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Quimica Inorgänica I 1- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Nossa visão do universo O filósofo grego Aristóteles, no longínquo ano de 340 a .C, em seu livro sobre o firmamento, foi capaz de evidenciar dois bons argumentos para sustentar a crença de que a Terra era uma esfera e não um corpo achatado. Em primeiro lugar, percebeu que os eclipses da Lua eram causados pelos posicionamentos da Terra ao se colocar entre o Sol e a Lua. Em segundo lugar, os gregos por suas experiências de viagens, que a estrela polar parecia mais baixa no céu quando vista do sul do que seobservada de regiões mais ao norte. Aristóteles acreditava que a Terra era estática e que o sol, a lua , os planetas e as estrelas se deslocasse em órbitas circulares, à sua volta. Acreditava nisso por supor, apoiado em razões místicas, que a Terra fosse o centro do universo e o movimento circular, o mais perfeito. Tal idéia fora formulada por Ptolomeu no século II , dentro de um modelo cosmológico completo. A terra ficaria no centro, circundada por oito esferas que seriam percorridas pela lua, o sol, as estrelas e os cinco planetas conhecidos à época : Mercúrio, Vênus, Mate, Júpiter e Saturno. Os próprios planetas se moveriam em órbita menores, em tomo de suas respectivas esferas. A esfera mais afastada seria a das estrelas, que manteriam sempre a mesma posição relativa entre si, girando juntas através do céu. O que havia além da ultima esfera jamais ficou esclarecido, mas certamente não fazia parte do universo observável pelo gênero humano. O modelo de Ptolomeu estabelec ia um sistema razoavelmente precis o de prever as posições dos corpos celestes no f l r rnanento. Mas para prever essa posições corretamente, Ptolomeu teve que estabelecer o pressuposto de que a lua seguia uma trajetór ia tal que em algumas épocas a levava duas vezes mais per to da terra do que em outras. Ptolomeu reconheceu essa falhas, mas ainda sim seu modelo foi em geral aceito. Um modelo mais simples, entretanto, foi proposto emls14 por um polonês , Nicolau Copércio. Sua idéia era de que o sol fosse o centro estático em tomo do qual a terra e os planetas se deslocam em órbitas circulares. Tendo descoberto quase por acidente que as órbitas elíptica se adequavam às observações, ele não pode reconciliá-las com sua idéia de que os planetas tinham sido feitos para girar em tomo do sol, atraidos pela força magnética. A explicação só apareceu muito tempo mais tarde, em 1687, quando Sir Isaac Newton publicou seu Princípios matemáticos da filosofia natural. Nele Newton não apenas desenvolveu a teoria de como os corpos se movem no espaço e no tempo, mas também fomece a complexa matemática para analisar tais movimentos. Newton elaborou, a lei da gravitação universal, de acordo com a qual cada corpo no universo é atraído por todo e qualquer outro, por uma força tanto mais intensa quanto maiores forem os corpos e mais próximos estejam uns dos outros.Newton acabou demostrando que, de acordo com sua lei, a gravidade faz com que a lua se mova em órbita elíptica em tomo da terra, e com que a terra e os planetas percorram trajetórias também elípticas em tomo do sol. O modelo de Cópernico libertou-se das esferas celestes de Ptolomeu e, com elas, da idéia de que o universo tenha um limite natural. De acordo com sua teoria da gravidade, Newton se deu conta de que, as estrelas devem atrair umas às outras e, portanto, não devem permanecer essencialmente fixas. Elas não cairiam juntas em algum ponto? Numa carta de 1691 a Richard Bentley, outro pensador de renome em sua Quimica Inorgänica I 2- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho época, Newton argumenta que isso de fato aconteceri caso houvesse apenas um número finito de estrelas, distribuídas sobre uma região finita de espaço. Mas ele raciocinava que, se por outro lado, houvessem um número infmito de estrelas, distribuídas mais ou menos uniformemente sobre o espaço infinito, isso não aconteceria, porque não haveria qualquer ponto central onde elas pudessem cair. Esse argumento é um exemplo das armadilhas que se pode encontrar quando se fala do infinito. Num universo infinito, qualquer ponto pode ser considerado o centro, porque todos eles têm um número infinito de estrelas à sua volta. A abordagem correta, é considerar a situação imita, na qual as estrelas todas cairiam umas sobre as outras e, se perguntar como as coisas poderiam mudar ao se acrescentar mais estrelas, distribuídas com alguma uniformidade além dessa região. De acordo com a lei de Newlton , as estrelas suplementares não iriam fazer qualquer diferença no cômputo médio das origHais, que iriam cair tão rapidamente quanto antes. Agora se sabe que é impossível ter um modelo estático infinito do universo, no qual a gravidade seja sempre atrativa. Outras observação ao universo estático infinito é normalmente atribuida ao filósofo alemão Heinrich Olbers , que escreveu sobre essa teoria em 1823. De fato, vários contemporâneos de Newton apontaram o problema, e o artigo de Olbers não foi o primeiro a conter argumentos plausíveis contra ele. Entretanto , o primeiro a ser amplamente considerado. O contra argumento de Olbers era de que a luminosidade das estrelas distantes seria regulada pela absorção da matéria interveniente. Entretanto, se isso acontecesse a matéria interveniente eventualmente se aqueceria até incandescer, tomando-se tão brilhante quanto as estrelas. O único jeito de evitar a conclusão de que a totalidade do céu notumo poderia ser tão brilhante quanto a superficie do sol seria assumir que as estrelas não teriam estado sempre brilhando, mas que tivessem se iluminando em algum tempo imito no passado. Nesse caso a matéria absorvente poderia não ter se aquecido ainda, ou a luz das estrelas distantes não ter chegado a nos atingir. O que nos leva à questão sobre o que teria inicialmente provocado a iluminação das estrelas. O começo do universo, naturalmente, foi discutido muito antes disso. De acordo comum certo número de cosmologias originais e com a tradição judeus-cristã-mulçuman o universo começou num tempo não muito distante e tirito no passado. Um argumento para tal começo é o sentimento de que é necessário haver uma "causa inicial"para explicar a existência do universo. Outro argumento foi defendido por Santo Agostinho, no seu livro A cidade de Deus,. Ele assinalava que a civilização está progredindo e que nós nos lembramos de quem realizou este feito ou desenvolveu aquelas técnica. Ass os homens e talvez também o universo , poderiam não ter estado por aí esse tempo todo. Santo Agostinho aceita a data de aproximadamente 5000 a .C para a criação do universo, de acordo com o livro Gênesis. Aristóteles, como a maioria dos outros filósofos gregos, por outro lado, não concordava com a idéia da criação porque ela contém muitos indícios da intervenção divina. Acreditava, entretanto, que a raça humana e o mundo que a circunda sempre tenham existido, e vão continuar existindo indefinidamente. Os antigos consideravam ainda o argumento sobre o progresso, e respondiam-lhe afirmando que tinha havido dilúvios periódicos ou outros desastres que, em sua recorrência Quimica Inorgänica I 3- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho devolviam a raça humana aos princípios da civilização. Quando a maioria das pessoas acreditava num universo especialmente estático e imutável, a questão se ele tivera ou não um começo pertencia ,de fato, ao domínio da metafisica ou da teologia. Em 1929, Edwin Hubble fez a observação mdamental de que, em qualquerlugar para onde se olhe, galáxias distantes estão se afastando rapidamente da nossa. Em outras palavras o universo está se expandindo. O que em tempos remotos os objetos estariam mais próximo uns dos outros. De fato, parece que houve um tempo, em tomo de dez ou vinte bilhões de anos atrás ,em que estavam todos exatamente no mesmo lugar e a densidade do universo era infinita. Essa descoberta fmalmente trouxe a questão do começo do universo ao domínio real da ciência. As observações de Hubble sugeriam que teria havido um tempo, chamado instante do Big Bang, em que o universo fora útfinitesimalmente denso. Pode-se dizer que esse tempo teve início no Big Bang, no