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Fundamentos de química Reações químicas PAULA MENDONÇA LEITE – 2018/1 paula.mendonca@prof.una.br Reações químicas REAÇÕES INORGÂNICAS OBJETIVO Conhecer os principais tipos de reações químicas; Entender os princípios básicos envolvidos nas reações químicas. Reação química Uma reação química ocorre quando uma ou mais substâncias interagem de modo a formar novas substâncias; Evidências: ◦ Formação de precipitado; ◦ Desprendimento de gás; ◦ Mudança de cor; ◦ Modificações perceptíveis a sensores (pH, condutividade, absorção de luz). Reação química Reações espontâneas: ◦ Acontecem naturalmente; ◦ Exotérmicas (95%). São espontâneas as reações que formam gases, precipitados ou eletrólitos fracos. São também espontâneas as reações entre oxidantes e redutores fortes. Eletrólitos e não-eletrólitos Não eletrólitos substâncias que se dissolvem se fornecer íons; Eletrólitos substâncias que ao se dissolver, fornece íons: ◦ Fortes: dissociam-se completamente em solução; ◦ Fracos: dissociam-se parcialmente em solução (EQUILÍBRIO). Força dos eletrólitos Eletrólito forte ◦ Composto neutro Composto ionizado/dissociado Eletrólito fraco ◦ Composto neutro Composto ionizado/dissociado Condução de eletricidade: quanto maior for o número de íons e quanto maior a carga desses, tanto maior será a condutividade da solução. Como identificar um eletrólito? Formados por um metal e um ametal. Quais são eletrólitos? CH3CH2OH NH3 NaOH C12H22O11 AlCl3 Classificação das reações inorgânicas Reações de oxirredução: ◦ Há transferências de elétrons mudança nos números de oxidação dos átomos envolvidos; ◦ Envolvem as maiores variações de energia reações de armazenamento de energia nos seres vivos. Classificação das reações inorgânicas Reações de precipitação: ◦ Há formação de um composto pouco solúvel (precipitado); ◦ Evolve o uso de regras de solubilidade. Classificação das reações inorgânicas Reações ácido-base: ◦ Também denominada reações de “neutralização”; ◦ Envolve ácido(s) e base (s); ◦ Têm-se diversas teorias: ◦ Arhenius; ◦ Brownsted-Lowry/ ◦ Lewis. Reações químicas TERMOQUÍMICA OBJETIVO Conceituar termoquímica; Entender a variação de energia nas reações químicas. Termoquímica É o ramo da química que estuda o calor envolvido — seja absorvido ou liberado — nas reações químicas. Tipo de reação Efeito observado Resultado no sistema Sinal de Q (calor) Endotérmica Frasco resfria Aumento de energia Positivo Exotérmica Frasco esquenta Diminuição de energia Negativo Entalpia (H) Está relacionada com o calor da reação; Sua variação corresponde ao calor liberado ou absorvido durante a reação: ∆𝐻 = 𝐻𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐻𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Equações termoquímicas Quando uma equação termoquímica for multiplicada por um fator, o valor de ∆H da equação será multiplicado pelo mesmo fator; Quando uma equação termoquímica for invertida, o valor de ∆H muda de sinal. Lei de Hess A variação da energia relacionada a uma reação química é a soma da variação de energia de suas etapas. Reações químicas ESTEQUIOMETRIA OBJETIVO Entender o que é estequiometria; Aprender como balancear equações químicas; Saber calcular as relações da massa em reações químicas; Fazer cálculos de rendimento. Estequiometria Relação quantitativa que existe entre as quantidade de espécies químicas envolvidas em uma reação ◦ “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.” (Antoine Laurent de Lavoisier) ◦ A soma da massa dos reagentes sempre resultará no mesmo valor da soma da massa dos produtos (Joseph Louis Proust) Estequiometria Leis ponderais: ◦ Lei da conservação da massa – Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos; ◦ Lei das proporções constantes – Toda substância apresenta uma proporção em massa constante na sua composição. Estequiometria É possível relacionar: ◦ Quantidade de material (mol); ◦ Massa; ◦ Número de moléculas; ◦ Volume molar. 