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Deise Zamboni Schaffer Química Geral e Experimental I Revisada por Deise Zamboni Schaffer (janeiro/2013) É com satisfação que a Unisa Digital oferece a você, aluno(a), esta apostila de Química Geral e Ex- perimental I, parte integrante de um conjunto de materiais de pesquisa voltado ao aprendizado dinâmi- co e autônomo que a educação a distância exige. O principal objetivo desta apostila é propiciar aos(às) alunos(as) uma apresentação do conteúdo básico da disciplina. A Unisa Digital oferece outras formas de solidificar seu aprendizado, por meio de recursos multidis- ciplinares, como chats, fóruns, aulas web, material de apoio e e-mail. Para enriquecer o seu aprendizado, você ainda pode contar com a Biblioteca Virtual: www.unisa.br, a Biblioteca Central da Unisa, juntamente às bibliotecas setoriais, que fornecem acervo digital e impresso, bem como acesso a redes de informação e documentação. Nesse contexto, os recursos disponíveis e necessários para apoiá-lo(a) no seu estudo são o suple- mento que a Unisa Digital oferece, tornando seu aprendizado eficiente e prazeroso, concorrendo para uma formação completa, na qual o conteúdo aprendido influencia sua vida profissional e pessoal. A Unisa Digital é assim para você: Universidade a qualquer hora e em qualquer lugar! Unisa Digital APRESENTAÇÃO INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................... 5 1 SUBSTÂNCIA E MISTURA ................................................................................................................. 7 1.1 O Método Científico .......................................................................................................................................................7 1.2 Classificação da Matéria ................................................................................................................................................8 1.3 Propriedades da Matéria ...............................................................................................................................................9 1.4 Gráficos de Mudança de Estado ................................................................................................................................9 1.5 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................10 1.6 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................11 2 MODELOS ATÔMICOS ...................................................................................................................... 13 2.1 Histórico dos Modelos Atômicos ............................................................................................................................13 2.2 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................15 2.3 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................15 3 ESTRUTURA ATÔMICA ..................................................................................................................... 17 3.1 Dimensões do Átomo .................................................................................................................................................17 3.2 Partículas Subatômicas ..............................................................................................................................................17 3.3 Isótopos ............................................................................................................................................................................18 3.4 Átomos e Íons ................................................................................................................................................................19 3.5 Distribuição Eletrônica ...............................................................................................................................................19 3.6 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................22 3.7 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................22 4 CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES PERIÓDICAS ......................................................... 25 4.1 Tabela Periódica ............................................................................................................................................................25 4.2 As Configurações Eletrônicas ...................................................................................................................................26 4.3 O Raio Atômico ..............................................................................................................................................................27 4.4 O Raio Iônico ..................................................................................................................................................................28 4.5 Raio Covalente e Raio de Van der Waals ..............................................................................................................28 4.6 A Energia de Ionização ...............................................................................................................................................29 4.7 A Afinidade Eletrônica ................................................................................................................................................29 4.8 A Eletronogatividade ..................................................................................................................................................29 4.9 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................30 4.10 Atividades Propostas ................................................................................................................................................31 5 LIGAÇÕES QUÍMICAS ....................................................................................................................... 33 5.1 Ligação Iônica ................................................................................................................................................................33 5.2 Ligação Covalente ........................................................................................................................................................34 5.3 Ligação Metálica ...........................................................................................................................................................35 5.4 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................36 5.5 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................37 SUMÁRIO 6 FORÇAS INTERMOLECULARES .................................................................................................. 39 6.1 Ligações Intermoleculares ........................................................................................................................................39 6.2 Polaridade Molecular ..................................................................................................................................................396.3 Forças de Van der Waals e os Tipos de Interações ............................................................................................40 6.4 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................41 6.5 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................43 7 TEORIA ATÔMICA MOLECULAR ................................................................................................ 45 7.1 Estudo das Massas ........................................................................................................................................................45 7.2 Constante de Avogadro .............................................................................................................................................46 7.3 O Conceito de Mol ........................................................................................................................................................46 7.4 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................47 7.5 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................48 8 TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS E ESTEQUIOMETRIA ............................................... 49 8.1 Transformações Químicas .........................................................................................................................................49 8.2 Leis Ponderais ................................................................................................................................................................50 8.3 Estequiometria ..............................................................................................................................................................51 8.4 Resumo do Capítulo ....................................................................................................................................................52 8.5 Atividades Propostas ...................................................................................................................................................53 9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................................... 