sentido de que os tempos anteriores simplesmente não seriam definidos. Deve-se enfatizar que esse começo no tempo é muito diferente daqueles que tinham sidos considerados previamente. Para falar sobre a natureza do universo e discutir questões tais como se ele tenha um começo ou um fim é preciso Ter clareza do que é uma teoria científica, a teoria é apenas um modelo do universo, ou uma parte restrita de seu todo; um conjunto de regras que defende quantidades ao modelo de observação que se tenha escolhido. Ela existe apenas em nosso raciocínio e não apresenta qualquer outra realidade. Uma teoria é considerada boa quando satisfaz dois requisitos: descrever com precisão uma grande categoria de observações, com base num modelo que contenha apenas poucos elementos arbitrários; e fazer previsões definidas quanto ao resultado das liJturas observações.Por exemplo, a teoria de Aristóteles de que tudo foi originado a partir dos quatro elementos, terra, ar, fogo e áá era suficientemente simples para qualificar, porém não fazia qualquer previsão definitiva. Por outro lado, a teoria da gravidade de Newton se baseou num modelo ainda mais simples, segundo o qual os corpos se atraem com força proporcional a uma quantidade chamada massa, e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Previa ainda os movimentos do Sol, da Lua e dos planetas com um elevado grau de precisão. Qualquer teoria fisica é sempre provisória, no sentido de que não passa de uma hipótese: não pode ser comprovada jamais. Pode-se rejeitar qualquer teoria ao se descobrir uma única observação que contrarie suas previsões. Como filósofo da ciênci Karl Popper enfatizou que uma boa teoria é caracterizada pelo fato de ser capaz de fazer um número de previsões que possam, em princípio, ser rejeitadas ou inutilizadaspela observação. Na prática, costuma ocorrer que uma nova teoria seja formulada com extensão de outra, anterior a ela. Por exemplo, observações bastante precisas do planeta Mercúrio revelaram uma pequena diferença entre seus movimentos e as previsões da teoria da gravidade de Newton. A teoria geral da relatividade de Einstein previa um movimento ligeiramente diferente da teoria de Newton. O fato de que as previsões de Einstein viessem ao encontro do que era observado, enquanto as de Newton não, foi um dos elementos cmciais de confirmação da nova teoria. Entretanto, ainda utilizamos a teoria de Newton para todos os objetivos práticos porque a diferença entre suas previsões e aquelas da teoria geral da relatividade é muito pequena nas situações com que Quimica Inorgänica I 4- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho normalmente lidamos. O objetivo eventual da ciência é prover uma teoria única que descreva todo o universo. Entretanto, a abordagem que a maioria dos cientistas segue anualmente é separar o problema em duas partes. Primeiro existe as leis que explicam as mudanças do universo ao longo do tempo. Em segundo lugar esta a questão do estado inicial do universo. Foi aprovado que é muito dificil descobrir uma teoria que descreva todo o universo. Anualmente os cientistas descrevem o universo através de duas teorias parciais básicas: a teoria geral da relatividade e a mecânica quântica, que são as duas grandes contribuições intelectuais da primeira metade deste século. A teoria geral da relatividade descreve a força da gravidade e a macroestrutura do universo, a estrutura em escala de apenas poucos quilómetros para um trabalho tão grande quanto um setillhão de quilómetro, que é o tamanho do universo observado. A mecânica quàntica por outro lado, lida com fenómenos em escalas extremamente pequenos, tais como um trilinésimo de centímetros. Infelizmente, sabe- se que essas duas teorias não podem ser ambas corretas. Um dos maiores desafio da fisica atualmente, é a procura de uma nova teoria que as incorpore, uma teoria quântica da gravidade. Portanto caso se acredite que o universo não é arbitrário, mais sim govemado por leis definidas, será preciso, em ultima análise combinar as teorias parciais numa outra, completa e unificada, capaz de descrever tudo no universo. A descoberta de uma teoria unificada e completa, talvez não ajude a sobrevivência de nossa espécie. Pode até mesmo não afetar nosso estilo de vida. Mas, desde os primórdios da civilização, o homem não se Na prática cosUuna ocorrer que uma nova teoria seja formulada com extensão de outra, anterior a ela. Por exemplo, observações bastante precisas do planeta Mercúflo revelaram uma pequena diferença entre seus movbnentos e as previsões da teoria da gravidade de Newton. A teoria geral da relatividade de Einstein previa um movbnento ligeiramente diferente da teoria de Newton. O fato de que as previsões de Einstein viessem ao encontro do que era observado, enquanto as de Nelvton uào, foi um dos elementos cruciais de confirmação da nova teoria. Entretanto, ainda utilizamos a teoria de Newton para todos os objetivos práticos porque a diferença entre suas previsões e aquelas da teoria geral da relatividade é muito pequena nas situações com que normalmente lidamos. O objetivo eventual da ciência é prover uma teoria única que descreva todo o universo. Entretanto, a abordagem que a maioria dos cientistas segue anualmente é separar o problema em duas partes. Prbneiro existe as leis que explicam as mudanças do universo ao longo do tempo. Em segundo lugar esta a questão do estado inicial do universo. Foi aprovado que é muito dificil descobrir uma teoria que descreva todo o universo. Anualmente os cientistas descrevem o universo através de duas teorias parciais básicas: a teoria geral da relatividade e a mecânica quântica, que são as duas grandes contribuições intelectuais da primeira metade deste século. A teoria geral da relatividade descreve a força da gravidade e a macroestrutura do universo, a estrutura em escala de apenas poucos quilómetros para um trabalho tão grande quanto um setillhão de quilómetro, que é o tamanho do universo observado. A mecânica quântica por outro lado, lida com fenómenos em escalas extremamente Quimica Inorgänica I 5- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho pequenos, tais como um trilinésbno de centúnetros. bJfelizmente, sabe- se que essas duas teorias não podem ser ambas corretas. Um dos maiores desafio da fisica anualmente, é a procura de uma nova teoria que as incorpore, uma teoria quântica da gravidade. Portanto caso se acredite que o universo não é arbitrário, mais siJn governado por leis definidas, será preciso, em ultbna análise combinar as teorias parciais numa outra, completa e unificada, capaz de descrever tudo no universo. A descoberta de uma teoria unificada e completa, talvez não ajude a sobrevivência de nossa espécie. Pode até mesmo não afetar nosso estilo de vida. Mas, desde os primórdios da civilização, o homem não se Na prática cosUuna ocorrer que uma nova teoria seja formulada com extensão de outra, anterior a ela. Por exemplo,observações bastante precisas do planeta Mercúflo revelaram uma pequena diferença entre seus movbnentos e as previsões da teoria da gravidade de Newton. A teoria geral da relatividade de Einstein previa um movbnento ligeiramente diferente da teoria de Newton. O fato de que as previsões de Einstein viessem ao encontro do que era observado, enquanto as de Nelvton uào, foi um dos elementos cruciais de confirmação da nova teoria. Entretanto, ainda utilizamos a teoria de Newton para todos os objetivos práticos porque a diferença entre suas previsões e aquelas da teoria geral da relatividade é muito pequena nas situações com que normalmente lidamos. O objetivo eventual da ciência é prover uma teoria única que descreva todo o universo. Entretanto, a abordagem que a maioria dos cientistas segue anualmente é separar o problema em duas partes. Prbneiro existe as leis que explicam as mudanças do universo ao longo do tempo. Em segundo lugar esta a questão do estado inicial do universo. Foi aprovado que é muito dificil descobrir uma teoria que descreva todo o universo. Anualmente os cientistas descrevem o universo através de duas teorias parciais básicas: a teoria geral da relatividade e a mecânica quântica, que são as duas grandes contribuições intelectuais da primeira metade deste século. A teoria geral da relatividade