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SUMÁRIO CAPÍTULO I Relações de Massa..............................................................................................................................02 Sessão leitura........................................................................................................................................03 Exercícios de Fixção..............................................................................................................................04 CAPÍTULO II Reações Químicas...............................................................................................................................07 Sessão Leitura.......................................................................................................................................09 Exercícios de Fixação............................................................................................................................11 Pintou no ENEM....................................................................................................................................15 CAPÍTULO III Leis Ponderais.....................................................................................................................................16 Sessão leitura........................................................................................................................................16 Exercícios de Fixação............................................................................................................................17 CAPÍTULO IV Balanceamento das Equações Químicas..........................................................................................18 Sessão Leitura.......................................................................................................................................19 Exercícios de Fixação............................................................................................................................20 CAPÍTULO V Estudo dos Gases...............................................................................................................................23 Sessão Leitura.......................................................................................................................................25 Exercícios de Fixação............................................................................................................................26 Pintou no ENEM....................................................................................................................................28 CAPÍTULO VI Cálculos Estequiométricos.................................................................................................................29 Sessão Leitura.......................................................................................................................................33 Exercícios de Fixação............................................................................................................................35 REFERÊNCIAS...............................................................................................................................................43 2 Capítulo 1 1. Relações de massa A química possibilitou a humanidade uma melhora substancial em sua qualidade de vida, pois a partir de seus princípios foram criados medicamentos, combustíveis, alimentos, tecidos, polímeros, etc. No entanto, para que a Química fosse economicamente viável, tivemos que aprender a manuseá-la e quantifica-la. A quantificação nos permitiu saber exatamente o quanto gastar de reagentes e o quando produzir. Muitas vezes é preciso determinar também o número de átomos ou de moléculas das substâncias que reagem ou são produzidas. Para isso, um primeiro passo é conhecer a massa dos átomos. 1.1.Unidade de massa atômica (u) Em 1961, na Conferência da União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), adotou-se como padrão de massas atômicas o isótopo 12 do elemento carbono (12C), ao qual se convencionou atribuir o valor exato de 12 unidades de massa atômica. Uma unidade de massa atômica (1 u) corresponde a 1/12 de massa de um átomo de isótopo 12 do carbono. 1.2.Massa Atômica (MA) Massa atômica é o número que indica quantas vezes a massa de um átomo de um determinado elemento é mais pesada que 1u, ou seja, 1/12 do átomo de 12C. Exemplo: O oxigênio tem massa atômica de 16u, portanto é mais pesado 16 vezes em relação à 1/12 de um átomo de carbono-12. Observação: Os elementos químicos consistem em dois ou mais isótopos. Por isso, as massas atômicas dos elementos que vemos nas tabelas periódicas são médias ponderadas das massas dos seus respectivos isótopos. 1.3.Massa Molecular Se conhecermos as massas atômicas dos átomos constituintes de uma molécula, podemos calcular a massa dessa molécula. A massa molecular (às vezes chamada de peso molecular) é a soma das massas atômicas (em u) dos átomos da molécula. Por exemplo, a massa molecular da água (H2O) é: 2 x (massa atômica do H) + massa atômica do O 2 x (1,008 u) + 16,00 u = 18,02 u Temos de multiplicar a massa atômica de cada elemento pelo número de átomos desse elemento presente na molécula e, depois, somar as contribuições de todos os elementos. Exemplo: Calcular a massa molecular: NaCl, C12H22O11, COCl2, HCL, H2SO4. 1.4.Número de Avogadro Amedeo Avogadro foi o primeiro cientista a conceber a ideia de que uma amostra de um elemento, com massa em gramas igual à sua massa atômica, apresenta sempre o mesmo número de átomos. Esse número foi denominado Número de Avogadro e seu valor é aproximadamente igual a 6,02 x 10 23 . Exemplo: Em 342g de sacarose há 6,02 x 10 23 desta substância. 1.5.Mol O mol é definido como a quantidade de matéria de um sistema que contém 6,02 x 10 23 unidades elementares. Pela definição, qualquer quantidade de matéria que contenha 6,02 x 10 23 entidades é 1 mol. Assim, pode-se ter 1 mol de átomos, de moléculas, de íons, de prótons, de elétrons etc. 3 1.6.Massa Molar É a massa equivalente a 1 mol (6,02 x 1023 entidades) de determinada espécie química. Sua unidade é g/mol. Exemplo: A massa atômica do carbono é 12u, portanto a massa de 1 mol de C é 12g. Ou seja, a massa molar de C é 12g/mol. A massa molar nada mais é que a massa da substância por unidade de quantidade de matéria. Portanto: , onde n=nº de mols, m=massa da substância, M=massa molar. LEMBRE-SE QUE: Sessão leitura: Por que os objetos flutuam ou afundam na água? É muito comum supormos que objetos pesados afundem e objetos mais leves flutuem. Ao observar o que acontece com eles quando colocados em água, entretanto, vimos que isso nem sempre é verdade. O bloco grande de madeira, objeto relativamente pesado, flutua enquanto o alfinete, objeto relativamente leve afunda. Porque isso acontece? Isso nos mostra que a massa, isoladamente, não é critério para prever a flutuação ou não dos objetos. Afinal navios enormes, com toneladas de matérias, flutuam nas águas de mares e rios. Algumas pessoas pensam que a flutuação nesse caso está relacionada com a quantidade de água. Mas a quantidade de água não teminfluência sobre a flutuação. Se a massa isoladamente não é critério para prever se os objetos afundam ou flutuam na água e se a quantidade de água não tem influência sobre a flutuação, quais variáveis estariam envolvidas nessa questão? Para melhorar nossa explicação e as previsões sobre comportamento dos objetos quando colocados em água, vamos discutir um processo que chamamos de separação de variáveis. Objetos de mesma massa podem ter comportamento diferente em relação a flutuação, o que também ocorre com objetos de mesmo volume. No caso dos objetos de mesma massa, os que flutuam tem maior volume do que os que afundam. Assim blocos de madeira, que flutuam, tem maior volume, portanto são bem maiores do que blocos de chumbo de mesma massa, que afundam. No caso de objetos com o mesmo volume, os que afundam tem maior massa do que os que flutuam. Finalmente comparando objetos de um mesmo material, pode-se concluir que, independentemente de sua massa e de seu volume, eles tem o mesmo comportamento em relação a flutuação. É o que acontece com os blocos de um mesmo tipo de madeira: todos flutuam. Por um raciocínio semelhante, concluímos que todos os parafusos de ferro, apesar de possuírem massa e volume diferentes, afundam na água. Tudo isso nos leva a concluir que o fato de um objeto flutuar ou não depende do material de que é feito, e não de sua massa ou de seu volume isoladamente. No