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1 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Apostila de apoio para alunos de ensino médio e técnico – Volume 1 Química – Volume 1 Química Geral e Química Inorgânica Versão 1.0 – Feita em 13 de abril de 2014 Belo Horizonte, MG Acesso livre da apostila em https://www.facebook.com/groups/livrodequimica/ Emerson Gonçalves 2 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Química – Volume 1 Química Geral e Química Inorgânica 3 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço do fundo do meu coração ao SENHOR JESUS por ter brotado dentro do meu coração o desejo de escrever esse livro e de ter me dado capacidade para escrevê-lo. Agradeço ainda pelos meus pais que sempre me incentivarão a estudar e a correr atrás de meus sonhos e minhas realizações, tanto que hoje estou aqui entregando para vocês o trabalho de qualidade. Agradeço ainda a todos os meus amigos e familiares que sempre acreditou em meu potencial dando força para eu prosseguir esse trabalho, em especial gostaria de agradecer aos meus amigos Weslei Brito, Pricila Silva e também a minha prima Ana Márcia que mesmo longe sempre me deu todo apoio a continuar. Na oportunidade gostaria ainda de agradecer aos meus professores do ensino médio, técnico e superior que me apoiou nessa jornada a todos vocês, mas em destaque especial gostaria de agradecer aos(as) meus(minhas) professores(as) Carla Lúcia (ensino médio), Patrícia Rezende (técnico), Naila Marilac (técnico) e a minha professora Henriete Silva (superior) pois foram pessoas que sempre acreditou em minha vitória e hoje essa vitória e conquista vocês também participam dela. Por fim gostaria de agradecer a todos os meus 1254 seguidores (até a presente data) que seguem meu grupo “LIVRO DE QUÍMICA” no facebook que sempre estão ali participando, votando, dando opiniões, sugerindo ideias, isso é muito gratificante para mim, mas em especial gostaria de agradecer ao Gabriel Hernandez, Ytalo Lucas, Edson Alves, François Terto, Fael Lisboa e Rodrigo Bernardo. Se por um acaso deixei de citar o nome de alguém me desculpem. Por fim a todos que tem me ajudado!!! Meu muito obrigado!!! Cordialmente. Emerson Gonçalves – 26 de julho de 2014 4 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Sumário Capítulo 1 ..................................................................................................................... 10 1.1 – Introdução ........................................................................................................... 10 1.2 – Conceito ............................................................................................................... 10 1.3 – Segurança em laboratório .................................................................................. 10 Capítulo 2 ..................................................................................................................... 12 2.1 – Fundamentos ....................................................................................................... 12 2.2 – Classificação da matéria .................................................................................... 13 2.2.1 – Substâncias e misturas .................................................................................... 13 2.2.2 – Estados físico da matéria ................................................................................ 15 2.2.2.1 – Diagramas de mudanças de estados físicos ................................................ 17 2.2.3 – Métodos de separação de mistura .................................................................. 20 2.2.4 – Fenômenos da matéria .................................................................................... 22 2.2.5 – Densidade ......................................................................................................... 23 Capítulo 3 ..................................................................................................................... 29 3.1 – Átomo e estruturas sub atômicas que constituem a matéria .......................... 29 3.2 – Ideias atômicas .................................................................................................... 29 3.3 – Fundamentos atômicos e da matéria (resumo) ................................................ 32 3.4 – Íons ....................................................................................................................... 33 3.4.1 – Semelhança atômica ........................................................................................ 34 3.5 – Os subníveis ......................................................................................................... 35 3.6 – O modelo quântico .............................................................................................. 37 3.6.1 – Fundamento de quântica ................................................................................. 37 3.6.2 – A representação do orbital .............................................................................. 37 Capítulo 4 ..................................................................................................................... 41 4.1 – Tabela Periódica ................................................................................................. 41 5 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 4.2 – Família ................................................................................................................. 42 4.2.1 – Família em A .................................................................................................... 42 4.3 – Identificação dos elementos ............................................................................... 43 4.4 – Outras famílias .................................................................................................... 46 4.5 – Período ................................................................................................................. 46 4.6 – Propriedades periódicas e aperiódicas ............................................................. 48 4.6.1 – Propriedades periódicas .................................................................................. 48 4.6.1.1 – Fundamentos periódicos .............................................................................. 49 4.6.2 – Propriedades aperiódicas ................................................................................ 51 4.7 – Apêndice .............................................…............................................................. 51 Capítulo 5 ....................................................…............................................................. 55 5.1 – Ligações químicas ..............................…............................................................. 55 5.2 – Ligações metálicas .............................…............................................................. 56 5.3 – Ligações iônicas ..................................…............................................................. 56 5.3.1 – Escrevendo a fórmula química (regra da Xuxa) ........................................... 57 5.4 – Característicasquebradiças dos compostos iônicos ........................................ 60 5.5 – Ligações covalentes ............................................................................................. 62 5.6 – Estrutura de Lewis nas ligações iônicas e covalente ........................................ 64 5.6.1 – Estrutura de Lewis nas ligações iônicas ........................................................ 64 5.6.2 – Estrutura de Lewis nas ligações covalente .................................................... 65 5.7 – Polaridade das ligações ...................................................................................... 67 5.7.1 – Geometria molecular ....................................................................................... 67 5.7.1.1 – Geometria linear ........................................................................................... 67 5.7.1.2 – Geometria angular ........................................................................................ 68 5.7.1.3 – Geometria trigonal planar ........................................................................... 69 5.7.1.4 – Geometria piramidal (pirâmide trigonal) .................................................. 69 5.7.1.5 – Geometria tetraédrica .................................................................................. 70 6 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 5.8 – Ligações dativas .................................................................................................. 