descreve a força da gravidade e a macroestrutura do universo, a estrutura em escala de apenas poucos quilómetros para um trabalho tão grande quanto um setillhão de quilómetro, que é o tamanho do universo observado. A mecânica quântica por outro lado, lida com fenómenos em escalas extremamente pequenos, tais como um trilinésbno de centúnetros. bJfelizmente, sabe- se que essas duas teorias não podem ser ambas corretas. Um dos maiores desafio da fisica anualmente, é a procura de uma nova teoria que as incorpore, uma teoria quântica da gravidade. Portanto caso se acredite que o universo não é arbitrário, mais siJn governado por leis definidas, será preciso, em ultbna análise combinar as teorias parciais numa outra, completa e unificada, capaz de descrever tudo no universo. A descoberta de uma teoria unificada e completa, talvez não ajude a sobrevivência de nossa espécie. Pode até mesmo não afetar nosso estilo de vida. Mas, desde os primórdios da civilização, o homem não se satisfaz com observar os eventos isolados e sem explicação; necessita de uma compreensão da ordem subjacente do mundo. Quimica Inorgänica I 6- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 1. QUÍMICA GERAL INORGÂNICA A ciência QUÍMICA está voltada para o estudo da matéria, qualquer que seja sua origem. Estuda a composição da matéria, suas transformações e a energia envolvida nesses processos. Mas, o que é matéria? É tudo aquilo que tem massa e ocupa um lugar no espaço. A matéria pode ter dimensões limitadas, neste caso será um corpo. Se o corpo possui finalidade específica, teremos então um objeto. Exemplos: A madeira, o vidro e o ferro são matérias. Um pedaço de madeira, um caco de vidro, uma barra de ferro são corpos. Uma cadeira de madeira, um copo de vidro, um balanço de ferro são objetos. Toda matéria é constituída por partículas minúsculas chamadas átomos. Os átomos apresentam duas partes fundamentais: O núcleo e a eletrosfera. As partículas, fundamentais, que constituem os átomos são: prótons, nêutrons e elétrons. No núcleo do átomo são encontrados prótons e nêutrons; enquanto que na eletrosfera são encontrados os elétrons. Estudos permitiram determinar características físicas das partículas atômicas fundamentais, tais como carga elétrica relativa e massa relativa, que podem ser observadas na tabela a seguir: Partícula Massa relativa Carga relativa Elétron 1/1836 – 1 Próton 1 + 1 Nêutron 1 0 A massa do elétron é desprezível, e não podemos afirmar que o mesmo não tem massa. O elétron tem uma massa que é, aproximadamente, 1836 vezes menor que a massa do próton. Quimica Inorgänica I 7- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Os átomos, por sua vez, reúnem-se em grupos denominados moléculas. No caso da substância água, as moléculas são formadas por dois átomos do elemento hidrogênio e um átomo do elemento oxigênio (H2O). Resumindo: Átomo é a unidade estrutural da matéria. Molécula é a menor porção de uma substância que ainda conserva as propriedades dessa substância A matéria pode ser uma SUBSTÂNCIA PURA ou uma MISTURA. As substâncias puras podem ser classificadas em: SIMPLES e COMPOSTA. + Átomo de hidrogênio Átomo de oxigênio Água Gás hidrogênio Gás oxigênio Substância composta Substâncias simples A substância simples é constituída por um único tipo de elemento químico: H2, O3, O2, He, Fe, N2. A substância composta possui mais de um tipo de elemento químico: H2O, NaOH, H2SO4, NH4OH. Podemos observar um fenômeno pelo qual um mesmo elemento químico é formador de substâncias simples diferentes, tal fenômeno chama-se ALOTROPIA. FORMAS ALOTRÓPICAS DO OXIGÊNIO O OO oxigênio (O2) ozônio (O3) FORMAS ALOTRÓPICAS DO CARBONO C (diamante) e C (grafite) Quimica Inorgänica I 8- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho FORMAS ALOTRÓPICAS DO ENXOFRE FORMAS ALOTRÓPICAS DO FÓSFORO Pn (fósforo vermelho) P4 (fósforo branco) pirâmide com quatro átomos fósforo branco P 4 fósforo vermelho fila de pirâmides P n P 4 P n : atomicidade 4. : atomicidade n. Quimica Inorgänica I 9- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho MISTURAS Se a matéria for constituída por mais de um tipo de molécula teremos uma mistura. As misturas podem ser classificadas em HOMOGÊNEAS e HETEROGÊNEAS. A mistura que possui apenas um único aspecto é denominada de homogênea e, se tiver mais de um aspecto será heterogênea. Exemplos: Misturas homogêneas: água + álcool ; álcool + gasolina sal + água; oxigênio + hidrogênio Misturas heterogêneas: óleo + água ; gasolina + água Cada aspecto visível em uma mistura é denominado de FASE. Exemplos: a mistura “água + óleo” possui duas fases, portanto, é mistura bifásica. a mistura “ água + limalha de ferro + sal + pó de serra “ possui três fases então, será uma mistura trifásica. MUDANÇAS DE ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA A matéria pode ser encontrada em três estados físicos: SÓLIDO, LÍQUIDO e GASOSO. Podemos alterar o estado físico de uma matéria modificando a temperatura e a pressão. A vaporização pode ocorrer de três formas diferentes: evaporação, ebulição e calefação. Podemos observar que durante as mudanças de estado das substâncias puras a temperatura se mantém constante, enquanto que, nas misturas, a temperatura sofre alteração. SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO SUBLIMAÇÃO RESSUBLIMAÇÃO FUSÃO SOLIDIFICAÇÃO VAPORIZAÇÃO CONDENSAÇÃO QuimicaInorgänica I 10- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho temperatura tempo s l g s l+ + l SUBSTÂNCIA PURA g temperatura tempo s l g s l+ + l MISTURAS COMUNS g Existem misturas especiais que se comportam como puras durante a fusão ou a ebulição, são as misturas eutéticas e azeotrópicas, respectivamente. temperatura tempo s l g s l+ + l MISTURAS EUTÉTICAS g Quimica Inorgänica I 11- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho temperatura tempo s l g s l+ + l MISTURAS AZEOTRÓPICAS g SEPARANDO OS COMPONENTES DE UMA MISTURA Na natureza, as substâncias geralmente são misturadas umas às outras. Por este motivo, para obter as substâncias puras é necessário separá-las. Podemos usar vários processos para separar os componentes de uma mistura: EVAPORAÇÃO: Consiste em deixar a mistura em repouso sob a ação do sol e do vento até que o componente líquido passe para o estado de vapor, deixando apenas o componente sólido. Exemplo: Obtenção do sal a partir da água do mar. FILTRAÇÃO: Consiste em passar a mistura por uma superfície porosa (filtro) que deixa passar o componente líquido ou gasoso, retendo a parte sólida da mistura. DECANTAÇÃO: Quimica Inorgänica I 12- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Consiste em deixar a mistura em repouso até que o componente mais denso se deposite no fundo do recipiente. Exemplo: A poeira formada sob os móveis Quando os componentes da mistura heterogênea são líquidos imiscíveis usamos o funil de decantação ou funil de bromo para separa-los. CENTRIFUGAÇÃO: Consiste em colocar a mistura em um aparelho chamado centrífuga, que acelera a decantação, usando a força centrífuga. Quimica Inorgänica I 13- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho tubos em repouso tubos em rotação fase sólida fase líquida sólido + líquido DESTILAÇÃO A destilação é um processo que se utiliza para separar os componentes de uma mistura homogênea e pode ser dividida em DESTILAÇÃO SIMPLES e FRACIONADA. DESTILAÇÃO SIMPLES: Consiste em aquecer uma mistura homogênea de um líquido com um sólido, até que o componente líquido sofra, totalmente, vaporização seguida de condensação, ficando no balão de destilação o componente sólido. Exemplo: Obtenção da água pura a da água do mar DESTILAÇÃO FRACIONADA: Quimica Inorgänica I 14- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Consiste em aquecer uma mistura homogênea de dois líquidos com ponto de ebulição diferentes, até que o líquido de menor ponto de ebulição sofra vaporização seguida de uma condensação. Exemplo: Purificação do álcool retirando água Observação: Podemos ainda separar os componentes de uma mistura pelos processos: Catação, Ventilação, Levigação, Fusão fracionada, Flotação, Separação magnética, etc. PROPRIEDADES DA MATÉRIA Quando olhamos à nossa volta, percebemos que alguns materiais aquecem mais rápidos que outros, outros