entanto já obtivemos uma pista importante: no caso dos de mesmo volume, os que afundam, tem massa maior que os que flutuam; no caso dos de mesma massa, os que afundam tem volume menor que os que flutuam. Ou seja, a flutuação depende de uma propriedade que relaciona massa e volume. Densidade; propriedade específica dos materiais. Analisando as medidas de massa e volume e as relações que estabelecemos entre duas grandezas, para os objetos de mesmo material, concluímos que a propriedade que relaciona a massa e o volume é a densidade. Como sabemos, essa propriedade é constante, a uma dada temperatura, para objetos feitos de um mesmo material, independentemente de sua massa ou de seu volume. Assim um prego de ferro possui a mesma densidade que uma barra de ferro. Portanto a densidade é uma propriedade específica, muito útil para a identificação dos materiais, já que cada tipo 4 possui a sua. Por sua vez, massa e volume são propriedades gerais e não servem, isoladamente, para identificar os materiais. A unidade utilizada para representar a densidade é o grama por centímetro cúbico (g/cm 3 ). Isso significa que estamos, de certa forma definindo essa propriedade como a massa dividida pelo volume. Além de ser útil para cálculos, essa fórmula expressa a ideia de que, com densidade, podemos comparar as massas do mesmo volume de diferentes materiais. Pela explicação dada, concluímos que é possível prever a flutuação dos objetos com base no conceito de densidade. Objetos mais densos que a água afundam; os menos densos flutuam. Como a densidade da água é 1,0 g/cm 3 , deduzimos que os objetos de densidade maior que 1,0 g/cm 3 afundam e os de densidade menor flutuam. O mesmo raciocínio é válido no caso de outros líquidos. Basta comparar a densidade do líquido com a do objeto. Exercícios para fixação: 01)Dada a reação não-balanceada: Zn + HCl _ ZnCl2 + H2 Qual o número de mols de átomos de zinco que reagem completamente com 20 mols de ácido Clorídrico (HCl)? 02)A combustão completa do metano (CH4) produz dióxido de carbono (CO2) e água. A alternativa que representa o número de mols de CO2 produzido na combustão de 0,3 mol de CH4 é: CH4 + 2 O2_ CO2 + 2 H2O a) 1,2 mols. b) 0,6 mol. c) 0,9 mol. d) 0,3 mol. e) 1,5 mol. 03)Considere a informação: cal viva + água cal hidratada (hidróxido de cálcio). A quantidade de cal hidratada formada pela reação de água com 2,0 mols de cal viva é: a) 1,0 mol. b) 1,5 mol. c) 2,0 mols. d) 2,5 mols. 04)Na reação de óxido de alumínio com ácido sulfúrico forma-se sulfato de alumínio, Al2(SO4)3. Para se obterem 3 mols desse sulfato, quantos mols do ácido são necessários? a) 3. b) 6. c) 9. d) 12. e) 15 05) Em um das etapas de tratamento de água, ocorre a retenção de partículas sólidas em uma massa gelatinosa constituída por hidróxido de alumínio. Essa substância é preparada pela adição de Ca(OH)2 e Al2(SO4)3 à água contida em tanques de tratamento. O número de mols do Al2(SO4)3 que devem reagir com suficiente Ca(OH)2 para formar 10 mols de hidróxido de alumínio é igual a: a) 1. b) 2. c) 3. d) 4. e) 5. Com auxílio da tabela de massas atômicas, calcular: 06)A massa molecular e Molécula-grama e massa molar das seguintes substancias: a) Cloreto férrico: Fe Cl3 b) Fosfato de magnésio: Mg3(PO4)2 c) Cloreto de cálcio dihidratado: CaCl2.2H2O d) Nitrato de cobalto: Co(NO3)3 07) A quantidade de matéria (Mol) existente em: a) 2,6 g cloreto de bário: BaCl2 b) 12,08 g de sulfato de maganês: MnSO4 c) 15,52 g de cromato de potássio: K2CrO4 d) 12,06 g de ácidos de nítrico: HNO3 08) A morfina (C17H19 NO3.H2O) é o alcalóide principal do ópio, narcótico muito importante porém muito venenoso. É um entorpecente perigoso, pois causa dependência. Calcule o número de átomos de hidrogênio existente em 10,1 g de morfina? Dados: massa atômica: C: 12 u 5 N: 14 u O: 16 u H: 1 u 09)Calcular o número de elétrons do nitrogênio em 100g de aspartame (C14H18N2S5) ; Dados: 14 N7 ; 1 H1 ; 12 C6 e 32 S16 10)Achar o número de átomos de: Carbono, Oxigênio e Hidrogênio cem 10g de aspirina (C9H8O4) ? Dados: 1 H1 ; 12 C6 e 16 O8 11)A Penicilina G, um antibiótico largamente utilizado, tem fórmula C16H18N2O4S, calcular a massa de penicilina contido numa ampola que contém 2,44 .10 24 átomos de nitrogênio: Dados: 14 N7 ; 1 H1 ; 12 C6 e 32 S16 16 O8 12)Qual a porcentagem em massa de carbono na glicose (C6H12O6)? Dados: 1 H1 ; 12 C6 e 16 O8 13)Por ser opaco à radiação e pouco solúvel, o sulfato de bário (BaSO4) é utilizado como contraste em investigações radiográficas no tratamento gastrointestinal. Se o paciente ingerir para o exame 3,495 g dessa substância junto com 63 g de água, quantos átomos de oxigênio serão ingeridos? Dados: massa atômica: Ba: 137 u S: 32 u O: 16 u H: 1 u Exercícios complementares: 1. A água pesada D2O, utilizada como moderador em reatores nucleares, apresenta na sua molécula um isótopo do hidrogênio, o deutério (D), que contém no seu núcleo 1 nêutron. A massa molecular da água pesada é: a) 17,0 b) 18,0 c) 19,0 d) 20,0 e) 21,0 2.Para a prevenção de cárie dentária recomenda- se a adição de fluoreto à água potável ou a fluoretação do sal de cozinha. Há necessidade de se acrescentar cerca de 1,8 x 10- 3 g de fluoreto à dieta diária. Que quantidade de íons, em mol, há em 1,8 x 10-3 g de fluoreto? (Massa molar do íon fluoreto = 19g/mol) a) 1 x 10-2 b) 1 x 10-3 c) 1 x 10-4 d) 1 x 10-5 e) 1 x 10-6 3. Admitindo-se que um diamante contenha apenas átomos de carbono e quecada quilate corresponda a 200mg, determine o número de quilates em um diamante que contenha 2,0 x 10 22 átomos. a) 0,25 b) 0,5 c) 1,0 d) 1,5 e) 2 4. Para atrair machos para acasalamento, muitas espécies fêmeas de insetos secretam compostos químicos chamados fero hormônios. Aproximadamente 10-12g de tal composto de fórmula C19H38O devem estar presentes para que seja eficaz. Quantas moléculas isso representa? (Massas molares: C= 12g/mol; H= 1g/mol; O= 16g/mol) a) 2 x 109 moléculas b) 3 x 109 moléculas c) 1010 moléculas d) 4 x 109 moléculas e) 8 x 109 moléculas 5. Um químico possui uma amostra de cobre. Qual é a massa, em gramas, dessa amostra, sabendo-se que ela é constituída por 3,01 x 1023 átomos? (Massa atômica: Cu = 64) a) 0,32.1023g b)0,29.1023g c)1,60.1023g d)64,00g e)32,00g 6. Linus Pauling, Prêmio Nobel de Química e da Paz, faleceu aos 93 anos. Era 6 um ferrenho defensor das propriedades terapêuticas da vitamina C. Ingeria diariamente cerca de 2,1 x 10 2 mol dessa vitamina. (Dose diária recomendada de vitamina C (C6H8O6) = 62mg.) Quantas vezes, aproximadamente, a dose ingerida por Pauling é maior que a recomendada? (Dados: H = 1, C = 12, O= 16) a) 10 b) 60 c) 1,0 x 10² d) 1,0 x 10³ e) 6,0 x 10 4 7. O gás fosgênio (COCl2), utilizado como arma química na Primeira Guerra Mundial, ao reagir com água produz dióxido de carbono e ácido clorídrico: COCl2 + H2O → 2HCl + CO2 Qual seria a massa molar do gás fosgênio (COCl2)? a)103g/mol b)87g/mol c)99g/mol d)110g/mol e)18g/mol 8. Uma pastilha contendo 500mg de ácido ascórbico (vitamina C) foi dissolvida em um copo contendo 200mL de água. Dadas as massas molares C=12g.mol -1 , H = 1g . mol -1 e O = 16g . mol -1 e a fórmula molecular da vitamina C, C6H8O6, a concentração da solução obtida é: a) 0,0042 mol · L -1 b) 0,0142 mol · L -1 c) 2,5 mol · L -1 d) 0,5g · L -1 e) 5,0g · L -1 9. Qual a massa, em gramas, de uma única molécula de açúcar comum (sacarose C12H22O11)? (MA: C= 12; O= 16; H=1) a)6,32x10 -23 b)5,68x10 -22 c)4,25x10 -22 d)6,68x10 -22 e)7,00x10 -22 10. O mercúrio, na forma iônica, é tóxico porque inibe certas enzimas. Uma amostra de 25g de atum de uma grande remessa foi analisada e constatou-se que continha 2,1 x 10-7 mol de Hg+2. Considerando-se que os alimentos com conteúdo de mercúrio acima de 0,50 x 10-3 g por quilograma de alimento não podem ser comercializados, demonstre se a remessa de atum deve ou não ser confiscada. (MAHg= 200) 11. Um dos possíveis meios de se remover CO2 gasoso da atmosfera, diminuindo assim sua contribuição para o “efeito estufa”, envolve a fixação do gás por organismos microscópicos presentes em rios, lagos e, principalmente oceanos. Dados publicados em 2003 na revista Química Nova na Escola indicam que o reservatório da hidroelétrica de Promissão, SP, absorve 704 toneladas de CO2 por dia. Calcule a quantidade de CO2, expressa em mol/dia, absorvida pelo reservatório. Gabarito 1. d 2. c 3. e 4. a 5. e 6. b 7. c 8. b 9. b 10. 1,68 x 10-3g/Kg 11. 