71 Capítulo 6 ..................................................................................................................... 75 6.1 – Interações intermoleculares ............................................................................... 75 6.1.1 – Dipolo-Induzido ............................................................................................... 76 6.1.2 – Dipolo-Permanente .......................................................................................... 77 6.1.3 – Ligações de hidrogênio .................................................................................... 78 6.1.4 – Interações íons-dipolo ...................................................................................... 79 6.2 – Solubilidade ......................................................................................................... 79 6.2.1 – Fundamentos .................................................................................................... 79 6.2.2 – 1° regra da solubilidade: semelhante dissolve semelhante ........................... 79 6.2.3 – 2° regra da solubilidade: solventes mistos ..................................................... 80 6.3 – Influências no PE ................................................................................................ 81 6.3.1 – Influência das interações ................................................................................. 81 6.3.2 – Influência da massa molar .............................................................................. 82 6.3.3 – Influência da estrutura .................................................................................... 82 6.4 – Viscosidade .......................................................................................................... 83 6.5 – Tensão superficial ............................................................................................... 84 Capítulo 7 ..................................................................................................................... 91 7.1 – Introdução a química inorgânica ...................................................................... 91 7.2 – Funções inorgânicas I (ácidos e bases) .............................................................. 91 7.2.1 – Ácidos de Arrhenius ........................................................................................ 91 7.2.1.1 – Classificação dos ácidos ................................................................................ 92 7.2.1.2 – Nomenclatura dos ácidos ............................................................................. 92 7.2.1.3 – Classificação dos ácidos ................................................................................ 94 7.2.1.4 – Característica dos ácidos .............................................................................. 94 7.2.2 – Bases de Arrhenius .......................................................................................... 95 7.2.2.1 – Nomenclatura das bases ............................................................................... 96 7 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 7.2.2.2 – Classificação das bases ................................................................................. 97 7.2.2.3 – Solubilidade das bases .................................................................................. 97 7.2.2.4 – Característica das bases ............................................................................... 98 7.3 – Indicadores ácidos e bases ................................................................................. 98 7.4 – Tabela de pH ....................................................................................................... 99 7.5 – Funções inorgânicas II (sais e óxidos) ............................................................. 101 7.5.1 – Sais .................................................................................................................. 101 7.5.1.1 – Classificação dos sais .................................................................................. 102 7.5.1.2 – Reação de neutralização (Obtenção de sais) ............................................ 103 7.5.1.3 – Nomenclatura dos sais ................................................................................ 104 7.5.1.4 – Característica dos sais ................................................................................ 106 7.5.2 – Óxidos ............................................................................................................. 108 7.5.2.1 – Nomenclatura de óxidos ............................................................................. 108 7.5.2.2 – Classificação dos óxidos ............................................................................. 109 7.5.2.2.1 – Óxidos básicos .......................................................................................... 109 7.5.2.2.1.1 – Mecanismo de reação – óxidos básicos ............................................... 110 7.5.2.2.2 – Óxidos ácidos ............................................................................................ 110 7.5.2.2.2.1 – Mecanismo de reação – óxidos ácidos ................................................. 111 7.5.2.2.3 – Óxidos neutros ......................................................................................... 111 7.5.2.2.4 – Óxidos anfóteros ...................................................................................... 111 7.5.2.2.4.1 – Mecanismo de reação – óxidos anfóteros ........................................... 111 7.5.2.3 – Aplicações de óxidos e presença deles na natureza ................................. 114 7.6 – Funções inorgânicas III (Peróxidos e hidretos) ............................................. 115 7.6.1 –Peróxidos ......................................................................................................... 115 7.6.1.1 – Nomenclatura de peróxidos ....................................................................... 115 7.6.1.2 – Mecanismo de reação dos peróxidos ......................................................... 1157.6.2 – Hidretos .......................................................................................................... 116 8 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 7.6.2.1 – Nomenclatura de hidretos .......................................................................... 116 7.6.2.2 – Mecanismo de reação dos hidretos ............................................................ 116 Capítulo 8 ................................................................................................................... 123 8.1 – Reações químicas .............................................................................................. 123 8.1.1 – Classificação da reação química quanto ao tipo ......................................... 124 8.1.1.1 – Reações de adição ....................................................................................... 124 8.1.1.2 – Reações de decomposição ........................................................................... 124 8.1.1.3 – Reações de simples troca ou deslocamento ............................................... 124 8.1.1.4 – Reações de dupla troca ............................................................................... 124 8.1.2 – Balanceamento de equações – tentativas e erros ........................................ 125 8.1.3 – Reações de metais em meio ácido ou água .................................................. 129 8.1.4 – Reações de combustão ................................................................................... 129 Capítulo 9 ................................................................................................................... 133 9.1 – Relações de massa ............................................................................................. 133 9.1.1 – Massa atômica ................................................................................................ 133 9.1.2 – Massa molecular ............................................................................................ 133 9.1.3 – Mol .................................................................................................................. 134 9.1.4 – Massa molar (MM) ........................................................................................ 134 9.1.5 – Quantidade de matéria .................................................................................. 