se quebram com maior facilidade, alguns são verdes outros são incolores, temos materiais com algum odor, etc. Em outras palavras, a matéria possui algumas características chamadas de propriedades da matéria. Algumas dessas propriedades podem ser observadas em todas as matérias e outras são características de um certo grupo. As propriedades observadas em toda matéria são denominadas de propriedades GERAIS enquanto que aquelas que podemos observar em certo grupo de matéria são chamadas de propriedades ESPECÍFICAS. As propriedades GERAIS mais importantes são: a) EXTENSÃO Denomina-se extensão à propriedade que a matéria tem de ocupar um lugar no espaço, isto é, toda matéria ocupa um lugar no espaço que corresponde ao seu volume. A unidade padrão de volume é o metro cúbico (m 3 ), mas o litro (L) é também muito usado. B) MASSA É a quantidade de matéria que forma um corpo. A massa tem como unidade principal o quilograma (kg). c) INÉRCIA É a tendência natural que os corpos têm de manter seu estado de repouso ou de movimento numa trajetória reta. A medida da inércia de um corpo corresponde à de sua massa. Assim, quanto maior a massa de um corpo, maior será a sua inércia (apresenta maior resistência à mudança do seu estado de repouso ou de movimento). d) IMPENETRABILIDADE É a propriedade que os corpos têm de não poder ocupar um mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo. Quimica Inorgänica I 15- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho e) COMPRESSIBILIDADE É a propriedade que os corpos possuem de terem seu volume reduzido quando submetido à determinada pressão. Isto ocorre porque a pressão diminui os espaços existentes entre as partículas constituintes do corpo. f) ELASTICIDADE É a propriedade que um corpo tem de voltar a sua forma inicial, cessada a força a que estava submetido. A elasticidade a compressibilidade variam de um corpo para outro. g) INDESTRUTIBILIDADE É a propriedade que a matéria tem de não poder ser criada nem destruída, apenas ser transformada. Esta propriedade constitui um dos princípios básicos da química, ciência que estuda as transformações das substâncias. h) FÍSICAS São as propriedades que caracterizam as substâncias fisicamente, diferenciando-as entre si. As mais importantes são: Ponto de fusão, ebulição, solidificação e condensação. Também destacamos a solubilidade, a densidade e a condutibilidade. Uma das propriedades físicas de grande importância é a DENSIDADE que corresponde ao quociente entre a massa e o volume de um corpo. Quanto maior for a massa de um corpo por unidade de volume, maior será a sua densidade e vice-versa. 1 mL de água 1 mL de ferro 1 mL de chumbo pesa 1 g pesa 7,86 g pesa 11,40 g d = m / v A densidade pode ser medida em: g / mL , g / cm 3 , kg / L , etc. AS TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA Toda e qualquer alteração que a matéria venha a sofrer é denominada de TRANSFORMAÇÃO ou FENÔMENO. Quimica Inorgänica I 16- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Algumas transformações (fenômenos) são reversíveis, isto é, podem ser desfeitas com uma certa facilidade, ou ainda, não produzem um novo tipo de substância. Tais transformações são chamadas de FÍSICAS. Exemplos: Uma pedra de gelo derretendo. O sal que dissolvemos na água pode ser recuperado com a evaporação da água. As transformações (fenômenos) que produzem um novo tipo de substância são chamadas de QUÍMICAS. Exemplos: A queima da madeira produz a cinza. O ferroenferrujando. Uma fruta amadurecendo. Exercícios: Observe atentamente os processos cotidianos abaixo: a secagem da roupa no varal a fabricação caseira do pão a filtração da água pela vela do filtro o avermelhamento do bombril umedecido a formação da chama do fogão, a partir do gás de cozinha Constituem fenômenos químicos: a) II e IV apenas. b) II, IV e V apenas. c) I, III e IV apenas. d) I, II e III apenas. 2)Nos diferentes materiais abaixo, expostos ao ar, verifica-se que: I. sobre uma lâmina metálica, forma-se uma película escura II. bolinhas de naftalina vão diminuindo de tamanho III. o leite ficando azedo. IV. um espelho fica embaçado se respirarmos encostado a ele V. uma banana apodrece Podemos dizer que são observados fenômenos a) físicos somente b) físicos em II e IV ; químicos em I, III e V c) físicos em III e V ; químicos em I, II e IV d) químicos somente. 3)Uma roupa secando num varal é: a) um fenômeno físico. b) um fenômeno químico. c) uma reação química. d) um fenômeno biológico. 4)(UFPE) Considere as seguintes tarefas realizadas no dia-a-dia de uma cozinha e indique aquelas que envolvem transformações químicas. 1) Aquecer uma panela de alumínio. 2) Acender um fósforo. 3) Ferver água. Quimica Inorgänica I 17- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 4) Queimar açúcar para fazer caramelo. 5) Fazer gelo. a) 2 e 4. b) 1, 3 e 5. c) 3 e 5. d) 2 e 3. 5)Classifique as transformações a seguir como fenômenos físicos ou fenômenos químicos, respectivamente: 1) Dissolução do açúcar na água. 2) Envelhecimento de vinhos. 3) Preparação de cal a partir do calcário. a) Físico, físico e químico. b) Físico, químico e físico. c) Físico, químico e químico. d) Químico, químico e físico. 6)Indicar a alternativa que representa um processo químico: a) dissolução do cloreto de sódio em água b) fusão da aspirina c) destilação fracionada do ar líquido d) corrosão de uma chapa de ferro 7)Podemos citar como uma transformação física, apenas: a) a queima da gasolina. b) a eletrólise da água. c) a fermentação do vinho. d) obtenção de água pura a partir da água do mar por destilação. 8)A seguir temos três afirmações. Analise-as, dizendo se estão certas ou erradas. I. A evaporação da água dos mares e dos rios é um exemplo de reação química. II. Se misturarmos hidróxido de sódio com ácido clorídrico, formar-se-ão cloreto de sódio e água. Teremos exemplo de reação química. III. Amarelecimento de papel é fenômeno químico. a) I é certa. b) I e II são certas. c) I e III são certas. d) II e III são certas. Quimica Inorgänica I 18- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho REAÇÕES QUÍMICAS INTRODUÇÃO Os fenômenos podem ser classificados em químicos (produzem novas substâncias) e físicos (não produzem novas espécies). Aos fenômenos químicos damos o nome de REAÇÃO QUÍMICA. Exemplo: Óxido de cálcio mais água produz hidróxido de cálcio. Quando substituímos os nomes das substâncias por suas fórmulas e as palavras por símbolos, obteremos uma EQUAÇÃO QUÍMICA. Exemplo: As substâncias que iniciam uma reação são os REAGENTES e constituem o primeiro membro da equação. As substâncias obtidas numa reação química são os PRODUTOS e constituem o segundo membro da equação. No exemplo acima, CaO e H2O são os reagentes e, o Ca(OH)2 é o produto. As equações químicas possuem FÓRMULAS e COEFICIENTES para mostrar os aspecto qualitativo e quantitativo da reação. Exemplo: 1.5.2. CLASSIFICAÇÃO DAS REAÇÕES QUÍMICAS Basicamente podemos classificar as reações químicas em: a) Reação de síntese ou adição. b) Reação de análise ou decomposição. c) Reação de deslocamento, simples troca ou substituição. d) Reação de dupla troca, duplo deslocamento ou dupla substituição. a) REAÇÃO DE SÍNTESE OU ADIÇÃO É quando uma ou mais substâncias reagentes produzem apenas uma única. CaO 2 H ( )+ O OCa H 2 H HO O 2 2 2 2 + 21 Fórmulas Coeficientes Quimica Inorgänica I 19- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Exemplos: CaO 2 ( )+O OCaH2H H HO O 2 2 2 2 + 2 Se todas os reagentes forem substâncias simples a síntese é total e, se tiver pelo menos uma substância composta a síntese será parcial. Exemplos: CaO 2 ()+O OCaH2H H HO O 22 2 2+ 2 Síntese parcial Síntese total b) REAÇÃO DE ANÁLISE OU DECOMPOSIÇÃO É quando uma única substância reagente origina duas ou mais substâncias como produto. Exemplos: CaO OCaC 3 +CO2 HO 22 HO 2 2 2 + Se na reação de análise forem produzidas apenas substâncias simples ela será total e, se pelo menos um dos produtos for uma substância composta ela será parcial. c) REAÇÕES DE DESLOCAMENTO, SIMPLES TROCA OU SUBSTITUIÇÃO São as reações em que um elemento químico substitui outro elemento de um composto, libertando-o, como substância simples. Exemplos: Zn HCl+2 H2 Zn+ Cl2 Cl Cl Cl 2 + +NaBr Br2 2Na 2 D) REAÇÕES DE DUPLA