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Deus seja Louvado. Guerreiro, Helder Eu odeio Estequiometria / Helder Guerreiro – Manaus, 2016. Bibliografia Livro não catalogado e não institucional, o mesmo é amador. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 3 SUMÁRIO Apresentação ................................................................................................................................................................ 5 PARTE I ........................................................................................................................................................................... 6 CLASSIFICAÇÕES DA MATÉRIA ............................................................................................................................. 7 Estados da matéria ............................................................................................................................................ 7 Propriedades da matéria ................................................................................................................................... 8 Mudanças Físicas e Químicas ......................................................................................................................... 9 Separação de Misturas ...................................................................................................................................... 9 INCERTEZA NA MEDIDA .......................................................................................................................................... 11 Algarismos Significativos ................................................................................................................................. 11 Cálculos Com Algarismos Significativos ....................................................................................................... 12 Análise Dimensional ......................................................................................................................................... 13 PARTE II ........................................................................................................................................................................ 15 A ESTRUTURA ATÔMICA ........................................................................................................................................ 16 Isótopos, Isóbaros, Isótonos e Isoelétricos .................................................................................................. 17 Média ponderada das massas atômicas ...................................................................................................... 19 A TEBÉLA PERIÓDICA.............................................................................................................................................. 20 MOLÉCULAS E COMPOSTOS MOLECULARES ................................................................................................. 23 Íons e Compostos Iônicos ............................................................................................................................... 24 NOMENCLATURA DE COMPOSTOS INORGÂNICOS ....................................................................................... 27 Cátions ............................................................................................................................................................... 27 Ânions ................................................................................................................................................................. 29 Compostos Iônicos ........................................................................................................................................... 31 Ácidos ................................................................................................................................................................. 31 Compostos Moleculares Binários .................................................................................................................. 32 PARTE III ....................................................................................................................................................................... 34 EQUAÇÕES QUÍMICAS ............................................................................................................................................. 35 Balanceamento ................................................................................................................................................. 35 Equações de Combinação, Decomposição e Combustão ......................................................................... 36 MASSA MOLECULAR (MM) ..................................................................................................................................... 37 Composição Percentual das Formulas ......................................................................................................... 37 EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 4 MOL (Quantidade de Matéria) ................................................................................................................................. 38 Massa Molar (g/mol) ........................................................................................................................................ 39 Conversões Entre Mols, Massa e Átomos ................................................................................................... 39 FORMULAS MÍNIMAS ................................................................................................................................................ 42 Da Formula Mínima Para Formula Molecular .............................................................................................. 44 Análise Por Combustão ................................................................................................................................... 44 ESTEQUIOMETRIA COM EQUAÇÕES BALANCEADAS ................................................................................... 46 REAGENTES LIMITANTES E EXCEDENTES ....................................................................................................... 48 Rendimentos Percentuais ............................................................................................................................... 51 EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 5 Apresentação Olá meu nome é Helder Guerreiro, sou aluno de Engenharia Química da Universidade Federal do Amazonas (UFAM) e crie esta apostila com fins de aprendizado para todo aquele que não consegue engolir a estequiometria de jeito nenhum! Eu tive muitas dificuldades em aprender esse assunto, tanto que só consegui aprender quando entrei na faculdade, no ensino médio eu não fazia ideia nem de como eu começaria isso, mas eu aprendi e aqui passo meu aprendizado para você. Tenho certeza que você que está lendo agora vai aprender isso, por que eu sou uma pessoa que tenho certa dificuldade para aprender, eu procuro o método mais simples e óbvio possível para estudar e entender, e depois que eu aprendo eu não esqueço mais. Então, eu não sou nenhum gênio superdotado, na verdade tenho amigos mais inteligentes que eu, só sou um cara que conseguiu aprender de um jeito legal e quer passar para os outros. Nesta apostila você não precisa ter exatamente nenhum conhecimento em química! Exatamente! Isso por quer aqui eu ireiabordar todo o assunto necessário para você entender a estequiometria, então se você não sabe nada de química não tem problema, aqui já tem tudo preparado para você. Espero que possa ajudar você, esta apostila é livre, grátis e pode ser passado para quem quiser. Boa sorte. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 6 PARTE I MATÉRIA E MEDIDAS EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 7 CLASSIFICAÇÕES DA MATÉRIA Um dos primeiros estudos para se ver logo na primeira aula de química é as classificações e descrições da matéria. Segundo Brown (2008) “As matérias podem ser classificadas de acordo com seu estado físico (como gás, líquido ou sólido) e de acordo com a sua composição (como elemento, composto e mistura).” Estados da matéria São basicamente as três formas de matéria: Sólido, líquido e gasoso. As quais diferem nas seguintes características: Gás (ou vapor): Não tem volume nem forma definida, o gás define a sua forma e volume a partir do recipiente que está e pode ser comprimido a forma e tamanho desejável. Ex.: O gás hélio, quando injetado num balão, assume a forma e o volume do balão, mas se o balão estourar ele irá ter outra forma e volume totalmente diferentes. No nível molecular temos que as moléculas dos gases são separadas uma das outras e ficam bem distantes, fazendo com que estejam livres para moverem-se em alta velocidade e consequentemente batendo-se umas nas outras e nas paredes dos recipientes. Líquido: Seu volume é definido e não necessita de recipiente para defini-lo, mas a sua forma vai de acordo com a forma do recipiente. Ex.: Colocando-se 1 L de água numa garrafa pet a água assumirá a forma da garrafa, mudando para uma caixa a água assumirá a forma da caixa mas a sua quantidade continua sendo 1 L. Numa visão molecular da coisa os líquidos tem suas moléculas mais arrumadinhas mas ainda assim um pouco soltas, dessa forma as moléculas se desviam umas das outras escorregando e dando a propriedade dos líquidos de verter (derramar o líquido através de alguma coisa). Sólido: Sua forma e seu volume são rigidamente definidos não importando seu recipiente e não pode ser comprimido a forma e tamanho desejável. Ex.: Uma pedra não pode mudar de forma ao coloca-la num copo, e você não pode comprimir uma pedra a um certo tamanho sem ter que quebra-la. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 8 As suas moléculas estão presas umas nas outras, ou seja, sem qualquer tipo de movimento, dando aos sólidos a sua característica rígida. Nós estamos rodeados por substâncias e elas podem ser elementos ou compostos. Os elementos são a espécie mais simples de substância os quais não podem ser quebrados ou divididos sem perder a sua identidade ou forma padrão. Numa visão molecular, os elementos são formados por somente um tipo de átomo, ou seja, não se pode dividir um átomo sem perder a sua identidade e a sua exclusividade. Os compostos são aqueles que se formam a partir de dois ou mais elementos, consequentemente dois ou mais tipos de átomos. A mistura é a combinação de dois ou mais compostos, ou seja, substâncias as quais cada uma tenha sua identidade química; a mistura pode ser heterogenia, quando na sua aparência se identifica as misturas (água com areia por exemplo), ou homogenias, quando não se pode detectar pelo “olhômetro” os compostos presentes (água com sal por exemplo). Para identificar as misturas usa-se o sistema de fases e componentes, em que fases é a quantidade de substâncias que se consegue ver numa mistura e componentes é a quantidade de substâncias que há na mistura não importando se dá ou não para ver. Ex.: Os átomos de Hidrogênio formam um elemento chamado H2. Ex.: A água (H2O) é um composto combinando os elementos H2 e O. Ex.: A água com sal é uma mistura dos compostos H2O e NaCl, com uma fase e dois componentes. Propriedades da matéria Para que possamos distinguir cada uma das substâncias temos que identificar as suas propriedades que são duas: Físicas e Químicas. As propriedades físicas são características em que quando são testadas ou medidas não muda a identidade nem a composição das substâncias. Já as propriedades químicas são as análises de como as substâncias mudam sua identidade formando ou reagindo com algo. Propriedades intensivas são aquelas em que não dependem da quantidade de amostra de certa substância e podem informar características como temperatura, ponto de fusão, ebulição, densidade etc. Por fim as propriedades extensivas dependem da quantidade da substância e informa características relacionadas a quantidade de substância presente. Ex.: O ponto de ebulição da molécula de água de 100°C a 1 atm. é uma propriedade física e intensiva por não precisar de uma certa quantidade para estabelecer esse dado. Ex.: A combustão (queima) de madeira é uma propriedade química, pois mudará a identidade da madeira para cinzas. Ex.: 100 ml de água recebe 20 g de NaCl sem precipitar (cair no fundo), isso é uma propriedade extensiva por depender da quantidade de água e sal. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 9 Mudanças Físicas e Químicas Mudanças Físicas (o nome já diz tudo) são as mudanças que acontecem na aparência da substância (Físico), mas essas mudanças não atingem a identidade da mesma podendo ter várias formas e continuar sendo a mesma coisa. Essas mudanças são reversíveis podendo ir de um estado a outro sem interferir na química. Mudanças Químicas são as mudanças que modificam a química da substância (sério?), ou seja, quando uma substância se modifica quimicamente ela deixa de ser essa tal substância para ser outra coisa. Esse tipo de mudança torna as modificações irreversíveis, uma vez mudada não há volta. Ex.: Todas as mudanças de estados são mudanças físicas, pois você pode tornar a água gelo, vapor ou líquida e ainda assim continuará sendo água. Ex.: Quando se queima um papel as propriedades químicas desse papel serão transformadas pela reação da combustão na presença de O2 e consequentemente ele deixará de ser papel, ou seja, é uma mudança química pois não tem como tornar cinzas em papel de volta. Separação de Misturas Como vimos, uma mistura é a combinação de dois ou mais compostos ou substâncias em que cada um tem suas propriedades específicas que não são afetadas pela mistura, usando disso pode- se separar os compostos que foram unidos de diversas formas dependendo das propriedades de cada um. 1. Peneiração: Usa-se de uma peneira para separar as partículas menores das maiores. Ex.: Areia e pedras. 2. Levigação: Usa-se de água para separar uma misturar heterogenia de compostos com densidades diferentes, em que um é puxado pela água e o outro fica. Ex.: Barro e ferro. 3. Decantação: Em sistemas heterogêneos envolvendo líquido ou gás com qualquer outra coisa, pode-se separa-los esperando que uma ou mais substâncias se precipite e assim possa retirar a parte líquida/gás restando o precipitado no fundo do recipiente. Ex.: Água e areia. 4. Centrifugação: Neste caso usa-se uma máquina chamada centrifugador na qual usa- se de rotação em torno do seu próprio eixo em alta velocidade, a velocidade é tanta que os materiais são jogados contra a parede da máquina e quando ela para a parte mais densa se gruda na parede enquanto a menos densa se mantém no meio, ou a parte mais densa fica em baixo e a menos densa em cima. Resumindo: a centrifugação é uma forma mais rápida e mecanizada de se decantar. Ex.: Glóbulos vermelhos doplasma sanguíneo. 5. Dissolução Fracionada: Usado para misturas heterogêneas em que um dos componentes se dissolve em algum solvente sendo que o insolúvel ficará retido no EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 10 fundo do recipiente e o solúvel será totalmente retirado pela ação do solvente, dessa forma a separação de ambos componentes irá ocorrer por ação do solvente. Ex.: Areia e sal (usando de água como solvente). 6. Evaporação: Em misturas homogenias usa-se do menor ponto de ebulição dos componentes em que quando aquecido a um certo ponto o componente de menor ponto de ebulição irá evaporar e o outro fica, e vale dizer que isso é um processo natural e não exige ação do homem. Ex.: O sal retirado do mar, usa-se evaporação para separa-lo da água. 7. Destilação Simples: Também usado para misturas homogenias, a diferença desse método com a evaporação é que a destilação simples exige a ação do homem e vidrarias, ou seja, é feita em laboratório. Usando o ponto de ebulição de um dos componentes a mistura é aquecida e quando se torna vapor sobe pela coluna de vidro, percorre um caminho e se torna líquido de novo enquanto o outro componente continuará (só que dessa vez separado do outro) no recipiente onde estava a mistura. Ex.: Água e sal. 8. Destilação Fracionada: Usa-se em misturas homogenias, é um aprimoramento da destilação simples, porém na dissolução fracionada a sua vidraria é mais complexa cheia de caminhos tortos e obstáculos que fazem com que as substâncias venham se reter e assim serem separadas. 9. Catação: Como o nome já diz a função aqui é catar misturas envolvendo sólidos e separa-los tudo manualmente. 10. Flotação: Método usado para misturas de sólidos com densidades diferentes através de um líquido, na qual geralmente usa-se água para separa-los. Vale ressaltar que os componentes da mistura devem ser hidrofóbicos (não se mistura com a água) para que funcione caso não sejam deve-se adicionar produtos químicos para que isso ocorra. O objetivo da flotação é o contrário da decantação, pois na flotação as partículas sólidas vão à superfície enquanto as mais pesadas ficam no fundo. Ex.: Na mineração usa-se de flotação para separa os minérios de outros materiais desnecessários. 11. Ventilação: O nome diz tudo, esse método usa do vento para que substâncias mais leves venham ser retiradas das substâncias mais pesadas. Ex.: Café (colhido) de palha. 12. Fusão Fracionada: A mistura de substâncias sólidas é aquecida até que a de menor ponto de fusão derreta e possa ser separada, isso é feito quantas vezes for necessário até que se retire todas as substâncias. Ex.: Ligas metálicas estão cheias de metais diferentes que podem ser separados por esse método. 13. Sublimação: Essa é a mudança direta do estado sólido ao gasoso (o contrário também). Em meio a misturas de algumas substâncias usa-se dessa propriedade física a favor para que elas venham ser separadas se tornando gases e assim restando somente os que não sofrem ebulição. Ex.: Naftalina ou Iodo com qualquer coisa. