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Química básica INTRODUÇÃO À QUÍMICA O que é Química e para que serve? Estuda a natureza (estrutura atômica e molecular, etc), as propriedades, a composição e as transformações da matéria. Vejamos alguns benefícios que Química pode nos oferecer: ♦ os tecidos das roupas que usamos no dia-a-dia são, geralmente, materiais obtidos graças ao desenvolvimento da Química; ♦ as fibras artificiais (o náilon, o tergal, etc), as borrachas sintéticas, os plásticos, fazem parte de um grupo de materiais chamados polímeros; ♦ os polímeros têm tido inúmeras aplicações: sacos plásticos, toalhas, garrafas, canos plásticos, revestimentos elétricos, brinquedos, discos, estofamentos, revestimentos de panela; ♦ a Bioquímica tem permitido não apenas conhecer certos mecanismos de funcionamento do organismo, como influir neles, possibilitando o desenvolvimento da Biologia Molecular e da Farmacologia, fundamentais ao progresso da Medicina. E na área de Engenharia de Alimentos, por exemplo, será que a Química exerce algum papel importante? Sim. É de fundamental importância! Por exemplo: ♦ a indústria de alimentos utiliza os chamados “aditivos”: são substâncias capazes de conferir as seguintes características aos alimentos: - antioxidantes (inibe o processo de oxidação); - conservantes (aumenta a durabilidade); - estabilizantes (ajuda a manter as emulsões e suspensões); - adoçantes (transmite sabor doce aos produtos), etc. ♦ no Brasil, são quatro os adoçantes artificiais encontrados no mercado consumidor: - a SACARINA (Pan Americana) - o CICLAMATO (Brasfanta) - o ACELSULFAME-K (Hoeschst) - o ASPARTAME (Monsanto) ♦ a obtenção desses adoçantes requer rotas sintéticas bem estabelecidas desenvolvidas em pesquisas na área de Química 3 ♦ para entender o metabolismo dos adoçantes em seres humanos e investigar a toxidade foram propostos mecanismos que envolvem uma série de reações químicas (p/ maiores detalhes, consultar a ref. ∗). Como se pode constatar, a Química tem proporcionado inúmeros benefícios para a humanidade. Por outro lado, não podemos nos esquecer de que muitos processos químicos são responsáveis pela degradação do ambiente em que vivemos. ∗ Adoçantes Artificiais – publicado em Química Nova em 1996, vol. 19, pág. 248 DIVISÃO DA QUÍMICA 4 INTRODUÇÃO – Conceitos fundamentais MATÉRIA ⇒ qualquer coisa que tem existência física real e, portanto, ocupa espaço. O material do qual as substâncias são feitas. Classificação da matéria De acordo com a Fig. 1, a matéria pode ser classificada como uma: ♦ Substância pura ⇒ possui composição uniforme, definida e característica Logo, apresenta propriedades também definidas. Ex. a água, o ferro, o oxigênio, etc. Substância pura pode ser classificada em: • Substância simples (ou elemento) Substância fundamental e elementar, ou seja, não pode ser separada ou decomposta em substâncias mais simples. Ex.: o carbono, oxigênio, etc. • Substância composta (ou composto) Constituída de átomos de 2 ou mais elementos combinados segundo uma relação (razão) definida. Ex.: água, glicose, sacarose, etc. Os compostos podem ser decompostos em substâncias mais simples. Ex.: A água quando submetida a uma eletrólise (uso de eletricidade para promover reações químicas) se decompõe em duas substâncias simples conforme a equação: 2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g) ♦ Mistura Consiste de duas ou mais substâncias fisicamente misturadas e que pode ser separadas em seus componentes pode intermédio das diferenças entre suas propriedades físicas. As misturas podem, por sua vez, ser classificadas em: - Misturas homogêneas (ou soluções) São aquelas em que os componentes estão uniformemente misturados mesmo em uma escala molecular. Ex.: ar, água+ álcool e soluções de um modo geral. - Misturas heterogêneas São aquelas em que os componentes individuais, embora estejam misturados, permanecem em diferentes regiões e podem ser diferenciados em escala microscópica. Ex.: areia + açúcar 5 Fig. 