134 9.2 – Leis ponderais ................................................................................................... 138 9.2.1 – Leis de Lavoisier ............................................................................................ 138 9.2.2 – Leis de Proust ................................................................................................. 139 9.3 – Estequiometria das reações .............................................................................. 140 9.3.1 – Quadro estequiométrico ................................................................................ 141 9.3.2 – Reagentes em excesso .................................................................................... 144 9.3.3 – Rendimento das reações ............................................................................... 146 9.3.4 – Pureza dos reagentes ..................................................................................... 147 9 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Capítulo 10 ................................................................................................................. 152 10.1 – Revisando o que é gás ..................................................................................... 152 10.2 – Variáveis de estados ........................................................................................ 152 10.2.1 – Pressão .......................................................................................................... 152 10.2.2 – Volume .......................................................................................................... 155 10.2.3 – Temperatura ................................................................................................ 156 10.3 – Gás ideal .......................................................................................................... 156 10.4 – Estequiometria dos gases ............................................................................... 156 10.5 – Quantidade de substância .............................................................................. 159 10.6 – Transformações gasosas ................................................................................. 160 10.6.1 – Transformação isotérmica (Lei de Boyle) ................................................. 160 10.6.2 – Transformação isovolumétrica (Lei de Charles Gay-Lussac) ................ 160 10.6.3 – Transformação isobárica ............................................................................ 161 10.7 – Volume molar ................................................................................................. 163 10.8 – Lei de Avogrado para gases ........................................................................... 164 10.9 – Mistura de gases .............................................................................................. 165 10.9.1 – Lei de Amagat (volume parcial) ................................................................. 165 10.10 – Estudo da densidade gasosa e a relação entre difusão e efusão ................ 167 10.10.1 – Densidade absoluta dos gases ................................................................... 167 10.10.2 – Densidade relativa dos gases ..................................................................... 168 10.10.3 – Difusão e efusão ......................................................................................... 168 TABELAS QUE PODEM SER UTEIS EM PROVAS .......................................... 173 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................... 175 BIBLIOGRÁFIA ....................................................................................................... 176 10 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Capítulo 1 1.1 - Introdução Segunda a definição do dicionário química é a ciência em que se estuda a estrutura das substâncias, correlacionando-a com as propriedades macroscópicas, e se investigam as transformações destas substâncias – Novo Aurélio - Século XXI. A química é uma ciência “experimental”, então todas as suas teorias, hipóteses e descobertas foram correlacionadas e observadas através de experimentos. Esta apostila tem um intuito de ajudar o aluno(a) a aprender e ver química de uma maneira que facilite seu conhecimento e sua compreensão e porque não aumentar seu interesse no aprendizado, mas porém, para isso ocorrer é necessário ter em mente alguns conceitos que será dado a seguir. 1.2 – Conceito 1. Observação: pode ser utilizado como um método simples (mudança de cor em uma reação) ou por um método mais sofisticado (utilizando, por exemplo, um aparelho apropriado). 2. Lei: eventos que se manifestam um conjunto de eventos semelhantes, mas que não explica o porquê de sua ocorrência. 3. Hipótese: explica a possível ocorrência de um fenômeno, mas que é comprovada somente pela realização de diversos experimentos. 4. Teoria: Uma imagem do sistema criada por meio de experimentos. 1.3 – Segurança em laboratório Um laboratório é um local adequado principalmente para a realização de experimentose análises. O laboratório deve conter instalações d’água, gás, eletricidade, ser muito iluminado e ventilado. Alguns acidentes em laboratórios podem ocorrer devido à falta de atenção e dos conhecimentos de regra básica, portanto é importante conhecer cada um deles para evitar que tais acidentes ocorram. 11 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Normas básicas: a) Não correr b) Manter as saídas desobstruídas c) Não colocar livros, sacolas e outros utensílios sobre bancos ou bancadas. d) Não comer, beber ou fumar. e) Manter os extintores de incêndios e os locais de EPC’s1 sempre desobstruídos. f) Manter o local sempre limpo e organizado (inclusive não deixar bancadas, balanças e aparelhos sujos). g) Fechar gavetas e armários após o uso. h) Conferir o mapa de risco antes da execução das atividades. i) Não brincar. 1 – EPC’s – Equipamentos de Proteções Coletivas. Além das normas básicas de segurança é necessário que em um laboratório se utilizem jaleco de manga comprida (preferencialmente da cor branca), calçado fechado, calça comprida, cabelos longos, luvas de látex e óculos de proteção sempre amarrados. Exercícios 1.1 – Marque a opção que corresponde a uma pessoa com a vesti perfeita para um laboratório. a) Jaleco de manga curta, sandália e cabelo solto. b) Jaleco de manga curta, óculos de proteção e luva de látex. c) Calça comprida, lente de contato e cabelo solto d) Jaleco de manga comprida, óculos de proteção e luva de látex. Resposta: Letra D (Obs.: em laboratório é proibido usar lente de contato pois algum gás pode reagir com ela e danificar o material no seu olho. 12 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Capítulo 2 2.1 – Fundamentos Nesta seção estudaremos alguns conceitos fundamentais em química que nos serão importantes para as três edições dessa apostila. Corpo: Uma porção limitada da matéria. Densidade (d): é a razão entre uma determinada massa e um volume. Energia: Capacidade que um sistema possui de realizar um trabalho. Ela é representada de diversas maneiras tais como – calorífica, cinética, elétrica, eletromagnética, mecânica, potencial, química e radiante. Uma possui a capacidade de se transformar na outra. Massa (m): quantidade de matéria existente em um corpo. Matéria: Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço. Pressão (p): é a relação entre uma força aplicada em uma determinada área. Temperatura (T): representa o estado de agitação das partículas e representa a capacidade de um corpo ceder ou receber calor. Volume (v): é a extensão de espaço ocupado por um corpo. Exercício 2.1 – Marque a opção que não representa matéria: a) Ar atmosférico b) Lava de vulcão c) Luz infravermelha d) Caneta Resposta: Letra C Exercício 2.2 – Dentre as representações abaixo marque aquela que representa a medida de massa. a) 15L c) 3,2 Kg b) 23,5 nm d) 4,3g/mL Resposta: Letra C (representa unidade de massa – quilograma) 13 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício 2.3 – Faça as transformações abaixo: a) 15L para mL (resposta: 15.000 mL) b) 23 m para nm (resposta: 2,3x10-8nm) c) 3g/mL para Kg/L (resposta: 0,003Kg/L) 2.2 – Classificação da matéria Para darmos inicio a classificação da matéria é necessário antes termos alguns conhecimentos de alguns conceitos fundamentais. Átomo: partículas indivisíveis que constituem a menor unidade de qualquer elemento químico. Molécula: Um conjunto de átomos juntos e ligados entre si origina as moléculas. 