1,6 x 107 mol/dia 7 Capítulo 2 2. Reações Químicas. Uma reação química significa uma transformação de substâncias em outras. Os elementos químicos não são modificados, apenas as substâncias. Num processo nuclear os elementos são transformados em outros. Num processo físico nem os elementos e nem as substâncias são transformados. Processo Elementos Substâncias Físico não se transformam não se transformam Químico não se transformam se transformam Nuclear se transformam se transformam As substâncias que iniciam uma reação química são chamadas reagentes, enquanto que aquelas que são obtidas são chamadas produtos da reação. Diz-se então que os reagentes são transformados nos produtos. É claro que para haver uma reação química deve existir afinidade entre os reagentes. Essas afinidades podem ser estudadas através das funções químicas. Por exemplo, quando se diz que os ácidos reagem com os carbonatos produzindo sal, água e gás carbônico, estabelece-se uma generalização resultante da experiência, ou seja, sabe-se que qualquer ácido é capaz de reagir com qualquer carbonato. Assim, é conveniente lembrar que as reações químicas são fatos observados experimentalmente. O termo espontâneo não deve ser confundido com instantâneo. Por exemplo, a reação de um ácido com a solução aquosa de um carbonato é espontânea e instantânea. Entretanto, o enferrujamento de um prego é espontâneo, mas não é instantâneo. Quando se diz que uma dada reação é espontânea sob determinadas condições afirma-se que ela ocorre, mas nada se sabe a respeito do tempo que leva para ocorrer. A experiência e a pesquisa poderão responder sobre isso. Ao contrário, se uma reação é instantânea fica implícito que ela é espontânea e que ocorre rapidamente. Uma equação química é a descrição global da reação química. Nela, constam as fórmulas das substâncias reagente e dos produtos: Reagentes → Produtos À esquerda da seta, que indica o sentido da transformação, estão os reagentes. Esse lado é chamado primeiro membro da equação. À direita estão os produtos, no chamado segundo membro da equação. Para escrever corretamente uma equação há, dois pontos básicos: a) Deve representar realmente um fato experimental, conhecido e bem analisado. b) Deve obedecer à Lei de Lavoisier. Nas reações químicas, é importante se prever a quantidade de produtos que podem ser obtidos a partir de uma certa quantidade de reagentes consumidos. Os cálculos que possibilitam prever essa quantidade são chamados de cálculos estequiométricos. A palavra estequiometria vem do grego stoicheia (partes mais simples) e metreim (medida). Essas quantidades podem ser expressas de diversas maneiras: massa, volume, quantidade de matéria (mol), número de moléculas. Os cálculos estequiométricos baseiam- se nos coeficientes da equação. É importante saber que, numa equação balanceada, os coeficientes nos dão a proporção em mols dos participantes da reação. Em meados do século XVIII, cientistas conseguiram expressar matematicamente certas regularidades que ocorrem nas reações químicas, baseando-se em leis de combinações químicas que foram divididas em ponderais (relacionam às massas dos participantes da reação). Reações químicas (tipos): Síntese, análise e deslocamento, dupla-trocar As reações químicas são processos que transformam uma ou mais substâncias, chamados reagentes, em outras substâncias, chamadas produtos. Em uma linguagem mais acadêmica, dizemos que uma reação química promove mudança na estrutura da matéria. 8 Na química inorgânica podemos classificar as reações em quatro tipos diferentes: 1) Reações de síntese ou adição As reações de síntese ou adição são aquelas onde substâncias se juntam formando uma única substância. Representando genericamenteos reagentes por A e B, uma reação de síntese pode ser escrita como: Veja alguns exemplos: Fe + S FeS 2H2 + O2 2H2O H2O + CO2 H2CO3 Perceba nos exemplos que os reagentes não precisam ser necessariamente substâncias simples (Fe, S, H2, O2), podendo também ser substâncias compostas (CO2, H2O) mas, em todas elas o produto é uma substância "menos simples" que as que o originaram. 2) Reações de análise ou decomposição As reações de análise ou decomposição são o oposto das reações de síntese, ou seja, um reagente dá origem a produtos mais simples que ele. Escrevendo a reação genérica fica fácil entender o que acontece: Não parece bastante simples? E é bastante simples. Veja nos exemplos: 2H2O 2 H2 + O2 2H2O2 2H2O + O2 Reversibilidade das reações químicas Os exemplos podem sugerir que qualquer reação de síntese pode ser invertida através de uma reação de análise. Isso não é verdade. Algumas reações podem serreversíveis, como podemos notar na reação da água: 2H2 + O2 2H2O 2H2O 2H2 + O2 Entretanto, isso não é uma regra. 3) Reações de deslocamento As reações de deslocamento ou de simples-troca merecem um pouco mais de atenção do que as anteriores. Não que sejam complicadas, pois não são, mas por alguns pequenos detalhes. Em sua forma genérica ela pode ser escrita como: Vamos entender o que aconteceu: C trocou de lugar A. Simples assim, mas será que isso ocorre sempre? É intuitivo que não. Iamgine o seguinte: você entra em um baile e vê a pessoa com quem gostaria de dançar dançando com outra pessoa. Você vai até lá e tentará fazê-la mudar de par, ou seja, estará tentando deslocar o acompanhante indesejável e assumir seu lugar. Se você for mais forte que o "indesejável", basta dar-lhe um empurrão e assumir seu lugar mas, se ele for um brutamontes troglodita, possivelmente ele nem sentirá seu empurrão. Na reação de deslocamento o processo é idêntico: C vê B ligado a A, aproxima-se e, sendo mais forte, desloca A e assume a ligação com B. Caso C não seja mais forte que A nada acontece. Basta então saber que é mais forte que quem: Desta forma, temos: 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 (o sódio desloca o hidrogênio da água H-OH) Au + HCl não reage (o ouro não consegue deslocar o hidrogênio) 4) Reações de dupla-troca São também muito simples, mas devemos também ficar atento a detalhes. O mecanismo é fácil: Certamente você já percebeu o que aconteceu: A trocou de lugar com C. A diferença desse tipo com as de deslocamento é que nem A nem C estavam sozinhos e, após a troca nenhum deles ficou sozinho. Para entendermos como e quando uma reação deste tipo ocorre teremos que observar o seguinte: A substância AB está em solução e, desta forma, o que temos na verdade são os íons A + e B - separados uns dos outros. A substância CD também está em solução, portanto temos também os íons C + e D - separados; Quando juntamos as duas soluções estamos promovendo uma grande mistura entre os íons 9 A + , B - , C + e D - , formando uma grande "sopa de íons"; Se, ao combinarmos C + com B - , o composto CB for solúvel, os íons serão novamente separados em C + e B - , resultando exatamente na mesma coisa que tínhamos anteriormente. O mesmo acontece com A + e B - . Assim, ao misturarmos AB com CD, estamos na verdade fazendo: E perceba que juntar íons que se separarão novamente resultará na mesma "sopa de íons" e não resultará em nenhuma nova substância, portanto não ocorre nenhuma reação. Para que a reação efetivamente ocorra, será necessário que ao menos um dos prováveis produtos (AD ou CB) não sejam separados ao se juntarem, ou seja, deve-se formar um composto insolúvel e isso é conseguido através de um sal insolúvel, de um gás ou de água. Se um dos produtos for um sal insolúvel ele não será separado em ións e permanecerá sólido. Se for um gás ele se desprenderá da solução (borbulhas) e também permanecerá com suas moléculas agrupadas. Se um dos produtos for a água, ela não se desagrupa em sua própria presença. NaCl + AgNO3 NaNO3 + AgCl Nesta reação o produto AgCl (cloreto de prata) é insolúvel, portanto a reação ocorre. NaCl + LiNO3 NaNO3 + LiCl Como nenhum dos produtos formados, NaNO3 (nitrato de sódio) ou LiCl (cloreto de lítio) é insolúvel, a reação não ocorre NaOH + HCl NaCl + H2O Como um dos produtos é a água (H2O), a reação ocorre. Para a previsão da ocorrência ou não de uma reação de dupla-troca é fundamental que conheçamos a solubilidade dos sais em água e, para relembrar isso, leia o texto sobre solubilidade em água. Viu como é simples? Com um pouco de prática e exercícios você consegue até escrever reações que podem dar origem a um determinado produto. Quer ver? Imagine que você que obter sulfato de chumbo (PbSO4) . Você sabe que terá que juntar o íon chumbo (Pb 2+ ) e o íon sulfato (SO4 2- ). Como você sabe que o sulfato de chumbo é insolúvel, pode promover uma dupla-troca: PbX + YSO4 PbSO4 + XY É só escolher X e Y de forma que as duas substâncias sejam solúveis. Outra forma é fazer um deslocamento do