1 - Árvore de classificação da matéria. Representação das Substâncias – Os Símbolos e as Fórmulas Químicas Enquanto os símbolos são usados para representar os elementos ou seus átomos, as fórmulas químicas são utilizadas para representar os compostos ou agregados de seus átomos. Existem vários tipos de fórmulas químicas, quais sejam: ♦ molecular; ♦ empírica; ♦ estrutural; ♦ centesimal. Entre as fórmulas mencionadas, merece destaque a fórmula estrutural por fornecer informações não apenas do número de cada tipo de átomo na molécula, mas principalmente de como eles estão ligados entre si no interior da molécula. 6 • FÓRMULAS MOLECULAR Esta emprega símbolos e índices para indicar o número de cada tipo de átomo na molécula. ( Ex. uma molécula de glicose apresenta fórmula molecular: C6H12O6) • FÓRMULA MÍNIMA OU EMPÍRICA Informa somente o número relativo de átomos de diferentes elementos em um composto, sendo que os números são expressos como uma razão mais simples. (Ex. a fórmula empírica da glicose é CH2O) OBS: i. A fórmula molecular é sempre um múltiplo inteiro da fórmula mínima. No caso da glicose, a fórmula molecular é C6H12O6, que é 6 vezes sua fórmula empírica (CH2O); ii. Enquanto a fórmula empírica informa apenas uma proporção de átomos, a fórmula molecular indica o número real de átomos de cada elemento em uma molécula individual; iii. Há casos em que a proporção de átomos indicada na fórmula molecular não pode ser reduzida para números inteiros menores. Nesses casos, a fórmula molecular é idêntica à mínima (Ex. é o caso da sacarose: C12H22O11) v. Em geral as substâncias moleculares são representadas por fórmulas moleculares, enquanto que para substâncias que não são constituídas de moléculas, é possível escrever somente a fórmula empírica. (Ex. cloreto de sódio: sua fórmula empírica é NaCl) • FÓRMULA ESTRUTURAL Fornece número de cada tipo de átomo e indica com os átomos se encontram ligados entre si no interior da molécula. Ex.: Dióxido de Acetileno Água Carbono Quantificando a Matéria - Âmbito Macroscópico Massa ⇒ medida da quantidade de matéria de um corpo (ou objeto). Logo, massa é diferente de matéria. Densidade ⇒ razão entre a massa de um corpo e o volume ocupado por ele. Assim, quanto maior a quantidade de matéria que ocupa um dado volume, maior será a densidade do material. 7 Transformando a Matéria - Processos Físico e Química • Transformações físicas - não alteram a microestrutura (ou identidade) das substâncias. Ex. as mudanças de estado, por exemplo, a vaporização da água. • Transformações químicas - provocam modificação na microestrutura e propriedades químicas das substâncias resultantes da formação de novas ligações entre os átomos. Ex.: ferrugem; a queima da madeira (combustão) Leis das Transformações Químicas • Conservação da massa - em uma reação química não é mensurável a perda ou ganho de massa do sistema, ou seja, a massa total do sistema permanece essencialmente constante. OBS.: É importante frisar que nas transformações da matéria em nível nuclear as energias envolvidas são tão elevadas que a massa do sistema sofre uma alteração considerável. A variação da massa pode encontrada usando a equação de Einstein (E = m c2 ) expressa como segue: Δm = ΔE x c-2 onde: Δm e ΔE = variação da massa e energia do sistema, respectivamente. c = velocidade da luz no vácuo (c = 3 x 108 m s-1). • Composição definida - esta lei descreve uma das propriedades mais importantes de um composto: sua composição química, ou seja, um composto molecular apresenta uma composição elementar constante e característica independente da quantidade da amostra considerada, bem como de sua origem. Ex.: a água formada a partir de hidrogênio leve (1 H) oxigênio-16 (16O) apresenta sempre a seguinte composição em massa: 18 g H2O -------2 g H 100 g H2O------- x g ou (%) ⇒ x = 11,11 g de H ou 11,11 % (em massa) Analogamente, pode-se determinar a percentagem de oxigênio-16 como sendo 88,89 % (em massa).
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