos 02) O césio-137 possui meia-vida de 30 anos. Se tivermos 12 g desse elemento, após quanto tempo essa massa será reduzida para 0,75 g? a) 30 anos. b) 60 anos. c) 90 anos. d) 120 anos. e) 150 anos. 03) Após 12 dias, uma substância radioativa tem a sua atividade reduzida para 1/8 da inicial. A meia-vida dessa substância será de: a) 3 dias. b) 4 dias. c) 6 dias. d) 8 dias. e) 12 dias. 04) (Vunesp-SP) Em Goiânia, 100 g de 137CsCℓ foram liberados de uma cápsula, antes utilizada em radioterapia, e causaram um grave acidente nuclear. O gráfico representa a cinética de desintegração desse isótopo. Para o 137Cs, o tempo de meia-vida e o tempo para que 87,5% tenha se desintegrado são, em anos, respectivamente: a) 60 e 30. b) 30 e 7,5. c) 60 e 90. d) 30 e 90. e) 120 e 60 Gabarito 01) B 02) D 03) B 04) D 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Energia nuclear consiste no uso controlado das reações nucleares para a obtenção de energia para realizar movimento, calor e geração de eletricidade. A fissão nuclear do urânio é a principal aplicação civil da energia nuclear. Fissão nuclear é o processo de divisão do núcleo atômico instável em outros núcleos mais estáveis. A fissão nuclear do urânio é a mais conhecida, visto que é a mais utilizada para a geração de energia por meio de reações nucleares. O processo consiste basicamente em fazer um nêutron atingir o núcleo de um átomo e esse se dividirá em dois núcleos mais estáveis e liberará nêutrons, que também atingirão outros átomos originando uma reação em cadeia. A fissão nuclear é o princípio da bomba atômica e dos reatores nucleares por meio das reações em cadeia. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Tempo de meia-vida de alguns isótopos radioativos Energia Nuclear Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Usina Nuclear Usina Nuclear é uma unidade industrial construída para produzir energia elétrica a partir de materiais radioativos. A energia nuclear é uma alternativa às limitações de fontes naturais, como rios (energia hidrelétrica), carvão, gás e petróleo. Para o funcionamento, as usinas nucleares possuem uma estrutura que é denominada vaso de pressão. Nele há água usada para refrigerar o núcleo do reator, onde está o combustível nuclear. A água circula no gerador de vapor em uma estrutura chamada de circuito primário. Quando o circuito primário aquece, uma corrente de água passa por dentro do gerador – que é o circuito secundário. Dentro do circuito secundário, a água é transformada em vapor e a alta pressão do fluido é isso que faz com que as turbinas se movimentem e gerem a energia elétrica. Após passar pela turbina o vapor é direcionado para um condensador, onde a troca de calor faz com que a água se torne líquida novamente e possa retornar ao processo. . 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Usina Nuclear Uma usina nuclear é uma instalação que promove a geração de energia elétrica por meio da geração de calor e formação de vapor d’água. A obtenção de calor se dá por meio da fissão nuclear. A fissão nuclear acontece no núcleo do reator, dispositivo principal de uma usina nuclear. O combustível utilizado por essas usinas é geralmente o urânio enriquecido. As usinas nucleares são muito produtivas e ocupam uma área pequena. Além disso, o urânio é amplamente encontrado na natureza. Em contrapartida, o combustível não é renovável (portanto, é finito), e os custos de instalação são ainda elevados. Seu funcionamento segue rígidos protocolos de segurança. Apesar disso, é possível que ocorram acidentes. O maior acidente em usina nuclear do mundo aconteceu na usina de Chernobyl, na Ucrânia, em 1986. Existem em operação no Brasil duas usinas nucleares: Angra 1 e Angra 2, na cidade de Angra dos Reis (RJ). A maior usina nuclear do mundo é a usina de Kashiwazaki- Kariwa, no Japão. . Vantagens Desvantagens Fonte abundante na natureza (urânio) Alta produtividade, isto é, uma pequena quantidade de combustível é capaz de gerar um montante alto de energia Demanda pequena área para instalação da planta Produz baixa quantidade de resíduos e dejetos Não emite gases poluentes na atmosfera Baixo custo de operação Utiliza fonte não renovável Lixo nuclear altamente tóxico, cujo descarte deve ser feito em uma área remota e sob condições rígidas de segurança Alto custo de instalação Aquecimento da água do mar quando a parcela utilizada no processo é devolvida ao oceano Riscos de contaminação e longa permanência do lixo nuclear no meio ambiente. Riscos de acidentes nucleares com consequências graves ao meio ambiente e aos seres humanos 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com A bomba atômica é um artefato militar que se baseia na fissão nuclear, que é quando se bombardeia com nêutrons um núcleo atômico pesado e instável, provocando a sua partição e dando origem a dois núcleos atômicos médios, dois ou três nêutrons e uma quantidade enorme de energia. O esquema a seguir ilustra a fissão nuclear do isótopo urânio-235 (92 235U): 0 1n + 92 235U → 56 142Ba + 36 91Kr + 3 0 1n Visto que envolve reações que ocorrem no núcleo dos átomos, a bomba atômica também é