2.2.1 – Substâncias e misturas Substâncias: um conjunto de átomos com as mesmas propriedades químicas constituem um elemento químico, e cada substância é caracterizada por uma porção constante desses elementos. Substância pura: Formada por unidades químicas iguais e podem ser classificadas como simples e compostas. Substância simples: constituídos por átomos de um mesmo elemento. Exemplo: H2, Cl2, O3, Xe, etc. Substância composta: constituídos por átomos de elementos diferentes: Exemplo: H2O, F2Xe, HCl, etc. Mistura: constituída por uma ou mais substâncias. Exemplo: água e etanol, etanol e gasolina, etc. Misturas homogênea: são misturas que apresenta apenas uma única fase. Mistura heterogênea: são misturas que apresenta uma ou mais fase. Sistema: porção limitada de trabalho ou estudo. 14 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício 2.4 – Classifique as misturas abaixo como heterogênea ou homogênea. a) Água e gasolina (resposta: mistura heterogênea) b) Fenol e gasolina (resposta: mistura homogênea) c) Grãos de feijão e água (resposta: mistura heterogênea) d) Ferro em pó e enxofre (resposta: mistura heterogênea) Exercício 2.5 – Classifique as substâncias abaixo como heterogênea ou homogênea, indique o número de componentes e o número de fases presente no sistema. a) Areia, água e gasolina (resposta: mistura heterogênea, 3 componentes e 3 fases). b) Água, álcool e gelo (resposta: mistura heterogênea, 2 componentes e 2 fases). c) Água e álcool (resposta: mistura homogênea, 2 componentes e 1 fase). d) Areia e sal (resposta: mistura heterogênea, 2 componentes e 2 fases). Exercício 2.6 – Classifique as substâncias abaixo como pura ou mistura. a) Água da torneira (resposta: mistura) b) Vinagre (resposta: mistura) c) Alumínio (resposta: pura) d) Medalha de bronze – liga de cobre e estanho (mistura) Exercício 2.7 – A água do mar é uma substância pura ou mistura? Justifique. (resposta: a água do mar é uma mistura. Justificativa: o seu gosto salgado comprova a quantidade de vários sais minerais dissolvidos no meio). Exercícios 2.8 – Classifique os componentes abaixo como simples ou composto. a) HCl f) HI l) Mo b) H2O g) H2 m) Cr 6+ c) Zn2+ i) H+ n) Kr d) O3 j) NaCl o) H3PO4 e) O2 k) P8 p) H2SO4 Resposta dos exercícios 2.8 a) Composto b) Composto c) Não se aplica d) Simples e) Simples f) Composto g) simples h) Simples i) Não se aplica j) Composto k) Simples l) simples m) Não se aplica n) Simples o) Composto p) Composto 15 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 2.2.2 – Estados físico da matéria A matéria pode ser representada em três estados físico: - Sólido: Energia potencial baixa, moléculas organizadas. - Líquido: Energia potencial média, moléculas pouco desorganizadas. - Gasoso: Energia potencial alta, moléculas muito desorganizadas. Dentre os estados da matéria citada acima a ilustração abaixo nos demonstra esquematicamente sobre o comportamento microscópico da matéria. A matéria não está limitada a apenas um tipo de estado físico, sendo que ela pode sofrer variação de um estado para o outro devido alguns fatores, sendo que esses fatores são pressão e/ou temperatura. Cada alteração da matéria recebe um nome especial, conforme representado abaixo: 16 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais- UFMG Exercícios 2.9 – Dentre os materiais abaixo coloquem em ordem decrescente de energia potencial. a) Ar atmosférico; caneta e água liquida. b) Pedra, óleo de cozinha e GLP. c) Criptônio (gás nobre), hidrogênio gasoso, água liquida e sapato Resposta dos exercícios 2.9: a) Ar atmosférico > água > caneta b) GLP > óleo de cozinha > pedra c) Criptônio = hidrogênio > água liquida > sapato Exercícios 2.10 (recuperação final 2013) – Um estudante pegou uma seringa não usada e sem agulha e fez o seguinte experimento. Puxou o ar dela por alguns instantes e logo depois pressionou novamente (conforme ilustração abaixo). Indique o nome, a passagem do estado físico e como ele ocorrera dentro da seringa e quais os fatores responsáveis por tal transformação. Resposta: Como o ar atmosférico encontra se no estado gasoso quando o estudante puxar uma pequena porção do ar ele ficara retido dentro da seringa, deixando as moléculas rearranjadas na forma de gás, com uma energia potencial alta e com pouca organização. Quando é exercida uma pressão (uma determinada força aplicada sobre uma área) as moléculas são rearranjadas de tal maneira a reorganizar as moléculas podendo deixar dependendo da força aplicada elas até no estado liquido, porém, nenhuma força aplicada é suficiente para fazer com que as moléculas tornem a água sólida em uma seringa. Nesse fenômeno a uma passagem do estado gasoso para liquido, então dizemos que dentro da seringa ocorreu uma liquefação. 17 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 2.2.2.1 – Diagramas de mudanças de estados físicos Conceitos fundamentais: - Ponto de fusão (PF): passagem da matéria do estado sólido para liquido. Nesse ponto a matéria apresenta os dois estados físicos (sólido e liquido). - Ponto de ebulição (PE): passagem da matéria do estado liquido para o gasoso. Nesse ponto a matéria apresenta os dois estados físicos (liquido e gasoso). - Substância pura: as substâncias puras apresentam dois patamares constantes, sendo um no ponto de fusão e outro no ponto de ebulição. Nas substâncias puras a matéria apresenta temperatura constante no ponto de fusão e também no ponto de ebulição. S S + L L L + G G Temperatura (°C) Tempo (min.) 18 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Misturas: ao contrário das substâncias puras as misturas não apresentam patamares de fusão nem ebulição e sim faixas que indicam a ocorrência da alteração do estado físico. Nas misturas o PF e PE não apresentam temperaturas constantes. Alem das misturas comuns existem dois tipos de misturas que originam um gráfico com comportamento diferente que são as misturas eutéticas (componentes que possuem uma liga metálica) e as misturas azeotrópicas (mistura homogênea entre dois líquidos). - Misturas eutéticas: possui um patamar de fusão. S S + L L L + G G Temperatura (°C) Tempo (min.) Temperatura (°C) Tempo (min.) S S + L L L + G G 19 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Misturas azeotrópicas: possui um patamar de ebulição. Exercício 2.11 (recuperação final 2013) – O gráfico a seguir representa o aquecimento de uma amostra d’água pura, aonde o momento II indica exatamente o ponto aonde a água chegou ao seu ponto de fusão. Indique no gráfico qual(is) será(ão) os estados físicos da água em cada região abaixo representada. Resposta: Como o gráfico representa um fragmento focado no ponto de fusão e a região dois representa exatamente esse ponto fica sendo a Região I – sólido; Região II sólido e liquido e a Região III sendo o estado líquido da água. Temperatura (°C) Tempo (min.) S S + L L L + G G 20 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercícios 2.12 – Dada a tabela abaixo indique qual o estado físico de cada elemento a 25°C. Substância PF PE A - 180°C -45°C B - 35°C 30°C C 10°C 120°C D - 60°C 15°C E 70°C 320°C Resposta: a) gasoso b) liquido c) liquido d) gasoso e) sólido 2.2.3 – Métodos de separação de mistura Na natureza quase nada é puro, sendo a maioria das coisas encontradas na forma de mistura. Para trabalhos em laboratórios às vezes é importante que se faça a separação de certas misturas. Abaixo se encontram resumidamente dois quadros com alguns métodos de separação de mistura (vale ressaltar que não são os únicos métodos, mas são os mais utilizados). MISTURAS HETEROGÊNEAS SÓLIDO + SÓLIDO LIQUIDO + SÓLIDO INSOLUVEL LIQUIDOS IMISCÍVEIS ATRAÇÃO MAGNÉTICA DECANTAÇÃO FUNIL DE BROMO DISSOLUÇÃO FRACIONADA FILTRAÇÃO MISTURAS HOMOGÊNEAS SÓLIDO + LIQUIDO LIQUIDO + LIQUIDO EVAPORAÇÃO DESTILAÇÃO FRACIONADA DESTILAÇÃO SIMPLES Estudaremos o comportamento e a utilização de cada um desses métodos: 1. Atração magnética: é utilizada quando um dos componentes consegue ser separado por um ímã. 2. Dissolução fracionada: é o método utilizado em que se adiciona um solvente1 a mistura e apenas um dos sólidos é solúvel nele. 1 – Inicialmente trataremos solvente como substâncias capazes de dissolver outras. 21 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 3. Decantação: método no qual o material particulado não dissolvido sedimenta no fundo do recipiente, podendo ser separado por um método de transferência. 4. Filtração: o sólido é despejado sobre um elemento o qual tem a capacidade de reter o material particulado deixando somente o liquido passar (Obs. Esse método pode ser por filtração simples ou a vácuo, isso vai depender da necessidade do trabalho). 5. Funil de bromo: é o método no qual o material mais denso escoa por um funil enquanto o outro fica retido em outro recipiente. 