55 RESPOSTAS COMENTADAS DAS ATIVIDADES PROPOSTAS ..................................... 57 REFERÊNCIAS ............................................................................................................................................. 63 Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 5 Prezado(a) aluno(a), No curso de Engenharia, você estudará muitas ciências básicas, entre elas, a Química, e esse estudo tem como objetivo desenvolver em você, futuro(a) Engenheiro(a), o pensamento analítico, ou seja, de- senvolver a sua habilidade de pensar uma questão levando em consideração os vários fatores existentes e suas inter-relações. A Química é uma ciência que estuda os fenômenos naturais relacionados à estru- tura da matéria. Na disciplina Química Geral e Experimental I, você entrará em contato com o modelo científico vigente e aprenderá que ciência é um processo sempre em evolução. Irá aprender conceitos que poderão auxiliá-lo(la) na sua vivência profissional, desenvolvendo um pensamento crítico que o(a) auxiliará a escolher a teoria mais adequada na resolução dos problemas. Gostaríamos de apresentar a você os conteúdos deste curso: Substância e mistura; Desenvolvimento histórico dos modelos científicos; Estrutura atômica; Classificação e propriedades periódicas; Ligações químicas; Forças intermoleculares; Teoria atômica molecular; Transformações químicas; Estequiometria. Espero que você aproveite bem o nosso curso e que a Química possa constituir uma importante ferramenta no desenvolvimento de suas habilidades. Abraços, Deise Zamboni Schaffer INTRODUÇÃO Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 7 A Ciência é uma forma de interpretar os fe- nômenos da natureza e se fundamenta na obser- vação criteriosa, na experimentação e na interpre- tação lógica dos fenômenos que a natureza nos apresenta. O desenvolvimento científico ocorre em um ciclo denominado “MÉTODO CIENTÍFICO”, representado no esquema a seguir: SUBSTÂNCIA E MISTURA1 1.1 O Método Científico As observações de um fenômeno podem ser avaliadas por meio de medidas (tempo, peso, distância etc.). Em Ciência, as Leis são sempre NA- TURAIS, ou seja, não são feitas pelo homem (por exemplo, a Lei da Gravidade), e constituem-se na observação da repetição dos fenômenos naturais. Já a Hipótese, é uma explicação provisória que pre- cisa ainda de novas experiências para ser confirma- da e, se após experimentação, não for contestada, torna-se Teoria (esta sim é uma elaboração do pen- samento humano). Com o desenvolvimento da tecnologia, no- vos instrumentos de observação estão disponíveis aos homens para aprimorar a interpretação dos fe- nômenos naturais; dessa forma, as Teorias Científi- cas permanecem em constante evolução. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 8 Definimos Matéria como tudo que tem mas- sa e ocupa espaço no Universo; portanto, quase tudo o que nos cerca pode ser considerado maté- ria (água, ar, solo, madeira, ferro etc.). A matéria é constituída basicamente por Substâncias Simples, Substâncias Compostas e Misturas. 1.2 Classificação da Matéria Como exemplo, poderemos citar: Moléculas de gás oxigênio (O2) Moléculas de água (H2O) Fonte: http://resumos.webnode.com.br/resumos/a3%C2%AA%20serie/ a1%C2%BA%20bimestre/quimica/. Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 9 A Matéria, qualquer que seja a sua classifica- ção, pode sofrer dois tipos de fenômenos: Fenômeno Químico: aquele no qual ocorre uma modificação na estrutura das moléculas que formam o material; Fenômeno Físico: aquele no qual não ocorre modificação na estrutura molecu- lar e, portanto, poderá ser reversível. AtençãoAtenção A matéria pode ser constituída de Subs- tâncias Puras Simples (aquelas cujas mo- léculas são formadas pelo mesmo tipo de átomo), Substâncias Puras Compostas (aquelas cujas moléculas são formadas de átomos diferentes) ou Misturas (sistema constituído de moléculas diferentes). Todo material, seja ele uma substância pura (simples ou composta) ou uma mistura, apresen- ta PROPRIEDADES EXTENSIVAS (aquelas que dependem da quantidade) e PROPRIEDADES IN- TENSIVAS (aquelas que não dependem da quanti- dade) e o estudo dessas propriedades nos permite desenvolver materiais novos com características importantes para o desenvolvimento tecnológico. São exemplos de Propriedades Extensivas: Massa, Volume e Comprimento; e de Propriedades Intensivas: Ponto de Fusão (PF), Ponto de Ebuli- ção (PE), Densidade e Cor, pois não dependem da quantidade do material, portanto não podem ser somados (por exemplo, 1 litro de água ebule a 100 ºC e 1 atm de pressão; 2 litros de água irão ebulir exatamente nas mesmas condições). Existem outras propriedade intensivas que possuem uma nomenclatura bastante específica. Exemplos: ductibilidade: capacidade do material em ser transformado em fios; maleabilidade: capacidade do material em ser transformado em lâminas; dureza: resistência do material a riscos; propriedades organolépticas: aquelas que “despertam” os nossos sentidos, tais como: cor, cheiro e sabor. As PROPRIEDADES INTENSIVASsão as que fa- zem a diferenciação dos vários tipos de materiais que existem na natureza. Elas nos auxiliam na aná- lise desses materiais. 1.3 Propriedades da Matéria Os Fenômenos Físicos são basicamente as mudanças de estado (solidificação, evaporação, liquefação, sublimação, condensação e ebulição). Sabemos que o estado físico do material é uma ca- racterística intensiva, mas que depende de fatores externos como a pressão e a temperatura. Observou-se, experimentalmente, que as Substâncias Puras (Simples ou Compostas), ao mudarem de estado físico, mantêm a temperatura constante; isso ocorre pois toda energia adiciona- da ao sistema estará sendo usada para a separação das moléculas. Lembre-se de que o que diferencia os esta- dos físicos sólido, líquido e gasoso é a distância en- tre as moléculas. Já quando aquecemos uma mistura, quando esta começa a mudar de estado físico, não obser- vamos uma constância na temperatura. 1.4 Gráficos de Mudança de Estado Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 10 Esse fato nos auxilia na diferenciação de substâncias puras de misturas. Veja os exemplos de gráficos a seguir: Observamos, nesse gráfico, que abaixo de 0 °C, a água está no estado sólido (S) e, ao aquecer- mos até o PF, a temperatura se mantém constan- te (patamar no gráfico) e coexistem as duas fases, ou seja, sólida e liquida (S+L); o mesmo ocorre no PE, com as duas fases existindo ao mesmo tempo (líquida e gasosa) e a temperatura se mantendo constante. Isso não ocorre quando temos uma mistura comum, como veremos no próximo gráfico. Nesse gráfico do aquecimento da água com sal de cozinha, observamos que não ocorre pata- mar em que a temperatura se mantém constante – isso é característico de misturas –, porém exis- tem misturas especiais que apresentam compor- tamento semelhante ao das substâncias puras na mudança de fase. Elas são chamadas Misturas Azeotrópicas, as quais apresentam o mesmo comportamento das substâncias puras somente durante a ebulição (por exemplo, a mistura de água e álcool etílico); e Misturas Eutéticas, nas quais o patamar de tem- peratura constante ocorre apenas durante a fusão, como o que ocorre com algumas ligas metálicas. Até agora, falamos de propriedades dos ma- teriais do ponto de vista macroscópico, ou seja, propriedades que conseguimos perceber com os nossos sentidos. No próximo capítulo, vamos adentrar no universo microscópico, ou seja, estare- mos estudando fenômenos que não conseguimos perceber de forma direta só com nossos olhos; para isso, é importante desenvolvermos o pensa- mento analítico. Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/calor-latente-e-calor- especifico/. Fonte: http://geocities.ws/saladefisica8/termologia/estado. html. AtençãoAtenção As Substâncias Puras (simples ou com- postas) sempre apresentarão temperatura constante durante as mudanças de estado físico. As misturas comuns não apresen- tam temperatura constante durante as mudanças de estado. 1.5 Resumo do Capítulo No primeiro capítulo, é importante que você observe que as propriedades extensivas da matéria são aquelas que podem ser somadas, já as propriedades intensivas são características do material e não podem ser somadas, como cor, ponto de ebulição etc. Note também que as substâncias puras se diferenciam das misturas, entre outros fatores, pelo fato de manterem a sua temperatura constante durante as mudanças de fase físicas, embora existam misturas Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 11 especiais (azeotrópicas e eutéticas), que têm gráficos de mudança de fase semelhantes ao apresentado pelas substâncias puras. 1.6 Atividades Propostas 1. Observe a tabela a seguir: No interior de um freezer a -18 °C, estarão, no estado sólido, as substâncias: a) Água, bromo e etanol. b) Água, oxigênio e etanol. c) Água, oxigênio e cloreto de sódio. d) Água, bromo e cloreto de sódio. 