hidrogênio pelo chumbo, já que este é mais reativo: Pb + H2SO4 H2 + PbSO4 Sessão Leitura: Texto 1: As evidências e o reconhecimento de reações químicas. O reconhecimento de reações químicas está relacionado a presença de evidências que permitem diferenciar o estado final quando comparado ao estado inicial do sistema. Há várias evidências para o reconhecimento de reações químicas. Por exemplo na coagulação da caseína do leite, usando coalho, o aparecimento de coágulos do leite é evidência de que a reação ocorreu. Esse tipo de evidência é uma forma simples e direta de reconhecer uma reação química e pode envolver um ou mais dos seguintes fenômenos: a formação de gases, a mudança de cor, a formação de sólido, a liberação de calor, a liberação de eletricidade ou luz. Não podemos ter certeza, no entanto que ocorreu uma reação química baseados apenas nessas evidências. Uma forma mais segura de se obter informações sobre a natureza de uma transformação é o isolamento dos materiais obtidos, seguido da determinação de algumas de suas propriedades, como as temperaturas de fusão e de ebulição, a densidade, etc. A constatação de que essas propriedades são diferentes daquelas dos componentes do sistema inicial é uma forma mais segura de comprovar a ocorrência de reações químicas. Na prática, esse último procedimento só é usado quando trabalhamos com reações desconhecidas, para as quais não se tem certeza sobre a natureza dos produtos. O conhecimento das evidências de reações químicas é ferramenta empírica poderosa que ajuda os 10 químicos a ganhar tempo na caracterização das transformações. A dissolução de açúcar em água e as mudanças de fase da água são exemplos de fenômenos em que ocorrem transformações do estado físico no qual o material se encontra. Uma característica comum a esses dois fenômenos é que não há produção de novos matérias. Além disso é possível obter novamente o material no seu estado inicial. Ou seja, é possível obter água no estado liquido pelo resfriamento do vapor e obter o açúcar no estado sólido pela evaporação do solvente. Concluindo, as reações químicas são geralmente acompanhadas de transformações físicas, que permitem evidenciar sua ocorrência. O que podemos reconhecer são as transformações físicas, pois não há uma evidência direta de que o fenômeno ocorrido caracterizauma reação química. É o nosso conhecimento empírico acumulado que permite identificar, por meio dessas transformações físicas, os casos em que há produção de novos materiais e, portanto, reações químicas. Texto 2: Estado de Equilíbrio, o que é? Bem, você pode imaginar uma situação real e que acontece no seu dia-a-dia. Imagine uma garrafa de cerveja, quando a colocamos em um congelador ou freezer e esquecemos de retirá-la após um determinado tempo, possivelmente a garrafa teria estourado, mas muitas vezes isso não ocorre, ocorrendo um fenômeno que é denominado de super congelamento, isto é, quando o líquido, no caso a cerveja, "esquece" de congelar, pois o processo de resfriamento foi muito rápido e as moléculas do líquido estão em um estado de equilíbrio. No entanto, quando retiramos a garrafa do congelador e a abrimos, ela estoura, pois diminuímos a pressão no interior da garrafa, ou seja, diminuímos a pressão dentro do sistema, o que provoca uma perturbação no estado de equilíbrio que se estabelecia dentro da garrafa. Estados de Equilíbrio estão muito presentes no nosso dia-a-dia, seja em fenômenos físicos, biológicos e até mesmo fenômenos químicos. Exemplos diversos de equilíbrio químico podem ser verificados no nosso cotidiano, tais como os descritos abaixo. Óculos Você, possivelmente, já viu ou ouviu falar dos óculos fotocromáticos, talvez não os conheça por este nome, mas devem conhecê-los. Óculos fotocromáticos são aqueles óculos que possuem lentes que mudam de cor, conforme a intensidade luminosa, ou seja, quando uma pessoa que usa este tipo de óculos está dentro de uma residência, as lentes são praticamente incolores, mas quando esta pessoa sai para fora da residência, ficando exposta à luz, as lentes tendem a ficar com uma coloração escura. Isso é devido à uma reação química que ocorre nos óculos, você sabia? A reação que ocorre nas lentes dos óculos é a seguinte: AgCl + Energia Ag + Cl O cloreto de prata (AgCl), quando na lente, dá uma aparência clara para a mesma, já a prata metálica (Ag), quando é formada na lente dá uma aparência escura à lente. Esta reação é um caso em que se aumentar a energia, no caso a claridade, na lente o equilíbrio deslocará para o lado da formação do Ag elementar que é escuro (na lente). Quando se diminui a intensidade luminosa na lente ocorre o favorecimento da reação inversa, ou seja, a diminuição da sensação escura. Este exemplo é abrangido pelo princípio de Le Chatelier, que diz: "Quando um sistema está em equilíbrio e sofre alguma perturbação, seja ela por variação de pressão, de concentração de algum dos reagentes ou dos produtos, ou pela variação da temperatura, o sistema tenderá a retornar o estado de equilíbrio, a partir da diminuição do efeito provocado pela perturbação." Este princípio pode ser enunciado de uma maneira mais simplificada, quando se aplica uma perturbação a um sistema em equilíbrio, o sistema tende a provocar um reajuste para diminuir as influências da perturbação. Um outro exemplo de equilíbrio químico em nosso dia-a-dia é o caso da garrafa de refrigerante, é isso mesmo, refrigerante. Refrigerante Dentro de uma garrafa de refrigerante, ocorre várias reações, mas um destaque pode ser dado para o ácido carbônico (H2CO3), que se decompõe em H2O e CO2 . 11 H2CO3(aq) H2O + CO2(g) Esta é a reação de decomposição do ácido carbônico, sendo que ela está em equilíbrio químico, pois a medida que ocorre a decomposição, também ocorre a formação de ácido carbônico, sendo assim pode se dizer que esta é uma reação que representa um estado de equilíbrio, que sofre influência pelo aumento de temperatura, pela pressão e também pela concentração. Quando abrimos uma garrafa de refrigerante, ocorre uma diminuição da pressão no interior do sistema (garrafa de refrigerante), ocorrendo um deslocamento do equilíbrio para o lado de maior número de mols gasosos, ou seja, o lado dos produtos. Isto é mostrado pelo princípio de Le Chatelier. O estado de equilíbrio também pode ser deslocado pelo aumento da temperatura, ou seja, caso coloquemos um pouco de refrigerante para aquecer em um recipiente adequado, ocorrerá a liberação de gases (esta reação é endotérmica), assim como no caso em que abrimos a garrafa de refrigerante, ou seja, o gás liberado é o gás carbônico, CO2,, Neste exemplo, nas duas situações, estaremos provocando um deslocamento de equilíbrio químico, o que provocará no refrigerante uma modificação no seu gosto. Isto você já deve ter percebido, quando um resto de refrigerante fica muito tempo dentro da geladeira, ele fica com um gosto diferente, isto ocorre devido ao fato de ter ocorrido perda de CO2, logo, perda de H2CO3. Estes dois exemplos, lentes fotocromáticas e garrafa de refrigerante, são exemplos de equilíbrio químico, que ocorrem em nosso cotidiano, mas não são os únicos exemplos, podemos citar, ainda, o caso do equilíbrio químico que ocorre nos dentes ou do que ocorre nos pulmões, entre outros tantos. Exercício para fixação: 1. Sabe-se que 1,0 mol de um composto contém 72g de carbono(C), 12 mols de átomos de hidrogênio(H) e 12x10 23 átomos de oxigênio(O). Admitindo-se o valor da constante de Avogadro como sendo 6,0x10 23 mol -1 e com base na Classificação Periódica dos elementos, escreva: a) A fórmula molecular do composto. b) A fórmula mínima do composto. 2. Um éter, de massa molar 60g/mol, tem a seguinte composição centesimal: C = 60 %; H = 13,33 %; O = 26,67 %. (Massa molares, em g/mol: C=12; H=1; O=16) a) Determine a fórmula molecular do éter. 3. Sabendo-se que um composto mineral apresenta a seguinte composição centesimal: Na=27,06%; N=16,47% e O=56,47% e que existe nesse composto somente um átomo de sódio, calcular a sua fórmula molecular. (Dados: N = 14; O = 16; Na = 23) 12 4. Na reação representada a seguir Pb(NO3)2 + XCl2 → PbCl2 + X(NO3)2, onde X representa um elemento químico, são consumidos 11,1 g de XCl‚ para precipitar 27,8 g de cloreto de chumbo II a) Classifique essa reação. 5. Lavoisier, no "Traité Élémentaire de Chimie", cujo segundo centenário de publicação é celebrado este ano, afirma que a proporção entre as massas de oxigênio e hidrogênio que entram na composição de 100 partes de água é 85:15. Hoje sabemos que essa proporção é aproximadamente: (Dados: Massas Atômicas: H =1 e O = 16) a) 67 : 33. b) 80 : 20. c) 87 : 13. d) 89 : 11. e) 91 : 9. 