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 𝑂2 Revisão de conceitos Fórmula empírica fornece a razão mais simples de números inteiros de átomos que fazer parte de um composto químico; Fórmula molecular especifica o número de átomos presentes em uma molécula. 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑜𝑠𝑒 → 𝐶6𝐻12𝑂6 Revisão de conceitos Fórmula estrutural fornece informações adicionais. Balanceamento de equações químicas A quantidade de átomos de cada elemento em uma equação química que representa uma reação deve ser a mesma nos reagentes (1º membro) e nos produtos (2º membro): ◦ Balancear uma equação é o mesmo que acertar os coeficientes. Métodos de balanceamento Método das tentativas Atribuir um coeficiente inicial ao radical ou elemento que aparece apenas uma vez em um dos membros Se mais de um elementos aparece apenas um vez, dê preferência para o que apresenta maior índice Prosseguir com os outros elementos ou radicais, transpondo os índices de um membro para o outro, usando-os como coeficiente, até o final do balanceamento FeS2(g) + O2(g) → Fe2O3(s) + SO2(g) Exercícios C2H6O + O2 → CO2 + H2O Mg + HCl → MgCl2 + H2 Al2O3 + HCl → AlCl3 + H2O SO2 + NaOH → Na2SO3 + H2O BaO4 + HNO3→ Ba(NO3)2 + H2O2 + O2 C8H18 + O2 → CO2+ H2O C4H10O + O2 → CO2 + H2O Al + Cl2 → AlCl3 N2H4 + N2O4→ N2 + H2O CaO + H3PO4 → Ca3(PO4)2 + H2O Fe + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2 C2H4O + O2 → CO2 + H2O Lei da conservação da massa (Lei de Lavoisier) Experiências sobre combustão e calcinação de substâncias químicas: ◦ Ao calcinar metais expostos ao ar, havia a formação de óxidos metálicos que tinham peso maior que o metal de partida; ◦ Ao realizar a combustão de matéria orgânica como o carvão, também exposto ao ar, a massa final era menor que a massa de partida. Lei da conservação da massa (Lei de Lavoisier) Em uma reação química realizada em sistema fechado, a massa permanece constante do início ao fim da reação: ◦ A soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos obtidos. m(reagentes) = m(produtos) Escrever a equação química balanceada Analisar as proporções estequiométricas Relacionar os dados por meio de regras de três Cálculos estequiométricos Cálculos estequiométricos 1) Transformação da massa conhecida de uma substância, em gramas, para a correspondente quantidade de matéria; 2) Multiplicação da quantidade de matéria por um fator que considera a estequiometria; 3) Conversão da quantidade de matéria para q unidade métrica requerida na resposta. Massa • DIVIDIR PELA MASSA MOLAR quando a massa de um reagente é dada, primeiramente, deve-se converter em quantidade de matéria. Mols • MULTIPLICAR PELA RAZÃO ESTEQUIOMÉTRICA a razão estequiométrica fornecida pela equação química é utilizada para encontrar o número de átomos do outro reagente ou produtos. Mols • MULTIPLICAR PELA MASSA MOLAR A massa do outro reagente ou produtos é calculada a partir da sua massa molar. Massa • RESULTADO. IMPORTANTE Devemos levar em conta alguns termos envolvidos em cálculos deste tipo que são: ◦ Pureza; ◦ Rendimento; ◦ Reagentes limitantes. Pureza Se refere a quanto do reagente realmente é capaz de reagir para formar determinado produto. Por exemplo, se dizemos que a massa de um reagente é 100 g, porém temos a informação de que o mesmo é 90% puro, devemos considerar que apenas 90g irão reagir e consequentemente ser levadas em conta para fins de cálculo o restante é impureza. Rendimento O rendimento tem relação emespecial com o produto. Quando uma reação tem rendimento total significa que toda a quantidade prevista em cálculos será obtida, porém isso na prática geralmente não ocorre devido a resíduos que se formam nas reações. Porém se efetuarmos os cálculos e percebermos que determinada reação formaria em condições ideais 180 gramas e houve na prática um rendimento de 50% devemos considerar que temos apenas 90 gramas de produto. Exercícios Qual a massa de AgNO3 (169,9 g/mol) necessária para converter 1,33 g de Na2CO3 (106,6 g/mol) para AgCO3? Qual a massa de AgCO3 (275,7 g/mol) será formada? Exercícios Qual a massa de AgCO3 (275,7 g/mol) formada quando 25,0 mL de AgNO3 0,200 mol/L são misturadas com 50,0 mL de Na2CO3 0,0800 mol/L? Reagente limitante Reagente limitante é aquele que limita a quantidade de produto que pode ser produzido na reação. Isso significa que quando o reagente limitante é totalmente consumido, a reação para, mesmo tendo ainda outros reagentes. Reagentes limitante Calcular qual destes reagentes é o limitante e qual deles é o que está em excesso; Depois de descobrir o reagente limitante e em excesso, utiliza-se apenas o limitante como base para os cálculos estequiométricos. 