2. Defina propriedade intensiva e propriedade extensiva e dê um exemplo de cada. 3. NÃO é considerada uma reação química a: a) formação de neve. b) digestão de alimentos. c) conversão do vinho em vinagre. d) dissolução de um comprimido efervescente em água. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 12 4. O gráfico representa a curva de resfriamento da água pura à pressão constante de 1 atm. Assinale verdadeiro (V) ou falso (F) em cada uma das seguintes afirmativas: ( ) O fenômeno que ocorre na região B da curva é a solidificação e há duas fases em equilí- brio. ( ) Na região C da curva, há somente a fase sólida. ( ) Nas regiões B e D da curva, a temperatura permanece constante. ( ) Na região D da curva, coexistem em equilíbrio as fases sólida e líquida. A sequência correta é a) V - V - F - V. b) V - F - V - F. c) V - F - F - F. d) F - V - V - V. e) F - F - V - V. 5. Classifique cada um dos materiais como substância simples, substância composta ou mistura: Soro fisiológico Água mineral Água destilada Gás nitrogênio Diamante Gás carbônico Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 13 Recordando o que falamos no primeiro ca- pítulo sobre o desenvolvimento do pensamento científico, as teorias sobre a natureza dos átomos foi evoluindo juntamente à tecnologia, que nos propiciou instrumentos para melhorar a observa- ção de fenômenos que nossos olhos não enxerga- riam. Dessa forma, é útil conhecermos o histórico dos modelos (teorias) atômicos dos vários filósofos e cientistas que contribuíram com o desenvolvi- mento do pensamento científico. 450 a.C. – Leucipo: a matéria pode se dividir em partículas cada vez menores; 400 a.C. – Demócrito: considerado o pai do atomismo grego, foi o primeiro a dar a denominação de átomo para o que se- ria (na percepção dele) a menor partícula de matéria; 1661 – Boyle: foi o autor do livro Scep- tical chemist, no qual defendeu o ato- mismo e deu o primeiro conceito de ele- mento com base experimental; 1808 – Dalton: primeiro modelo atômi- co com base experimental. O átomo é uma partícula maciça, como uma boli- nha, e indivisível; 1834 – Faraday: estudo quantitativo de eletrólise, através do qual surgiu a ideia da eletricidade associada aos átomos; 1859: primeiras experiências de descar- gas elétricas em gases à pressão reduzi- da (ao redor de 10 mmHg). Descoberta dos “raios”, posteriormente chamados catódicos (os primórdios da tecnologia da televisão); 1874 – Stoney: admitiu que a eletrici- dade estava associada aos átomos em quantidades muito pequenas. Primeira ideia de quantização da carga elétrica; 1879 – Crookes: primeiras experiências de descarga elétrica a alto vácuo; 1895 – Röentgen: descoberta dos raios X; 1896 – Becquerel: descoberta da ra- dioatividade; 1897 – Thomson: descargas elétricas em alto vácuo (tubos de Crookes) leva- ram à descoberta do elétron. O átomo seria uma partícula maciça, mas não in- divisível, como era a ideia de Dalton. Se- ria formado por uma geleia com carga positiva, na qual estariam incrustados os elétrons (modelo do pudim de passas). Determinação da relação carga/massa (e/m) do elétron; 1898 – Marie Curie: descoberta do po- lônio e do rádio; 1900 – Max Planck: teoria do quantum (quantidade finita de energia); 1905 – Einstein: teoria da relatividade. Relação entre massa e energia (e = mc2). Conseguiu explicar o que seria o efeito fotoelétrico. Denominação fóton para o quantum de energia radiante (luz); 1909 – Millikan: determinação da carga do elétron; MODELOS ATÔMICOS2 2.1 Histórico dos Modelos Atômicos Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br14 1911 – Rutherford: o átomo não é ma- ciço nem indivisível. O átomo seria for- mado por um núcleo muito pequeno, com carga positiva, no qual estaria con- centrada praticamente toda a sua massa. Ao redor do núcleo, ficariam os elétrons, neutralizando sua carga. Este é o mode- lo do átomo nucleado, um modelo que foi comparado ao sistema planetário, em que o Sol seria o núcleo e os planetas se- riam os elétrons; 1913 – Bohr: modelo atômico funda- mentado na teoria dos quanta e susten- tado experimentalmente com base na espectroscopia. Distribuição eletrônica em níveis de energia. Quando um elé- tron do átomo recebe energia, ele salta para outro nível de maior energia (salto quântico), portanto mais distante do nú- cleo. Quando o elétron volta para o seu nível de energia primitivo (mais próximo do núcleo), ele cede a energia anterior- mente recebida sob forma de uma onda eletromagnética (luz), ou seja, emite um fóton; 1916 – Sommerfeld: modelo de trajetó- rias elípticas para o elétron. Introdução dos subníveis de energia; 1920 – Rutherford: caracterização do próton como sendo o núcleo do átomo de hidrogênio e a unidade de carga po- sitiva. Previsão de existência do nêutron; 1924 – De Broglie: modelo da dualida- de partícula-onda para o elétron; 1926 – Heisenberg: princípio da incer- teza, ou seja, é impossível prever a posi- ção e a velocidade de um elétron simul- taneamente; 1927 – Schrödinger: Modelo Matemáti- co para o átomo através da Equação de função de onda para o elétron; 1932 – Chadwick: descoberta do nêu- tron. É importante notar que, com essa linha do tempo histórica, os cientistas seguiram o ciclo do pensamento científico descrito no nosso capítulo 1, ou seja, à medida que novos instrumentos de observação e pesquisa foram surgindo, novas teo- rias foram se consolidando, mas nem sempre inva- lidaram as teorias anteriores. Todas elas coexistem e se complementam. Mesmo sabendo hoje que o átomo não é a menor partícula da matéria, mantém-se o nome dado por Demócrito (em grego, átomo significa indivisível). Em ciência, temos que substituir o conceito de CERTO e ERRADO por ADEQUADO e INADE- QUADO, pois, dependendo com o que você esti- ver trabalhando, poderá usar uma teoria atômica antiga, como a de Dalton, e ser adequado (por exemplo, quando lidamos com grande quantida- de de massa dos elementos), já se você estiver tra- balhando com nanotecnologia, a teoria de Dalton será inadequada, pois não contempla o modelo quântico. Pretendemos que você possa ter uma no- ção ampla dos modelos atômicos, entretanto, no nosso próximo tema, vamos desenvolver a ideia do modelo atômico mais atual, ou seja, o modelo quântico, sem nos aprofundarmos nos conceitos matemáticos que o modelo quântico exige. AtençãoAtenção Os modelos atômicos são representações que evoluem juntamente ao desenvolvi- mento da tecnologia. Não podemos falar em modelo certo ou errado, mas sim em ADEQUADO ou INADEQUADO ao que pretendemos estudar. Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 15 Neste capítulo, você deve ter percebido que os modelos de estrutura atômica evoluíram ao longo da história da ciência e continuarão evoluindo com o avançar da tecnologia, que nos possibilita uma melhor observação da natureza. O modelo de Dalton (bolinha), o de Thomson (com a existência de cargas negativas e positivas), o de Rutherford-Bohr (modelo planetário), até o modelo Orbital (probabilidade matemática de se encon- trar o elétron), considerando Heisenberg (é impossível prever ao mesmo tempo a posição e a velocidade de um elétron), bem como o modelo quântico de Schrödinger, nos possibilitaram o avanço de inúmeras tecnologias, como, por exemplo, a nanotecnologia. 2.2 Resumo do Capítulo 1. O que o modelo de Bohr contribuiu para o conhecimento da estrutura atômica? 2. Qual a contribuição do modelo atômico de Heisenberg? 2.3 Atividades Propostas Saiba maisSaiba mais Gostaria de sugerir a você um pequeno resumo de artigo e links de sites que poderão auxiliá-lo no conhecimento sobre modelos atômicos: O modelo atômico de Dalton propôs que a matéria é constituída de minúsculas partículas empilhadas, por exemplo, como um amontoado de laranjas. Em que o átomo é uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível, indivisível e sem carga,e que todos os átomos de mesmo elemento, eram considerados por ele, como idênticos. Este modelo recebeu o nome de modelo atômico da bola de bilhar. Já Thomson, experimentalmente, provou que o átomo possui carga positiva e negativa, através de uma ampola de Crookes, em que raios catódicos poderiam ser interpretados como sendo um feixe de partículas negativas. Assim concluiu que, estas partículas negativas faziam parte de qualquer átomo e recebeu o nome de elétron. O modelo atômico de Thomson propôs que o átomo fosse um fluido com carga positiva de formato quase esférico, no qual os elétrons estavam dispersos. Posteriormente, em 1911 Rutherford realizou o experimento da folha de ouro, em que uma folha de ouro muito fina foi bombardea- da por partículas alfa (partículas positivas), grande parte das partículas atravessou a folha em trajetórias retilíneas, porém outras sofriam desvio. Desta forma, Rutherford concluiu que o átomo é formado por espaços vazios (onde as partículas alfa atravessaram) e por um núcleo central (onde as partículas foram desviadas). Portanto, o átomo é formado por um núcleo muito pequeno, com carga positiva e ao redor do núcleo orbitam os elétrons, como no sistema planetário, porém os elétrons ao longo do tempo perderia energia e espiralaria e cairia no núcleo. Veja o esquema do experimento: Em 1924 de Broglie introduziu o conceito de ondas de matéria, pois para que o elétron ocupe apenas níveis discretos de energia é necessário que se comporte como onda. Assim, o átomo pode se comportar como onda e partícula. Já Schrödinger formulou uma equação que descreve como as ondas ma- teriais mudam sob a influência de forças externas. Esta equação represen- ta as possibilidades do que pode acontecer a determinado sistema. Fonte: Silva et al. (2008). Visite o site: http://www.cienciamao.if.usp.br. Fonte: aparicio@iqm.unicamp.br () QG107 - 1s/2009. Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 17 Rutherford, através de seus experimentos, sugeriu que um átomo teria um diâmetro da or- dem de grandeza de 10-8 cm. A eletrosfera é cerca de 10 a 100 mil vezes maior que o núcleo. Para ima- ginarmos melhor a diferença de tamanho entre a eletrosfera e o núcleo atômico, pense que, se o nú- cleo for do tamanho de uma bola de futebol, a ele- trosfera desse átomo seria do tamanho do estádio inteiro do Maracanã. Hoje, entendemos a lógica dessa diferença de tamanho, pois, se na eletrosfera temos apenas elétrons (com carga negativa), eles sofrem intensa repulsão entre eles, de forma a se espalharem. Já no núcleo, apesar de termos os prótons (carga po- sitiva), que também sofrem repulsão mútua, existe o nêutron (sem carga elétrica) para equilibrar a re- pulsão entre um próton e outro. ESTRUTURA ATÔMICA3 3.1 Dimensões do Átomo 3.2 Partículas Subatômicas Os átomos não são bolinhas maciças como a hipótese de Dalton. Eles possuem em seu interior outras partículas menores e as três mais significati- vas para o nosso estudo são os PRÓTONS, os NÊU- TRONS e os ELÉTRONS. Partícula Massa (g) Carga Coulomb Unidade de Carga Elétrons 9,10939.10-28 -1,6.10-19 -1 Prótons 1,67262.10-24 +1,6.10-19 +1 Nêutrons 1,67493.10-24 Zero 0 Perceba que a massa do Próton e do Nêutron são praticamente iguais e que a massa do elétron é muito menor do que a do próton ou nêutron (ob- serve a potência). Dessa forma, quando queremos nos referir à massa atômica, deveremos levar em consideraçãoapenas a massa do próton e do nêu- tron e desprezar a massa do elétron. Não que ele não tenha massa, mas é insignificante comparada com a das outras duas partículas. É como se qui- séssemos pesar dois elefantes em uma balança e depois colocássemos uma formiguinha junto para pesar. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 18 Então, definimos Massa Atômica (A) como a soma das massas dos Prótons (P) e Nêutrons (N). A= P+N Também é necessário definir um número de identificação do átomo, já que temos uma quanti- dade grande de átomos diferentes. Dessa necessi- dade, foi preciso pensar em uma partícula estável (permanece no átomo) e foi escolhido o Próton, já que possui carga observável (o nêutron não possui carga elétrica) e está no núcleo atômico. O elétron, por estar na camada externa do átomo (eletrosfe- ra), entra e sai do átomo com grande facilidade. Então, definimos o Número Atômico (Z) como o número de identificação do átomo, que corresponde ao número de Prótons do seu núcleo. Z = P Para representarmos um átomo, iremos usar a convenção: A Símbolo Z Sendo o Símbolo a primeira letra do nome do elemento (latim) maiúscula e, se houver uma segunda letra, será minúscula. A= Z+N Z= P 3.3 Isótopos Verificamos que, no núcleo do átomo, temos os prótons e nêutrons e que suas massas são prati- camente iguais. Hoje, entendemos que o nêutron é responsável por equilibrar a repulsão elétrica existente entre um próton e outro. Graças à exis- tência do nêutron, o núcleo atômico é muito mais compacto que a eletrosfera do átomo. Entretanto, a quantidade de nêutron em um átomo pode variar. Ela poderá ser igual ou, às ve- zes, maior que a quantidade de prótons no núcleo. Dessa forma, como a massa atômica (A) é dada pela soma de prótons e nêutrons, então teremos átomos do mesmo elemento químico (mesmo Z), porém com massas diferentes. A esse fenômeno damos o nome ISÓTOPOS. Na natureza, existem isótopos de quase to- dos os elementos químicos e os cientistas conse- guem fabricar em laboratório isótopos para serem usados para fins tecnológicos diversos (desde a ge- ração de energia até medicamentos e instrumen- tos médicos). Como exemplo, poderíamos citar o hidrogê- nio que existe na natureza em três formas isotópi- cas: 1 1H 2 1H 3 1H Hidrogênio comum Deutério (apelido) Trítio (apelido) Existe cerca de 76% Existe cerca de 21% Existe +/- 3% 1 Próton 1 Próton 1 Próton 1 Elétron 1 Elétron 1 Elétron 0 Nêutron 1 Nêutron 2 Nêutrons Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 19 Verificamos, portanto, que o átomo é forma- do basicamente pelo núcleo, contendo prótons e nêutrons, e a eletrosfera, contendo os elétrons. Lembrando-nos da natureza dessas partículas, o elétron, por ter uma massa muito pequena, tem um comportamento dual (onda/partícula) já demons- trado por Bohr e, no seu movimento randômico (indeterminado), ele por vezes escapa do átomo. Se em um átomo (que tem sempre neutralidade elétrica), temos a mesma quantidade de prótons (+) e elétrons (-), por isso a neutralidade atômica, quando um elétron escapa do átomo, este ficará com um número de prótons maior; dessa forma, não poderemos mais chamá-lo de átomo, pois ele já não está mais neutralizado. Denominamos Íons os átomos que já não es- tão neutros, ou seja, que perderam ou ganharam elétrons. Existem dois tipos de Íons: Cátions: Íon Positivo (+). O átomo PER- DEU ELÉTRONS, portanto a quantidade de prótons (+) está maior que a de elé- trons (-); Ânions: Íon Negativo (-). O átomo GA- NHOU ELÉTRONS, portanto a quantida- de de prótons (+) está menor que a de elétrons (-). A representação gráfica para íons será: A carga Símbolo Z 3.4 Átomos e Íons Através dos experimentos de Bohr, verificou- se que os elétrons “vibram” em várias camadas e subcamadas, mas cada uma delas possui uma quantidade bem definida de energia (quantum). Observou-se a distribuição dos elétrons nas camadas quando, no experimento, se forneceu um quantum a mais de energia para o elétron; este, portanto, com mais energia tende a se afastar do núcleo (que é positivo e o atrai fortemente), mas, ao ser promovido, como ele nunca para de se movimentar, acaba por perder o quantum de energia extra que lhe foi fornecido; nesse instante, ele retorna à sua camada de origem e emite um fóton (LUZ) característico da energia da camada. Existem elétrons “vibrando” em todos os comprimentos de ondas, mas a estrutura atômica se baseou nas 7 cores do espectro da LUZ VISÍVEL. Assim, a seguir, iremos mostrar como é a dis- tribuição dos elétrons nas 7 camadas ou níveis de energia: 3.5 Distribuição Eletrônica Núcleo Camada K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 Nível Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 20 Denominou-se a primeira camada de K, pois ela está próxima ao núcleo atômico (K de Kern, que é núcleo em Alemão). As camadas ou níveis de energia são forma- dos de subcamadas ou subníveis de energia, de- signados pelas letras s, p, d, f, g, h, i. AtençãoAtenção O átomo está estruturado em um núcleo, em que existem Prótons (+) e Nêutrons (0), e uma coroa ou eletrosfera, em que os Elétrons (-) estão organizados em níveis e subníveis quantizados de energia. Subníveis conhecidos em cada nível de energia: Subnível 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g 6h 7s 7p 7d 7f 7g 7h 7i Nível 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q Subníveis em ordem crescente de energia (Aufbau): A ordem crescente de energia dos elétrons nesses subníveis nem sempre segue uma ordem geométrica (camadas), pois, assim como, quando olhamos para um arco-íris, não conseguimos defi- nir bem aonde termina o amarelo e começa o ver- de, por exemplo (existe uma sobreposição ener- gética no limite das cores), nos subníveis a ordem crescente de energia foi mensurada e segue um diagrama em diagonais, que chamamos Regra de Aufbau. No esquema do diagrama a seguir, já adi- cionamos no índice de cada subnível a quantidade máxima de elétrons que pode conter (essa quanti- dade foi descrita por Ridberg) e a ordem crescente de energia se dá pelas linhas diagonais ao diagra- ma, como você verá a seguir. Diagrama de Aufbau Os elétrons estão distribuídos, portanto, em níveis, subníveis e, de forma mais reduzida, em or- bitais. K 1s 2 L 2s 2 2p 6 M 3s 2 3p 6 3d 10 N 4s 2 4p6 4d 10 4f 14 O 5s 2 5p 6 5d10 5f 14 5g 18 P 6s 2 6p6 6d 10 6f 14 6g 18 6h 22 Q 7s 2 7p6 7d 10 7f 14 7g 18 7h 22 7i 26 DicionárioDicionário Orbital: é uma região do espaço de máxima probabilidade de se encontrar o elétron. Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 21 Como podemos imaginar os elétrons (lem- bre-se de que eles todos têm carga negativa) “ha- bitando” espaços reduzidos como os orbitais? Do ponto de vista elétrico, isso é difícil, pois cargas de mesmo sinal se repelem; entretanto, lembre-se de que os elétrons possuem movimento randômico e, entre esses movimentos indetermi- nados, temos dois tipos que podemser antagôni- cos entre si: Movimento de rotação no Sentido Horá- rio; Movimento de rotação no Sentido Anti- -horário. A esses movimentos damos o nome de SPIN. Graças ao SPIN, dois elétrons podem se “atrair magneticamente”, como ocorre com os polos opos- tos de um imã, e, dessa forma, poderá existir em um orbital no máximo 2 elétrons (spins opostos). Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e a região. O número quântico principal (n) indica o nível de energia na camada. Varia de n = 1 a n = 7, respectivamente, no 1º, 2º, 3º... nível de energia. O número máximo de elétrons em cada nível é dado pela equação de Ridberg: x= 2n2. O número quântico secundário ou azimu- tal (l) indica a energia do elétron no subnível. O número quântico de Spin (s) indica o mo- mento magnético do elétron e pode ser represen- tado por + ½ ou - ½, por convenção. A seguir, você irá encontrar o espectro ele- tromagnético, para observar que essas 7 camadas eletrônicas que estudamos são aquelas que os elé- trons nos “apresentaram” dentro do comprimento de onda da luz visível. Lembre-se de que existem elétrons vibrando em outros comprimentos de ondas, como, por exemplo, no infravermelho e no ultravioleta, e já existem aparelhos capazes de “ob- servar” isso em análise espectrofotométrica. DicionárioDicionário SPIN: é o movimento de rotação de um elétron que cria ao seu redor um campo magnético. Esquema de espectro eletromagnético Fonte: http://www.arq.ufsc.br/labcon/arq5656/Curso_Iluminacao/07_cores/luz_01.htm. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 22 No capítulo 3, você observou que a estrutura atômica que estudamos atualmente está baseada nas informações que os cientistas conseguiram a partir do espectro eletromagnético e de difração de raios X. Portanto, os elétrons (carga negativa) vibram na eletrosfera em 7 camadas, que correspondem ao espec- tro da luz visível (K, L, M, N, O, P, Q), e em subníveis correspondentes ao número da camada (equação de Ridberg – s, p, d, f, g, h, i). Em um Orbital, podem haver, no máximo, dois elétrons, sendo estes de SPINS (movimento de rotação de um elétron) OPOSTOS e os elétrons desemparelhados em um orbital poderão participar de ligações químicas. A ordem crescente de energia dos subníveis é dada pelo diagrama de Aufbau. 3.6 Resumo do Capítulo 3.7 Atividades Propostas 1. O que são modelos atômicos? 2. Quais são as partículas estáveis constituintes dos átomos e como elas estão distribuídas? 3. Determine os números de prótons, elétrons, nêutrons, atômico e de massa das espécies quí- micas a seguir: 207 32 64 a) 82 Pb 4+ b) 16 S 2- c) 29Cu 4. Faça a distribuição eletrônica das espécies, seguindo sempre o diagrama de Aufbau. 39 36 36 19K 16S 16S 2- 5. Determine os números de prótons, elétrons, nêutrons, atômico e de massa das espécies quí- micas a seguir: 137 31 223 a) 56 Ba 2+ b) 15 P 3- c) 87Fr 6. Analise a tabela: Quais espécies são neutras? ESPÉCIE NÊUTRONS PRÓTONS ELÉTRONS X 20 17 17 Y 17 17 18 Z 78 79 78 W 18 18 18 Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 23 7. A distribuição eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 pode pertencer a: a) 19F b) 39K+1 c) 19F- d) 39K e) 40Ca+2 9 19 9 19 20 8. Qual será a distribuição eletrônica do átomo de 27Al: 13 a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 5s1 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 d) 1s2 2s2 2p6 3p3 e) 1s2 2s2 2p6 3s3 9. Qual a distribuição eletrônica de um elemento de Z=20? 10. Qual será a distribuição eletrônica do cátion Ferro +3, cujo número atômico é 26? Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 25 Após inúmeras tentativas dos cientistas do mundo inteiro de compilar de forma lógica e orga- nizada os elementos químicos, em 1869, o cientista russo Mendeleev conseguiu organizar pela primei- ra vez a tabela periódica que utilizamos atualmen- te. Na época, Mendeleev conhecia apenas 70 ele- mentos e, mesmo assim, a sua organização foi tão eficiente que conseguiu prever a descoberta dos outros elementos existentes na natureza e deixou lugar marcado para eles na tabela. Hoje, a tabela periódica conta com 118 elementos e, destes, 88 são naturais, sendo o restante fabricado pelo ser humano em laboratório, alguns com uma existên- cia tão curta que mal deu para estudá-los ou dar nome a eles. A seguir, um exemplo de tabela: CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES PERIÓDICAS4 4.1 Tabela Periódica Fonte: http://grandeabobora.com/a-tabela-periodica-em-video.html. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 26 A atual tabela periódica dos elementos é di- vidida em grupos e períodos. Cada coluna vertical é denominada grupo ou família e cada fila horizon- tal é denominada período. Os grupos são divididos em A e B. Os grupos A são enumerados de IA até VIIA, mais o grupo 0 (zero). Os elementos desses grupos são conhecidos como elementos repre- sentativos, cujo subnível de maior energia de seus átomos é s ou p. Os grupos B são enumerados de IB até VIIIB. Os elementos desses grupos são chama- dos elementos de transição e o subnível de maior energia de seus átomos é d. A International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC – União Internacional de Química Pura e Aplicada), que é uma organização internacional que regulamenta a nomenclatura de todos os compostos, no entan- to, recomenda atualmente a numeração dos gru- pos em algarismos arábicos de 1 a 18, da esquerda para a direita. Os períodos (linhas horizontais) são enumerados de 1 a 7 e as duas fileiras localizadas à parte da tabela são os elementos actinoides e lan- tanoides, que constituem os elementos de transi- ção interna, cujo subnível mais energético de seus átomos é f. O período em que um elemento está localizado indica o número de camadas eletrôni- cas do elemento. Assim, por exemplo, o fósforo (P – Phosphorum) está localizado no 3o período, logo, tem 3 camadas ou níveis de energia. Nas famílias A (representativos) e nos grupos IB e IIB, o número da coluna indica o número de elétrons da cama- da de valência do elemento. Assim, o oxigênio, por exemplo, que está no grupo 6A, apresenta 6 elé- trons na última camada. Alguns grupos de elementos representati- vos muito comuns recebem nomes especiais, tais como: Grupo IA: Metais Alcalinos; Grupo IIA: Metais Alcalinos Terrosos; Grupo VIA: Calcogênios; Grupo VIIA: Halogênios; Grupo 0 ou 18: Gases Nobres. AtençãoAtenção Número do período (linha horizontal) = Número de camadas eletrônicas. Grupo A (elementos representativos) – o número do grupo = Número de elétrons na última camada. Na tabela periódica, os átomos são orga- nizados na ordem crescente de seus números atômicos. A periodicidade nas propriedades dos elementos é resultado da periodicidade nas con-figurações eletrônicas de seus átomos. Pode-se dizer que cada período é iniciado pela adição de um elétron a uma nova camada, mais externa, de- nominada camada de valência. Os elétrons da camada de valência são responsáveis pela maneira de os átomos se combinarem entre si. Quando oito elétrons estão presentes na camada de valência, sua configuração é ns2 np6 (lembre-se de que n = número quântico principal e mostra a camada) e o elemento é um gás nobre. Esta é uma configura- ção estável e os gases nobres têm pouca tendência a reagir. A configuração ns2 np6 é chamada octeto, porque consiste em um total de oito elétrons, e a generalização dessa configuração de estabilidade é conhecida como regra do octeto. Muitos elemen- tos adquirem estabilidade através do octeto. 4.2 As Configurações Eletrônicas Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 27 O raio de um átomo nos informa o seu “tama- nho”, isto é, o volume atômico, e não é uma coisa fácil de ser calculada, não por dificuldades devido às técnicas experimentais, mas devido à interpre- tação dos resultados. Por exemplo, na molécula de H2, o raio covalente (distância entre os núcleos de dois átomos ligados) é 0,074 nm (0,034 nm por átomo). No diamante, a distância de ligação entre dois átomos de carbono é 0,154 nm (0,077 nm por átomo). No entanto, na molécula de CH4, a distân- cia entre um átomo de carbono e um átomo de hi- drogênio, que supostamente seria dada por 0,034 nm + 0,077 nm, ou seja, 0,114 nm, é 0,110 nm. Os métodos empregados são bem precisos e a discre- pância de 0,004 nm não pode ser desprezada. Isso nos mostra que o raio efetivo do átomo não é cons- tante, já que os elétrons sempre se movimentam e interagem a cada átomo vizinho. A contribuição de cada átomo na distância de ligação total depende da natureza da ligação, que, por sua vez, depende, em parte, das propriedades dos átomos. Apesar das dificuldades, é possível reunir um conjunto de dados de raios atômicos aproximados obtidos de medidas de distâncias interatômicas. Os resultados demonstram uma variação periódica dos raios atômicos em função do número atômi- co. O raio atômico decresce ao longo do período e abaixo dos grupos. Isso se deve ao fato de que, ao longo de um período, o número atômico au- menta, isto é, o núcleo contém mais prótons, o que aumenta a carga nuclear. Isso provoca um aumen- to na força de atração exercida sobre os elétrons, aproximando-os do núcleo. Como resultado, o raio atômico diminui. É interessante notar que, na série dos ele- mentos de transição, o decréscimo do raio atômico é discreto em relação à dos representativos. A es- trutura de configuração eletrônica dos elementos de transição é caracterizada pelo aumento gradual de elétrons na penúltima camada e não na cama- da de valência. Uma vez que os elétrons são colo- cados entre o núcleo e a camada de valência, eles protegem parcialmente os elétrons da camada de valência da força de atração exercida pelo núcleo. Esse efeito, chamado efeito de blindagem, reduz a carga nuclear efetiva, mantendo os elétrons de valência do átomo. Portanto, o raio atômico ao longo das séries dos elementos de transição não decresce tão rapidamente como na dos represen- tativos. No final da série dos elementos de transição, a subcamada (n -1)d se aproxima de sua popula- ção máxima, 10 elétrons, aumentando o efeito de blindagem; consequentemente, as repulsões in- tereletrônicas entre a camada (n -1)d e a camada de valência compensam quase completamente o aumento na carga nuclear, acarretando um menor aumento no tamanho do raio, principalmente nas séries dos elementos de transição interna, em que a subcamada (n -2)f, que é preenchida ao longo do período, comporta um grande número de elétrons (14, no máximo). Num mesmo grupo, o raio atômi- co aumenta e, nos elementos representativos, esse aumento é bastante pronunciado. A carga nuclear é crescente no grupo e o núcleo tende a atrair mais fortemente os elétrons, porém o número de cama- das eletrônicas também é crescente. Portanto, as repulsões intereletrônicas compensam essa atra- ção nuclear, aumentando o raio atômico. 