TROCA, DUPLA SUBSTITUIÇÃO OU DUPLO DESLOCAMENTO É quando duas substâncias compostas trocam entre si partes de suas estruturas. Exemplos: HCl+ ClNa2+ OHOHNa Quimica Inorgänica I 20- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho NÚMERO ATÔMICO (Z) Os diferentes tipos de átomos (elementos químicos) são identificados pela quantidade de prótons (P) que possui. Esta quantidade de prótons recebe o nome de número atômico e é representado pela letra Z. Z = P Verifica-se que em um átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons (E), isto faz com que esta partícula seja um sistema eletricamente neutro. P = E NÚMERO DE MASSA (A) Outra grandeza muito importante nos átomos é o seu número de massa (A), que corresponde à soma do número de prótons (Z ou P) com o número de nêutrons (N). A = Z + N Com esta mesma expressão poderemos, também calcular o número atômico e o número de nêutrons do átomo. Z = A – N e N = A – Z ELEMENTO QUÍMICO É o conjunto de átomos que possuem o mesmo número atômico. Os elementos químicos são representados por símbolos, que podem ser constituído por uma ou duas letras. Quando o símbolo do elemento é constituído por uma única letra, esta deve ser maiúscula. Se for constituída por duas letras, a primeira é maiúscula e a segunda minúscula. Alguns símbolos são tirados do nome do elemento em latim. Nome Símbolo Nome Símbolo Hidrogênio H Telúrio Te Hélio He Polônio Po Lítio Li Flúor F Berílio Be Cloro Cl Boro B Bromo Br Cálcio Ca Iodo I Bário Ba Astato At Rádio Ra Neônio Ne Sódio Na Argônio Ar Potássio K Criptônio Kr Césio Cs Xenônio Xe Quimica Inorgänica I 21- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Magnésio Mg Radônio Rn Alumínio Al Zinco Zn Carbono C Ouro Au Silício Si Prata Ag Estanho Sn Mercúrio Hg Chumbo Pb FerroFe Nitrogênio N Cobre Cu Fósforo P Urânio U Arsênio As Cobalto Co Antimônio Sb Platina Pt Bismuto Bi Níquel Ni Oxigênio O Manganês Mn Enxofre S Gálio Ga Selênio Se Tecnécio Tc É comum usarmos uma notação geral para representá-lo. Nesta notação encontraremos, além do símbolo, o número atômico (Z) e o número de massa (A). Z E A O número de massa poderá ficar no lado superior esquerdo do símbolo. Exemplo: 80Hg 201 Um átomo pode perder ou ganhar elétrons para se tornar estável (detalhes em ligações químicas), nestes casos, será obtida uma estrutura com carga elétrica chamada íon. Quando o átomo perde elétrons o íon terá carga positiva e será chamado de cátion e, quando o átomo ganha elétrons o íon terá carga negativa e é denominado ânion. Assim: Fe 3+ é um cátion e o átomo de ferro perdeu 3 elétrons para produzi-lo. O 2– é um ânion e o átomo de oxigênio ganhou 2 elétrons para produzi-lo. Comparando-se dois ou mais átomos, podemos observar algumas semelhanças entre eles. A depender da semelhança, teremos para esta relação uma denominação especial. ISÓTOPOS É quando os átomos comparados possuem mesmo número atômico e diferente número de massa. Neste caso, os átomos são de mesmo elemento químico e apresentam também números de nêutrons diferentes. Exemplos: 1H 1 , 1H 2 , 1H 3 (isótopos do hidrogênio). Quimica Inorgänica I 22- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 6C 12 , 6C 13 ,6C 14 (isótopos do carbono). Os isótopos do hidrogênio possuem nomes especiais: 1H 1 é chamado de monotério, hidrogênio leve ou prótio. 1H 2 é chamado de deutério ou hidrogênio pesado. 1H 3 é chamado de trítio ou tritério. Os demais isótopos são identificados pelo nome do elemento químico seguido do seu respectivo número de massa, inclusive os isótopos do hidrogênio. 6 C 12 é o carbono 12 6 C 13 é o carbono 13 6 C 14 é o carbono 14 Átomos isótopos pertencem ao mesmo elemento químico. ISÓBAROS São átomos que possuem mesmo número de massa e diferentes números atômicos. Neste caso, os átomos são de elementos químicos diferentes. Exemplo: 19 K 40 e 20 Ca 40 ISÓTONOS São átomos que possuem mesmo número de nêutrons e diferentes números atômicos e de massa, sendo então, átomos de elementos químicos diferentes. Exemplo: 19 K 39 e 20 Ca 40 , ambos possuem 20 nêutrons Átomos isóbaros e átomos isótonos são de elementos químicos diferentes. ELETROSFERA DO ÁTOMO Em torno do núcleo do átomo temos uma região denominada de eletrosfera que é dividida em 7 partes chamada camadas eletrônicas ou níveis de energia. Do núcleo para fora estas camadas são representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Em cada camada poderemos encontrar um número máximo de elétrons, que são: K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 2 Os elétrons de um átomo são colocados, inicialmente, nas camadas mais próximas do núcleo. Exemplos: O átomo de sódio possui 11 elétrons, assim distribuídos: K = 2; L = 8; M = 1. O átomo de bromo possui 35 elétrons, assim distribuídos: K = 2; L = 8; M = 18; N = 7 Quimica Inorgänica I 23- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Verifica-se que a última camada de um átomo não tem mais de 8 elétrons. Quando isto ocorre devemos colocar na mesma camada 8 ou 18 elétrons (aquele que for imediatamente inferior ao valor cancelado) e, o restante na camada seguinte. Exemplos: O átomo de cálcio tem 20 elétrons, inicialmente, assim distribuídos: K = 2; L = 8; M = 10 Como na última camada temos 10 elétrons, devemos colocar 8 elétrons e 2 elétrons irão para a camada N. K = 2; L = 8; M = 8; N = 2. Pesquisando o átomo, Sommerfeld chegou à conclusão que os elétrons de um mesmo nível não estão igualmente distanciados do núcleo porque as trajetórias, além de circulares, como propunha Bohr, também podem ser elípticas. Esses subgrupos de elétrons estão em regiões chamadas de subníveis e podem ser de até 4 tipos: Subnível s, que contém até 2 elétrons Subnível p, que contém até 6 elétrons Subnível d, que contém até 10 elétrons Subnível f, que contém até 14 elétrons Os subníveis em cada nível são: Nível Subnível K 1s L 2s 2p M 3s 3p 3d N 4s 4p 4d 4f O 5s 5p 5d 5f P 6s 6p 6d Q 7s 7p Cada subnível possui um conteúdo energético, cuja ordem crescente é dada, na prática pelo diagrama de Linus Pauling. Quimica Inorgänica I 24- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p Os elétrons de um átomo são localizados, inicialmente, nos subníveis de menores energias. Exemplos: O átomo de cálcio possui número atômico 20, sua distribuição eletrônica, nos subníveis será: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 O átomo de cobalto tem número atômico 27, sua distribuição eletrônica, nos subníveis será: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7 Quimica Inorgänica I 25- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS INTRODUÇÃO No nosso dia-a-dia o ato de classificar as coisas é algo corriqueiro. Em um faqueiro colocamos em um mesmo espaço as facas, em outro os garfos, etc. Agrupar coisas semelhantes facilita a localização, a identificação, enfim, facilita em vários aspectos. Os elementos químicos sempre foram agrupados de modo a termos elementos semelhantes juntos, tendo desta maneira o desenvolvimento de várias tabelas até os nossos dias atuais. CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA ATUAL Os elementos químicos atualmente estão dispostos em ordem crescente de seus números atômicos e, aqueles que estão localizados em uma mesma linha vertical possuem propriedades semelhantes. OS PERÍODOS Na tabela atual os elementos químicos ocupam sete linhas horizontais que são denominados de períodos. Estes períodos são numerados ou ordenados de cima para baixo para melhor identificá- los. Podemos associar o período de um elemento químico com a sua configuração eletrônica. O número de ordem do período de um elemento é igual ao número de níveis eletrônicos que ele elemento possui. Exemplos: O elemento flúor tem 9 elétrons. A sua distribuição eletrônica é: 1s² 2s² 2p 5 ou K = 2 L = 7 Possui deste modo apenas os níveis 1 e 2 ou K e L com elétrons (2 níveis de energia) então este elemento localiza-se no segundo período da classificação periódica. O elemento ferro tem 26 elétrons. A sua distribuição eletrônica é: 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 6 4s² 3d 6 ou K = 2 L = 8 M = 14 N = 2 Podemos observar que o ferro possui 4 níveis de energia, então, elese encontra no quarto período da classificação periódica. AS FAMÍLIAS (GRUPOS ou