6. A porcentagem em massa de nitrogênio presente no nitrato de amônio é igual a: a) 14 % b) 17,5 % c) 28 % d) 35 % e) 70 % (Massas molares, em g/mol: N= 14; H= 1; O= 16). 7. Em relação às equações químicas a seguir, assinale a opção correta: I- 2KClO3 → 2KCl + 3O2 II- Mg(OH)2 + H2SO4 → MgSO4 + 2H2O III- Ca + ZnCl2 → CaCl2 + Zn a) I representa uma reação de síntese do clorato de potássio. b) I representa uma reação de decomposição do cloreto de potássio. c) II representa uma reação de hidrólise de um sal. d) II representa uma reação de oxi-redução. e) III representa, simultaneamente, uma reação de deslocamento e de oxi-redução. 8. Considerando as reações químicas representadas pelas equações da coluna I, faça associação com os dados da coluna II, de acordo com a classificação correta: Coluna I (1) CaCO3 → CaO + CO2 (2) CO2 + H2O + NH3 → NH4HCO3 (3) NaCl + NH4HCO3 → NaHCO3 + NH4Cl (4) Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 Coluna II(I) reação de síntese ou adição (II) reação de decomposição ou análise (III) reação de deslocamento (IV) reação de dupla troca a) 1 - II; 2 - III; 3 - I; 4 - III b) 1 - II; 2 - I; 3 - IV; 4 - III c) 1 - I; 2 - II; 3 - III; 4 - IV d) 1 - I; 2 - III; 3 - II; 4 - IV e) 1 - III; 2 - IV; 3 - I; 4 - II 13 9. Das reações químicas que ocorrem: I. nos flashes fotográficos descartáveis II. com o fermento químico para fazer bolos III. no ataque de ácido clorídrico ao ferro IV. na formação de hidróxido de alumínio usado no tratamento de água V. na câmara de gás Representadas respectivamente pelas equações: I. 2Mg + O2 → 2MgO II. NH4HCO3 → CO2 + NH3 + H2O III. Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2 IV. Al2(SO4)3 + 6NaOH → 2Al(OH)3 + 3Na2SO4 V. H2SO4 + 2KCN → K2SO4 + 2HCN Assinale a alternativa que corresponde a reações de decomposição: a) apenas I e III b) apenas II e IV c) apenas I d) apenas II e) apenas V 10. 1 KBrO3 → 1KBr + yO2 Relativamente à equação acima, podemos afirmar que: a) representa uma reação de síntese. b) apresenta, como produtos, duas substâncias compostas. c) se y for igual a 3/2, a equação fica corretamente balanceada. d) KBrO3 é o brometo de potássio. e) não se verifica, nas substâncias, mudança do número de oxidação. 11. Uma reação de deslocamento simples, de cátion, é mostrada na equação: a) H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2H2O b) SO2 + H2O → H2SO3 c) Cu + 2 AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2 Ag d) 2 KBrO3 → 3 O2 + 2 KBr e) 2 KBr + Cl2 → 2 KCl + Br2 12. A equação de uma reação característica de neutralização é: a) HNO3 + H2O → H3O + + NO3 - b) NaOH + HCl → NaCl + H2O c) Ba(OH)2(s) + H2O(l) → Ba +2 (aq) + 2OH - (aq) d) H2 + Cl2 → 2 HCl e) 2 NaI + Cl2 → 2 NaCl + I2 13. A classificação das reações a seguir equacionadas é, respectivamente: I) NH4Cl(s)+NaOH(s)+H2O →NaCl(s) + NH3(g) + H2 O(l) II) P2O5 + 3H2O → 2H3PO4 III) 3Cl2 + 2 AlBr3 → 2 AlCl3 + 3Br2 a) salificação, ionização e dupla troca. b) decomposição, adição e dupla troca. c) simples troca, análise e adição. d) dupla troca, adição e deslocamento simples. e) adição, dupla troca e salificação. 14. Dentre as equações abaixo, a única que representa uma síntese é: a) H2 + 1/2 O2 + descarga elétrica → H2O b) NaBr + AgNO3 → AgBr + NaNO3 c) Hg2O → 2 Hg + 1/2 O2 d) 2 NaI + Cl2 → 2 NaCl + I2 e) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 14 15. Quando se adicionam 2ml de HNO3, 0,1 molar, a 2ml de NaOH, 0,1 molar, a temperatura do sistema eleva-se. Pode-se concluir que a reação ocorrida é: a) de deslocamento ou simples troca com liberação de calor. b) de dupla troca com absorção de calor. c) de neutralização com liberação de calor. d) de adição com absorção de calor. e) de decomposição com liberação de calor. 16. Considere as afirmativas: I - O cálcio metálico, sólido, reage com água para produzir hidróxido de cálcio e hidrogênio gasoso. II - O magnésio reage com bromo e produz brometo de magnésio. III - Quando se aquece o hidrogenossulfito de sódio, forma-se o sulfito de sódio e há desprendimento de dióxido de enxofre, gasoso, e de vapor de água. As reações descritas em I, II e III são classificadas, respectivamente, como a) deslocamento, combinação e decomposição. b) deslocamento, combinação e combustão. c) dupla-troca, combinação e decomposição. d) dupla-troca, combinação e combustão. e) combinação, deslocamento e decomposição. 17. I - Zn + 2AgNO3 → 2Ag + Zn(NO3)2 II - (NH4)2Cr2O7 → N2 + Cr2O3 + 4H2O III - 2Mg + O2 → 2MgO IV – Cl2 + 2NaBr → Br2 + 2NaCl V – H2SO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + H2CO3 Dadas as reações acima, indique a opção que apresenta a ordem correta de suas classificações. a) Deslocamento; decomposição; síntese; deslocamento; dupla-troca. b) Deslocamento; síntese; decomposição; deslocamento; dupla-troca. c) Dupla-troca; decomposição; síntese; dupla- troca; deslocamento. d) Dupla-troca; síntese; decomposição; dupla- troca; deslocamento. e) Síntese; decomposição; deslocamento; dupla- troca; dupla-troca. 18. Da equação a seguir, é correto afirmar que: a) no MnO‚, o número de oxidação do oxigênio é igual a zero. b) não ocorre a formação de um gás. c) refere-se a uma reação de deslocamento. d) representa uma análise que ficará corretamente balanceada se x for igual a dois. e) representa uma reação importante, pois um de seus produtos é o manganês metálico. 19. Um composto submetido à decomposição produziu hidrogênio (H‚) e silício (Si) na proporção, respectivamente, de 3,0g para 28,0g. No composto original, quantos átomos de hidrogênio estão combinados com um átomo de silício? Massas molares: H‚ = 2,0 g/mol Si = 28,0 g/mol a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 6 15 20. A seqüência de reações: xKHCO3 → M + CO2 + H2O CO2 + Ba(OH)2 → N + H2O ficará correta se x, M e N forem substituídos respectivamente por: a) 1, K2CO3 e Ba2CO3 b) 1, K2O2 e Ba2C c) 2, K2O e BaHCO3 d) 2, K2CO3 e Ba2HCO3 e) 2, K2CO3 e BaCO3 GABARITO 1. a) C6H2O2 b) C3H6O 2. a) C3H8 3. NaNO3 4. a) Dupla-troca. 5. [D] 6. [D] 7. [E] 8. [B] 9. [D] 10. [C] 11. [C] 12. [B] 13. [D] 14. [A] 15. [C] 16. [A] 17. [A] 18. [D] 19. [C] 20. [E] Pintou no Enem: 1) (Enem-99) Suponha que um agricultor esteja interessado em fazer uma plantação de girassóis. Procurando informação, leu a seguinte reportagem: “Solo ácido não favorece plantio” Alguns cuidados devem ser tomados por quem decide iniciar o cultivo de girassol. A oleaginosa deve ser plantada em solos descompactados, com pH acima de 5,2 (que indica menor acidez da terra). Conforme recomendações da Embrapa, o agricultor deve colocar por hectare, 40 Kg a 60 Kg de nitrogênio, 40 kg a 80 Kg de fósforo, 40 Kg a 80 Kg de potássio. O pH do solo, na região do agricultor, é de 4,8. Dessa forma, o agricultor deverá fazer a “calagem”. Suponha que o agricultor vá fazer calagem (aumento de pH do solo por adição de cal virgem – CaO). De maneira simplificada, a diminuição da acidez se dá pela interação da cal (CaO) com a água presente no solo, gerando hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), que reage com os íons H + (dos ácidos), ocorrendo, então, a formação de água e deixando íons Ca 2+ no solo. Considere as seguintes equações: I – CaO + 2 H2O Ca(OH)3 II – CaO + H2O Ca(OH)2 III – Ca(OH)2 + 2 H + Ca2+ + 2H2O IV – Ca(OH)2 + H + CaO + H2O O processo de calagem descrito pode ser representado pelas equações: a) I e II b) I e IV c) II e III d) II e IV e) III e IV Gabarito: Pintou no enem: c) 16 Capítulo 3 3. Leis Ponderais. 3.1 Lei da conservação da massa ou Lei de Lavoisier: "Desde que uma reação química seja realizada num sistema fechado, não se observa variação de massa no processo”. Em outras palavras, a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos. É interessante notificar que a reação poderá ser completa ou incompleta. No primeiro caso, ao final, tem-se os produtos e eventualmente algum reagente que havia sido colocado em excesso. No segundo caso, não se obtém as quantidades esperadas dos produtos e, ao final,tem-se ainda reagentes que não reagiram, incorporados aos produtos. Em termos práticos, fazer uma equação obedecer à lei de Lavoisier é fazer com que o número de átomos de qualquer elemento seja o mesmo nos dois membros da equação. Observação: Procure usar na equação os menores números inteiros. Deve-se evitar o uso de números fracionários porque poderiam dar interpretação diferente da reação que ocorre. Os números que aparecem antes da fórmula molecular de uma substância nas reações são chamados coeficientes estequiométricos das substâncias. O método usado acima para obter os coeficientes é chamado das tentativas. O processo em si é chamado balanceamento da equação. 