4.3 O Raio Atômico AtençãoAtenção O Raio Atômico aumenta nos grupos de cima para baixo, já que, dessa forma, au- menta o número de camadas eletrônicas, e, nos períodos, da direita para esquerda, pois está no sentido contrário ao aumen- to do Z (carga de prótons no núcleo). Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 28 Um caso interessante que devemos perceber em relação ao raio de um átomo é a alteração no tamanho deste quando o átomo se transforma em um íon. O raio de um íon é chamado raio iônico. Quando comparamos um átomo neutro com seu íon, a carga efetiva do núcleo sobre os elétrons per- manece constante, pois o número atômico não se altera, porém, como o número de elétrons em um íon é sempre diferente do número de elétrons do átomo neutro, ocorrerá uma diferença no raio atô- mico decorrente dessa situação. Por exemplo, um átomo de sódio, cuja configuração é 1s2 2s2 2p6 3s1, quando perde seu elétron 3s1, logicamente, perde também a terceira camada inteira, o que leva à re- dução do raio. Além disso, o menor número de elé- trons facilita a atração nuclear sobre a nuvem ele- trônica restante, contribuindo para a redução do raio. Podemos generalizar que um cátion é sempre menor do que o átomo neutro que o originou. Por outro lado, o cloro, por exemplo, cuja configuração é 1s2 2s2 2p5, quando recebe um elétron, aumenta seu número de elétrons e, con- sequentemente, as repulsões intereletrônicas na sua camada 2p. Isso contribui para uma expansão da nuvem eletrônica, que aumenta o raio iônico. Portanto, um ânion é sempre maior do que o áto- mo neutro que o originou. É importante ressaltar que só se devem fazer comparações entre espécies isoeletrônicas (que possuem o mesmo número de elétrons) ou entre um íon e seu átomo neutro cor- respondente. Outras comparações não teriam sen- tido. 4.4 O Raio Iônico AtençãoAtenção O átomo neutro é sempre maior que seu cátion. O átomo neutro é sempre menor que seu ânion. Além do raio atômico e do raio iônico, po- demos ainda falar em raio covalente e raio de Van der Waals. O raio atômico corresponde ao raio do átomo em seu estado neutro, ou seja, sem se com- binar; o raio iônico corresponde ao raio de um íon, ou seja, do átomo que ganha ou perde elétrons; e o raio covalente corresponde ao raio de um átomo que forma uma ligação covalente. O raio covalente é menor que o raio iônico, devido ao fato de o áto- mo não receber elétrons, mas compartilhar, fazendo com que a expansão da nuvem eletrônica seja me- nos intensa, já que o elétron não pertence somen- te a um átomo. Para exemplificar o conceito de raio de Van der Waals, vamos imaginar uma substância diatô- mica no estado sólido. Nesse estado, as moléculas “encostam-se” umas às outras. Podemos esquema- tizar as moléculas desenhando átomos com raios aparentes. Então, dá a impressão de que uma mo- lécula está distanciada uma da outra. Veja que o raio de Van der Waals, portanto, corresponde à metade da distância entre os nú- cleos de dois átomos da substância (rA; rB) que se encostam e pertencem a moléculas diferentes. Trata- -se de uma distância intermolecular. 4.5 Raio Covalente e Raio de Van der Waals Fonte: http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/ estructura-enlaces. Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 29 Quando um átomo isolado, em seu estado fundamental, absorve energia, o elétron pode se transferir de um nível energético quantizado para outro (vimos isso no capítulo 2). Se a energia for- necida for suficiente, o elétron pode ser“arranca- do” do átomo, originando um íon positivo (cátion). O elétron mais facilmente removível é aquele que possui maior energia (último a ser distribuído) e está menos atraído pelo núcleo. A energia de io- nização é a energia mínima necessária para remo- ver um elétron de um átomo isolado, no seu esta- do fundamental. Uma vez que um átomo isolado está livre da influência de átomos vizinhos, o termo implica um átomo no estado gasoso. No caso de íons com mais de um elétron removível, dizemos que a energia necessária para remover o primeiro elétron é a primeira energia de ionização. Para o se- gundo elétron, a segunda energia de ionização (que será sempre maior que a anterior) e assim por dian- te. A energia de ionização geralmente é dada em kJ/mol (quilojoules por mol). A energia de ionização também é uma pro- priedade periódica e varia com o número atômico. Em geral, quanto maior a carga nuclear do elemen- to, maior a atração dos elétrons pelo núcleo e mais difícil é a sua ionização. Portanto, a energia de ioni- zação tende a aumentar através do período. 4.6 A Energia de Ionização 4.7 A Afinidade Eletrônica 4.8 A Eletronogatividade Um átomo pode receber um elétron, tor- nando-se um íon negativo (ânion). Esse processo é normalmente acompanhado por uma liberação de energia e tal energia mede a intensidade que o átomo atrai o seu elétron. A afinidade eletrôni- ca de um átomo é definida como a quantidade de energia envolvida no processo em que um átomo isolado gasoso, no seu estado fundamental, recebe um elétron, formando um ânion. Como a energia é liberada, a quantidade de energia para o processo é negativa. Portanto, quanto mais negativo for o valor da afinidade eletrônica, maior é a tendência de o átomo receber o elétron. As afinidades ele- trônicas, em geral, têm valores menos negativos ao longo de um grupo (descendo), porque a camada de valência está progressivamente mais distante do núcleo e a blindagem da camada interna com- pensa o aumento da carga nuclear. Como a ener- gia de ionização, a afinidade eletrônica também é expressa em kJ/mol. Se você estava preocupado(a) com a com- plexidade dos conceitos anteriores, fique calmo(a). Para a Engenharia, a propriedade periódica mais relevante é a Eletronegatividade; as anteriores apenas “semeiam o seu terreno intelectual” para a eletronegatividade. OK! Respire fundo e vamos lá... Numa ligação covalente, o par eletrônico é compartilhado entre dois átomos. Isso significa que o par é atraído simultaneamente para o nú- cleo de ambos os átomos, resultando numa com- petição pelos elétrons. Essa atração é medida por uma grandeza chamada eletronegatividade, que é definida como a tendência relativa de um átomo Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 30 em atrair o par de elétrons da ligação. A eletronega- tividade tende a crescer da esquerda para a direita através de um período na tabela periódica, devido ao aumento da carga nuclear. Essa tendência é ge- ralmente uniforme entre os elementos represen- tativos. A eletronegatividade decresce à medida que a camada de valência se torna mais afastada do núcleo e à medida que o efeito de blindagem compensa amplamente o aumento da carga nu- clear. Assim, os elementos com maior eletronega- tividade são os ametais à direita, particularmente os da parte superior direita da tabela periódica. Os elementos com as mais baixas eletronegatividades são os metais, particularmente os que se encon- tram na parte inferior esquerda da tabela periódi- ca. Para facilitar o seu aprendizado, importante será a observação espacial de como variam essas propriedades ao longo da tabela periódica. Veja a seguir um esquema da variação das propriedades periódicas citadas: No capítulo 4, você percebeu a lógica com que Mendeleev estruturou a tabela periódica. As linhas horizontais (períodos) equivalem ao número de camadas eletrônicas que o átomo possui e as linhas verticais (grupos ou famílias) representam a configuração da última camada eletrônica dos elementos (grupo A ou representativo) e dizem respeito ao tipo de ligação que se espera desses átomos. Quanto às propriedades periódicas, o tamanho atômico diz respeito à carga nuclear e ao número de camadas eletrônicas e a afinidade eletrônica, potencial de ionização e eletronegatividade são proprie- dades que se “movimentam” na tabela, ao contrário do tamanho atômico. É importante notar que a eletronegatividade (capacidade do átomo de atrair elétrons para si quan- do combinado) é imprescindível para o estudo das ligações químicas. Fonte: http://reocities.com/Vienna/Choir/9201/periodicidade_quimica.htm. 4.9 Resumo do Capítulo Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 31 1. As sucessivas energias de ionização do nitrogênio estão representadas no gráfico. a) EXPLIQUE a variação observada nos valores de energia de ionização entre o primeiro e o quinto elétron. b) EXPLIQUE por que o valor da energia de ionização do sexto elétron é muito maior do que a do quinto. Dados: N (Z = 7). 