chamada de bomba nuclear. O primeiro teste de uma bomba atômica foi feito pelos Estados Unidos em 16 de julho de 1945 na Base Aérea de Alamogordo, no deserto do Novo México. A Segunda Guerra Mundial (1939-1945) terminou com o lançamento de duas bombas atômicas. O ataque foi ordenado pelo presidente americano Harry Truman sobre duas cidades do Japão, Hiroshima e Nagasaki. Fusão Nuclear é a junção de átomos que têm núcleos leves. Da junção desses átomos, resulta um átomo com núcleo mais pesado. Submetidos a uma temperatura bastante elevada, o deutério (H2) e o trítio (H3), que são isótopos de hidrogênio (H), se unem. Dessa união resulta a liberação de uma grande quantidade de energia e são formados núcleos de hélio (He). A energia liberada na fusão nuclear é muito maior que a energia liberada na fissão. Esse tipo de reação é a fonte de energia das estrelas como o Sol. Ele é composto de 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de outros elementos. Isso é explicado pelo fato de ocorrerem reações em seu núcleo, conforme mostrado anteriormente, em que átomos de hidrogênio se fundem originando átomos de hélio. 15 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Bomba atômica Fissão Nuclear Licenciado para - M aria Musquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Fissão Nuclear . A fusão nuclear é descrita como o "Santo Graal" da produção de energia. É o processo que alimenta o Sol, responsável pelo seu calor e sua luz, e outras estrelas. Funciona juntando pares de átomos leves e forçando-os a ficarem juntos. Essa fusão libera muita energia. É o oposto da fissão nuclear, onde os átomos pesados se separam. A fissão é a tecnologia utilizada atualmente nas usinas nucleares, mas o processo também produz uma grande quantidade de rejeitos que emitem radiação por muito tempo. Esses resíduos podem ser perigosos e devem ser armazenados com segurança. Na fusão nuclear ocorre o contrário: apenas pequenas quantidades de resíduos radioativos, de curta duração — e produz muito mais energia. E o que é mais importante, o processo não produz emissões de gases de efeito estufa e, portanto, não contribui para as mudanças climáticas. 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Fissão Nuclear 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com Datação por Carbono 14 A datação com carbono-14 é uma técnica que permite aos cientistas de diversas áreas do conhecimento determinar a idade de sedimentos, fósseis humanos ou vegetais, desde que contenha átomos de carbono em sua composição. Sendo por tanto aplicável à madeira, carbono, sedimentos orgânicos, concha marinhas ou qualquer material que tenha absorvido direta ou indiretamente compostos contendo carbono. O isótopo de C14 é um isótopo radioativo, que é formado nas camadas superiores da atmosfera como produto do bombardeamento de nitrogênio-14 (7N14) por nêutrons presentes nos raios cósmicos: 7N14 + 0n1 → 6C14 + 1H1 O isótopo de 6C14 reage com o oxigênio do ar formando dióxido de carbono (C14O2), é essa quantidade permanece constante na atmosfera. Este C14O2, juntamente com C12O2 é absorvido através de mecanismos metabólicos pelos animais e vegetais, sendo incorporados as suas estruturas. Enquanto esses organismos estão vivos a relação entre 6C14 e 6C12 permanece constante, porém após a sua morte a quantidade de 6C14 começa a decair. O isótopo de 6C14 tem um tempo de meia vida (que é o tempo necessário para que determinada massa se reduza pela metade) de 5730 anos. Quando o isótopo de C14 decai, ele se transforma em 7N14 pela emissão de uma partícula beta (β). 6C14 → 7N14 + -1β0 10 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com https://www.infoescola.com/elementos-quimicos/nitrogenio/ https://www.infoescola.com/quimica/dioxido-de-carbono/ https://www.infoescola.com/quimica/dioxido-de-carbono/ https://www.infoescola.com/geografia/atmosfera/ https://www.infoescola.com/quimica/periodo-de-meia-vida/ https://www.infoescola.com/fisica/radiacao-beta/ Exemplo resolvido (ENEM 2017) A técnica do carbono-14 permite a datação de fósseis pela medição dos valores de emissão beta desse isótopo presente no fóssil. Para um ser em vida, o máximo são 15 emissões beta/(min g). Após a morte, a quantidade de 14C se reduz pela metade a cada 5 730 anos. Considere que um fragmento fóssil de massa igual a 30 g foi encontrado em um sítio arqueológico, e a medição de radiação apresentou 6 750 emissões beta por hora. A idade desse fóssil, em anos, é a) 450. c) 11 460. e) 27 000. b) 1 433. d) 17 190. A velocidade de decaimento (de emissões) de uma amostra radioativa é proporcional à quantidade de átomos radioativos (C14, neste caso) contida na mesma. No fóssil temos: 30g —> 6750 emissões/h = 112,5 emissões/min no fóssil Velocidade de decaimento: 30g ——————- 112,5 emissões/min 1g ——————— 3,75 emissões/min Velocidade de decaimento do ser vivo: Inicial: 15 emissões/min Após uma meia-vida: 7,5 emissões/min Após duas meias-vidas: 3,75 emissões/min Decorreram-se então 2 x 5.730 = 11.460 anos 5 Q U ÍM IC A | LI V R O 2 Licenciado para - M aria M usquine F erreira - 19498970793 - P rotegido por E duzz.com