6. Destilação simples: é um dos métodos utilizados para separar sólido de liquido, no qual a mistura é aquecida e o vapor é extraído deixando o sólido para trás. 7. Destilação fracionada: utilizada principalmente na indústria de petróleo é utilizada para separar líquidos de diferentes PE. OBSERVAÇÃO: serão feito alguns exercícios que ilustrar melhor cada uma das operações citadas acima. Fundamentos dos exercícios: alguns métodos de separação por fazer parte do cotidiano não foram exemplificado a fundo, porém caso tiverem dúvidas me escrevam em juh16_@hotmail.com ou e-20@ufmg.br Exercício 2.13 – Associe cada mistura com seu método de separação. Misturas Processos 1 – água + gasolina A - Catação 2 – areia + limalha de ferro B - Filtração 3 – Salmoura C – Atração magnética 4 – Arroz + feijão D – Destilação simples 5 – Água + areia E – Funil de separação Respostas: 1 – E / 2 – C / 3 – D / 4 – A / 5 – B 22 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício 2.14 (UERJ) – A água ardente é uma bebida alcoólica obtidaa partir da cana de açúcar. Muitas pessoas tem o costume de apelida-la de “purinha”. Sabe-se porém que ela não é pura. Um dos métodos de separação de mistura que prova essa evidência é: a) Filtração b) Deslitação c) Decantação d) Centrifugação Resposta: Letra B 2.2.4 – Fenômenos da matéria A matéria ela pode sofrer algumas alterações macroscópica e microscópica e isso são chamados de fenômenos (retornaremos mais adiante em fenômenos), porém é fundamental conhecermos: Fenômeno físico: é aquele no qual não existe a transformação da matéria. Exemplos: rasgar papel, quebrar um vidro, derretimento do gelo, etc. Fenômenos químicos: é aquele no qual a matéria é transformada. Exemplos: queimar um papel, azedamento do leite, aparecimento de bolores no pão, etc. Exercício 2.15 – Classifique os fenômenos como físicos (F) ou químicos (Q): a) Azedamento do leite (Q) b) Rasgar papel (F) c) Azedamento do feijão (Q) d) Perda de gás de um refrigerante (F) 23 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 2.2.5 – Densidade A matéria possui diversas propriedades química e física que podem variar de um material para o outro, mas nessa seção iremos explicar sobre uma propriedade extremamente importante que é a densidade. Definição: Densidade é a razão da matéria que correlaciona uma comparação entre volume e a massa de um determinado material e tal razão é expressa em g/cm³ ou g/mL. A densidade é uma propriedade tal que exerce uma relação d α m (densidade é diretamente proporcional a massa) e d α (densidade inversamente proporcional ao volume. d = A densidade nos exerce outra propriedade fundamental que explica o fato de alguns materiais imiscíveis ficarem embaixo e outro em cima, isso é dado com: Material mais denso: afunda Material menos denso: flutua. Exercícios 2.15 (1° prova 2013) – PUC – SP – Em uma indústria química no preparo de uma análise desejava-se se saber a densidade de uma amostra que ele analisava. Observando os rótulos das amostras até então desconhecidas estavam escritas as seguintes informações. Liquido A: Volume 120 cm³ e Densidade 0,78g/cm³ Liquido B: Volume 200 cm³ e Densidade 0,56 g/cm³ O químico fez a mistura dessas duas substâncias. Com base nesses dados determine a nova densidade. 24 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Resposta: Nesse tipo de exercício nos foi dado o volume e a densidade, então com base nesses dados calcularemos a massa de cada um dos materiais de forma separada da seguinte maneira. m(g) = V(cm³) x d (g/cm³) Tendo então essa nova relação, calcularemos a massa contida no liquido A e no liquido B tendo então. A = 93,6g B = 112g Com os valores das massas dos dois materiais usaremos a formula da densidade para descobrir o valor da densidade das duas misturas, podendo então fazer a seguinte relação: d = d = d = d = 0,6425 g/cm³ Exercício 2.16 – Sabendo que a densidade da água é de 1g/cm³ a nova mistura obtida pelas misturas dos líquidos A e B estaria acima ou embaixo de uma pequena porção d’água? Resposta: De acordo com os cálculos obtidos no exercício anterior o novo liquido estaria embaixo, pois se trata de um material menos denso que à água. - EXERCÍCIOS DE REVISÃO CAPÍTULO 2 (ATÉ AQUI MATÉRIA DA PRIMEIRA PROVA) - (Não há resolução desses exercícios!!!) Exercício R.1 – A seguir encontra-se uma tabela com PF e PE de algumas substâncias a 1 atm de pressão. Determine o estado físico de cada substância abaixo a 50°C. Substância PF (°C) PE (°C) Cloro -101 -34,6 Fluor -219,6 -188,1 Bromo -7,2 58,8 Mercúrio -38,8 356,6 Iodo 113,5 184 25 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício R.2 – Observe os fatos abaixo: I) Uma pedra de naftalina deixada em um armário II) Uma vasilha com água deixada no freezer a -4°C III) Uma vasilha com água deixada no sol IV) O derretimento de um pedaço de chumbo quando aquecido Indique o nome da passagem física que ocorre em cada fenômeno acima. Exercício R.3 – Observe a tabela abaixo com PF e PE de algumas substâncias. Substância PF (°C) PE (°C) Fenol 41 182 Pentano -130 36 Clorofórmio -63 61 Etanol -117 78 Considere essas substâncias na Antártida (-35°C), Porto Alegre (25°C) e no deserto do Saara (55°C). Qual o estado físico das substâncias nos três locais indicados? Exercício R.4 – O gelo seco (CO2(g)) a 25°C passa do estado sólido para gasoso imediatamente. Qual é o nome dessa passagem? Exercício R.5 – Complete o espaço em branco de acordo com o que está no parêntese. a) A agitação das moléculas é (maior/menor) ______________ nos líquidos do que em gases. b) Nos gases as moléculas se movem com (grande/pequena) __________________ velocidade. c) Nos materiais sólidos a organização molecular é (grande/pequena) ___________ d) A energia (cinética/potencial) ________________ nos gases é maior que nos líquidos e sólidos. Exercício R.6 – Indique o estado físico da matéria sugerido abaixo. 26 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercícios R.7 – A aparelhagem a seguir mostra o esquema de um aparelho utilizado para obter água potável a partir de água salobra (que contém altas concentrações de sais). Este aparelho improvisado é usado em regiões desérticas da Austrália. a) Indique o nome de todas as mudanças de estados físico que ocorre com á água dentro do aparelho. b) De onde vem a energia proveniente para fazer essa alteração? Exercícios R.8 – Dentre as substâncias a seguir aquela que representa em todas opções somente substâncias simples é: a) H2O, O2, O3 b) CH4, H2O, H2 c) MgCl2, H2O2, CCl4 d) N2, Cl2, H2 Exercício R.9 – Assinale a alternativa que representa a alternativa correta. a) Uma substância simples sempre é pura b) Uma substância composta sempre é pura c) Uma substância simples pode ser composta d) Uma substância composta pode ser pura Exercícios R.10 (PUC-MG) – Observe o sistema abaixo aonde as esferas representam átomos. Sobre essas informações marque a alternativa incorreta: 27 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG a) II contem substância pura b) III contem uma mistura c) I contem substância simples d) II contem uma mistura Exercícios R.11 – Durante o aquecimento de uma substância desconhecida o ponto de ebulição se mantém constante. Pode se afirmar com certeza que é uma substância pura? Justifique sua resposta. Exercício R.12 – Abaixo está representado o fluxograma de separação de uma mistura feita com água, azeite e açúcar totalmente dissolvido. Indique quais métodos de separação de mistura foram utilizados no processo I e no processo II. Exercícios R.13 (UFES – ES) – Indique quantas fases e quantos componentes estão presente em uma mistura contendo água, gelo, areia, sal de cozinha, gasolina, fenol e açúcar. Exercícios R.14 – Indique o passo a passo de como você separaria uma mistura contendo sal e areia. Exercícios R.15 – Dentre os fenômenos abaixo qual não representa um fenômeno químico? a) Queima de uma folha de papel b) Dissolução de um comprimido efervescente c) Evaporaçãodas águas do oceano d) Digestão do alimento no organismo e) Destruição da camada de ozônio 28 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercícios R.16 – Sabendo que a densidade do ferro é 7,8g/cm³ determine a massa de uma barra de ferro que tem 650cm³ de volume. Exercício R.17 – Determine a densidade do mercúrio sabendo que 1360g ocupam um volume de 100cm³. Exercícios R.18 – Duas substâncias A e B são colocadas em um recipiente uma após a outra. Durante o experimento são medidas continuamente a massa e o volume do recipiente. Com base nos dados experimentais se constrói o gráfico abaixo. Com base nos dados do gráfico indique a densidade das substâncias A e B respectivamente. Exercício R.19 – Em uma proveta foram colocados água, benzeno e clorofórmio, originando o seguinte aspecto heterogêneo. Sabendo que a densidade da água, benzeno e clorofórmio são respectivamente 1,00g/mL, 0,900g/mL e 1,53g/mL indique quais são os líquidos A, B e C. 29 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Capítulo 3 3.1 – Átomo e estruturas sub atômicas que constituem a matéria Vimos em alguns capítulos anteriores que a matéria é constituída por átomos e a partir dessa seção “mergulharemos” a fundo sobre o que é o átomo, as primeiras ideias (não será muito aprofundando esse conceito por quase não se cair mais em vestibulares) e sobre as partículas sub atômicas (sendo que o conhecimento das partículas sub atômicas são extremamente importante por se tratar de um fato que vai está relacionado até o final do curso e também será abordado nos volumes 2 e 3 dessa obra). 