1 Calcular a quantidade de cada reagente em mols, convertendo cada massa em quantidade de matéria utilizando a massa molas 2 Escolher um dos reagentes e utilizar a relação estequiométrica para calcular a quantidade teórica do segundo reagente necessária para completar a reação com o primeiro 3 Verificar qual dos reagentes está presente na reação em quantidade maior que o necessário: esse será o reagente em excesso e o outro será o reagente limitante Exercícios Considere a seguinte reação corretamente balanceada: 6 Na(l) + Al2O3(s) → 2 Al(l) + 3 Na2O(s) a) Determine o reagente limitante e o reagente em excesso dessa reação quando 5,52g de sódio reage com 5,10 g de Al2O3. b) Qual é a massa de alumínio produzida? c) Qual é a massa do reagente em excesso que permanecerá sem reagir no final do processo? Exercícios Ao misturar 147 g de ácido sulfúrico e 100g de hidróxido de sódio, reagindo de acordo com a equação abaixo, qual substância será o reagente limitante da reação? Dadas as massas atômicas: H = 1; O = 16; Na = 23; S = 32). H2SO4 + 2 NaOH --> Na2SO4 + 2 H2O Exercícios Para a reação a seguir, qual é o reagente limitante se começarmos com 2,80 g de Al e 4,25g de Cl2? 2Al(s)+3Cl2(g)→2AlCl3(s) Rendimento de reações O rendimento de reações químicas é a porcentagem do rendimento teórico que se alcança na prática: ◦ Quantidade de produto que realmente será obtida na reação química relacionada com a quantidade que deveria ser obtida na teoria: ◦ O rendimento teórico é a quantidade de produto que se esperava obter para um rendimento igual a 100%, isto é, em que todos os reagentes transformam-se nos produtos. Rendimento percentual Informa qual a porcentagem relativa ao rendimento teórico foi obtida. 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑥 100% Passo a passo 1 – Escrever a equação química balanceada da reação; 2 - Determinar o rendimento teórico; 3 – Verificar se há reagente limitante; 4 - Determinar o rendimento percentual por dividir a massa ou o volume realmente produzidos pela massa ou volume teóricos do produto e multiplicar por 100%. Exercícios A reação a seguir é executada com 1,56 g BaCl2, o qual é o reagente limitante. Nós isolamos 1,82 g do nosso produto desejado, AgCl. Qual é o rendimento percentual da reação? BaCl2(aq)+2AgNO3(aq)→2AgCl(s)+Ba(NO3)2(aq) Exercícios Uma das maneiras de se produzir cal viva, CaO(s), é através da pirólise do calcário, CaCO3(s). Uma amostra de 20 gramas de calcário produziu 10,0g de cal viva. O rendimento da reação foi de aproximadamente. Reações químicas SOLUÇÕES OBJETIVO Conceituar o que é solução e quais os seus componentes; Saber identificar uma solução e conhecer seus tipos; Conhecer os componentes de uma solução O que é uma solução? DEFINIÇÃO SOLUÇÃO mistura homogênea de uma ou mais substâncias ◦ 1 única fase O que é uma solução? Componentes de uma solução O componente que DETERMINA a fase da solução e, em geral, constitui a maior proporção do sistema, é chamado de solvente. Os outros componentes são chamados de solutos, e estes estão dispersos como moléculas ou íons no solvente, ou seja, diz-se que estão dissolvidos no solvente. Componentes de uma solução SOLVENTE está presente em maior proporção, em massa; SOLUTO está presente em menor proporção, em massa. Solução Aspectos importante: ◦ Quantidade ◦ Composição ◦ Concentração Preparo de uma solução frequentemente, envolve a pesagem de um sólido ou a transferência de um líquido e sua solubilização com o solvente, formando soluções sólido-líquido