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 11 14. Separação Magnética (Imantação): É óbvio que dá para perceber que a mistura deve ter a participação de metais na sua composição. Um ímã é usado para que os metais venham ser atraídos deixando para trás somente aqueles que não tem propriedades ferromagnéticas. Ex.: Pó de ferro e Sal. 15. Sifonação: Os livros complicam muito na definição deste último método, mas a sifonação é nada mais nada menos do que usar uma mangueira (sifão) para retirar um certo líquido de um lugar e pôr em outro. Ex.: Roubar gasolina do carro da empresa. INCERTEZA NA MEDIDA Quando medimos ou lhe damos com coisas muito pequenas os números decimais são enormes e ficam bem complicados de fazer contas, quando arredondados esses números apresentam muitas incertezas por não sabermos se esse número realmente condiz com a verdade. Não se pode medir nada de forma exata, temos o metro e depois o centímetro e em seguida o milímetro e assim vai até as menores medidas possíveis, mas es a questão: como posso fazer isso com uma régua? A resposta é simples: não pode. É aí que mora a incerteza na hora de calcularmos ou medir as coisas. Algarismos Significativos Os algarismos significativos são uma representação da quantidade de dígitos que tem algum valor num dado número. Temos que 203 tem três algarismos significativos e 0,00203 também tem três algarismos significativos isso por que os zeros que estão à esquerda não representam valor e sim somente o tamanho do número. Todos os dígitos num número são algarismos significativos a única coisa que se deve prestar atenção é quanto aos zeros que podem ou não ser. Os zeros que estão entre dígitos diferentes de zero sempre serão algarismos significativos, os zeros que estão no final de um número que contem vírgula sempre serão algarismos significativos, os zeros à esquerda não são algarismos significativos e os zeros que estão no final de um número que não contém a vírgula podem ou não ser algarismos significativos sendo uma incerteza. A notação científica é uma forma mais rápida de se analisar os algarismos significativos existentes num número, pois todos os números representados antes da potência de 10 são algarismos significativos. Temos que 3,02x103 tem três algarismos significativos não importando quão grande é a potência de 10. Ex.: 132 tem três algarismos significativos Ex.: 130 tem dois ou três algarismos significativos (incerteza) EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 12 Ex.: 12003 tem cinco algarismos significativos Ex.: 2,05 tem três algarismos significativos Ex.: 2,50 tem três algarismos significativos Ex.: 0,0012 tem dois algarismos significativos Ex.: 3,14x104 tem três algarismos significativos Ex.: 1,200x103 tem quatro algarismos significativos Cálculos Com Algarismos Significativos Em muitas áreas que envolvem as ciências exatas é necessário trabalhar com muitos números e geralmente são números miúdos e quebrados dificultando certas contas. Os algarismos significativos são usados e analisados nos cálculos para que o resultado final venha ter somente um número de incerteza (no caso é o último número), pois muitos cálculos exigem a exatidão e acumular esses erros da incerteza durante a conta é perigoso e pode mudar o resultado real. Fazer cálculos com os algarismos significativos exigem duas regras básicas: regra da multiplicação e divisão e regra da soma e subtração. Quando se multiplica ou divide números o resultado deverá conter a mesma quantidade de algarismos significativos que o número que tem a menor quantidade de algarismos significativos, se o resultado tiver algarismos significativos a mais então deve-se arredondar. Quando se soma ou subtrai números a resposta deve conter a mesma quantidade de casas decimais que o número que tem a menor quantidade de casas decimais. O arredondamento é uma técnica bem simples que ajuda muito na hora dos cálculos diminuindo números ao tamanho desejado. Para arredondar qualquer número segue-se alguns passos: 1) O arredondamento é feito da direita para a esquerda analisando cada um dos dígitos (Não me diga?). 2) Se o dígito da direita for maior que 5 então o da esquerda será acrescentado em +1. 3) Se o dígito da direita for menor que 5 então o da esquerda permanecerá com o mesmo valor. 4) Se o dígito da direita for igual a 5 então observe o número da esquerda: se ele for ímpar será acrescentado em +1, mas se for par permanecerá o mesmo valor. Aqui vai alguns exemplos sobre cálculos com algarismos significativos(AS) acompanhados da técnica de arredondamento. Ex.: 2,32 x 5,102 = 11,83664 = 11,8 Ex.: 91,0 x 2,21 x 1,532 = 308,10052 = 308 EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 13 Ex.: 𝟏,𝟓𝟑𝟏 𝟎,𝟎𝟑𝟐 = 47,84375 = 48 (obs.: o número 0,032 tem dois AS) Ex.: 7,15 + 15 = 22,15 = 22 Ex.: 6,21 + 6,0 + 5,235 = 17,445 = 17,4 Ex.: 0,165 + 0,12358 = 0,28858 = 0,289 Ex.: 25,0 – 0,641684 = 24,358316 = 24,4 Ex.: 20,23 – 20,0 = 0,2 Análise Dimensional A análise dimensional é uma tática muito boa para se usar nos cálculos envolvendo várias unidades, pois dessa forma enquanto se calcula se pode visualizar o que está acontecendo e saber se está indo ao caminho certo. Existem muitas táticas para análise dimensional que é mais usada na estequiometria, então aqui só para dá uma introdução as táticas vamos ver como se usa a análise dimensional em conversão de unidades. Para convertemos algo usando a análise dimensional devemos usar os fatores de conversão adequados, segundo Brown (2008) “um fator de conversão é uma fração cujos numerador e denominador são as mesmas grandezas expressas em diferentes unidades”. Dessa forma usamos o fator de conversão para multiplicar com o número que se deseja converter, sendo que no fator de conversão deve ter a unidade a ser convertida no denominador e a unidade desejada no numerador para que assim possam ser canceladas. Ex.: Converter 5,23 g para Libra (lib.) 1 lib. = 453,6 g e queremos converter o grama para libra então: 𝟏 𝐥𝐢𝐛. 𝟒𝟓𝟑,𝟔 𝐠 Usando desse fator de conversão vamos multiplicar com 5,23 g e chegar ao resultado. (5,23 g) × ( 1 lib. 453,6 g ) = 0,0115 lib. Perceba como é simples e prático o uso da análise dimensional. Vale ressaltar que é muito importante ter sempre uma tabela de conversão em mãos, é uma obrigação para qualquer engenheiro o uso de sua tabela. Toda vez que se for converter algo sempre será desse jeito como foi mostrado acima. Vejamos outro exemplo usando dois fatores de conversão ao mesmo tempo. Ex.: Converter 12,6 m para pés (fot.) Digamos que não se sabe a forma direta para chegarmos até pés e somente temos de cm para pés. Então convertemos de m para cm e depois de cm para fot. 1 m = 100 cm, então: 𝟏𝟎𝟎 𝐜𝐦 𝟏 𝐦 e 1 cm = 0,0328 fot., então: 𝟎,𝟎𝟑𝟐𝟖 𝐟𝐨𝐭. 𝟏 𝐜𝐦 fazendo a conta fica assim: EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 14 (12,6 m) × ( 100 cm 1 m ) × ( 0,0328 fot. 1 cm ) = 41,328 fot. Bom depois de ver esses dois exemplos já dá para cair a ficha de como funciona a análise dimensional né? Você vai analisar a dimensão (sério mesmo?) e essa análise pode servir para conversão entre unidades totalmente diferentes como achar o peso em gramas de duas polegada cúbica de ouro (2 pol3), claro que não da para fazer isso direto e teremos que usar da densidade do ouro que é 19,3 g/cm3, ou seja se quisermos mudar de uma unidade para outra totalmente diferente precisamos de algum artifício que faça parte do objeto que se deseja converter e usa-lo como fator de conversão. Ex.: Para transformamos de pol3 para gramas precisamos de algo que cancele o pol3, mas também precisamos tirar aquele cm3 que esta debaixo do gramas. Ora pol3 e cm3 são unidades de volume, logo podem ser convertidas de forma direta então o pol3 será convertido para cm3 aí sim podemos converter de boa. Aí no meio do caminho o cara não sabe como converter de pol3 para cm3, agora pronto ... “pera” aí mas eu sei converter de pol para cm! Tá mas o que isso me ajuda? A análise dimensional lhe forneçe a resposta: sabendo que 1 pol = 2,54 cm então se elevarmos todo mundo ao cubo a pol e o cm ficarão pol3 e cm3 sacou? 2,54 cm 1 pol ( 2,54 cm 1 pol ) 3 2,543cm3 13pol3 16,39 cm3 1 pol3 Agora que temos todos os ingredientes é hora de fazer o bolo! (2 pol3) × ( 16,39 cm3 1 pol3 ) × ( 19,3 g 1 cm3 ) = 633 g Para fechar esta parte do assunto é bom dizer que a análise dimensional é importantíssima para conversões e a estequiometria, se você encontro dificuldades nesse método não se preocupe pois iremos usa-lo por todo o trajeto e isso fará você se acostumar ao método. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 15 PARTE II ÁTOMOS, MOLÉCULAS E ÍONS EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 16 A ESTRUTURA ATÔMICA Bom nesta parte do livro não vou ficar enrolando dizendo como os átomos foram descobertos ou o que fizeram para descobri tal coisa, lembre-se que este é um livro de revisão e o que lhe interessa aqui é os assuntos que você vai realmente usar na sua vida. Então bora parar com essa enrolação e começar os estudos dos átomos logo! Para químicos o importante a saber dos átomos é que eles são compostos por prótons, nêutrons e elétrons isso por que eles influenciam o comportamento químico dos átomos, mas claro eles não são as únicas partículas subatômicas que existem no átomo as demais só interessa aos físicos. Encontrar uma boa definição para cada uma dessas três partículas subatômicas é complicado, os livros enrolam demais e fica só naquele papo de quanto ele pesa, mede, sua energia etc. mas e a sua real definição? Bom vamos lá, lembrando que eu não sou formado em licenciatura mas escrevo por experiência. Próton é o nome dado a partícula que, juntamente com o nêutron, compõe o núcleo, ou seja, faz parte do núcleo, tem uma carga positiva e massa pequeníssima, ele é estático e fica aglomerado em conjunto juntamente com o nêutron no centro do átomo formando o núcleo. Nêutron é o parceiro do próton (ele é o bofe do próton) e está aglomerado juntamente com o próton no qual ambos formam o núcleo, sua massa é a quase a mesma do próton, ele não tem carga (por isso o nome) e sua função é evitar que a aglomeração de prótons entre em colapso isso por que as cargas iguais dos prótons causaria a repulsão entre os mesmos ocasionando a quebra da estrutura do núcleo. Elétrons são como as crianças, não param no lugar e sempre são cheias de energia, sua carga é negativa e sua massa tão insignificante que chega a ser pequeníssima na frente do próton que já é um elemento pequeníssimo (da bug no cérebro só de pensar). Essas pestes não param um instante, ficam ao redor do núcleo passeando em um espaço enorme, mas só por que é um espaço enorme não quer dizer que é desorganizado, os elétrons são divididos em camadas e essas camadas em subcamadas (ou orbitais). As camadas são 7 que são nomeadas não sei por que (e nem nos interessa) pelos os fodões lá do passado na seguinte ordem: K, L, M, N, O, P, Q. Pura frescura. Então como você pode ver na figura abaixo, seguindo a ordem crescente dessas letras percebe-se que cada vez mais elas se distanciam do núcleo. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 17 Fonte: Autoria própria Em cada uma dessas camadas tem uma certa quantidade de elétrons viajando dentro delas, isso significa que existe uma quantidade limite de elétrons por camada que são o seguinte: K: 2 L: 8 M: 18 N: 32 O: 50 P: 72 Q: 98 Os elétrons dentro das camadas estão organizados em orbitais que são no total 4: s, p, d, f (em minúsculo mesmo), e são enumerados respectivamente como 0, 1, 2, 3. Porque enumerados? Só por via de organização e nomenclatura do mesmo jeito que as camadas são enumeradas de 1 à 7. Existe mais assunto sobre os elétrons mais isso é o que vamos ver somente na Parte VI deste capítulo. Isótopos, Isóbaros, Isótonos e Isoelétricos O mais importante desses quatro são os Isótopos. O que eles são? Bom assim como existem váriaspessoas diferentes e iguais nesse mundo o mesmo acontece com os átomos, isótopos são como as pessoas que são esteticamente parecidas com você (no cabelo, cor da pele, altura e olhos), mas que é diferente somente numa coisa: Massa. Átomos isótopos são aqueles que tem um número de nêutrons diferentes um do outro, sendo que são do mesmo elemento, que consequentemente resulta em massas diferentes por que a massa de um átomo é o número de prótons + o número de nêutrons. Ex.: Tem-se o seguinte: EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 18 Fonte: O autor Perceba que o número localizado a esquerda do símbolo do carbono diz qual é a massa do mesmo. Nesse caso esses átomos são chamados de isótopos, então dizemos assim: O isótopo carbono 11, o isótopo carbono 12 etc. Eles também são chamados de nuclídeos. O átomo de carbono que você vê na tabela periódica não é nenhum deles, é simplesmente o resultado da média ponderada dos seus isótopos. Então resumindo os isótopos são átomos em que diferem no número de nêutrons que consequentemente irá diferenciar a massa desse átomo. Voltando a comparação com pessoas o isótopo é aquele seu irmão/irmã que é igualzinho a você mas ele/ela é mais magro ou gordo que você. Isóbaros já não se deve comparar usando seu irmão/irmã, pois nesse caso envolve pessoas diferentes, ou seja, átomos diferentes. Esses átomos são aqueles iguais somente na sua massa, o resto é tudo diferente. É como se fosse aquela pessoa que tem os mesmos Kg que você, mas todo o resto tem nada haver com você. Ex.: Fonte: O autor Bom a explicação para esses átomos é basicamente isso, é só para você saber que eles existem mesmo. Isótonos é o pessoal que tem o mesmo número de nêutrons. É comparado aquele seu amigo que é totalmente o oposto de você (na aparência), mas o que une vocês são seus gostos que são os mesmos. Então a moral da estória é o seguinte: Você não sabe que ele tem algo em comum com você até realmente conhece-lo. No mundo dos átomos não é diferente, para descobrir um isótono é necessário conhecer as características do átomo para aí sim descobrir a verdade. Para fazer isso é necessário subtrair o valor da massa com o número de prótons (Z) ou número atômico (é a mesma coisa). Ex.: Fonte: O autor Subtraindo Massa – Prótons chega-se rapidamente ao resultado que é o número de nêutrons expresso na tabela. Esse é mais um conceito só para você saber que eles existem mesmo, não há grande relevância envolvendo esse pessoal nos estudos. Espero que você tenha entendido a explicação com aquele seu amigo nada haver com você né? Não tem como saber se o átomo é um isótono logo de cara! Isoelétricos são os últimos dessa lista e o nome desse cara já diz tudo não é? Vamos falar grego um pouco: iso = igual (por extenso: iso é igual à igual, ok isso foi podre), por isso que usam essa palavra para se referir a propriedades ou características iguais. Então não preciso mais falar Elemento Prótons Elétrons Nêutrons Massa 11C 6 6 5 11 12C 6 6 6 12 Elemento Prótons Elétrons Nêutrons Massa 14C 6 6 8 14 14N 7 7 7 14 Elemento Prótons Elétrons Nêutrons Massa 11B 5 5 6 11 10Be 4 4 6 10 EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 19 nada né (ou seria escrever?), os átomos isoelétricos são aqueles em que suas quantidades de elétrons são iguais independentemente se são íons ou qualquer outra coisa a única coisa que importa é o número de elétrons ser iguais. Ex.: Fonte: O autor Perceba que as massas desses caras tão quebradas por que eles são o pessoal lá da tabela periódica, ou seja, eles são o resultado da massa ponderada de seus isótopos que resulta em números quebrados. Então aqui termina esse tópico que só faz te lembrar uma coisa: O que importa são os isótopos, o resto é só para saber que existe mesmo. Média ponderada das massas atômicas Agora que você já sabe de tudo isso hora de lhe dizer em que você vai usar esse conhecimento, uma matemática muito simples vai te mostrar como tirar essa média ponderada. Para ter a resposta certa deve-se ter em mãos os seguintes dados: as respectivas porcentagem e massa de cada isótopo. Porcentagem? Bom é o seguinte, os isótopos são átomos encontrados na natureza e existe uma porcentagem de cada isótopo da sua quantidade encontrada chamada de abundância, por exemplo o famoso 12C é encontrado numa porcentagem de 99% na natureza enquanto o outro 1% é distribuído entre os outros isótopos. Tendo esses dados o que você faz é o seguinte cálculo: multiplica cada massa com suas respectivas porcentagens e no final soma tudo. Fim. Pode-se resumir tudo numa pequena formula (decorebas adoram formulas). (𝑌1) × (𝑋1) + (𝑌2) × (𝑋2) = 𝑀𝐴𝑀 Em que: y = Porcentagem do isótopo x = Massa do Isótopo MAM = Massa Atômica Média Ex.: Temos o 12C com 98,93% de abundância e massa de 12 u e o 13C com 1,07% de abundância e massa de 13,00335 u. (0,9893) × (12) + (0,0107) × (13,00335) = 12,010735845 𝑢 Viu como é bem simples? Só lembre-se de uma coisa, NÂO arredonde essas gracinhas de números decimais por que isso vai dar num resultado totalmente errado. Se por acaso encontrar alguma questão por aí que peça para você achar a porcentagem de algum isótopo é bem simples de se resolver: A questão terá que lhe dar as massas dos isótopos e a média ponderada deles, assim você pega esses dados e coloca na formula normalmente e representará as porcentagens como forma de variáveis; para finalizar relacione as duas variáveis assim: y1 + y2 = 1, isso por que são porcentagens e somando todas as porcentagens o resultado Elemento Prótons Elétrons Massa Li+ 3 2 6,94 Be2+ 4 2 9,01 EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 20 100%, ou seja, 1; daí é só resolver por sistema e pronto acabou (se você tem dificuldades com sistemas vá ao capítulo 4). Ex.: Por preguiça eu vou usar o caso do carbono lá em cima. { (𝑦1) × (12) + (𝑦2) × (13,00335) = 12,010735845 𝑢 𝑦1 + 𝑦2 = 1 × 12 { 12𝑦1 + 13,00335𝑦2 = 12,010735845 𝑢 12𝑦1 + 12𝑦2 = 12 (−) ↓ { 13,00335𝑦2 = 12,010735845 𝑢 12𝑦2 = 12 (−) ↓ 1,00335𝑦2 = 0,010735845 𝒚𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟕 𝑦1 + 𝑦2 = 1 𝑦1 = 1 − 0,0107 𝒚𝟏 = 𝟎, 𝟗𝟖𝟗𝟑 Bom depois desse exemplo creio que não restam mais dúvidas de como fazer alguma questão envolvendo a massa ponderada dos átomos, agora é só correr para o abraço. A TEBÉLA PERIÓDICA Bom chegou a belezinha que todo químico tem que aprender a ler de todos os ângulos possíveis, querendo ou não a tabela periódica é algo poderoso, pois toda a informação da química pode ser lida olhando para ela. O assunto abordado aqui é como se deve lê-la e sugar o máximo de informação possível, mas não vou dizer tudo por que ainda tem mais assunto em nível molecular e atômico que tenho de explicar mais pela frente. Então o que será feito aqui será uma forma de apresentação formal entre você e a querida tabela periódica. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 21 Oi prazer meu nome é Tabela Periódica dos Elementos, tenho nasci em 1869 e fui criada por Dmitri Ivanovich Mendeleiev, no início eu era feinha e incompleta mas agora estou crescidinha e com belas curvas. Bom vamos analisa-la com calma, listo aqui a ordem com que será apresentada as partes dessa garota: Colunas, Períodos, Metais, Metaisde Transição, Actinídeos, Lantanídeos, Não Metais, Gases Nobres, Massa Atômica e Camadas. Vamos lá! As colunas (ou família) organizam os elementos que tem características parecidas, pois, tirando o hidrogênio, observa-se que todos os elementos da primeira coluna da tabela são metais. As colunas são enumeradas de duas formas diferentes: a primeira é usada pela IUPAC que conta todas as colunas de forma ininterrupta resultando em 18 colunas, a segunda é usada por muitas tabelas (e julgo ser a melhor forma) em que as colunas superiores (1, 2 e 13 até 18) estão enumeradas de 1 à 8 seguidas da letra A e as colunas inferiores (3 até 12) são enumeradas de uma forma diferente seguida da letra B: 1B, 4B, 5B, 7B, 8B (ocupando três colunas), 1B (de novo) e 2B. O motivo disso será explicado em outra hora. Veja um exemplo do segundo modelo. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 22 Tabela Periódica dos Elementos, tirada do site: http://blogdoenem.com.br/quimica-revisao-fuvest/. Acesso em: 17/08/2015. Períodos são a organização dos elementos em ordem crescente dos seus números atômicos (Z), esse número é representado em cima do símbolo do elemento. Perceba você mesmo que se você olhar o número atômico (ou carga eletrônica) do potássio (K) até o ultimo do período (Kr) a carga eletrônica aumenta aos poucos em cada elemento com um aumento de 1. Metais são os caras das duas primeira colunas (1 e 2), sabe por que eles tem esse nome? Sim por que eles são metais... Ok depois dessa eu vou falar sério. Os metais são divididos em dois: os primeiros são os metais alcalinos pertencentes ao grupo 1 e os segundos (vascaínos) são os metais alcalinos terrosos pertencentes ao grupo 2. Os metais são átomos com orbitais que chegam até “s”. Não vou entrar em mais detalhes, isso é assunto para outra hora. Metais de transição são os elementos renegados da tabela periódica (3 à 12) ninguém liga para eles coitados, mas também não é para menos esse pessoal é complicado mesmo. Mais para frente você vai entender o porquê deles serem chatinhos, mas só de olhar para a sua numeração do modelo 2 já dá para ter uma visão de como o negócio é tenso. Mas tem ouro (Au) e prata (Ag) no meio deles como assim eles são renegados? Bom meu caro estamos falando de química e fazemos contas e cálculos com os elementos da tabela além de análises detalhadas do seu comportamento, pegue um livro de química e veja que o centro das atenções são os metais, não metais e gases nobres enquanto os outro são falados de forma especifica em alguns assuntos. Esse barraco todo montado é por causa da instabilidade desse pessoal, eles são tudo doido e suas características não seguem uma ordem tornando cálculos e análises um pouco mais complicados. Eles são de transição por que da primeira coluna (3) até a última (12) ele vai perdendo suas características de metal para ser não metal. Actinídeos e Lantanídeos são outros coitados da tabela (colunas 3 à 12), são tão rejeitados que é difícil um livro envolver contas e análises com eles. Esse pessoal eu não o que se faz com eles não! Mas tá aí né? Pelo menos sabemos que eles existem... Tá bom vamos deixar a idiotice de lado. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 23 Os actinídeos são radioativos já o lantanídeos não, eles estão dispostos à parte por causa da camada em que seus elétrons se dispõe, isso quer dizer que eles são bem eletrônicos e seus orbitais são todos “f” que é muito diferente dos metais de transição que é “d”. Não Metais (13 à 17) são um dos centro das atenções, mas também eles são muito importantes e é um dos focos dos estudos do químico. Elementos encontrados em altíssimas quantidades estão listados aí no meio, como o oxigênio (O), Nitrogênio (N) e Carbono (C). Seus elétrons chegam até os orbitais “p”, em relação aos metais os não metais são mais eletrônicos, pois o orbital “p” significa que tem uma quantidade boa de elétrons enquanto os metais vão até o orbital “s”. Logo, logo eu explico melhor sobre orbitais e elétrons. Gases Nobres (coluna 18) são as modelos da tabela, lindas, maravilhosas e perfeitas ou são aqueles caras malhados e musculosos, loiros de olhos azuis. Esse pessoal são os ditos perfeitos, mas o motivo ainda não pode ser explicado agora por que envolve os assuntos de ligações química que será discutido em outra ocasião. Seus orbitais também são “p” assim como os não metais. As massas atômicas dos elementos estão localizadas bem abaixo do símbolo e acima do nome, como já disse antes essa massa é o resultado da média ponderada dos isótopos de cada elemento e é dessas massas que tiramos os dados para cálculos estequiométrico que será aprendido na próxima parte deste capítulo, por enquanto basta saber só disso mesmo. Por fim as camadas são aquelas que eu lhe apresentei antes, são enumeradas de 1 à 7 com as letras K, L, M, N, O, P, Q. Na tabela periódica você pode vê-la pelas colunas, se você prestar atenção nos lados extremos da tabela perceberá a numeração de 1 à 7 descendo as colunas, bom isso é a representação das camadas nos indicando que os elementos daquele período são da camada tal. Isso vai lhe ajudar ao estudar as características dos átomos e moléculas. MOLÉCULAS E COMPOSTOS MOLECULARES Átomos são difíceis de se encontrar por aí (salvo as patricinhas dos gases nobres), nós estamos rodeados é na verdade de moléculas que são nada mais nada menos que um conjunto de átomos (do mesmo tipo) firmemente ligados entre si de tal modo que eles formam um arranjo, ou aglomerado, ou pacote de átomos. As moléculas são representadas por formulas químicas que não é novidade para você, é o símbolo do átomo presente na molécula enumerado de acordo com a quantidade presente na mesma. Ex.: O gás oxigênio é uma molécula formada por dois átomos de oxigênio (O + O) logo sua formula química é O2. No caso desse pessoal: O2, N2, H2 etc. Eles são chamados de diatômicos. Quando há uma reunião de moléculas diferentes então o resultado é chamado de compostos moleculares, é bem simples, é quando átomos diferentes se unem para formar uma molécula. Ex.: Temos a água que é formada por H2 e O resultando na molécula H2O. A representação de compostos moleculares se dá com as formulas moleculares, é parecido com as formulas químicas só que dessa vez a representação será feita com mais de um átomo. Ex.: H2O, H2O2, CH4, CO2 etc. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 24 Além das formulas moleculares temos a chamada formula mínima que é uma forma resumida de se representar os compostos, para fazer esse resumo é importante analisar a proporção dos números que indicam a quantidade de átomos na molécula, quando existe um múltiplo entre esses números então simplificamos para a menor forma possível. Ex.: Temos o peróxido de hidrogênio H2O2, perceba que há um múltiplo entre esses dois números então podemos simplificar ficando assim: HO. Mais sobre ela será estudado na próxima parte, pois a partir de uma formula mínima pode-se chegar a uma formula molecular. Vou usar isso em alguma coisa? Bom se eu estou citando isso aqui então é por que você vai usar sim, existem técnicas laboratoriais para encontrar certos elementos em que o resultado sai em formulas mínimas e você deverá saber como lhe dar com elas, mas por enquanto só estou lhe apresentado para depois conhecermos mais um pouco dela. Não basta somente representar as moléculas tem que visualiza-las também. Para isso existem algumas técnicas que vou apresentar a você agora, mas não vou explicar nada por ser assunto que ainda vem pela frente. Formulas estruturais, são aquelas feitas pelos símbolos dos elementos ligados por traços: Formulas de perspectivas, são aquelas que mostram o arranjoespacial da molécula: Esse assunto será estudado de uma forma bem mais profunda e interessante em outra parte desse assunto. Esse assunto é bem minucioso e causa raiva em alguns, mas é necessário aprender pois é muito importante analisar as estruturas dos compostos com uma visão científica e detalhada. Íons e Compostos Iônicos Esse pessoal são aqueles que amam os gases nobres. São divididos em duas categorias: Os cátions e os ânions. Vamos direto ao assunto e explicar o que são cada um e como se comportam. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 25 Os cátions são os átomos que perderam elétrons para ficarem parecidos com os gases nobres, por que? Ora eles são perfeitos todos os elementos querem ser iguais a eles e o cátions são os caras que tem uma pequena quantidade de elétrons a mais que o gás nobre mais próximo. Esse pessoal são os metais e são representados com um “+” acima do símbolo seguido do número de vezes que se perde os elétrons. Por que um sinal de “+” se o cara tá perdendo elétrons? Lembra que eu falei que os elétrons tem carga negativa? Então, quando um átomo está perdendo elétrons ele acaba por ficar positivo já que ele está perdendo uma coisa negativa. A diferença do átomo normal para um cátion não está somente na representação, mas também no seu tamanho. Os cátions tem um tamanho menor do que seu átomo original isso por que ele tá perdendo elétrons então claramente algumas camadas vão sendo perdidas. Ex.: “Na” tem 11 elétrons mas morre de amores pelo “Ne” que tem 10, então por amor ele perde um elétron ficando com 10 elétrons e seu símbolo fica Na+. Perceba que o sódio original tem três camadas: K, L e M. E com a perda de um elétron o sódio fica com uma camada a menos. O tamanho atingido pelo íon é igual ao tamanho do gás nobre que ele ama. Agora vamos falar de ânions, eles são o oposto dos cátions pois agora o objetivo é ganhar elétrons. O motivo de ganhar elétrons é o