2. Julgue e comente as afirmações a seguir: I. Quanto menor o raio do íon, maior será sua quantidade de elétrons quando comparado com seu átomo. II. O potencial de ionização aumenta à medida que o raio atômico aumenta em uma família. III. A afinidade eletrônica será maior quando o raio atômico diminuir. 3. Analise as colunas a seguir e estabeleça a correta associação entre elas, de acordo com a clas- sificação periódica. I. K a) Halogênio II. Ba b) Alcalino III. He c) Alcalino terroso IV. S d) Calcogênio V. Br e) Gás nobre 4. Na classificação periódica, a energia de ionização dos elementos aumenta: a) das extremidades para o centro, nos períodos. b) das extremidades para o centro, nas famílias. c) da direita para a esquerda, nos períodos. d) de cima para baixo, nas famílias. e) de baixo para cima, nas famílias. 4.10 Atividades Propostas Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 33 Como observamos nos capítulos anterio- res, as configurações eletrônicas nos demonstram muitas propriedades dos átomos, por isso elas fo- ram decisivas na organização da tabela periódica. Na tabela, você observou que os grupos 4, 5, 6 e 7A (elementos representativos) configuram-se em elementos ditos Ametais e o grupo 8A ou 18 é um grupo de Ametais chamados Gases Nobres. Pois bem, esse nome (Nobres) foi dado pois esse grupo de elementos não se combina na natureza. O fato de não se combinarem denota estabi- lidade energética. Dessa forma, os outros elemen- tos da tabela se combinam entre si para adquiri- rem a estabilidade energética que os Gases Nobres têm naturalmente. Observe também que a maioria dos elemen- tos da tabela é considerada Metais (todos os gru- pos à esquerda até o 3A) e o que caracteriza um Metal é o fato de eles terem 1, 2 ou 3 elétrons na última camada (camada de valência), possuírem baixa afinidade eletrônica e, portanto, grande ten- dência de perder elétrons e se transformarem em cátions. Dessa forma, estudaremos a seguir as liga- ções que esses elementos fazem para adquirir es- tabilidade. LIGAÇÕES QUÍMICAS5 Ocorre entre Metal (baixa eletronegativida- de) e Ametal (alta eletronegatividade). Os compostos caracterizam-se por serem sempre sólidos na temperatura ambiente, por te- rem altos PE e PF e, quando dissolvidos em água ou fundidos, serem transmissores de corrente elé- trica. Exemplificamos com o cloreto de sódio (sal de cozinha): Na Cl O Na perderá um elétron e o Cl receberá um elétron, portanto haverá a formação dos íons Na+ e Cl_. Na+ Cl- Fonte: http://www.poli.usp.br/d/pqi21102.pdf. Note que, ao se formaremos íons, ocorre uma atração eletrostática intensa, por isso com- postos iônicos são sempre sólidos na temperatura ambiente e formam conglomerados de cátions e ânions que chamamos “cristal iônico”, como exem- plificado na figura a seguir: 5.1 Ligação Iônica Fonte: http://www.poli.usp.br/d/pqi21102.pdf. Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 34 Nas ligações iônicas, iremos observar dois tipos de fórmulas, a Fórmula de Lewis, que nos mostra a última camada eletrônica, e a Fórmula do Composto, que nos dá a proporção da combina- ção entre os elementos: NaCl Fórmula de Lewis Fórmula do Composto Mas repare que não importa a fórmula nem o tipo de ligação, a regra será sempre a mesma, ou seja, o elemento mais eletronegativo irá ao lado di- reito da fórmula. Fonte: http://www.poli.usp.br/d/pqi21102.pdf. A ligação covalente ocorre entre um ametal e outro ametal ou entre ametal e Hidrogênio (já que este, apesar de ter um elétron na camada, não é metal). Caracteriza-se por ter um compartilhamen- to de elétrons em nível orbital (lembre-se de que podem existir no máximo 2 elétrons em cada orbi- tal, sendo estes de SPINS opostos). Os compostos covalentes são característicos por terem baixos PE e PF, podem existir na natureza nos três estados fí- sicos (sólido, líquido ou gasoso) e não são condu- tores de eletricidade em nenhum estado físico. Na ligação covalente, já temos mais um tipo de formulação, que é a fórmula estrutural. Na fórmula estrutural, cada par de elétrons compartilhado será representado por um traço simples (–), que chamamos de ligação sigma; se houver mais um compartilhamento, será em um orbital paralelo ao primeiro e iremos representar por um traço duplo (=) que chamaremos ligação pi. 5.2 Ligação Covalente Fonte: http://www.profpc.com.br/hibrida%C3%A7%C3%A3o.htm. AtençãoAtenção Fórmulas Químicas Elemento MENOS ELEMENTO MAIS ELETRONEGATIVO ELETRONEGATIVO Esquema de Formulação Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 35 A fórmula do composto, no caso de compos- tos covalentes, também pode ser chamada fór- mula molecular, mas a regra de formulação será a mesma do item anterior, ou seja, quando combinar elementos diferentes, aquele mais eletronegativo virá à direita da fórmula. Veja alguns exemplos: As ligações covalentes comuns são efetua- das de maneira que cada átomo contribua com um elétron do par compartilhado. No entanto, quando um átomo não pode mais efetuar ligações covalentes por já ter atingido o seu octeto, pode, se ainda houver pares disponíveis, efetuar ligações covalentes coordenadas ou dativas, em que o par eletrônico é cedido por apenas um dos átomos da ligação. Essa ligação é feita para completar o oc- teto do átomo que ainda precisa se estabilizar e costuma-se representá-la por uma seta, partindo do átomo que cede o par eletrônico para o átomo que o recebe. Entretanto, é importante deixar claro que uma ligação covalente coordenada não é dife- rente de uma ligação covalente comum. “Comum” e “coordenada” são apenas termos convenientes para indicar a origem dos elétrons do par compar- tilhado. Fonte: http://www.profpc.com.br/hibrida%C3%A7%C3%A3o.htm. Fonte: http://www.profpc.com.br/hibrida%C3%A7%C3%A3o.htm. 5.3 Ligação Metálica O corre entre metais (aqueles que possuem 1, 2 ou 3 elétrons na última camada) e não possui fórmula estrutural, nem de Lewis, uma vez que seus compostos são representados pelo símbolo do próprio elemento metálico com índice zero, que indica a ligação entre vários átomos do mes- mo metal, salvo quando temos ligas metálicas (combinação de metais diferentes), que represen- taremos com o nome liga e o símbolo dos elemen- tos constituintes. Os compostos metálicos são sempre sólidos (com exceção do mercúrio, que é líquido) na tem- peratura ambiente, assim como os compostos iô- nicos; entretanto, os metais conduzem a corrente elétrica no estado sólido (o que não acontece com compostos iônicos), já que possuem elétrons livres em sua constituição. Esses elétrons são provenien- tes da ligação entre elementos de baixa eletrone- gatividade, então, ao se combinarem, criam um fluxo de elétrons fracamente ligados ao material. Os compostos metálicos também possuem altos PE e PF. Veja a figura de um composto metálico: Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 36 Neste capítulo, você observou que as ligações químicas ocorrem por uma tendência natural dos átomos de estabilizarem os seus conteúdos energéticos. Os elementos metálicos (aqueles localizados no lado esquerdo da tabela periódica e que têm 1, 2 ou 3 elétrons na camada de valência) têm tendência de perder os elétrons periféricos e os Ametais e o Hidrogênio têm tendência a ganhar elétrons em suas camadas mais externas. Dessa forma, a ligação iônica ocorre entre metais e ametais, formando, assim, compostos com cá- tions (átomo que perdeu elétron) e ânions (átomos que ganharam elétrons). A Ligação covalente ocorrerá entre Ametais e Ametais e entre Hidrogênios e será um compartilha- mento de elétrons entre os átomos. Já a ligação metálica ocorrerá entre metais e tem como característica possuir um “mar de elétrons” livres, o que faz com que os compostos metálicos possam transmitir a cor- rente elétrica. Fonte: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/ fichaTecnicaAula.html?aula=18645. AtençãoAtenção Ligação Iônica: Metal e Ametal; Ligação Covalente: Ametal e Ametal; Ligação Metálica: Metal e Metal. Saiba maisSaiba mais A água é formada pela reação entre dois gases oxigênio (O2), ligação covalente, e hidrogênio (H2), também ligação co- valente. Por que a água (H2O), também ligação covalente, não é gasosa na tem- peratura ambiente, como o H2 e o O2? Porque a ligação molecular entre o oxi- gênio e o hidrogênio é muito forte. Am- bos os gases têm capacidades diferentes para atrair elétrons. O oxigênio atrai um número maior dessas partículas e fica com carga negativa, enquanto o hidro- gênio cede elétrons e fica com carga po- sitiva. Como cargas opostas se atraem, as moléculas se unem, formando o líquido. A passagem do estado gasoso para o lí- quido ocorre porque o estado físico de qualquer substância depende da força de atração entre suas moléculas. Essa força é fraca para substâncias simples, ou seja, formadas por átomos do mes- mo elemento. Como a água é formada por dois elementos diferentes, a força aumenta. 