3.2 – Ideias atômicas As primeiras ideias sobre o átomo foram propostas pelos filósofos gregos Demócrito e Leucipo (400 A.C) o qual foi sugerido que se uma pequena porção da matéria (por exemplo um grão de areia) pudesse ser dividido, e dividido e assim por diante chegaria um ponto em que essa divisão seria impossível e nesse ponto seria o “átomo” (vindo do grego que significa o indivisível). Átomo de Dalton (1808): Dalton propôs em sua teoria para explicar a formação da matéria a qual propunha que átomos eram pequenas esferas maciças e indestrutíveis. Átomo de Dalton A teoria de Dalton embora simples proporciono grandes avanços na química e entre eles algumas conclusões foram tiradas por Dalton, sendo elas: 1. Um conjunto de átomos apresentando mesma massa, tamanho e propriedades são denominados elementos químicos. 2. Diferentes elementos apresentam diferentes propriedades (citadas acima). 3. O rearranjo entre átomos de diferentes elementos químicos originam substâncias diferentes. Átomo de Thomson (1897): Em 1897 realizando experimentos em um circuito elétrico fechado Thomson descobriu que o átomo era constituído por partículas subatômicas a qual ele as denominou de elétrons. Com base em seus experimentos Thomson propôs uma nova ideia sobre o átomo derrubando então a teoria de Dalton e suas conclusões foram: 30 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 1. O átomo é uma esfera constituída por uma grande massa negativa. 2. Nessa massa positiva encontra-se pequenas partículas negativas denominadas elétrons. Átomo de Thomson Átomo de Rutherford (1904): Em um experimento com uma finíssima lamina de ouro Rutherford bombardeou uma lamina de ouro com partículas α (carga positiva) e durante seu experimento ele observou que alguns raios passavam diretos, outros sofriam desvio e outros passavam direto sem nenhum desvio. Experimento de Rutherford Com base nesses experimentos Rutherford tirou as seguintes conclusões. 1. O átomo possui uma região central positiva (prótons) que comporta quase toda massa do átomo. 2. O átomo possui uma região praticamente vazia e sem massa denominada ao redor do núcleo que é chamada de eletrosfera a qual se encontra os elétrons. Com base nesse experimento Rutherford propôs seu modelo: Átomo de Rutherford 31 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Átomo de Borh (1906): A teoria atômica de Borh foi um “complemento” da teoria de Rutherford a qual ele propôs que o núcleo atômico era constituído por partículas positivas denominadas de prótons e outras partículas subatômicas e sem cargas denominadas nêutrons. Borh propôs também que os elétrons não estavam distribuídos nas camadas eletrônicas de qualquer maneira e sim em camadas (hoje conhecidas de níveis de energia) que comportam um número máximo de elétrons, conforme demonstrado abaixo: K (1) L (2) M (3) N (4) O (5) P (6) Q (7) 2 8 18 32 32 18 8 *Observação: os números entre parênteses representa o número do nível de energia Exercícios 3.1 – Marque a alternativa que corresponde a teoria atômica conforme a ordem de evolução. a) Dalton, Rutherford, Borh e Thomson b) Rutherford, Borh, Thomson e Dalton c) Dalton, Thomson, Borh e Rutherford d) Dalton, Thomson, Rutherford e Borh Resposta: Letra D Exercícios 3.2 – O átomo que descreve a história do pudim de passas é o átomo de: a) Dalton b) Thomson c) Rutherford d) Borh Resposta: Letra B Exercícios 3.3 – “Diferentes elementos apresentam diferentes propriedades químicas”. Essa frase se enquadra no modelo atômico de qual cientista? a) Borh b) Dalton c) Thomson d) Rutherford Resposta: Letra B 32 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Agora que possuímos ferramentas o suficiente para sabermos uma breve resumida na história da química iremos tratar de alguns assuntos que serão de extrema importância no decorrer do curso, então faremos um resumo abaixo de alguns fundamentos essenciais a partir da próxima seção. 3.3 – Fundamentos atômicos e da matéria (resumo) Número atômico (Z): Indica a quantidade de prótons presente em um átomo neutro. Número de massa (A): É a soma do número de prótons com o número de nêutrons (A = P + N) Número de Nêutrons (n): É a subtração da massa atômica com o número de prótons (n = A – P). Número de elétrons (e - ): É a mesma quantidade de prótons em espécies neutras. De uma maneira geral podemos observar esses números na tabela periódica da seguinte maneira: (A = maior número) (Z = menor número) Exercício 3.4 – Indique em cada espécie abaixo os valor de A e Z. a) 1H1 b) 17 Cl35,5 c) 7 Li 3 d) 40Ar 18 e) 92U232 f) 27Al 13 Resposta: a) A = 1 e Z = 1 b) A = 35,5 e Z = 17 c) A = 7 e Z = 3 d) A = 40 e Z = 18 e) A = 232 e Z = 92 f) A = 27 e Z = 13 Agora que conhecemos um pouco de fundamentos atômicos da matéria e suas partículas subatômicas veremos o comportamento dos elementos quando eles tende a ganhar ou perder elétrons. 2 He 4 33 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 3.4 – Íons Íons é a espécie que contem o número de elétrons diferentes do número de prótons e são subdivididos como cátions e ânions. 1. Cátions: é a espécie positiva, pois o átomo perdeu 1e- ou mais (lembrando que os elétrons possuem cargas negativas e que quando uma espécie tende a perder aquela carga negativa ela ficara mais positiva).Exemplos: H + ; Zn 2+ ; Al 3+ ... 2. Ânions: é a espécie negativa, pois o átomo ganhou 1e- ou mais (lembrando que os elétrons possuem cargas negativas e que quando uma espécie ganha mais cargas negativa ela ficara mais ainda negativa). Exemplos: NO3 - ; PO4 - ; Cl - ... No volume 2 dessa obra aprenderemos a calcular a carga total dos íons!!! Exercícios 3.5 – Dentre as espécies abaixo indique quem é cátion, ânion e qual é a espécie neutra. a) Cl2 e) Na + b) H2 f) K + c) 2H+ g) O2- d) Cl- h) H3O + Resposta: a) neutro b) neutro c) cátion d) ânion e) cátion f) cátion g) ânion h) cátion Exercícios 3.6 (UFG – GO) – Observe o trecho da história em quadrinho no qual a uma representação atômica para o átomo de hidrogênio. 34 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Explique porque o personagem escolheu o hidrogênio como seu símbolo e indique qual modelo atômico comprova isso representado nos quadrinhos acima. Resposta: O personagem escolheu o hidrogênio devido a marca que ele possui na testa (verificada no terceiro quadrinho) na qual representa um átomo de hidrogênio (1 próton e 1 elétron). Esse modelo atômico que foi utilizado é uma representação do átomo de Rutherford (sistema interplanetário). 3.4.1 – Semelhança atômica Átomos possuem uma característica que é de adquirirem certas semelhanças entre espécies diferentes e essas espécies recebem nomes especiais que é o que veremos a partir dessa seção. 1. Isótopos: São espécies que possuem o mesmo número atômico (Z) porque pertencem ao mesmo elemento químico mas possuem diferentes número de massas (A). Exemplo: 12Mg 24 ; 12Mg 25 ; 12Mg 26 2. Isóbaros: Átomos que apresentam diferentes números atômicos (Z), são elementos diferentes mas possuem a mesma massa (A). Exemplo: 40Ca 20 ; 40Ar 18 3. Isótonos: São espécies que possuem o mesmo número de nêutrons, mas possuem diferentes número atômico (Z) e número de massa (A). Exemplos: 12Mg 26 ; 28Si 14 4. Isoeletrônicos: São átomos e íons que possuem o mesmo número de elétrons. Exemplo: Na + ; O 2- ; Ne 0 Exercício 3.7 – Considere as espécies químicas abaixo: 40Ca 20 ; 12C 6 ; 14C 6 ; 16O 8 ; 40Ar 18 ; 32S16 2- Indique quem são: a) Isótopos b) Isóbaros c) Isótonos d) Isoeletrônicos 35 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Resposta: Para resolver esse tipo de exercício eu aconselho que primeiro determinamos o número de prótons, nêutrons, elétrons e massa para cada espécie conforme demonstrado abaixo: 40Ca 20 A = 40 n = 20 p = 20 e - = 20 12C 6 A = 12 n = 6 p = 6 e - = 6 14C 6 A = 14 n = 8 p = 6 e - = 6 16O 8 A = 16 n = 8 p = 8 e - = 8 40Ar 18 A = 40 n = 22 p = 18 e- = 18 32S16 2- A = 32 n = 16 p = 16 e - = 18 Feito essa distribuição é só analisar cada caso e preencher dando a resposta. a) 12C 6 e 14C 6 b) 40Ca 20 e 40Ar 18 c) 14C 6 e 16O 8 d) 40Ar 18 e 32S16 2- 3.5 – Os subníveis: Como já mencionado na seção 3.2 o átomo de Borh descreve o átomo sendo organizado em camadas eletrônicas, porém um cientista chamado Sommerfield propôs em 1916 a existência de camadas ainda menores chamadas de subníveis, sendo que o número de níveis de energia corresponde à quantidade de subníveis menores ainda presente entre um nível e outro. 