mesmo dos cátion, são apaixonados pelas patricinhas perfeitas dos gases nobres e para chegar ao gás nobre mais próximo deles é necessário ganhar elétrons. Esses são os não metais, estão bem próximos dos gases nobres. Como eles recebem elétrons então eles recebem carga negativa (por que o elétron tem carga negativa) então sua representação é um sinal de “- “acima do seu símbolo seguido do número de vezes que se adiciona elétrons ao átomo. Ex.: “Cl” tem 17 elétrons e é apaixonado pela sua vizinha o gás nobre “Ar” com 18 elétrons, então o cloro vai ter que dá um jeito de ganhar um elétron para ficar perto do seu amor, se tornando Cl - . EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 26 Ué, mas não mudou nada!? Olha, só porque o cara não aumentou uma camada a mais não quer dizer que ele vai continuar a mesma coisa. Esse exemplo do cloro foi proposital (mentira eu peguei do livro) para que você não se engane pelas aparências, mesmo sendo que uma camada não foi adicionada o átomo aumentou sim, pois existem os orbitais (lembra?), ou seja, ele aumentou de uma forma que a sua camada foi expandida e não criada outra camada. Agora chegou a hora de falar dos compostos iônicos esse pessoal é um pouco parecido com os compostos moleculares a mudança fica em como eles se ligam. Bom os compostos moleculares são formados por moléculas e os compostos iônicos por íons (isso não é difícil de perceber), ou seja, todos os componentes de um composto iônico são íons. Agora sim ficou mais fácil entender. Mas a ligação não ocorre de qualquer forma, ela ocorre entre cátions e ânions (metais e não metais) isso por que os opostos se atraem. A ligação iônica ocorre como uma transferência de elétrons, primeiramente eles estão nêutrons e quando se encontram se tornam íons e se ligam. O motivo e o porquê dessas ligações não é para agora depois eu explico. Bom resumido, os compostos moleculares são quase sempre formados por não metais e os iônicos por metais com não metais. Abaixo veja um exemplo simples de como representar esse pessoal. Ex.: É claro que todos os primeiros exemplos de compostos iônicos de todos os livros falam do sal de cozinha, ele é o mais simples de todos. E eu vou seguir o mesmo padrão, claro estou sobre ombros de gigantes. Analisando esse meu desenho ridículo, perceba que o sódio perde um elétron (cátion) e o cloro recebe um elétron (ânion). Quando isso acontece os dois conseguem se satisfazer, lembre- se que o objetivo de todo íon é chegar a ser igual ao amor da sua vida (gás nobre), quando o sódio dá um elétron para o cloro ambos conseguem o que eles precisam. Quando o negócio dá certo os EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 27 dois ficam estabilizados e como eles são de sinais contrários um será atraído pelo outro resultando numa ligação. Olhando essa situação do ponto de vista da nomenclatura precisamos fazer um pequeno macete para chegarmos ao resultado real. Temos o Na+ e o Cl-, e queremos representa-los como composto iônico, é bastante simples: Junte os dois numa só nomenclatura, se eles dois tivessem outro número na indicação do íon além do 1 (o Na é +1 e o Cl é -1) o procedimento a ser feito seria trocar os números de lugar e coloca-los no lado inferior direito do outro íon. Ex.: Mg2+ e N3- ficará assim: Mg2+ N3- Mg3N2 Viu é só fazer isso. Essa troca também acontece com o cloreto de sódio, mas como os dois íons tem somente o número 1 no índice iônico então não há diferença representa-lo com o número ou sem o número. Assim fica a formula do cloreto de sódio: NaCl Bom esse assunto da uma pausa por aqui, ainda não é tempo de se aprofundar demais. Nesse momento basta saber o que são os compostos iônicos e como formar suas formulas. NOMENCLATURA DE COMPOSTOS INORGÂNICOS Chegamos numa parte bem chata da química, nomenclatura dos compostos inorgânicos é um decoreba infernal! Essas coisinhas são complicadas de se lembrar e você só aprende mesmo isso aí é na base da experiência, ou seja, muitos exercícios entediantes de como dar nomes a esses filhotes de cruz credo. Mas é claro, é importantíssimo saber dar nomes a esse pessoal. Não ouse entrar num laboratório sem saber dar nomes aos ácidos, óxidos, bases etc. Cátions Começando do mais simples possível os cátions são bem fáceis de se lembrar, mas é claro que você tem que ver alguns exemplos e fazer alguns exercícios para não se esquecer de como se faz. Cátions simples de elementos que não mudam de cargas são os mais fáceis de se nomear. Como assim cargas que não mudam? Existe um pessoal (os metais de transição) que seus cátions podem ser de mais um tipo, por exemplo, 1+, 2+, 3+. Quando nos deparamos com caras assim então devemos nomeá-los de outra forma. Mas voltando aos mais simples o que se deve fazer é o que está logo abaixo: Íon (nome do metal) É só isso mesmo. Por exemplo ser for o Na+ então sua nomenclatura fica “Íon sódio”. Os caras que você sempre vai nomeá-los assim são os do grupo 1A, 2A e os metais Al+3, Ag+ e Zn+2. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 28 Agora falando dos metais que tem mais de um tipo de cátion, existem duas formas de nomeá- los. A primeira é o mesmo método que mostrei acima para os íons que não variam suas cargas, a diferença está em que se deve indicar a carga do cátion. Por exemplo, temos que o Cu (não é uma ofensa) tem sua primeira aparição como íon usando o cátion com uma carga (Cu+) e depois ele aparece de novo usando duas cargas (Cu2+). Para nomeá-lo colocamos “íon” na frente depois “cobre” e por último indicamos em números romanos a carga do cátion,fica assim: Íon cobre (I) para o Cu+ e Íon cobre (II) para o Cu2+. O segundo método é antigo mais ainda é usado, ele foi feito para ferrar com a sua vida. Tem professor que é muito chato e exige que aluno saiba este segundo método, se você já sabe o primeiro método não é uma obrigação saber o segundo mais sim uma opção. Em vez de representar a carga do íon com números romanos o segundo método consiste em representá-las usando uma terminação “oso” ou “ico” no final do nome do metal em latim! (Que coisa mais absurda...). Para piorar essas terminações não são de acordo com a carga do cátion, mas sim de acordo com o número de vezes que o metal aparece (Que?!). Existem metais que o seu primeiro íon já começa com a carga 2+, então depois ele aparece com 3+. Na sua primeira aparição usamos a terminação “oso” e na sua segunda usamos “ico”. Ex.: Cu+ = íon cuproso (cuprum = cobre) Cu2+ = íon cúprico Co2+ = íon cobaltoso Se a terminação fosse de acordo com a carga do íon o Co2+ não teria a terminação “oso”, isso por que a primeira carga de íon que aparece no Co é a carga 2+. Eu não vou ficar enrolando nessa chatice de terminações que nem são obrigatórias (mas é bom saber). Antes de terminamos esse tópico de cátions é importante falar dos cátions formados por átomos não metálicos, é isso mesmo existem alguns não metais que tem o desejo de serem metais aí eles saem do armário mesmo. É muito simples, para nomeá-los basta colocar o prefixo “Íon” com o início do nome da molécula e terminação com “ônio”. Ex.: NH4+ = íon amônio H3O+ = íon hidrônio Tá bom agora chega de papo, aposto que você tá morrendo de tédio aí. Esse assunto não daqueles tipos que você tem que se matar de tanto fazer exercícios ou coisa e tal, o importante é você lembrar dessas coisas e não perder a prática. Abaixo uma tabela de íons e seus nomes. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 29 Tabela de nomenclatura de cátions Formula Nome Formula Nome 1+ 1+ H+ Íon Hidrogênio NH4+ Íon Amônio Li+ Íon Lítio Cu+ Íon Cobre (I) ou Cuproso Na+ Íon Sódio K+ Íon Potássio Cs+ Íon Césio Ag+ Íon Prata 2+ 2+ Mg2+ Íon Magnésio Co2+ Íon Cobalto (II) ou Cobaltoso Ca2+ Íon Cálcio Cu2+ Íon Cobre (II) ou Cúprico Sr2+ Íon Estrôncio Fe2+ Íon Ferro (II) ou Ferroso Ba2+ Íon Bário Mn2+ Íon Manganês (II) ou Manganoso Zn2+ Íon Zinco Hg22+ Íon Mercúrio (I) ou Mercuroso Cd2+ Íon Cádmio Hg2+ Íon Mercúrio (II) ou Mercúrico Ni2+ Íon Níquel (II) ou Niqueloso Pb2+ Íon Chumbo (II) ou Plumboso Sn2+ Íon Estanho (II) ou Estanoso 3+ 3+ Al3+ Íon Alumínio Cr3+ Íon Cromo (III) ou Íon Crómico Fe3+ Íon Ferro (III) ou Íon Férrico Fonte: Dados de Brown (2008), tabela personalizada pelo autor. Nota: Hg22+ é dado como Íon mercúrio (I) por que são dois átomos de Hg que recebem os dois e não somente um. Ânions Depois de falar dos cátions é hora do oposto. Os mais simples tipos de ânions com certeza são os monoatômicos, e sua terminação sempre será em “eto” sendo a única exceção é o oxigênio (O) que tem a terminação com “ido”. Ex.: H- = Íon Hidreto N3- = Íon Nitreto O2- = Íon Óxido Alguns ânions poliatômicos seguem o mesmo ritmo. Ex.: OH- = Íon Hidróxido CN- = Íon Cianeto O22- = Íon Peróxido Agora temos os casos de ânions que são formados com átomos de oxigênio e outros elementos. Nesse caso o sufixo muda de acordo com a quantidade de oxigênios presentes. A terminação “ato” é feita quando o ânion tem a sua quantidade de oxigênios padrão, se caso tiver a menos então a terminação fica “ito”. Como vejo se o ânion tá padrão? É só você analisar quem é o átomo central, aquele o qual o oxigênio está se ligando. Se o cara aguenta no máximo três oxigênios então três é o padrão e será nomeado “ato” se tiver dois ele será “ito”, ou se ele aguenta quatro então quatro será o padrão e três será o “ito”. Vejas alguns exemplos. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 30 Ex.: NO3- = Íon Nitrato (padrão) / NO2- = Íon Nitrito (um a menos) SO42- = Íon Sulfato (padrão) / SO32- = Íon Sulfito (um a menos) Obs.: Eu falei que era para analisar o átomo central e ver quanto ele aguenta, mas lembre-se que estamos falando de íons e não de simples compostos. Se você perceber o nitrogênio (N) aguenta quatro oxigênios (O) mas se ele tiver esses quatros ele não pode ser mais um íon. Então resumindo a análise é feita de acordo com o íon e não com o átomo em si. Existem certos compostos que podem ter mais dois tipos diferentes de ânions, isso por que ele pode ter várias quantidades de oxigênio. Isso acontece com o cloro (Cl). Nesse caso existe uma modificação na nomenclatura, em vez de somente “ato” e “ito” como sufixo agora teremos prefixos. O composto ClO3- é o padrão da ligação do Cloro com o Oxigênio, e é a partir dele que você observa os outros e coloca os nomes específicos. Quando ele tem um O a menos ele segue o mesmo padrão usando “ito”, mas se ele tiver dois a menos o “ito” continua e será acrescentado “hipo” como prefixo, agora quando o composto está na sua forma padrão (no caso ClO3-) ele segue o nome de “ato” e se caso ele tiver um a mais o “ato” continua e será adicionado o “per” como prefixo. Ex.: ClO4- = Íon Perclorato (Uma a mais) ClO3- = Íon Clorato (padrão) ClO2- = Íon Clorito (Um a menos) ClO- = Íon Hipoclorito (Dois a menos) Usando o caso acima como exemplo você pode nomear todos os ânions que tem várias numerações de oxigênios (O). Como é que eu vou saber se ele tem várias quantidades de O? Do mesmo jeito que eu falei antes, vai metendo “O” dentro dele e fica vendo até onde ele aguenta, se o cara aguenta um e depois aguenta bem uns quatro pode ter certeza que esse cara é rodado e tem vários nomes. Por fim vamos falar de um caso especial onde temos um pessoal que recebe o íon H+ e acaba tendo o nome do hidrogênio no nome. É muito simples, basta colocar a palavra “Hidrogeno” seguido do nome do ânion. Ex.: CO32- = Íon Carbonato / HCO3- = Íon Hidrogenocarbonato PO43- = Íon Fosfato / H2PO3- = Íon Diidrogenofosfato Obs.: 1° Por causa da carga do H+ o resultado final do composto tem uma carga menos como dá para perceber ao comparar o ânion antes e depois de receber o hidrogênio (H). 2° no ânion H2PO3- o seu nome começa com Diidrogeno justamente pelo fato de ter dois hidrogênios. Sempre quando for escrever o íon de alguém átomo observe onde ele está na tabela periódica. Os metais do 1A todos são 1+ e os do 2A são todos +2. Os não metais do 7A são todos 1- e os do 6A são todos 2-. A seguir uma tabelinha básica de ânions e sua nomenclaturas. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 31 Tabela de nomenclatura de ânions Formula Nome Formula Nome 1- 1- H- Íon Hidreto C2H3O2- Íon Acetato F- Íon Fluoreto ClO3- Íon Clorato Cl- Íon Cloreto ClO4- Íon Perclorato Br- Íon Brometo NO3- Íon Nitrato I- Íon Iodeto MnO4- Íon Permanganato CN- Íon Cianeto OH- Íon Hidróxido 2- 2- O2- Íon Óxido CO32- Íon Carbonato O22- Íon Peróxido CrO42- Íon Cromato S2- Íon Sulfeto Cr2O72- Íon Dicromato SO42- Íon Sulfato 3- 3- N3- Íon Nitreto PO43- Íon Fosfato Fonte: Dados de Brown (2008), tabela personalizada pelo autor. Compostos Iônicos Bom nessa parte das nomenclatura não é tão complicado assim. Os compostos iônicos é basicamente a junção dos nomes dos dois tipos de íons envolvidos. Sempre que você analisar um composto iônico e for escrever seu nome primeiro identifique quem é o ânion e o cátion; depois você escreve o nome do ânion (que está no composto) em seguidacolo que “de” e depois o nome do cátion. Ânion de Cátion Pronto é só fazer isso que você tem o nome do composto. Veja abaixo alguns exemplos mostrando de como é essa regra na prática. Ex.: CaCl2 = Cloreto de Cálcio Al(NO3)3 = Nitrato de Alumínio Cu(ClO4)2 = Perclorato de Cobre (II) / Perclorato Cúprico Mamão com açúcar né? Nem precisa falar muita coisa sobre essa parte do assunto por que eu sei que deu para entender (tomara). Bom é só seguir esse modelo acima que tudo ocorrerá bem. Ácidos Estamos quase chagando no fim do assunto de nomenclaturas (Amém!), e agora chegou o momento de dizer que um H+ pode ferrar a sua vida, como? Essas coisinhas quando acrescentadas a formula do composto o torna em ácido, aí maninho muda nome, muda formula tudo! EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 32 Sempre que qualquer composto se torna um ácido um H+ é acrescentado no início da formula do “bixo”. O número de H’s vai depender do composto (é claro) por que deve-se analisar quantos ele precisa para se estabilizar. Ex.: Cl- (Normal) / HCl (Ácido) SO4 (Normal) / H2SO4 (Ácido) Agora na questão dos nomes não vai ser aquele bicho de sete cabeças, é só você comparar a terminação dos ânions isso por que cada terminação tem um nome diferente para seus ácidos. Vamos aos nomes: todo ânion que tem sufixo “eto” seu ácido fica com sufixo “ídrico”; todo ânion que tem sufixo “ato” seu ácido fica com sufixo “ico”; todo ânion que tem sufixo “ito” seu ácido fica “oso”. Vale ressaltar que mesmo aquele pessoal zuado com prefixos “per” e “hipo” também entra na regra. Ânion Ácido Cl- (Cloreto) HCl (Ácido Clorídrico) S2- (Sulfeto) H2S (Ácido Sulfídrico) ClO4- (Perclorato) HClO4 (Ácido Perclórico) ClO3- (Clorato) HClO3 (Ácido Clórico) ClO2- (Clorito) HClO2 (Ácido Cloroso) ClO- (Hipoclorito) HClO (Ácido Hipocloroso) CN- (Cianeto) HCN (Ácido Cianídrico) NO3 (Nitrato) HNO3 (Ácido Nítrico) SO4 (Sulfato) H2SO4 (Ácido Sulfúrico) SO3 (Sulfito) H2SO3 (Ácido Sulfuroso) Fonte: Dados de Brown (2008), tabela personalizada pelo autor. Depois dessa tabela já deu para tirar todas as dúvidas sobre nomenclatura de ácidos não é mesmo? Então vamos para a última etapa desta parte do capítulo. Compostos Moleculares Binários Quando nos deparamos com certos compostos que tem mais de um átomo do mesmo tipo, devemos representar sua quantidade no nome do cara usando aquela parada que você já deve ter visto em algum lugar: mono(1), Di(2), Tri(3), Tetra(4), Penta(5), Hexa(6), Hepta(7), Octa(8), Nona(9) e Deca(10). Bom, mas lembre-se de que estamos falando de compostos moleculares (lembra?), não é tão simples quanto nomear ácidos por que estamos falando de dois ânions juntos. Antes de saber nomear é importante como escrever suas formulas, veja os passos abaixo. 1. Dos dois ânions aquele que estiver mais à esquerda na tabela periódica é escrito primeiro. 2. O oxigênio sempre será o último a ser escrito sendo uma exceção da regra acima. Isso só não vai ocorrer quando o oxigênio estiver ligado com o flúor, nesse caso o flúor é o último a ser escrito. 3. Se os dois elementos estiverem na mesma coluna da tabela então o que está mais abaixo fica em primeiro. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 33 Bom vamos aos exemplos de formulas para depois passarmos para a nomenclaturas dessas belezinhas. Veja abaixo alguns exemplos: Ex.: Cl2O N2O4 NF3 P4S10 Todos esses quatro compostos seguem os passos que mostrei mais acima. Agora vamos ver como nomear esses compostos. 1. O elemento à direita do composto terá sufixo “eto”, e depois coloca-se a preposição “de”. Se for um composto com oxigênio seu sufixo será “ido”. 2. Depois coloca-se o nome do primeiro elemento do composto. 3. Se caso o elemento tenha mais de um átomo do mesmo tipo use os nomes que foram dados mais acima para representar a numeração de 1 à 10. 4. O prefixo “mono” é somente usado pelo primeiro elemento, não o use no segundo. Agora vamos aos exemplos para que você entenda perfeitamente como seguir esses passos. Segue a última tabela desta parte do capítulo. Formula Nome Cl2O Monóxido de Dicloro N2O4 Tetróxido de Dinitrogênio NF3 Trifluoreto de Nitrogênio P4S10 Decassulfeto de Tetrafósforo SO2 Dióxido de Enxofre PCl5 Pentacloreto de Fósforo N2O3 Trióxido de Dinitrogênio SiBr4 Tetrabrometo de Silício S2Cl2 Dicloreto de Dienxofre Fonte: Dados de Brown (2008), tabela personalizada pelo autor. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 34 PARTE III ESTEQUIOMETRIA EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 35 EQUAÇÕES QUÍMICAS Chegou a hora de se tornar amigo da tabela periódica e de seus elementos, por que chegamos na estequiometria! Aonde você vai descobrir tudo sobre esses compostos através de números e formulas. Bom tenho certeza que você já sabe o que são equações químicas (ora isto é uma revisão), então não vamos ficar cheio de blábláblá desnecessário por que eu sei que você tem mais o que fazer. Então vamos iniciar dos mais simples tópicos da estequiometria até chegar ao nível em que você invoca o maligno. Balanceamento A primeira coisa a se aprender na estequiometria obviamente é balancear as formulas. Isso por que a palavra “equação” vem do latim grego e significa “igual”, ou seja, o que está de um lado tem que ser igual ao que está do outro. Nesse caso a igualdade está relacionada aos coeficiente estequiométricos, não que eles tenham que ser exatamente iguais, mas que tenham um equilíbrio na quantidade de moléculas em ambos os lados. Reagente1 + Reagente2 Produtos da reação Bom, basicamente é assim que se escreve uma equação. O “+” é lido como “reage com” e a seta “” é lida como “formando”. Agora vamos a um simples exemplo da formação de molécula de água (H2O) e veremos qual o impacto do balanceamento, como ele deve ser feito e a sua interpretação. H2(g) + O2(g) H2O(l) O (g) e (l) colocado abaixo dos símbolos indicam o estado físico do tal elemento, nunca esqueça de coloca-los isso pode causar perdas de pontos na prova ou trabalho. (g) significa gasoso, (l) líquido, (s) sólido e (aq) aquoso. Como já foi explicado o número abaixo do símbolo é a quantidade de átomos do mesmo elemento que está presente na reação, então lembre-se que a mesma quantidade de átomos que está de um lado deve estar do outro. Se você contar: temos dois H e dois O de um lado, mas do outro temos dois H e somente um O; já podemos dizer que isso não é uma equação, para isso vamos usar os coeficientes estequiométricos para balancear esta equação. 