5.4 Resumo do Capítulo Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 37 1. Linus Pauling, falecido em 1994, recebeu o prêmio Nobel de Química em 1954, por seu tra- balho sobre a natureza das ligações químicas. Através dos valores das eletronegatividades dos elementos químicos, calculados por Pauling, é possível prever se uma ligação terá caráter covalente ou iônico. Com base nos conceitos de eletronegatividade e de ligação química, pede-se: a) Identificar dois grupos de elemento da Tabela Periódica que apresentem, respectivamente, as maiores e as menores eletronegatividades; b) Que tipo de ligação apresentará uma substância binária, formada por um elemento de cada um dos dois grupos identificados? 2. Observe as seguintes fórmulas eletrônicas (fórmula de Lewis): Consulte a Classificação Periódica dos Elementos e escreva as fórmulas eletrônicas das molé- culas formadas pelos seguintes elementos: a) fósforo e hidrogênio; b) enxofre e hidrogênio; c) flúor e carbono. 3. Um determinado elemento A apresenta a seguinte distribuição eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Pergunta-se: que tipo de ligação químicao elemento A faz com outro elemento (B) que possui número atômico igual a 35? Justifique sua resposta. 5.5 Atividades Propostas Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 38 4. As substâncias X, Y e Z, sólidas à temperatura ambiente, apresentam as propriedades físicas resumidas na tabela adiante. Com base nesses dados, conclui-se que: a) X é uma substância iônica; Y e Z são substâncias covalentes. b) X é uma substância iônica; Y é um metal; Z é uma substância covalente. c) X é uma substância covalente; Y e Z são substâncias iônicas. d) X e Y são substâncias covalentes; Z é uma substância iônica. e) X, Y e Z são substâncias iônicas. 5. O alumínio e o cobre são largamente empregados na produção de fios e cabos elétricos. A condutividade elétrica é uma propriedade comum dos metais. Esse fenômeno deve-se: a) à presença de impurezas de ametais, que fazem a transferência de elétrons. b) ao fato de os elétrons nos metais estarem fracamente atraídos pelo núcleo. c) à alta afinidade eletrônica desses elementos. d) à alta energia de ionização dos metais. e) ao tamanho reduzido dos núcleos dos metais. Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 39 Você já notou através dos capítulos anterio- res que tudo é formado por átomos e que, com ex- ceção dos gases nobres, todos os demais átomos se combinam e formam ligações químicas. Cada uma das ligações que vimos tem o seu conteúdo energético próprio, ou seja, consegue-se medir a energia de cada ligação iônica, covalente ou me- tálica e isso é particularmente útil, pois se você, como engenheiro(a), quiser desenvolver novos materiais, é necessário saber os conteúdos ener- géticos de cada ligação para sintetizar substâncias novas. Mas, além dos conteúdos energéticos de cada ligação, não podemos esquecer também que os compostos e moléculas não existem isolados, ou seja, quando pensamos na substância água (H2O), devemos lembrar que são inúmeras moléculas de H2O interagindo (se atraindo e se repelindo) umas com as outras e essas forças ENTRE as moléculas são responsáveis pelos fenômenos e propriedades macroscópicas das substâncias, como estado físico (sólido, líquido ou gasoso), solubilidade, maleabi- lidade etc. (você viu algumas dessas propriedades no capítulo de substância e mistura). Se essas for- ças não existissem, todas as substâncias que exis- tem na natureza seriam gasosas. As forças que existem entre as moléculas (forças intermoleculares) não são tão fortes como as ligações iônicas ou covalentes, mas são muito importantes, sobretudo, quando se deseja tra- balhar com as propriedades macroscópicas das substâncias, tais como: PE, PF Solubilidade, Capila- ridade, Tensão Superficial e outras que vimos nos capítulos anteriores. FORÇAS INTERMOLECULARES6 6.1 Ligações Intermoleculares 6.2 Polaridade Molecular Nas moléculas diatômicas (formadas por apenas dois átomos), quando os átomos se ligam, formando uma molécula, existe entre eles uma “disputa” pelos elétrons em função da diferença de eletronegatividade. Quando um deles é mais eletronegativo que o outro, conseguirá mantê-lo mais próximo de si por mais tempo. Dessa forma, podemos dizer que o lado da molécula que possui o átomo mais ele- tronegativo fica um pouco mais negativo, enquan- to o lado do átomo menos eletronegativo fica um pouco mais positivo. Temos, então, uma como Mo- lécula Polar, por exemplo: HCl, CO, HBr e NO. Quando os dois átomos de nossa molécula têm a mesma eletronegatividade, portanto são do mesmo elemento e nenhum deles é capaz de atrair os elétrons por mais tempo que o outro. Dessa for- ma, nenhum dos lados ficará mais positivo ou mais negativo. Dessa forma, teremos uma Molécula Apolar, como, por exemplo, no H2, O2, Cl2 e N2. Quando duas moléculas se aproximam, há uma interação de seus campos magnéticos, o que Deise Zamboni Schaffer Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 40 faz surgir uma força entre elas. Essas forças variam de intensidade, dependendo do tipo da molécula (polar ou apolar) e, no caso das polares, do grau de polaridade delas. AtençãoAtenção A teoria cinética dos gases assume que a distância entre as moléculas em um gás é tão grande que praticamente não existe força de atração entre elas. Em estado lí- quido e sólido, as moléculas estão muito próximas e a força atrativa é bem mais in- tensa; é o que define as propriedades da substância. As interações intermoleculares são chama- das genericamente Forças de Van de Waals, em homenagem ao seu descobridor. Elas são de dife- rentes tipos e magnitudes, tais como: Íon x molécula polar: é a força mais for- te e sua magnitude pode ser compatível à de uma ligação covalente; Molécula polar x molécula polar: ocor- re entre moléculas polares da mesma substância ou de substâncias diferentes, ambas polares. Essa força é muito conhe- cida como dipolo x dipolo ou dipolo per- manente; Metanol e Triclorometano Ligações de hidrogênio ou Pontes de Hidrogênio: sempre que tivermos Hidrogênio (Ametal com baixa eletro- negatividade) ligado a um átomo com grande eletronegatividade (F, O ou N), o hidrogênio forma ligações polares muito fortes. Seus polos interagem fortemente com outras moléculas polares, formando uma forte rede de ligações intermolecu- lares. Esta é a força intermolecular mais forte que existe. Só perde em magnitude para a força das próprias ligações entre os átomos; Molécula polar x molécula apolar: co- nhecida como interação dipolo x dipolo induzido, ocorre porque moléculas po- lares (dipolos permanentes) conseguem distorcer a distribuição de carga em ou- tras moléculas vizinhas, através de po- 6.3 Forças de Van der Waals e os Tipos de Interações Fonte: http://webquimica108.blogspot.com/. Fonte: http://hermes.ucs.br/ccet/defq/naeq/ material_didatico/textos_interativos_27.htm. Química Geral e Experimental I Unisa | Educação a Distância | www.unisa.br 41 larização induzida. Uma interação desse tipo é uma interação fraca. Essas intera- ções são responsáveis, por exemplo, pela solubilidade de gases, como o O2 (apo- lar) em água; Propanona e hexano Molécula apolar x molécula apolar: o movimento constante das moléculas permite que, em determinado momento, moléculas apolares consigam induzir um dipolo em sua molécula vizinha e esta, uma vez polarizada, dê sequência ao efeito. Essas forças são chamadas forças de dispersão e também recebem a deno- minação Forças de London, pois o físico polonês Fritz London foi quem estudou essas interações primeiramente. Ele su- geriu que moléculas apolares poderiam se tornar dipolos temporários quando, em sua movimentação, “se esbarram”. Fonte: http://www.qmc.ufsc.br/quimica/pages/ especiais/revista_especiais_forcas_intermoleculares. html. Ligação Força Magnitude aproximada (KJ/mol) Química Covalente 10-100 Iônica 100-1000 Intermolecular Dispersão 0.1- 2 Íon-dipolo 2.0 -10 Ligação de H 10-40 Comparação entre as forças: AtençãoAtenção Dispersão (London)˂Força de Dipolo Permanente˂Ligação (ponte) de Hidrogênio. Ligações Intermoleculares de Hidrogênio (Pontes de Hidrogênio) são as forças en- tre moléculas mais fortes que existem. 6.4 Resumo do Capítulo Neste capítulo, vimos a importância das forças INTERMOLECULARES, que só perdem em magnitu- de para as forças de ligações entre os átomos. Se as ligações que vimos nos capítulos anteriores (iônica, covalente e metálica) são as responsáveis pela conexão entre ÁTOMOS, as forças INTERMOLECULARES são as responsáveis pela conexão entre as MOLÉCULAS e COMPOSTOS e isso fornece uma série de carac- terísticas macroscópicas, tais como: SOLUBILIDADE, PE, PF, VISCOSIDADE, TENSÃO SUPERFICIAL, CAPILA- RIDADE etc., propriedades essas
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