1 2 1S 2S 2P ... No esquema acima estão representados por linhas maiores os níveis de energia (1, 2, ...) e em níveis menores os subníveis de energia (1S, 2S, 2P, ...) que serão melhor compreendido com a observação do diagrama de Linus Pauling. 36 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Diagrama de Linus Pauling (1901 – 1994) O diagrama de Linus faz um esquema do crescimento de energia em um átomo e cada orbital (S, P, D e F) apresenta uma quantidade máxima de elétrons que comportam que é: Orbital Max. e- S 2 P 6 D 10 F 14 Vejamos um exemplo para fixar essa ideia: Exemplo: faça a distribuição eletrônica do Na (Z = 11) usando o diagrama de Linus Pauling. Na – 1s2 2s2 2p6 3s1 quantidade de elétrons subnível Nível Mas o diagrama de Linus é falho quando se trata de átomos com uma quantidade grande de elétrons, que é o que veremos a partir da próxima seção. Exercício 3.8 – A espécie química Z = 12 possui a seguinte configuração eletrônica igual a 1s 2 2s 2 2p 6 e se trata de um: 1. Cátion b) ânion c) átomo d) isoeletrônico Resposta: Letra A K L M N O P Q 37 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 3.6 – O modelo quântico: A partir desta seção talvez a matéria fique um pouco mais complicada de ser compreendida por se tratar de um assunto que quase não é abordado no ensino médio, talvez seja mais aplicado no ensino técnico e superior, porém é de extrema importância para a aplicação de alguns assuntos em química. 1. Principio da incerteza: em 1926, Werner Heisenberg determinou através de mecânica quântica que é impossível determinar com exatidão a região exata do átomo aonde o elétron se encontra, então foi proposto que existam regiões ao redor do núcleo que tenha uma probabilidade máxima de encontrar o elétron e essa região é denominada de orbital. Para prosseguirmos nossos estudos veremos alguns fundamentos: 3.6.1 – Fundamento de quântica: Orbitais: Região em volta do núcleo atômico aonde existe a probabilidade máxima de encontrar o elétron (essa região é como uma grande nuvem eletrônica). Função de onda: Expressão matemática a qual é usada para determinar a localização do elétron ψ 2 . Nó: Região na qual a probabilidade de se encontrar o elétron é zero, ou seja, ψ 2 = 0. 3.6.2 – A representação do orbital: Um orbital atômico é representado por um e os elétrons são representados por setas ↑↓ a qual cada orbital comporta um número máximo de dois elétrons. É importante sabermos desde já que os orbitais mais próximos do núcleo atômico possuem menor energia (devido a atração mais próxima de cargas opostas) e que quanto mais afastado o elétron estiver do núcleo atômico maior será sua energia envolvida. Cada orbital apresenta também certa característica que posteriormente permitira calcularmos o tamanho raio atômico, porém para nível médio e técnico é importante que saibamos qual é o formado do orbital S e P (os outros orbitais serão somente estudados em nível superior). 38 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Orbital S Orbital P Exercício 3.9 – Faça a distribuição eletrônica pelo modelo quântico das seguintes espécies abaixo: a) Na+ Z = 11 b) C Z = 6 c) Al3+ Z = 13 d) F- Z = 9 Respostas: a) ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 1s 2 2s2 2p 6 3s 1 b) ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ 1s 2 2s 2 2p 3 (observe que na distribuição do carbono ficaria um spin desemparelhado, então um elétron foi promovido do orbital 2s 2 para ter o maior afastamento possível de cargas iguais). c) ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s 2 2s 2 2p 6 d) ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 1s 2 2s 2 2p 5 39 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - EXERCÍCIOS DE REVISÃO CAPÍTULO 3 (PARTE DA MATÉRIA DA SEGUNDA PROVA) – (Não há resolução desses exercícios) !!! Exercício R.1 – Uma grande fabricante mundial de brinquedos anunciou recentemente uma chamada aos clientes devido à necessidade de substituição de alguns produtos, com elevado teor de chumbo presente no pigmento utilizado nas tintas de fabricação desses brinquedos. O chumbo na sua forma catiônica possui elevada toxidade, afetando principalmente a síntese da hemoglobina no organismo. Sabendo que o número atômico (Z) do chumbo é 82 e do xenônio é 54, assinale a alternativa que apresenta a configuração eletrônica correta para o cátion bivalente do chumbo. a) [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p2 b) [Xe] 6s2 4f14 5d10 c) [Xe] 4f14 5d9 6p1 d) [Xe] 6s1 4f14 5d10 6p1 e) [Xe] 6s2 4f14 5d8 6p2 Exercício R.2 – (UEM-PR) Quantos elétrons desemparelhados existem em um átomo que possui a configuração eletrônica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ? Exercício R.3 – (UFES-ES) Ligas de titânio são muitas usadas na fabricação de parafusos e pinos que compõe as próteses ortopédicas. Faça a distribuição eletrônica para o átomo de titânio de acordo com o modelo quântico. Exercício R.4 – O diagrama abaixo representa a distribuição eletrônica de qual elemento? 40 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício R.5 – A distribuição dos últimos subníveis das espécies químicas K, K+, K2+ são quais? Exercício R.7 – Faça a distribuição por subníveis da espécie N3- (Dado: Z = 7). Exercício R.8 – Dois átomos A e B são isóbaros. A tem número de massa 4x + 5 e o número atômico 2x + 2 e B tem número de massa 5x – 1. O número atômico, o número de massa, e o número de nêutrons e o número de elétrons são respectivamente quantos para A e B? Qual é o elemento citado em A e em B? Exercício R.10 – Dentre os orbitais abaixo aquele que apresenta um orbital do tipo Px é: a) b) c) d) Exercício R.11 – Associe cada modelo atômico com seu respectivo criador: a) Dalton 1 – Pudim de passas b) Thomson 2 – Distribuição por níveis c) Rutherford 3 – Bola de bilhar d) Borh 4 – Sistema interplanetário 41 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Capítulo 4 4.1 – Tabela Periódica A partir desse capítulo iremos começar a estudar sobre a tabela periódica. Nessa seção irei apresentar a tabela periódica de uma forma “crua” como aparece em provas de vestibulares e a medida que formos aprendendo a usa-la ela ganhara “vida” e será uma ferramenta bastante útil para todas as áreas da química. Observem a tabela abaixo: A tabela acima é a tabela periódica dos elementos. Essa classificação é feita de acordo com o crescimento do número atômico (Z) e é “lida” da direita para a esquerda, então, por exemplo, se quiséssemos fazer uma leitura na “ordem crescente” ficaria: H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg ... É importante mencionar que os elementos químicos devem ser representados por letras maiúscula do seu nome em latim ou em alguns casos a primeira letra maiúscula e a segunda minúscula (para se determinar qual deve ser basta observar a tabela periódica). 42 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 4.2 – Família A tabela periódica é formada por famílias que são classificadas em A e em B (classificação antiga da IUPAC, porém, para facilitar nossa didática continuaremos usando essa classificação). As famílias são classificadas de acordo com as “colunas” da tabela periódica, ou seja, cada coluna representa uma família. “Família” 4.2.1 – Família em A Os elementos classificados na família A recebem nomes especiais que são classificados conforme abaixo: FAMÍLIA (CLASSIFICAÇÃO ANTIGA) FAMÍLIA (CLASSIFICAÇÃO NOVA) NOME DA FAMÍLIA 1A 1 METAIS ALCALINOS 2A 2 METAIS ALCALINOS TERROSOS 3A 13 FAMÍLIA DO BORO 4A 14 FAMÍLIA DO CARBONO 5A 15 FAMÍLIA DO NITROGÊNIO 6A 16 CALCOGÊNIO 7A 17 HALOGÊNIOS 8A 18 GASES NOBRES Os números da família em A, indica a quantidade máxima de elétrons que vai existir em sua camada de valência (camada de valência é a camada mais externa do átomo, ou seja, na ultima eletrosfera). 