3.2 Lei das proporções definidas ou Lei de Proust: Toda substância apresenta uma proporção constante em massa, na sua composição, e a proporção na qual as substâncias reagem e se formam é constante. Com a Lei de Proust podemos prever as quantidades das substâncias que participarão de uma reação química. A + B ? AB 2g 5g 7g 4g 10g 14g 3.3 Lei ou hipótese de Avogadro: “Volumes iguais de gases diferentes possuem o mesmo número de moléculas, desde que mantidos nas mesmas condições de temperatura e pressão”. Para melhor entender a Lei de Gay- Lussac, o italiano Amadeo Avogadro introduziu o conceito de moléculas, explicando por que a relação dos volumes é dada por números inteiros. Sessão Leitura: A massa é conservada nas reações químicas? É comum a idéia de que objetos, ao serem queimados, ficam mais leves. Isso se deve ao fato de lidarmos, em nosso cotidiano, com um grande número de combustões que envolvem produtos gasosos. Por exemplo, o etanol, tem como produtos de sua queima gases como dióxido de carbono e vapor de água, entre outros. Se a reação ocorre em sistemas abertos, esses gases ficam dispersos na atmosfera. Ao contrário do que ocorre com uma vela ou um pedaço de papel, cujos produtos também incluem substâncias gasosas, a lã de aço, ao ser queimada, tem sua massa aumentada. A maioria das combustões envolve a participação do oxigênio, chamado comburente. Os produtos formados terão, em sua composição átomos de oxigênio; por exemplo a água, dióxido de carbono. Deve-se observar que a queima do papel e da lã de aço, não contraria a conservação da massa nas reações química. A soma das massas dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos, mas nesse caso só podemos constatar a conservação de massa em sistemas fechados, pois nessas reações estão envolvidas substâncias gasosas, sejam como reagentes ou como produtos. O fato de que a massa é conservada nas reações químicas é importante para podermos, mais adiante, representar as 17 reações por equações usando símbolos químicos. A conservação da massa é uma forte evidência a favor de que nas reações químicas a matéria não é criada nem destruída, mas apenas se transforma por meio do rearranjo dos átomos que a constituem. Lavoisier, ao anunciar esse princípio, teria dito que na “natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.” É por isso que a conservação da massa talvez seja a principal via para passarmos do nível fenomenológico, em que podemos observar as transformações, para o atômico- molecular, em que nos valemos de modelos para tentar explicar o que está ocorrendo. As ideias que utilizamos para justificar por que a massa se conserva nas transformações – “nada saiu e nada entrou no frasco”, isso pode ser traduzido para “os átomos presentes no sistema inicial são os mesmos presentes no sistema final”. Uma importante consequência desta conclusão é – a massa se conserva porque os átomos dos elementos químicos envolvidos na transformação se conservam- Exercício para fixação: 1) Considere a seguinte equação química: N2H4 + 2H2O2 N2 + 4H2O As seguintes afirmativas foram feitas por alunos em relação a essa equação. Justifique cada uma delas. A) O número de átomos dos reagentes é igual ao número de átomos dos produtos. B) A massa dos reagentes é igual a massa dos produtos. C) A reação produz uma substância simples e uma substância composta. D) Reagentes e produtos encontram-se em estados físicos diferentes. 2) O que é uma reação química? Gabarito: 1) A) O número de átomos dos reagentes é igual ao número de átomos dos produtos, pois a equação química está balanceada. B) Pela lei de conservação da massa, a massa dos produtos é igual a massa dos reagentes. C) Na reação química temos a formação de uma substância simples N2, e uma substância composta H2O. D) Não, temos reagentes gasosos e reagentes líquidos e também produtos gasosos e líquidos. 2) Uma reação química significa uma transformação de substâncias em outras. Os elementos químicos não são modificados, apenas as substâncias. 18 Capítulo 4 4. Balanceamento de equações químicas No exemplo: 2H2 + 1O2 → 2H2O Deve-se concluir o seguinte: A proporção mínima em que ocorre a reação é de 2 moléculas de hidrogênio para uma molécula de oxigênio, para formar 2 moléculas de água. Essa proporção sempre é mantida quando a reação se realiza. Quer dizer, colocando-se 100 moléculas de H2 precisam-se de 50 moléculas de O2 para produzir 100 moléculas de água (H2O). a) Dessa maneira, para 2 mols de moléculas de H2 precisa-se de 1 mol de moléculas de O2 para formar 2 mols de moléculas de água (H2O). 2H2 + 1O2 → 2H2O 2 moléculas 1 molécula 2 moléculas A) 2 mols 1mol 2mols B) 2g de H2 / 32g de O2 / 36g de H2O O esquema acima é básico, fundamental. Veja que ao se achar os coeficientes estequiométricos pode-se fazer a interpretação da reação de várias maneiras: a) Relacionar os números de mols; b) Relacionar os números de moléculas; c) Relacionar as massas das substâncias. O raciocínio pode ainda ser ampliado fazendo-se a leitura em diagonal ou em zig-zag. Por exemplo, pode-se dizer que 2 mols de moléculas de H2 reagem com 6 x 10 23 moléculas de O2 para formar 36 g de H2O. Existem também outras leituras Um outro aspecto a considerar é ilustrado na figura a seguir, correspondente à equação: 2 H2 + 1 O2 →2H2O Observe que as ligações nas moléculas H2 e O2 foram quebradas. Antes, os átomos de hidrogênio estavam ligados entre si em cada molécula H2 acontecendo o mesmo com os dois átomos de oxigênio na molécula O2. Na água, cada molécula tem um átomo de oxigênio ligado a dois de hidrogênio. O processo de quebrar ligações sempre envolve absorção de energia (endotérmico). Ao contrário, quando os átomos se ligam há desprendimento de energia (exotérmico). A discussão sobre esse assunto será mostrada na Termoquímica. Além do procedimento das tentativas para balancear a equação há outro método, chamado de oxirredução. Se a equação química apresenta até quatro substâncias cujas moléculas não são complicadas, use o Método das Tentativas.Lembre-se que quanto mais treinado, melhor seu tempo. Numa prova, dificilmente se utilizaria o método algébrico, o qual, não obstante a simplicidade, exige tempo. 4.1 Método das tentativas. Os coeficientes são obtidos por tentativas: Sugere-se a seguinte ordem de prioridade: 1º) Metais e ametais 2º) Hidrogênio 3º) Oxigênio Exemplo: Balancear a seguinte reação química: NaOH + HCl NaCl + H2O 19 4.2 Método de Oxirredução. O método de oxirredução aplica-se somente às reações desse tipo. Ao se aplicar o método deve-se iniciar pelo conceito de número de oxidação (NOx), para isso devemos conhecer as regras que permitem achar esse número, depois reconhecer se a reação é de oxirredução, achar o oxidante, o redutor e finalmente, fazer o balanceamento da equação que pode estar escrita tanto na forma molecular como na forma iônica. O número de oxidação (NOX) de um elemento químico é a carga que ele recebe em uma reação química. Para saber qual o nox de um átomo dentro de uma molécula, devemos seguir algumas regras: 1- Todos os metais alcalinos, hidrogênio, prata (Ag). Nox: +1. 2- Metais alcalinos terrosos, Zinco (Zn). Nox:+2. 3- Alumínio (Al). Nox: +3. 4- Oxigênio Nox: -2. 5- Elementos isolados e substâncias simples. Nox: 0. 