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) Sacou? Os coeficientes estequiométricos sempre estarão à sua esquerda, nunca se deve mudar os números que aparece no canto inferior direito dos átomos, ou seja, aqueles que indicam a quantidade de átomos. O coeficiente estequiométrico varia a quantidade de moléculas e ele não muda a identidade química do elemento, mas se você mudar o número inferior a identidade química do elemento será mudada. Ex.: O2 (gás oxigênio) não é a mesma coisa que O3 (ozônio). E 2O2 é mesma coisa que ∞O2 (infinito), pois se está mudando somente a quantidade e não a identidade. A forma correta de se ler as moléculas: 2H2O é duas moléculas de água, O2 uma molécula de gás oxigênio, 3O2 três moléculas de gás oxigênio e assim vai. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 36 Agora que a equação da formação de água está balanceada vamos contar a quantidade de átomos dos dois lados. O coeficiente estequiométricoé multiplicado com o número inferior do elemento (Ex.: 2H2 = 2x2 = 4). E quando o coeficiente é colocado no início de uma molécula o número estará valendo para todos os átomos integrantes dessa molécula (Ex.: 2H2O = 2H2 e 2O). Então temos quatro H e dois O de um lado, do outro temos quatro H e dois O. Veja os exemplos a seguir e se acostume, lembre-se sempre contando a quantidade de átomos presentes na equação para pode ter certeza que a quantidade que está de um lado é mesma do outro. Para uns isso pode demorar um bocado por que esse jogo de balanceamento vai depender de todos os elementos e um número que você coloca te faz contar todos os átomos para verificar se está certo. Para se tornar mais rápido só mesmo se for praticando. Ex.: Na2CO3 + 2HCl 2NaCl + H2O + CO2 C6H12O6 2C2H6O + 2CO2 2FeCl3 + 3Na2CO3 Fe2(CO3)3 + 6NaCl 2NH4Cl + Ba(OH)2 BaCl2 + 2NH3 + 2H2O 3Ca(OH)2 + 2H3PO4 Ca3(PO4)2 + 6H2O Fe2(CO3)3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O + 3CO2 Na2O + (NH4)2SO4 (Na)2SO4 + 2NH3 + H2O 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O 2KMnO4 + H2SO4 Mn2O7 + K2SO4 + H2O 2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2 O que se tinha para falar sobre balanceamento já foi dito, daqui em diante se quiser melhorar em balanceamento pegue algumas equações dos livros ou internet e comece a dar uma treinada. Equações de Combinação, Decomposição e Combustão Como não temos tempo a perder vou citar esses três cara rapidamente, primeiro por que são conceitos simples e fáceis de se entender e segundo que são somente teorias. Equações de combinação são muitos dos que você viu acima, simplesmente é a mesma coisa que quando eu apresentei um modelo de equação química no início, dois reagentes se juntam para formar um produto. A + B C Equações de decomposição é o contrário. Um composto é quebrado e forma um ou mais compostos. Algumas equações apresentadas no exemplo mais acima é nesse estilo. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 37 C A + B Equações envolvendo combustão são todas aquelas que tem a presença do gás oxigênio (O2) nos reagentes. Veja um exemplo abaixo. C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) Antes de fechar esta parte do assunto vale uma dica: Os derivados de hidrocarboneto quando entram em uma reação de combustão forma sempre água (H2O) e gás carbônico (CO2), o exemplo que citei acima mostra muito bem isso. MASSA MOLECULAR (MM) Quando estamos em um laboratório é nossa obrigação saber quanto de massa tem certa equação, isso possibilita a previsão de muitas reações evitando riscos desnecessários. Antes de começarmos a contar as massas e saber o peso molecular você sabe onde fica a massa do átomo? Bom, na tabela periódica ele está acima do nome do elemento e abaixo do seu símbolo, é com esses dados que vamos conhecer a massa das equações. Vamos nos preocupar primeiro em como conhece-las para depois sabermos o porquê. Sempre que você for analisar o peso molecular ou massa molecular você deve somar a massa de todos os átomos presente na molécula resultando no peso molecular da molécula analisado. Antes de somar tudo deve-se multiplicar a massa do átomo com o seu índice inferior e seu número estequiométrico. Veja os exemplos abaixo. Ex.: MM do H2SO4 = (1 u) x2 + (32,06 u) + (16 u) x4 = 2 u + 32,06 u + 64 u = 98,06 u MM do C6H12O6 = (12 u) x6 + (1 u) x12 + (16 u) x6 = 72 u + 12 u + 96 u = 180,0 u MM do NaCl = (23 u) + (35,45 u) = 58,45 u MM do Ca(NO3)2 = (40,08 u) + (14 u) x2 + (16 u) x3x2 = 40,08 u + 28 u + 96 = 164,08 u Bom, com isso já deu para perceber que para se achar a MM de qualquer molécula sempre se segue um padrão. Não foi mostrado no exemplo o caso em que o átomo é acompanhado por um coeficiente estequiométrico isso por que ainda não entramos na MM envolvendo equações, mas sempre que tiver um coeficiente estequiométrico acompanho um átomo você irá fazer a mesma coisa que o índice inferior que é multiplicar pela massa do átomo. Composição Percentual das Formulas Algo útil na prática e fácil de se fazer no papel. O método consiste em saber quantos por centos de massa de algum elemento há em uma molécula. É muito simples basta usar uma formula que irá servir para todos os casos diferentes (os decorebas estão tendo orgasmos agora). 𝑋 = (𝑀𝑀 𝑑𝑜 á𝑡𝑜𝑚𝑜) (𝑀𝑀 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎) × 100% EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 38 Quando for achar a MM do átomo não esqueça que o número inferior e o coeficiente estequiométrico multiplicam com a massa do átomo como foi mostrado no exemplo mais acima. Agora vamos mostrar como se usa essa formula para tirar a porcentagem dos átomos. Ex.: Temos C12H22O11 e queremos saber o percentual de cada um dos átomos que compõe a molécula. Vamos primeiro saber a MM da molécula: C12H22O11 = (12 u) x12 + (1 u) x22 + (16 u) x11 = 144 u + 22 u + 176 u = 342,0 u Começando pelo C12 temos: Sua MM é 144 u então vamos usar a formula. 𝑋 = 144 𝑢 342 𝑢 × 100% = 42,1 % Seguindo para o H22 temos: Sua MM é 22 u então vamos usar a formula. 𝑋 = 22 𝑢 342 𝑢 × 100% = 6,4 % Por fim para o O11 temos: Sua MM é 176 u então vamos usar a formula. 𝑋 = 176 𝑢 342 𝑢 × 100% = 51,5 % Não tenho mais o que explicar, o percentual dos átomos numa molécula é basicamente isso que você acabou de ver não tem mais nenhum mistério. Agora vamos para a próxima etapa da estequiometria. MOL (Quantidade de Matéria) Na estequiometria você sempre usará o mol e deve leva-lo onde quer que for no cálculo. Através dele se achará muitos outros dados, então vamos entender o que é mol e depois nos acostumarmos com ele. Não vou ficar explicando a definição de mol e como os cientistas chegaram a essa conclusão coisa e tal, isso é perda de tempo. Se você quer saber dessas coisas (duvido muito) então vá atrás de um livro de química por que eu não sou químico para ficar definindo os conceitos. Vamos direto ao ponto. O mol é um certa quantidade de alguma coisa, essa quantidade é definida pelo número de Avogadro 6,022x1023 ou 6,02x1023. Sempre que você ver 1 mol de alguma coisa essa coisa tem o número de 6,02x1023. Ex.: 1 mol de átomos de H = 6,02x1023 átomos de H 1 mol de moléculas de H2O = 6,02x1023 átomos de H2O 1 mol de íons Na+ = 6,02x1023 íons de Na+ Não é muito complicado entender o que é mol, com esse exemplo já deu para entender o que é mol e como usá-lo. Sempre que falarem em mol, estamos falando de 6,02x1023 de alguma coisa. Agora vamos falar do que vamos usar realmente na hora dos cálculos estequiométricos. EU ODEIO ESTEQUIOMETRIA 39 Massa Molar (g/mol) Como o mol sempre será representado pelo mesmo número (Avogadro) então houve a necessidade de representar melhor a substância que esse número está contando. Isso se deve ao fato de que 1 mol de C (carbono) não é a mesma coisa que 1 mol de N (nitrogênio), mas os seus números são iguais pois ambos são representados pelo número de Avogadro. Nesse caso o que vai diferenciar 1 mol de C e 1 mol de N serão suas massas. Se lembra como encontrar a massa molecular (MM) dos compostos e átomos? Bom, aqui não é diferente o que muda é a forma como a resposta será colocada no final. Você irá fazer o mesmo método para achar a MM usando a tabela periódica coisa e tal, o que muda é que agora você não está achando a massa de uma molécula ou um átomo, você está achando a massa de 1 mol dessa molécula ou átomo. O que isso muda no cálculo? Nada, a mudança não é no cálculo e sim na resposta. Antes você representava a resposta com a unidade “u” (unidade de massa), agora com o mol você irá representar a unidade com “g” (gramas). Pronto era
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