e líquido-líquido, respectivamente. Classificação das soluções Estado de agregação ou estado físico; Proporção/razão entre soluto e solvente; Natureza das partículas dispersas. Estado de agregação ou estado físico Solução sólida Solução líquida Solução gasosa Estado de agregação ou estado físico Solução sólida: ◦ Os componentes desse tipo de solução encontram-se no estado sólido Estado de agregação ou estado físico Solução líquida: ◦ Os componentes desse tipo de solução encontram-se no estado líquido ◦ Sólidos dissolvidos em líquido; ◦ Líquidos dissolvido em líquido; ◦ Gases dissolvidos em líquido. Solvente Soluto Solução Exemplo Gás Gás Gasosa Atmosfera Líquido Gás Líquida Água-amônia Líquido Líquido Líquida Água-etanol Líquido Sólido Líquida Água-sal Sólido Gás Sólida Paládio-hidrogênio Sólido Líquido Sólida Zinco-mercúrio (amálgama) Sólido Sólido Sólida Zinco-cobre (latão) Tipos de soluções segundo o estado físico do soluto e solvente Proporção/razão entre soluto e solvente Esta propriedade relaciona a quantidade de soluto (massa) em relação à quantidade de solvente. CS NaCl = 37g/100g de água Coeficiente de solubilidade = representa a quantidade máxima de determinado soluto que poderemos dissolver em 100 g de água, em temperatura ambiente. Proporção/razão entre soluto e solvente Solução diluída: a quantidade de soluto é muito pequena em relação à de solvente, sendo assim, a solução se encontra completamente diluída. Solução concentrada: quando a quantidade de soluto é grande em relação à de solvente, ou seja, a solução não se encontra dissolvida. Solução saturada: neste caso, a quantidade de soluto é a máxima permitida para uma certa quantidade de solvente, em determinada temperatura. Solução supersaturada: este é um sistema instável, pois a quantidade de soluto é maior que a máxima permitida. Substância Coeficiente de solubilidade(g/100g de água a 20ºC) Sal de cozinha (NaCl) 36 Açúcar (C12H22O11) 33 Cloreto de potássio (KCl) 7,4 Cal (Ca(OH)2) 0,16 Solução de 0,16g; 5,0g; 7,5g; 10,0g; 30,0g; e 36,0g. Coeficientes de solubilidade de algumas substâncias. Natureza das partículas dispersas Solução iônica ◦ As partículas dispersas se encontram na forma de íons. Estas soluções também são chamadas de soluções eletrolíticas, porque possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica. 𝑁𝑎𝐶𝑙 (𝑠) 𝐻2𝑂 𝑁𝑎+ 𝑎𝑞 + 𝐶𝑙−(𝑎𝑞) Natureza das partículas dispersas Solução molecular ◦ As partículas dispersas neste caso são moléculas (não há separação do soluto). 𝐶12𝐻22𝑂11 𝑠 𝐻2𝑂 𝐶12𝐻22𝑂11(𝑎𝑞) Concentração Concentração comum(C): ◦ Dada em massa por volume, geralmente grama por litro (g/L); ◦ Indica a relação entra a massa do soluto e o volume da solução. Concentração Concentração em quantidade de matéria (mol/L)ou molaridade (M): ◦ Indica a relação entre o número de mol do soluto e o volume da solução; ◦ Equivalente a mmol/mL (milimol por mililitro) Concentração Concentração em quantidade de matéria (mol/L)ou molaridade (M): ◦ Em equilíbrio ◦ Se refere à concentração em quantidade de matéria de uma espécie em particular em uma solução em equilíbrio. ◦ Exemplo: Calcular as concentrações em quantidade de matéria e de equilíbrio para as espécies do soluto presentes em uma solução aquosa que contém 285 mg de ácido tricloroacético (Cl3CCOOH) em 10 mL (o ácido está 73% ionizado na água). Concentração Concentração percentual ou título (%): ◦ Pode relacionar a massa ou volume do soluto com a massa ou volume da solução, podendo ser representada por %(m/m), %(m/v) ou %(v/v); ◦ Exemplos: ◦ 10%(m/m) 10g de soluto em 100g de solução; ◦ 10%(m/v) 10g de soluto em 100mL de solução; ◦ 10% (v/v) 10mL de soluto em 100mL de solução. Concentração Partes por milhão e partes por bilhão: ◦ Conveniente para soluções muito diluídas. 