6- A soma de todos os Nox dos átomos de uma molécula sempre é zero. 7- Íons compostos tem soma dos nox dos átomos que o constitui igual a carga do íon (PO4 -3 ). Exemplo: Calcular o Nox de todos os átomos de cada molécula. A) HCl B) CaCO3 C) CO2 D) HClO E) SO4 -2 F) NaNO3 G) H2O2 H) HNO3 I) Al(OH)3 J) CH3OH K) NO2 - L) HCO3 - M) Na2CO3 N) N2O4 Para aplicarmos o método de oxirredução primeiro temos que saber se a reação química é uma reação de oxirredução, para isso devemos seguir alguns passos. A primeira coisa a se fazer é calcular todos os nox de cada átomo ou íon presentes na reação, pois muitas vezes não conseguimos perceber imediatamente a variação do nox. Exemplo; H2S + Br2 + H2O H2SO4 + HBr 1º Vamos determinar todos os nox: +1 -2 0 +1 -2 +1 +6 -2 +1 -1 H2S + Br2 + H2O H2SO4 + HBr 2º Vamos agora observar se houve variação no nox e determinar qual substância oxidou e qual reduziu. No exemplo acima o enxofre (S) oxidou, isto é, perdeu elétrons, pois o seu nox aumentou de -2 para +6. Já o bromo (Br), reduziu ou seja, ganhou elétrons, e seu nox diminuiu de 0 para -1. Os elétrons que o Bromo perdeu foram recebidos pelo enxofre, portanto o Bromo causou a oxidação do enxofre, e, por isso, o enxofre é o agente oxidante. O contrário aconteceu com o enxofre, ele recebeu os elétrons do bromo, causando a redução dele; então, o bromo é o agente redutor. Sessão leitura: Escrevendo equações químicas. Para representar os fenômenos por meio de equações químicas, temos que usar uma série de conceitos de maneira articulada e estar atentos ao fato de que a representação é uma simplificação do fenômeno. O primeiro pressuposto para escrevermos equações químicas é que os materiais são constituídos por átomos, que se conservam durante as transformações. Desse modo, o mesmo número de átomos de um determinado elemento químico existente nos reagentes deve constar também nos produtos. Isso explica o fato de a massa ser conservada numa reação química. A operação associada a esse princípio é chamado balanceamento 20 da equação química. O balanceamento é importante para a realização de cálculos para a determinação de quantidades de reagentes ou de produtos. O segundo pressuposto, que nos permite escrever equações químicas, é o de que, nas reações, os átomos se combinam para formar substâncias diferentes das inicias. As formas com que os átomos se combinam são determinadas pela valência dos elementos e pelo arranjo espacial dos elétrons de valência. Existe uma relação entre as quantidades de reagentes na formação dos produtos de uma reação química. Foi observado no final do século XVIII que as substâncias sempre mantém a mesma proporção ao se combinarem, isso foi observado por Joseph Louis Proust, e é conhecida como leis das proporções definidas ou lei de Proust. Por meio dessa lei, Proust foi capaz de mostrar que as substâncias não se combinavam numa variedade infinita de proporções, como pensava, por exemplo, Lavoisier, mas apenas em proporções definidas por números inteiros. Usando essa ideia, Proust foi capaz de propor uma definição para compostos químicos “verdadeiros”, de modo a diferenciá-los de soluções e ligas metálicas. Segundo Proust, esses compostos verdadeiros teriam composições definidas, independentemente da forma como teriam sido preparados. Nas palavras de Proust: “... um composto é um produto privilegiado ao qual a Natureza confere proporções fixas...Devemos reconhecer, portanto...que as características de um composto verdadeiro são invariáveis como a proporção entre seus elementos...” Sabe-se hoje que nem todas as substâncias compostas seguem a Lei de Proust, pois existem algumas para as quais as proporções entre os átomos podem variar. Para a maioria das substâncias com as quais lidamos em nosso cotidiano e para todas aquelas com as quais trabalharemos ao longo do nosso curso, a lei de Proust, no entanto, continua essencialmente válida e aplicável. Exercícios para fixação: 1) Faça o balanceamento das seguintes equações químicas: A) C2H6O + O2 CO2 + H2O B) Na2CO3 + HCl NaCl + H2O + CO2 C) C6H12O6 C2H6O + CO2 D) C4H10 + O2 CO2 + H2O E) FeCl3 + Na2CO3 Fe2(CO3)3 + NaCl F) NH4Cl + Ba(OH)2 BaCl2 + NH3 + H2O G) Ca(OH)2 + H3PO4 Ca3(PO4)2 + H2O H) Fe2(CO3)3 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O + CO2 I) Na2O + (NH4)2SO4 Na2SO4 + H2O + NH3 J) FeS2 + O2 Fe2O3 + SO2 K) NH3 + O2 NO + H2O L) KMnO4 + H2SO4 Mn2O7 + K2SO4 + H2O M) CS2 + O2 CO2 + SO2 N) H3PO4 + CaO Ca3(PO4)2 + H2O O) Na2CO3 + H3PO4 Na3PO4 + H2O + CO2 P) KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2 Q) Na + KNO3 Na2O + K2O + N2 R) Ni(CO)4 Ni + CO S) CaC2 + H2O C2H2 + CaO 21 2) 01 (FUVEST) A decomposição térmica de 1 mol de dicromato de amônio é representada pela equação: (NH4)2Cr2O7 N2 + CrxOy + z H2O Os valores de x, y e z são, respectivamente: a) 2, 3 e 4 b) 2, 7 e 4 c) 2, 7 e 8 d) 3, 2 e 4 e) 3, 2 e 8 3) O airbag é um dispositivo destinado a proteger motoristas e passageiros em caso de colisão (batida). A imagem acima retrata o instante em que os airbags são acionados dentro de um veículo, alguns centésimos de segundo após a colisão. A reação que ocorre é representada pela equação: 6 NaN3 (s) + Fe2O3 (s) → Na2O (s) + 2 Fe (s) +N2↑ (g) Após o balanceamento da equação, a soma de todos os coeficientes mínimos e inteiros das espécies químicas envolvidas é igual a: a) 16 b) 20 c) 22 d) 8 4)(PUC-RJ) O óxido de alumínio (Al2O3) é utilizado como antiácido. A reação que ocorre no estômago é: X Al2O3 + Y HCl → Z AlCl3 + W H2O Os coeficientes X, Y, Z e W são, respectivamente: a) 1, 2, 3,6. b) 1, 6, 2, 3. c) 2, 3, 1, 6. d) 2, 4, 4, 3. e) 4, 2, 1, 6. 5) Considere as seguintes equações químicas: 1) 1 C12H22O11 → 12 C + 11 H2O 2) 1 KClO4 → 1 KCl + 2O2 3) 2 Fe + 3 H2SO4 → Fe2 (SO4)3 + 3 H2 4) NaHCO3 → Na2CO3 +CO2 +H2O Pode-se afirmar que: a) somente 1 e 2 estão balanceadas b) 1, 2 e 3 estão balanceadas c) todas estão balanceadas 6) (PUCCAMP) Num “sapato de cromo”, o couro é tratado com um banho de “licor de cromo”, preparado através da reação representada pela equação: Na2Cr2O7 + x SO2 + H2O y Cr(OH)SO4 + Na2SO4 Depois de balanceada com os menores coeficientes inteiros possíveis, ela apresenta: x y a) 3 2 b) 2 3 c) 2 2 d) 3 3 e) 2 1 22 7) (UNIP/SP) A soma dos menores coeficientes inteiros que balanceiam a equação: Cl2 + NH3 N2H4 + NH4Cl é a) 4 b) 15 c) 21 d) 8 e) 6 8) (OSEC/SP) A soma dos coeficientes da equação abaixo é igual a Br2 + KOH KBrO3 + KBr + H2O a) 13 b) 20 c) 19 d) 15 e) 18 9) Pintou no Enem: 1) (Enem) Duas das reações que ocorrem na produção do ferro são representadas por: 2C + O2 2CO Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 O monóxido de carbono formado na primeira reação é consumido na segunda. Considerando apenas essas duas etapas do processo, calcule a massa aproximada, em Kg, de carvão consumido na Produção de 1t de ferro (Fe = 56) a)318Kg b)321Kg c)319Kg d)320Kg e)317Kg 2) (Enem)A soma dos coeficientes da equação Abaixo é igual a: Br2 + KOH KBrO3 + KBr + H2O a) 13 b) 20 c) 19 d) 15 Gabarito: 1) A)1, 3, 2, 3 K)4, 5, 4, 6 B)1, 2, 2, 1, 1 L)2, 1, 1, 1, 1 C)1, 2, 2 M)1, 3, 1, 2 D)2, 13, 8, 10 N)2, 3, 1, 3 E)2, 3, 1, 6 O)3, 2, 2, 3, 3 F)2, 1, 1, 2, 2 P)2, 1, 1, 1 G)3, 2, 1, 6 Q)10, 2, 5, 1, 1 H)1, 3, 1, 3, 3 R)1, 1, 4 I)1, 1, 1, 1, 2 S)1, 1, 1, 1 J)4, 11, 2, 80 2)a 3)b 4)b 5)b 6)a 7)d 8)e 23 Capítulo 5 5. Estudo dos gases O conhecimento das propriedades dos gases é de grande importância uma vez que estão muito presentes em nosso cotidiano. A maioria dos gases são compostos moleculares, com exceção dos gases nobres, que são formados por átomos isolados. 5.1.Características gerais dos gases Os gases não têm forma nem volume próprios. Um gás tem a forma do recipiente onde está contido e ocupa todo o espaço limitado pelas paredes do recipiente. As partículas constituintes de um gás encontram-se muito afastadas umas das outras e praticamente não ocorre interação entre elas. Isso explica por que os gases têm densidades baixas, podem ser facilmente comprimidos e se misturam com muita facilidade. Além disso, as partículas movimentam-se de maneira contínua e desordenada em todas as direções e sentidos. Chocam-se entre si e contra a parede do recipiente sem perder energia. 5.2 Variáveis de estado dos gases: 5.2.1 Pressão Em um frasco fechado, a pressão exercida por um gás resulta dos choques entre as partículas desse gás contra as paredes internas do recipiente que o contém. Em 1643, Torricelli determinou experimentalmente que a pressão exercida pela atmosfera ao nível do mar corresponde à pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 760mm: 1atm = 760mmHg = 101325Pa = 1,0bar 5.2.2 Volume O volume de uma amostra gasosa é igual ao volume interno do recipiente que a contém. As unidades de volume mais usadas são: 1L = 1dm 3 = 1000cm 3 = 1000mL = 0,001m 3 5.2.3Temperatura A temperatura de um gás está relacionada com o grau de agitação das suas moléculas. Existem várias escalas termométricas, entretanto no estudo dos gases usa-se a escala absoluta ou Kelvin (K). No Brasil as temperaturas são medidas na escala centesimal ou Celsius (°C), portanto devemos converter os valores de temperatura para Kelvin: TK = TC + 273 24 5.3 Transformações gasosas 5.3.1 Isotérmica Mantendo-se a temperatura constante, a pressão e o volume de uma amostra de gás variam de modo inversamente proporcional, fato conhecido como Lei de Boyle. Matematicamente podemos expressar essa lei da seguinte maneira: P x V = constante Podemos também dizer que: P1 x V1 = P2 x V2 5.3.2 Isobárica À pressão constante, o volume de uma massa fixa de um gás varia linearmente com a temperatura do gás, fato conhecido como Lei de Charles/Gay-Lussac. Um aumento na temperatura acarreta um aumento do volume ocupado pelo gás. Matematicamente: V/T=constante ou V1/T1=V2/T2 5.3.3 Isocórica ou Isovolumétrica O volume constante, a pressão de uma massa fixa de gás é diretamente proporcional a temperatura absoluta do gás. Um aumento na temperatura acarreta um aumento na pressão exercida pelo gás. Matematicamente: P/T = constante ou P1/T1 =P2/T2 5.4 Equação geral dos gases A lei de Boyle e as leis de Charles e Gay- Lussac podem ser reunidas em uma única expressão conhecida como equação geral dos gases: 5.5 Volume molar É o volume ocupado por 1 mol de um gás a uma determinada pressão e temperatura. O volume molar foi determinado experimentalmente considerando as 25 Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), ou seja, a pressão de 1 atm e temperatura de 273K, o que corresponde a 22,4L. 5.6 Lei de Avogadro Volumes iguais de gases quaisquer, nas mesmas condições de pressão e temperatura, contêm igual número de moléculas. 