COLUNAS) Constituem as 18 linhas verticais da classificação periódica. Estas linhas são numeradas de 1 a 8 e subdivididas em A e B (a IUPAC recomenda que esta numeração seja de 1 a 18). Os elementos que estão no subgrupo A são denominados de representativos e os do subgrupo B de transição. Os elementos representativos possuem o último elétron em um subnível “s” ou “p”. Al (Z = 13) 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 1 Quimica Inorgänica I 26- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho O último elétron se encontra no subnível “p”, portanto, ele é representativo. Os elementos de transição possuem o último elétron em um subnível “d” ou “f”. Sc (Z = 21) 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 6 4s² 3d 1 O último elétron se encontra no subnível “d”, portanto, ele é de transição (externa). No grupo 3B e no 6º período se encontra uma série de elementos denominada de série dos lantanídeos. No grupo 3B e no 7º período encontramos uma série de elementos denominada de série dos actinídeos. Estas duas séries são os elementos de transição interna que possuem o elétron diferencial em subnível “f“. Para os elementos representativos a sua família é identificada pelo total de elétrons na camada de valência (última camada). Exemplos: O cloro tem 17 elétrons. 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 5 ou K = 2 L = 8 M = 7 Observamos que ele possui 7 elétrons na última camada, então, se encontra na família 7A da classificação periódica. Os elementos de transição interna estão localizados na família 3B. Para os de transição (externa) observamos o número de elétrons do subnível “d” mais energético e seguimos a tabela abaixo: 3B 4B 5B 6B 7B 8B 8B 8B 1B 2B d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 10 NOMES ESPECIAIS PARA AS FAMÍLIAS Algumas famílias são identificadas por um nome especial. 1A Metais alcalinos terrosos Metais alcalinos Li Na K Rb Cs Fr 3A Família do boro B Al Ga In Tl 4A Família do carbono C Si Ge Sn Pb 5A Família do nitrogênio N P As Sb Bi 6A Calcogênios O S Se Te Po 7A Halogênios F Cl Br I At 0 Gases nobresHe Ne Ar Kr Xe Rn Be Mg Ca Sr Ba Ra2A Quimica Inorgänica I 27- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho METAIS, “SEMIMETAIS”, AMETAIS e GASES NOBRES Podemos classificar os elementos químicos de acordo com suas propriedades físicas em metais, semimetais, ametais e gases nobres. A IUPAC recomenda que esta classificação seja, apenas, metais, ametais e gases nobres. Vamos mostrar a classificação tradicional mostrando paralelamente a sugerida pela IUPAC. METAIS Constitui a maior parte dos elementos químicos. Suas principais características são: Sólidos nas condições ambientes, exceto o mercúrio, que é líquido. São bons condutores de eletricidade e calor. São dúcteis e maleáveis. Possuem brilho característico. AMETAIS ou NÃO METAIS Apenas 11 elementos químicos fazem parte deste grupo (C, N, P, O, S, Se, F Cl, Br, I e At). Suas características são opostas à dos metais. Podem ser sólido (C, P, S, Se I e At), líquido (Br) ou gasoso (N, O, F e Cl). São maus condutores de eletricidade e calor. Não possuem brilho característico. Não são dúcteis nem maleáveis. SEMIMETAIS Possuem propriedades intermediárias entre os metais e os ametais. Este grupo é constituído por 7 elementos químicos (B, Si, Ge, As, Sb, Te e Po). São sólidos nas condições ambientes. GASES NOBRES São todos gases nas condições ambientes e possuem grande estabilidade química, isto é, pouca capacidade de combinarem com outros elementos. Constituem os gases nobres os elementos He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rn. O elemento químico hidrogênio não é classificado em nenhum destes grupos, ele possui características próprias. Nas condições ambientes é um gás, sendo bastante inflamável. A IUPAC recomenda que o grupo dos semimetais deixe de existir e, seus elementos deverão fazer parte dos metais e dos não metais. Sendo assim distribuídos: Ge, Sb e Po passam a ser classificados metais e B, Si, As e Te serão classificados como não metais. Quimica Inorgänica I 28- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Em geral os elementos químicos com números atômicos menor ou igual a 92 são naturais e, acima deste valor são artificiais. Os elementos tecnécio (Tc), astato (At), frâncio (Fr) e promécio (Pm), mesmo tendo número atômico menor que 92 são artificiais e, são denominados especialmente de cisurânicos. Os demais elementos artificiais, por terem número atômico maior que 92 são denominados de transurânicos. Quimica Inorgänica I 29- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 1 H 1 1,01 Hidrogênio 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 24 2519 21 22 23 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 545352 86 51 85 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 55 56 87 88 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 104 105 106 107 108 109 110 112111 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 SÉRIE DOS LANTANÍDEOS SÉRIE DOS ACTINÍDEOS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 0 1B 2B4B 5B 6B 7B 8B8B 8B3B CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS 2 1 Li 6,94 Lítio 2 2 Be 9,01 Berílio 2 8 2Mg 24,30 Magnésio 2 8 1Na 22,99 Sódio 2 8 8 2 Ca 40,07 Cálcio 2 8 8 1 K 39,09 Potássio 2 8 9 2 Sc 44,95 Escândio 2 8 10 2 Ti 47,86 Titânio 2 8 18 10 2 Zr 91,22 Zircôno 2 8 18 9 2 Y 88,90 Ítrio 2 8 18 8 2 Sr 87,62 Estrôncio 2 8 18 8 1 Rb 1,01 Rubídio 2 8 18 32 10 2 Hf 178,49 Háfnio 2 8 18 18 8 2 Ba 137,33 Bário 2 8 18 18 8 1 Cs 132,91 Césio 2 8 18 32 18 8 1 Fr 223,02 Frâncio 2 8 18 32 18 8 2 Ra 226,03 Rádio Rf 261 Rutherfódio 57 a 71 89 a 103 2 8 11 2 V 50,94 Vanádio 2 8 13 1 Cr 51,99 Crômio 2 8 13 2 Mn 54,93 Manganês 2 8 18 12 1 Nb 92,90 Nióbio 2 8 18 13 1 Mo 95,94 Molibdênio 2 8 14 2 Fe 55,84 Ferro 2 8 18 14 1 Tc 98,90 Tecnécio 2 8 18 15 1 Ru 101,07 Rutênio 2 8 15 2 Co 58,93 Cobalto 2 8 18 16 1 Rh 102,91 Ródio 2 8 18 32 11 2 Ta 180,95 Tântalo 2 8 18 32 12 2 W 183,85 Tungstênio 2 8 18 32 13 2 Re 186,21 Rênio 2 8 18 32 14 2 Os 190,23 Ósmio 2 8 18 32 17 Ir 192,22 Irídio Db 262 Dúbnio Sg Seabórgio Bh Bóhrio Hs Hássio Mt Meitnério 2 8 16 2 Ni 58,69 Níquel 2 8 18 18 Pd 106,42 Paládio 2 8 18 32 17 1 Pt 195,08 Platina Uun Ununílio 2 8 18 1 Cu 63,54 Cobre 2 8 18 18 1 Ag 107,87 Prata 2 8 18 32 18 1 Au 196,97 Ouro Uuu Ununúnio 2 8 182 Zn 65,39 Zinco 2 8 18 18 2 Cd 112,41 Cádmio 2 8 18 32 18 2 Hg 200,59 Mercúrio Uub Unúmbio 2 8 18 3 Ga 69,72 Gálio 2 8 18 18 3 In 114,82 Indio 2 8 18 32 18 3 Tl 204,38 Tálio 2 8 18 4 Ge 72,61 Germânio 2 8 18 18 4 Sn 118,71 Estanho 2 8 18 32 18 4 Pb 207,2 Chumbo 2 8 18 32 18 5 Bi 208,98 Bismuto 2 8 18 18 5 Sb 121,76 Antimônio 2 8 18 5 As 74,92 Arsênio 2 8 18 6 Se 78,96 Selênio 2 8 18 18 6 Te 127,60 Telúrio 2 8 18 32 18 6 Po 209,98 Polônio 2 8 18 32 18 7 At 209,99 Astato 2 8 18 32 18 8 Rn 222,02 Radônio 2 8 18 18 7 I 126,90 Iodo 2 8 18 18 8 Xe 131,29 Titânio 2 8 18 7 Br 79,90 Bromo 2 8 18 8 Kr 83,80 Criptônio 2 8 3Al 26,98 Alumínio 2 8 4Si 28,08 Silício 2 8 5P 30,97 Fósforo 2 8 6S 32,06 Enxofre 2 8 7Cl 35,45 Cloro 2 8 8Ar 39,94 Argônio 2 3 B 10,81 Boro 2 4 C 12,01 Carbono 2 5 N 14,00 Nitrogênio 2 6 O 15,99 Oxigênio 2 7 F 18,99 Flúor 2 8 Ne 20,18 Neônio 2 4,00 Hélio Ho 164,92 Hólmio Dy 162,50 Disprósio Er 167,26 Érbio Tm 168,93 Túlio Yb 173,04 Itérbio Lu 174,97 Lutécio Lr 262,11 Laurêncio No 259,10 Nobélio Md 258,10 Mendelévio Fm 257,10 Férmio Es 252,08 Einstênio Cf Califórnio Tb 158,93 Térbio Bk 249,08 Berquélio Gd 157,25 Gadolínio Cm 244,06 Cúrio Eu 151,96 Európio Am 241,06 Amerício Sm 150,36 Samário Pu 239,05 Plutônio Pm 146,92 Promécio Np 237,05 Netúnio Nd 144,24 Neodímio Pa 231,04 Protactínio U 238,03 Urânio Pr 140,91 Praseodímio Ce 140,12 Cério Th 232,04 Tório 2 8 18 32 18 9 2 Ac 227,03 Actínio 2 8 18 18 9 2 La 138,91 Lantânio 2 8 18 20 8 2 2 8 18 21 8 2 2 8 18 22 8 2 2 8 18 23 8 2 2 8 18 24 8 2 2 8 18 25 8 2 2 8 18 25 9 2 2 8 18 27 8 2 2 8 18 28 8 2 2 8 18 29 8 2 2 8 18 30 8 2 2 8 18 31 8 2 2 8 18 32 8 2 2 8 18 32 9 2 2 8 18 32 18 10 2 2 8 18 32 20 9 2 2 8 18 32 21 9 2 2 8 18 32 22 9 2 2 8 18 32 23 9 2 2 8 18 32 24 9 2 2 8 18 32 25 9 2 2 8 18 32 26 9 2 2 8 18 32 27 9 2 2 8 18 32 28 9 2 2 8 18 32 29 9 2 252,08 2 8 18 32 30 9 2 2 8 18 32 32 8 2 2 8 18 32 32 9 2 Nº atômico K L M N O