𝐶𝑝𝑝𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 𝑥 106 𝑝𝑝𝑚 𝐶𝑝𝑝𝑏 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 𝑥 109 𝑝𝑝𝑏 Concentração Fração molar (X): ◦ Relação estabelecida entre o número de mol de uma determinada matéria e o número de mol de toda a mistura em que a matéria está inserida. Cálculo de concentração Estabelecer a forma de expressão da concentração que será utilizada Converter as unidades para as unidades adequadas Calcular Exercícios 1) Calcule a concentração em quantidade de matéria de etanol em uma solução aquosa que contém 2,30 g de C2H5OH (46,07 g/mol) em 3,50 L de solução; 2) Calcule a concentração em quantidade de matéria do K+ em uma solução que contém 63,6 ppm de K3Fe(CN)6 (329,3 g/mol). Exercícios 1) Descreva a preparação de solução aquosa de 2,00 L de BaCl2 0,108 mol/L a partir do BaCl2.2H2O (244,3 g/mol); 2) Descreva a preparação de uma solução de 500 mL de Cl- 0,0740 mol/L preparada a partir de BaCl2.2H2O (244,3 g/mol) sólido. Diluição de soluções Diluição adicionar a ela mais solvente, não alterando a massa do soluto. Diluição de soluções Para fazer uma diluição, é necessário combinar uma amostra líquida com uma quantidade de solvente para chegar na concentração desejada. ◦ Número de mol do soluto é o mesmo na solução de partida (concentrada) e na solução final (diluída); ◦ O volume varia (aumenta da solução concentrada para a diluída). Diluição de soluções Cálculo da concentração: Solução concentrada Solução diluída Massa do soluto = ms Massa do soluto = ms Concentração inicial = Ci Concentração final = Cf Volume inicial = Vi Volume final = Vf Ci = ms/Vi Cf = ms/Vf ms = Ci x Vi ms = Cf x Vf Exercícios Qual será o volume de água que deve ser acrescentado a 300ml de uma solução 1,5 mol/L de ácido clorídrico (HCl) para torná-la 0,3mol/L? Ao adicionar uma quantia de 75mL de água diretamente em 25mL de uma solução 0,20M de cloreto de sódio (NaCl), obtemos uma solução de concentração molar igual a. Na preparação de 750mL de solução aquosa de H2SO4 de concentração igual a 3,00 mol/L a partir de uma solução-estoque de concentração igual a 18,0 mol/L, é necessário utilizar um volume da solução-estoque, expresso, em mL, igual a. Determine a molaridade de uma solução que apresentava 400 mL de volume e, após receber 800 mL de solvente, teve sua molaridade diminuída para 5 mol/L. Uma solução 0,3 mol/L apresentava 500 mL de solvente, mas houve uma evaporação de 200 mL do volume desse solvente. Qual será a nova concentração dessa solução? Reações químicas ÁCIDOS E BASES OBJETIVO Conhecer as teorias ácido-base; Aplicar os conceitos ácido-base nas reações químicas. Arrhenius 1887: ◦ Ácidos são substâncias que, quando dissolvidas em água, aumentam a concentração de íons H+ (aq) na solução: ◦ 𝐻𝐶𝑙 𝑎𝑞 → 𝐻+(𝑎𝑞) + 𝐶𝑙−(𝑎𝑞) ◦ Bases são substâncias que, quando dissolvidas em água, aumentam a concentração de íons OH- (aq) na solução: ◦ NaOH 𝑎𝑞 → 𝑁𝑎+(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) Arrhenius A reação em um ácido e uma bases fortes reação de neutralização; Sal é toda substância na qual o cátion provem de uma base e o ânion provem de um ácido; Teoria restrita à agua. Brownted-Lowry 1923: ◦ Ácidos são substância capazes de doar um próton a outras substâncias: ◦ Bases são substância capazes de receber um próton de outras substâncias: A água é uma substância anfiprótica. Íon hidrônio Um íon H+, o núcleo de um átomo de hidrogênio, não é capaz de existir separadamente em água combina-se com a água. Pares ácido-base conjugados Essa reações ocorrem prioritariamente no sentido de formação das espécies mais fracas. Forças relativas de ácidos e bases Pode ser expressa quantitativamente por uma constante de equilíbrio (Ka ou Kb) 𝑤𝑊 + 𝑥𝑋 ֞ 𝑦𝑌 + 𝑧𝑍 𝐾 = [𝑌]𝑦[𝑍]𝑧 [𝑊]𝑤[𝑋]𝑥 Agua e a escala de pH Lewis 1923: ◦ Ácidos são substâncias capazes de aceitar um par de elétrons de outro átomo para formar uma nova ligação; ◦ Bases são substâncias capazes de doar um par de elétrons para outro átomo para formar uma nova ligação. 𝐻𝐶𝑙 𝑎𝑞 → 𝐻+ 𝑎𝑞 + 𝐶𝑙− 𝑎𝑞 NaOH 𝑎𝑞 → 𝑁𝑎+(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ▪ATKINS, P. PRINCÍPIOS DE QUÍMICA. 5ª EDIÇÃO. PORTO ALEGRE: BOOKMAN. 2011. 1048p. ▪KOTZ, J. C.; TREICHEL, P. M.; TOWNSEND, J. R.; TREICHEL, D. A. QUÍMICA GERAL E REAÇÕES QUÍMICAS – VOLUME 1. 3ª EDIÇÃO. SÃO PAULO: CENGAGE LEARNING, 2015. 864p.