5.7.Equação de Clapeyron Para uma massa constante de um mesmo gás, vale sempre a relação: P x V = constante T O valor da constante depende da quantidade do gás em mol. Para um mol de qualquer gás: P x V = R T O valor de R nas CNTP é 0,082 atm.L/K.mol. Dependendo das unidades empregadas para indicar as outras grandezas teremos valores diferentes de R, como por exemplo, 62,3mmHg.L/mol.K. Para um número de mol qualquer, temos: p x V = n x R x T Essa equação também é conhecida como equação geral dos gases ideais. 5.8 Densidade dos gases Densidade absoluta de um gás, em determinada pressão e temperatura, é o quociente entre a massa e o volumedo gás. d = m V Sessão leitura: Texto 1 Ah!! Os gases... Tem que ser admitido que uma relação muito simples também existe entre os volumes de substâncias gasosas e o número de moléculas simples ou compostas que as constituem. A primeira hipótese a se apresentar em relação a isso, e aparentemente a única admissível, é a suposição de que o número de moléculas integrantes em qualquer gás é sempre o mesmo para volumes iguais ou é sempre proporcional ao volume. Essa hipótese viria a ser comprovada mais tarde e permitiu a definição da grandeza Volume molar, válida para gases: Um mol de qualquer gás sempre ocupa, nas mesmas condições de temperatura e pressão o mesmo volume. Vamos então definir as Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), como a temperatura de 0º C e a pressão de 1 atm, o volume molar dos gases é igual a 22,4L. Essa quantidade corresponde, aproximadamente, ao volume de 11 garrafas de PET (de refrigerante) de 2L ou a um cubo de 28,2cm de aresta. A grandeza molar permite que sejam realizados cálculos estequiométricos relacionando quantidade de matéria (em mol) e volume; e massa-volume. Nunca é demais lembrar que esse volume se aplica somente aos gases. Isso porque as moléculas num gás ideal permanecem isoladas como moléculas individuais. É por isso também que muitos gases reais vão exibir uma pequena diferença em relação a esse comportamento ideal, exibindo valores ligeiramente diferentes para, entre outros o volume molar. Usando volumes de recipientes conhecidos (por exemplos garrafas pets de refrigerantes, tem volumes de 2L), estime o que isso significa, em termos reais, o volume de um gás nas CNTP. 26 Texto 2 Os perigos dos gases de escape automóvel. Os maiores responsáveis pela poluição atmosférica, principalmente nas grandes cidades, são sem dúvida os automóveis através dos gases de escape que emitem. As pessoas que vivem nos centros das grandes cidades certamente sabem isto melhor que ninguém porque “sentem- no na pele” todos os dias. De entre os poluentes emitidos pelo escape dos automóveis podemos destacar os seguintes: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarbonetos (HC), dióxido de enxofre (SO2), óxidos de nitrogénio (NOx) e partículas diversas (poeiras, fumos, fuligem, etc.). Estes compostos apresentam perigos, tanto para a saúde humana como para o meio ambiente. O monóxido de carbono é um gás que ao ser respirado entra na corrente sanguínea provocando dores de cabeça e dificuldades respiratórias, podendo mesmo causar asfixia e provocar mortes no caso de estar presente em altas concentrações. De entre os hidrocarbonetos expelidos para a atmosfera pelo escape automóvel, os mais perigosos são talvez o metano e o benzeno, uma vez que em concentrações elevadas podem ser cancerígenos, e além disso também contribuem para o aquecimento global do planeta. Os óxidos de nitrogénio são os grandes responsáveis pela “névoa de poluição” que por vezes se faz notar nas cidades e que reduz a visibilidade. Também contribuem para o efeito estufa e podem provocar irritação nos olhos e no sistema respiratório. As partículas diversas também contribuem para a formação da “névoa de poluição” e são agressivas para o nosso sistema respiratório e cardiovascular. Em relação ao dióxido de carbono, apesar de não ser nocivo para o Homem, é o principal responsável pelo efeito estufa e pelo consequente aquecimento global do planeta. O aumento consecutivo do número de automóveis a circular nas ruas de todo o mundo em conjunto com o abate indiscriminado de árvores está a provocar um desequilíbrio no ciclo do CO2 (dióxido de carbono), ou seja a flora global já não é suficiente para manter os níveis de carbono na atmosfera equilibrados – o dióxido de carbono produzido sofreu um aumento considerável, devido à ação do homem, enquanto que a utilização do CO2 por parte das plantas diminuiu o que está a provocar a acumulação de grandes quantidades deste gás na atmosfera. Estas altas concentrações de dióxido de carbono fazem com que o calor fique retido na atmosfera, o que está a provocar o aquecimento gradual do planeta levando a alterações climatéricas graves. Exercícios para fixação: 1. Um vendedor de balões de gás na Praia de Boa Viagem, em Recife, utiliza um cilindro de 60L de Hélio a 5 atm de pressão, para encher os balões. A temperatura do ar é 3ºC e o cilindro está em um local bem ventilado na sombra. No momento em que o vendedor não conseguir mais encher nenhum balão, qual o volume e a pressão do gás Hélio restante no cilindro? a) V = 0 L; P = 0 atm b) V = 22,4 L; P = 1 atm c) V = 60 L; P = 1 atm d) V = 10 L; P = 5 atm e) V = 60 L e P = 0 atm 2. Ao subir do fundo de um lago para a superfície, o volume de uma bolha triplica. Supondo que a temperatura da água no fundo do lago seja igual à temperatura na superfície, e considerando que a pressão exercida por uma coluna de água de 10 m de altura corresponde, praticamente, à pressão de uma atmosfera, podemos concluir que a profundidade do lago é, aproximadamente. a) 2 m. b) 5 m. c) 10 m. d) 20 m. e) 30 m. 3. Uma estudante está interessada em verificar as propriedades do hidrogênio gasoso a baixas temperaturas. Ela utilizou, inicialmente, um volume de 2,98 L de H2(g), à temperatura ambiente (25°C) e 1atm de pressão, e resfriou o gás, à pressão constante, a uma temperatura de – 200°C. Que volume desse gás a estudante encontrou no final do experimento? a) 0,73 mL. b) 7,30 mL. c) 73,0 mL. d) 730 mL. e) 7300 mL. 27 4. Imediatamente acima da superfície da Terra localiza-se uma região da atmosfera conhecida como troposfera, na qual ocorrem as nuvens, os ventos e a chuva. A temperatura no seu topo é de –50oC e sua pressão é de 0,25 atm. Se um balão resistente a altas pressões, cheio com gás hélio até um volume de 10 litros, a 1,00 atm e 27oC for solto, qual o volume, em mL, deste balão quando chegar ao topo da troposfera? a) 40,0L b) 74,1L c) 36,3L d) 29,7L e) 52,5L 5. A pressão total do ar no interior de um pneu era de 2,30 atm quando a temperatura do pneu era de 27 °C. Depois de ter rodado um certo tempo, mediu-se novamente sua pressão e verificou-se que esta era agora de 2,53 atm. Supondo a variação de volume do pneu desprezível, a nova temperatura será: a) 29,7 °C. b) 57,0 °C. c) 33,0 °C. d) 330 °C. e) n.d.a. 6. Um cilindro de gás industrial com capacidade para 100L, contém 44 Kg de gás propano a 27°C. Considerando que em uma semana seja consumido gás suficiente para que a pressão seja reduzida à metade e supondo que a temperatura permaneça constante, a pressão inicial no cilindro e número de mols de gás utilizado serão respectivamente: (Dado: C=12 g/mol, H=1 g/mol) a) 246 atm e 500 mols b) 246 atm e 22 mols c) 123 atm e 1000 mols d) 123 atm e 500 mols e) 123 atm e 44 mols 7. A massa de oxigênio necessária para encher um cilindro de capacidade igual a 25 litros, sob pressão de 10 atm e a 25 °C é de: (Dados: massa molar do O2 = 32 g/mol; volume
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