P Q SÍMBOLO Massa atômica Nome Quimica Inorgänica I 30- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho LIGAÇÕES QUÍMICAS 1.15.1 INTRODUÇÃO Existe uma grande quantidade de substâncias na natureza e, isto se deve à capacidade de átomos iguais ou diferentes se combinarem entre si. Um grupo muito pequeno de átomos aparece na forma de átomos isolados, como os gases nobres. Se dois átomos combinarem entre si, dizemos que foi estabelecida entre eles uma LIGAÇÃO QUÍMICA. Os elétrons mais externos do átomo são os responsáveis pela ocorrência da ligação química. As ligações químicas dependem da força de atração eletrostática existente entre cargas de sinais opostas a da tendência que os elétrons apresentam de formar pares. Deste modo para ocorrer uma ligação química é necessário que os átomos devem perder ou ganhar elétrons, ou, então, compartilhem seus elétrons. Na maioria das ligações, os átomos ligantes possuem distribuição eletrônica semelhante à de um gás nobre, isto é, apenas o nível K, completo, ou, 8 elétrons em uma outra camada. Esta idéia foi desenvolvida pelos cientistas Kossel e Lewis e ficou conhecida como TEORIA DO OCTETO. Um átomo é estável quando possui na sua última camada 8 elétrons, ou apenas o nível K, completo Esta teoria é aplicada principalmente para os elementos do subgrupo A (representativos) da tabela periódica. Existem muitas exceções a esta regra, porém ela continua sendo usada por se tratar de uma introdução a ligação química. O número de elétrons que um átomo deve perder, ganhar ou associar para se tornar estável recebe o nome de VALÊNCIA ou poder de combinação do átomo. No caso de formação de íons, a valência é denominada de ELETROVALÊNCIA. Quimica Inorgänica I 31- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 1.15.2. LIGAÇÃO ou ELETROVALENTE Esta ligação ocorre devido à atração eletrostática entre íons de cargas opostas. Na ligação iônica os átomos ligantes apresentam uma grande diferença de eletronegatividade, isto é, um é metal e o outro ametal. Na maioria das vezes, os átomos que perdem elétrons são os metais das famílias 1A, 2A e 3A e os átomos que recebem elétrons são ametais das famílias 5A, 6A e 7A. O exemplo mais tradicional da ligação iônica é a interação entre o sódio (Z = 11) e o cloro (Z = 17) para a formação do cloreto de sódio (NaCl). O sódio tem configuração eletrônica: 1s² 2s² 2p 6 3s 1 A tendência normal dele é perder 1 elétron ficando com uma configuração eletrônica semelhante à do neônio e, se tornando um cátion monovalente. (1s² 2s² 2p 6 ) 1+ O cloro tem configuração eletrônica: 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 5 A tendência normal dele é ganhar 1 elétron ficando com uma configuração eletrônica semelhante à do argônio e, se tornando um ânion monovalente. (1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 6 ) 1– Na 1+ Cl 1- atração O cátion e o ânion formados sofrem uma atração eletrostática formando o cloreto de sódio (NaCl). átomo neutro do sódio átomo neutro do cloro cátion do sódio ânion cloreto Usando o esquema de Lewis Na Cl + _ Na Cl Vejamos a ligação entre o magnésio e o cloro. Mg (Z = 12) 1s² 2s² 2p 6 3s² Quimica Inorgänica I 32- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Possui uma tendência normal a perder os 2 elétrons do nível 3 (camada M) formando um cátion de carga 2+ . (1s² 2s² 2p6)2+ Cl (Z = 17) 1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 5 Possui uma tendência normal a ganhar 1 elétron para completar o octeto do 3º nível, formando um ânion de carga 1– . (1s² 2s² 2p 6 3s² 3p 6 ) 1 – Como cada átomo de magnésio deve perder 2 elétrons e o átomo de cloro ganha apenas 1 elétron, será necessário para cada magnésio dois átomos de cloro. Mg 2+ Cl 1 – Cl 1 – atração Íon-fórmula final MgCl2 átomos neutros ânions cloretos do cloro cátion do magnésio Átomo neutro de magnésio UMA REGRA PRÁTICA Para compostos iônicos poderemos usar na obtenção da fórmula final o seguinte esquema geral. Quimica Inorgänica I 33- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho C A y+ xA valência do cátion será a atomicidade do ânion e vice-versa. Se os valores forem múltiplos de um mesmo número, deveremos fazer a simplificação. Exemplo: Alumínio (Z = 13) e oxigênio (Z = 8) O alumínio forma o cátion Al 3+ e o oxigênio forma o ânion O 2 – . Em função da regra prática a atomicidade do alumínio é 2 e a atomicidade do oxigênio 3. A fórmula final é Al2O3 A ligação iônica é, em geral, bastante forte e mantém os íons fortemente presos no retículo. Por isso, os compostos iônicos são sólidos e, em geral, têm ponto de fusão e ponto de ebulição elevados. Os compostos iônicos, quando em solução aquosa ou fundidos conduzem a corrente elétrica. c) LIGAÇÃO COVALENTE ou MOLECULAR A principal característica desta ligação é o compartilhamento (formação de pares) de elétrons entre os dois átomos ligantes. Os átomos que participam da ligação covalente são ametais, semimetais e o hidrogênio. Os pares de elétrons compartilhados são contados para os dois átomos ligantes. Se cada um dos átomos ligantes contribuir com um dos elétrons do par a ligação será COVALENTE NORMAL e, se apenas um dos átomos contribuir com os dois elétrons do par, a ligação será COVALENTE DATIVA ou COORDENADA. d) LIGAÇÃO COVALENTE NORMAL Consideremos, como primeiro exemplo, a união entre dois átomos do ELEMENTO HIDROGÊNIO (H) para formar a molécula da substância SIMPLES HIDROGÊNIO (H2). Quimica Inorgänica I 34- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Com número atômico igual a 1 o HIDROGÊNIO tem configuração eletrônica K = 1. Usando o esquema de Lewis, teremos: H H H H HH H+ 2 fórmula eletrônica fórmula molecular fórmula estrutural plana Consideremos, como segundo exemplo, a união entre dois átomos do ELEMENTO NITROGÊNIO (N) para formar a molécula da substância SIMPLES NITROGÊNIO (N2). Com número atômico igual a 7 o NITROGÊNIO tem configuração eletrônica K = 2; L = 5. 2 fórmula eletrônica fórmula molecular fórmula estrutural plana N N NN N NN Consideremos, como terceiro exemplo, a união entre dois átomos do ELEMENTO HIDROGÊNIO e um átomo do ELEMENTO OXIGÊNIO para formar a substância COMPOSTA ÁGUA (H2O). O átomo de OXIGÊNIO possui 6 elétrons na camada de valência e o HIDROGÊNIO tem apenas 1 elétron na sua camada de valência. H H HH H H H O O O O fórmula eletrônica fórmula estrutural plana fórmula molecular 2 OXIDAÇÃO E REDUÇÃO INTRODUÇÃO Colocando-se uma lâmina de zinco dentro de uma solução aquosa de sulfato de cobre, que possui coloração azul, após algum tempo poderemos observar que: Quimica Inorgänica I 35- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho A lâmina fica recoberta por uma substância avermelhada. A solução vai clareando até ficar incolor. Esta experiência pode ser representa pela equação química: Zn Cu S O ( s ) ( aq )4 solução azul vermelho solução incolor ( s ) ++ SO ( aq )4 ZnCu Zn Cu ( s ) ( aq )( s ) ++ ( aq ) ZnCu 2 +2 + Sua forma simplificada é: O que podemos observar? Zinco metálico cede 2 elétrons para o íon cobre II. Com estas observações podemos definir os fenômenos de oxidação e redução. Oxidação é a perda de elétrons por uma espécie química. Redução é o ganho de elétrons por uma espécie química. Na nossa experiência, o zinco (Zn) sofre oxidação e o íon cobre II (Cu 2+ ) sofre redução. Os fenômenos de oxidação e redução ocorrem ao mesmo tempo, isto é, enquanto uma espécie se oxida, outra se reduz. As reações que apresentam esses fenômenos são denominadas de reações de óxido-redução (oxi-redução ou redox). NÚMERO DE OXIDAÇÃO (Nox) É o número que mede a carga real (em compostos iônicos) ou aparente (em compostos covalentes) de uma espécie química. Exemplos: No “NaCl“ o átomo de sódio cedeu 1 elétron para o átomo de cloro. Então: . O sódio origina o íon sódio ( Na + ). e . O cloro origina o íon cloreto ( Cl – ). Quimica Inorgänica I 36- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho A carga do íon sódio é o número de oxidação do sódio neste composto. Nox = + 1 A carga do íon cloreto é o número de oxidação do cloro neste composto. Nox = – 1 Em compostos covalentes o número de oxidação negativo é atribuído ao elemento mais eletronegativo e o número de oxidação positivo ao elemento menos eletronegativo. Exemplo: H – Cl