43 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exemplo: Determine quantos elétrons existe na camada de valência do oxigênio (Z = 8) em seu estado fundamental (neutro / sem está na forma iônica). Primeiro passo, vamos localizar o elemento na tabela periódica. Localizado vemos que ele é um elemento que está situado na família dos calcogênios na coluna 6A (ou 16). Como a sua coluna é representada por um 6 então concluímos que sua camada de valência possui 6 elétrons. Exercício 4.1 – Determine a quantidade de elétrons que vai existir na camada de valência de cada elemento abaixo: a) H e) Ge i) B b) Fr f) Br j) C c) Si g) Cl k) N d) Bi h) Ne l) Be Resposta: a) 1 b) 1 c) 4 d) 5 e) 4 f) 7 g) 7 h) 8 i) 3 j) 4 k) 5 l) 2 4.3 – Identificação dos elementos A tabela periódica é classificada com uma série de elementos com certas características e esses elementos são classificados como: 1) Metais: geralmente são sólidos, densos, maleáveis, dúcteis, bons condutores de eletricidade e calor. 2) Ametais: são encontrados nas formas sólidas, liquida e gasosa, possuem baixas densidade, não são maleáveis, péssimos condutores de eletricidade e calor. 3) Gases nobres: são a classificação periódica aonde todos os elementos são encontrado na forma gasosa a temperatura ambiente e são poucos reativo. 4) Hidrogênio: é o único elemento da tabela periódica que não se encaixa em nenhuma outra classificação periódica pois, ele possui propriedades de metais e ametais, é explosivo, gasoso e com densidade baixa. De acordo com essa classificação a gente pode fazer a seguinte “coloração” na tabela periódica. 44 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Metais - Ametais - Gases nobres - Hidrogênio Agora nossa tabela ganhou vida e sabemos sobre algumas propriedades desses elementos, agora podemos estudar outras classificações. 45 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de MinasGerais - UFMG Exercício 4.2 – Dentre os elementos abaixo indique sua classificação quanto a metal, ametal, gases nobres ou hidrogênio. a) Rf e) H b) W f) He c) P g) Br d) Cl h) Rn Resposta: a) metal b) metal c) ametal d) ametal e) hidrogênio f) gás nobre g) ametal h) gás nobre Exercício 4.3 – Dentre os elementos abaixo o mais apropriado para colocar em uma fiação elétrica seria: a) Cu b) As c) Ne d) H Resposta: Cu, porque é o único metal. Exercício 4.4 – Sabe se que o ar atmosférico é uma mistura formada basicamente por nitrogênio, oxigênio e argônio. Seguindo a ordem citada acima, marque a alternativa que representa respectivamente a massa atômica desses elementos (consulte a tabela periódica para resolver esse exercício). a) 10,8 ; 35,5 e 39,9 b) 7; 8 e 9 c) 14,0 ; 16,0 e 39,9 d) 1 ; 2 e 3 Resposta: C Exercício 4.5 – Dentre as famílias abaixo aquela que apresenta todos os seus elementos que contem em seu estado fundamental 7 elétrons na camada de valência é: a) Calcogênios b) Halogênios c) Gases nobres d) Metais alcalinos terrosos e) Metais alcalinos Resposta: B 46 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 4.4 – Outras famílias Bom até agora já aprendemos a identifica a família, sabemos o nome das famílias em A, conhecemos as propriedades resumidas dos elementos da tabela periódica e agora conheceremos outra família que são os metais de transição (ou as famílias em B). Os metais de transição são metais que possuem a propriedade de forma cátions devido a um orbital vazio e esses metais são subclassificados como: Metais de transição externa: são os elementos que estão entre as famílias 3 e 12 da tabela periódica e seus orbitais se sobrepõem no subnível d. Metais de transição interna: são os elementos que compõem as séries dos lantanídeos e actinídeos e seus orbitais se sobrepõem no subnível f. Esse tipo de família não irei aprofundar por se um assunto que quase não é utilizado em prova de vestibular e nem é visto no curso técnico e para meus alunos não será matéria de prova!!!! 4.5 – Período Período da tabela periódica são as colunas horizontais que temos ao longo da tabela e nela existe ao todo 7 período. “Período” Cada período da tabela periódica indica a quantidade “máxima” de níveis de energia (ou camada eletrônica) presente naquele elemento, então por exemplo, o H que está no primeiro período da tabela periódica possui apenas uma camada de valência, o carbono possui duas, o sódio 3 e assim por diante. A tabela abaixo nos demonstra a localização do período na tabela periódica. 47 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Exercício 4.6 – Dentre os elementos abaixo localize aquele que está no 7° período na parte dos metais de transição interna. a) Fr b) Ra c) Rf d) U Resposta: D. Embora todos estejam no sétimo período somente o urânio (U) é um elemento que pertence aos metais de transição interna. Exercício 4.7 – Marque a alternativa que indica a ordem crescente de cada período de acordo com os elementos oferecidos. a) H, Li, Mg, Co, Ag, At e Fr. b) H, Na, Li, Cu, He, S e O. c) He, N, C, P, Xe, Eu e No d) He, C, Na, O, I, Cl e H Resposta: A Exercício 4.8 – Dentre os exercícios do esboço abaixo indique a qual período cada um pertence. Resposta: Z – 2° período, X – 3° período, Y – 6° período e W – 7° período 48 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 4.6 – Propriedades periódicas e aperiódicas Creio eu que a partir dessa seção a matéria comece a ficar um pouco mais complicada, pois meio que iremos entrar em algumas propriedades fundamentais para sabermos tudo de química daqui para frente, todo nosso conhecimento daqui adiante vai “girar” em torno do que iremos ver de agora adiante, principalmente no capítulo 5. Além do conhecimento que iremos ter que ver eu sugiro para quem ainda está com dificuldade revisar a matéria sempre que necessário. Vamos lá? Então se preparem para a “emoção do mundo químico”. 4.6.1 – Propriedades periódicas Propriedades periódicas são aquelas que mantêm uma linearidade em cada período de crescimento ou decaimento à medida que o número atômico fica maior. Um exemplo clássico que eu posso dar para vocês é o aumento de elétrons na camada de valência a medida que Z aumenta, ou seja, uma propriedade periódica. A seguir eu apresentarei uma tabela para vocês com as propriedades periódicas que a gente consegue analisar pela tabela periódica e após explicarei através de fundamentos sobre cada uma delas e faremos alguns exercícios resolvidos e outros de revisão para nos prepararmos para a segunda prova do ano letivo. 49 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG 4.6.1.1 – Fundamentos periódicos Raio atômico: é a distância entre o centro do núcleo atômico até o elétron mais externo do átomo (no próximo capítulo aprenderemos a calcular o tamanho desse raio). Energia de ionização: Refere-se à energia necessária para arrancar um elétron da camada mais distante do núcleo atômico, por consequência disso quanto menor o raio atômico maior é a energia necessária para a espécie sofrer uma ionização. Ei α aonde, Ei – Energia de ionização e Ra – Raio atômico. Eletronegatividade: refere-se à capacidade que a espécie tem de atrair o elétron para perto de si. A principio é interessante sabermos que todos os metais possuem alta eletropositividade, ou seja, querem dar os elétrons e os ametais são o contrário, ou seja, querem receber o elétron. Embora haja uma comparação pela tabela periódica algumas espécies classificada por Linus Pauling possuem uma ordem “especial” de eletronegatividade e são elas: F > O > N > Cl > Br > I > S > C > P > H >>> metais A tabelinha acima precisa ser decorada, mas em caso de dúvida a consulta na tabela periódica sempre é o mais aconselhável. Embora muitos professores sejam contra existe um macete para decorarmos essa tabelinha e ele pode ser usado na seguinte frase: “Fui Ontem Num Clube Briguei Infelizmente Sai Carregado Para o Hospital” N raio 50 Emerson A. J. Gonçalves – Graduação em química pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Volume atômico: está propriedade refere-se ao volume que o átomo ocupa no espaço, ou seja, de uma maneira bem grosseira de se falar ela correlaciona a qual átomo vai ocupar o maior ou menor espaço. As ilustrações acima demonstra uma maneira bem chula de como seria a representação dessas esferas. Temperatura de fusão e ebulição: esse assunto não será cobrado na segunda prova nem explicado novamente, pois já foi falado sobre ele no capítulo 2, porém, o que precisamos saber é como esse crescimento varia na tabela periódica e para sabermos sobre isso basta consultarmos a tabela da página anterior. Exercício 4.9 – Marque a alternativa que representa o elemento mais volumoso localizado no 5° período da tabela periódica. a) Rb b) Sr c) Y d) Mo Resposta: D Exercício 4.10 – Conhecendo as propriedades periódicas sabe-se que uma energia
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