O cloro é mais eletronegativo que o hidrogênio, então: O cloro atrai para si um elétron, então o seu Nox será – 1, e o hidrogênio tem o seu elétron afastado, então o seu Nox será + 1. Podemos associar os conceitos de oxidação e redução ao de número de oxidação. Oxidação é a perda de elétrons ou o aumento do número de oxidação (Nox). Redução é o ganho de elétrons ou a diminuição do número de oxidação (Nox). A espécie química que provoca a redução de um elemento chama-se agente redutor e, a espécie química que provoca a oxidação de um elemento chama-se agente oxidante. REGRAS PARA DETERMINAR O Nox 1ª regra: Todo elemento em uma substância simples tem Nox igual a zero. Exemplos: O2: Nox de cada átomo de oxigênio é zero. N2: Nox de cada átomo de nitrogênio é zero. Ag: Nox do átomo de prata é zero. 2ª regra: O Nox de alguns elementos em substâncias compostos é constante. O hidrogênio tem Nox igual a + 1. Os metais alcalinos têm Nox igual a + 1. Os metais alcalinos terrosos têm Nox igual a + 2. O oxigênio tem Nox igual a – 2. Os halogênios em halogenetos têm Nox igual –1. A prata (Ag) tem Nox igual a + 1. O zinco (Zn) tem Nox igual a + 2. O alumínio (Al) tem Nox igual a + 3. O enxofre (S) em sulfetos tem Nox igual a – 2. Exemplos: NaCl O sódio tem Nox = + 1 O cloro tem Nox = – 1 Quimica Inorgänica I 37- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Ca(OH)2 O cálcio tem Nox = + 2. O hidrogênio tem Nox = +1. O oxigênio tem Nox = – 2. H2S O hidrogênio tem Nox = + 1. O enxofre tem Nox = – 2. Casos particulares importantes Nos hidretos metálicos o “hidrogênio” possui Nox igual a – 1. Nos peróxidos o “oxigênio” possui Nox igual a – 1. Exemplos: H2O2 Este composto é um peróxido O hidrogênio tem Nox = +1. O oxigênio tem Nox = – 1. NaH Este composto é um hidreto metálico O sódio tem Nox = +1. O hidrogênio tem Nox = – 1. 3ª regra: A soma algébrica dos Nox de todos os átomos em uma espécie química neutra é igual a zero. Exemplo: NaOH O Nox do sódio é + 1. O Nox do oxigênio é – 2. O Nox do hidrogênio é + 1. Calculando a soma algébrica, teremos: (+ 1) + ( – 2) + ( + 1) = 0 Esta regra possibilita a cálculo do Nox de um elemento químico que não possui Nox constante. Exemplo: CO2 O Nox do carbono é desconhecido ( x ). O Nox de cada átomo de oxigênio é – 2. Então:x + 2 . ( – 2 ) = 0 Quimica Inorgänica I 38- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho x – 4 = 0 x = + 4 Portanto o Nox do átomo de carbono neste composto é igual a + 4. 4ª regra: A soma algébrica dos Nox de todos os átomos em um íon é igual à carga do íon. Exemplo: NH4 + O átomo de nitrogênio não tem Nox constante ( x ). Cada átomo de hidrogênio possui Nox igual a + 1. O íon tem carga + 1. Calculando a soma algébrica, teremos: x + 4 . ( + 1 ) = + 1 x + 4 = 1 x = 1 – 4 x = – 3 Então o Nox do átomo de nitrogênio no íon é igual a – 3. FUNÇÕES INORGÂNICAS INTRODUÇÃO As substâncias químicas inorgânicas podem ser agrupadas de acordo com suas propriedades comuns. Estas propriedades comuns são chamadas de propriedades funcionais. Em função dessas propriedades podemos agrupar as substâncias em grupos aos quais chamaremos de FUNÇÕES INORGÂNICAS. As principais funções inorgânicas são: . Função ácido. . Função base ou hidróxido. . Função sal. . Função óxido. DISSOCIAÇÃO E IONIZAÇÃO Para compreender os conceitos das funções deveremos distinguir os fenômenos de ionização e dissociação. Observe o fenômeno: H – Cl + H2O H3O + + Cl – Devido à diferença de eletronegatividade entre os átomos de hidrogênio e cloro a ligação covalente é quebrada produzindo íons. Este fenômeno chama-se IONIZAÇÃO. A ionização ocorre com alguns compostos moleculares. Veja agora o fenômeno: NaCl + H2O Na + (aq) + Cl – (aq) Neste fenômeno os íons apenas são separados. O fenômeno será denominado de DISSOCIAÇÃO. Quimica Inorgänica I 39- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho A dissociação ocorre com os compostos iônicos. GRAU DE IONIZAÇÃO OU DISSOCIAÇÃO ( ) Quando as espécies químicas estão em solução aquosa, nem todas sofrem ionização ou dissociação. A porcentagem de espécies que sofrem estes fenômenos é dada pelo grau de ionização ou dissociação. nº de moléculas ionizadas (ni) = nº de moléculas dissolvidas (n) Testando conhecimentos Adicionam-se 600 moléculas de HCl à água. Sabendo que 540 moléculas estarão ionizadas, podemos afirmar que o grau de ionização desta espécie química é: a) 11,1 %. b) 11,4 %. c) 60,0 %. d) 90,0 %. 1) Adicionando 800 moléculas de HNO3 à água, quantas ficarão inteiras sabendo que o grau de ionização é 0,8 ? a) 800. b) 640. c) 160. d) 80. Adicionando-se 500 moléculas de um eletrólito à água, teremos, para um grau de ionização igual a 0,9, quantas moléculas ionizadas ? a) 45. b) 50. c) 90. d) 450. 4)O grau de ionização do HCN é 0,00008. Quantas moléculas de HCN devem ser adicionadas à água que encontremos 160 ionizadas? a) 2000000. b) 200000. c) 20000. d) 2000. 5)Após a ionização de um ácido em água, observou-se que o número de moléculas ionizadas era o quádruplo do número de moléculas não-ionizadas. Com base nessa observação, a porcentagem de ionização do referido ácido era: a) 40%. b) 70%. c) 75%. d) 80%. FUNÇÃO ÁCIDO (CONCEITO DE ARRHENIUS ) Quimica Inorgänica I 40- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Segundo Arrhenius toda substância que em solução aquosa sofre ionização produzindo como cátion, apenas o íon H + , é um ácido. Exemplos: H2O HCl H + + Cl – H2O H2SO4 2 H + + SO4 2 – Hoje, sabemos que o íon H + liga-se à molécula de água formando íon H3O + , chamado de hidrônio ou hidroxônio. Exemplo: H2SO4 + 2 H2O 2 H3O + + SO4 2 – Os ácidos podem ser classificados seguindo vários critérios. a) Quanto ao nº de hidrogênios ionizáveis Monoácidos: Possuem um hidrogênio ionizável. HCl; HCN; HNO3 Diácidos: Possuem dois hidrogênios ionizáveis. H2S; H2CO3; H2SO4 Triácidos: Possuem três hidrogênios ionizáveis H3BO3; H3PO4 Tetrácidos: Possuem quatro hidrogênios ionizáveis. H4SiO4; H4P2O7 b) Quanto à presença do oxigênio Hidrácidos: Não possuem oxigênio HBr; HCN; H2S; H4[Fe(CN)6] Oxiácidos: Possuem oxigênio HClO3;H2SO3;H3PO4 c) Quanto ao nº de elementos Binários: Possuem 2 elementos HBr; H2S; HCl Ternários: Possuem 3 elementos HCN;HNO2; HClO4 Quaternários: Quimica Inorgänica I 41- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Possuem 4 elementos H4[Fe(CN)6] d) Quanto ao grau de ionização Fracos: Possuem 5%. H2CO3 : = 0,2% Médio: Possuem 5% < < 50% H3PO4 : = 27% Fortes: Possuem 50% HCl: = 92% Quando não conhecemos o grau de ionização podemos aplicar as seguintes observações para classificar o ácido. Para os hidrácidos: São fortes: HCl;HBr e HI Médio: HF São fracos: Todos os demais. Para os oxiácidos: Fazemos a diferença entre o nº de átomos de oxigênio e o nº de hidrogênios ionizáveis (x). Se: x = 0 Fraco H3BO3: x = 3 – 3 = 0 x = 1 Médio HNO2: x = 2 – 1 = 1 x = 2 Forte H2SO4: x = 4 – 2 = 2 x = 3 Muito forte HClO4: x = 4 – 1 = 3 PROPRIEDADES DOS ÁCIDOS Os ácidos possuem algumas propriedades características: sabor, condutibilidade elétrica, ação sobre indicadores e ação sobre as bases. Sabor: Apresentam sabor azedo. Condutibilidade elétrica: Quimica Inorgänica I 42- 65 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Em solução conduz a corrente elétrica. Ação sobre indicadores: Algumas substâncias adquirem colorações diferentes quando estão na presença dos ácidos, estas substâncias são chamadas de indicadores. Indicador Cor na presença do ácido Fenolftaleína Incolor Tornassol Róseo Metilorange Vermelho Ação sobre bases Reagem com as bases produzindo sal e água. NOMENCLATURA DOS ÁCIDOS HIDRÁCIDOS: Palavra ácido + Elemento formador + ÍDRICO Exemplos: HCl Ácido clorídrico HBr Ácido bromídrico HF Ácido fluorídrico H2S Ácido sulfídrico HCN Ácido cianídrico H2Se Ácido selenídrico OXIÁCIDOS: Usamos os prefixos hipo e per e os sufixos oso e ico, que dependem do Nox do elemento central, de acordo com a tabela abaixo. Ácido hipo ELEMENTO CENTRAL oso Ácido ........................................... oso Ácido ........................................... ico Ácido per .................................... ico Seguindo, de cima para baixo, a ordem crescente do Nox. Exemplos: HClO Ácido hipocloroso
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