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11/08/2015 1 Química Geral e Inorgânica Professor: Jorge Trota Filho Currículo resumido: Formação: Engenharia Química - UFRRJ Mestrado: Engenharia de Materiais – COPPE-UFRJ Doutorado: Engenharia Química – Escola de Química – UFRJ Atuação Profissional: Pesquisador do Inmetro – Área de Padronização de Dureza de Materiais. 11/08/2015 2 UNISUAM – Ciclo Básico de Engenharia Objetivo Geral da disciplina: Conhecer os conceitos básicos da química e compreender sua importância para o entendimento das demais disciplinas curriculares, inter-relacionando-os com seu cotidiano, e contribuindo assim para uma formação profissional e cidadã. O conhecimento dessa disciplina não é tão profundo como para os cursos na área de química. Entretanto, a compreensão de princípios básicos da química ajudarão as outras engenharias para saber o momento em que se faz necessário um químico ou se é um problema simples em que uma pessoa de outra área pode resolver. Objetivos específicos -Utilizar conceitos sobre estrutura atômica; -Analisar a tabela periódica; -Entender e saber diferenciar os tipos de ligações químicas; -Identificar funções da química inorgânica; -Comparar reações químicas; -Efetuar cálculos estequiométricos; -Estabelecer relações entre os conceitos adquiridos, demonstrando apresentar bases sólidas de química geral, que servirão de suporte para as demais disciplinas curriculares. - Importante: Esses conceitos servirão de base para melhor compreensão das disciplinas de laboratório de química e de ciência dos materiais. 11/08/2015 3 Ementa: - Estrutura Atômica; - Propriedades Periódicas; - Ligações Químicas; - Geometria Molecular; - Funções Inorgânicas; - Conceito de Reação Química; - Mol e Número de Avogadro; - Reações em Fase Aquosa. Bibliografia Básica: - ATKINS, Peter W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. São Paulo: Bookman, 2011. - CHANG, Raymond e GOLDSBY, Kenneth A. Química. 11º Ed. Porto Alegre AMGH, 2013. - MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J. Química: um curso universitário. São Paulo: Edgard Blucher, 1995. - RUSSELL, John Blair. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books do Brasil, 1994. v. 1 11/08/2015 4 Bibliografia Complementar - BRADY, James E.; SENESE, Frederick A.; JESPERSEN, Neil D. Química: a matéria e suas transformações. 5ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1. - BRUICE, Paula Yurkanis. Química Orgânica. 4 ed. São Paulo: Prentice Hall Brasil, 2006. v. 1. - KOTZ, John C.; TREICHEL, Paul M.; WEAVER, Gabriela C. Química geral e reações químicas. São Paulo:Cengage Learning, 2010. v. 1. - USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química. 8 ed. São Paulo: Saraiva, 2010. Critério das Avaliações As provas poderão envolver questões discursivas e objetivas, de acordo com o conteúdo desenvolvido nas aulas: - A1: avaliação (prova escrita) no valor de 10,0 pontos. - A2: avaliação (prova escrita) no valor de 10,0 pontos. - A3: avaliação (prova escrita) no valor de 10,0 pontos. 11/08/2015 5 Datas das Avaliações Quarta-feira Quinta-feira Sexta-feira Conteúdo Programático - Introdução 1. Estrutura do Átomo - Estrutura da matéria e atomística - Estrutura da matéria, ondas eletromagnéticas, energia, - O átomo moderno - Partículas subatômicas - Distribuição eletrônica por níveis - Definição de orbital - Distribuição eletrônica por subníveis (Pauling) - Tabela Periódica e suas Peculiaridades - Famílias e períodos - Elementos químicos e suas classes 11/08/2015 6 - Distribuição eletrônica pela notação do cerne do gás nobre - Propriedades periódicas - Ligações Químicas - Conceito de estabilidade eletrônica - Ligações iônicas ou eletrovalentes - Ligações covalentes - Representação de Lewis - Efeito da eletronegatividade nas ligações covalentes - Cálculo da carga formal - Forças intermoleculares - Geometria Molecular - Funções da Química Inorgânica - Bases de Arrhenius - Ácidos de Arrhenius - Sais - Óxidos, peróxidos e superóxidos - Hidretos - Número de oxidação - Conceito de Reação Química - Transformações físicas e químicas da matéria - Definição de reações químicas - Balanceamento de reações químicas - Conceito de mol e número de Avogadro - Estequiometria - Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP) e Condições Padrão de Temperatura e Pressão (CPTP) - Cálculos estequiométricos - Inter-relações estequiométricas 11/08/2015 7 Química Geral e Inorgânica - FUNDAMENTOS Figura 1 – Exemplo de Reação Química Genérica 11/08/2015 8 Figura 2– Reação Química - Oxidação do Magnésio Figura 3 – Reação Química - Oxidação do Ferro 11/08/2015 9 A química está presente em todas as áreas do conhecimento, pois todos os materiais, incluindo os seres vivos, alimentos, vegetais, enfim todas as “coisas” são constituídas da partícula fundamental denominada de “átomos”. A evolução da humanidade está relacionada com o seu conhecimento de como manipular os materiais. Ou seja, o conhecimento da química (mesmo que empírico) dos materiais foi fundamental para fazer a “ponte de ligação” entre a Tecnologia e o desenvolvimento da sociedade até os dias de hoje. - Idade da Pedra – Mineral – Há 2 milhões de anos ; - Idade do Cobre – Metálico e utilizado também em ligas metálicas com o Au e Ag – No ano de 6500 a.C.; - Idade do Bronze – Metálico – liga de Cu e Sn (3% a 25%), podendo acrescentar Zn e Pb - No ano de 3000 a.C.; Química Geral e Inorgânica - FUNDAMENTOS Figura 4 – Artefatos de Bronze Figura 5 – Processos Químicos - Folhas com Cores Diferentes 11/08/2015 10 O desenvolvimento dos aços: Ligas de Fe e C – Aços de baixo carbono e alto carbono Exemplos: Aço inoxidável – Liga de Fe e C com elementos de liga que são elementos em pequenas adicionados em quantidades, tais como: Mo, Si, Co, V, Si, Mn. Com o desenvolvimento desses novos materiais, foi possível alcançar as condições para a Revolução Industrial que se iniciou na Inglaterra no século XIX. Com o desenvolvimento da química foi possível: Aplicações da Química nos Dias de Hoje 11/08/2015 11 Figura 6 – Produção de Peças de Aço Figura 7 – Fertilizantes e defensivos agrícolas 11/08/2015 12 Figura 8 – Outras Aplicações Industriais Figura 9 – Teste do bafômetro - Demonstração de Aplicação da Química no dia-a-dia. 11/08/2015 13 Figura 10 – Princípio de Medição do Bafômetro Figura 11 – Química no Dia a Dia 11/08/2015 14 - A química também está relacionada como desenvolvimento de novos materiais. Como, por exemplo: - polímeros: plásticos, borrachas, fibras, etc; - semicondutores: germânio, silício, etc; - cerâmicas: Alumina, carbetos, hidretos, etc ; 1º Nível – Trata da matéria e suas transformações – Nível macroscópico. Ou seja, nível no qual é possível observar fenômenos utilizando a visão, a audição,... Por exemplo: A queima de uma peça de matéria, a mudança de coloração das folhas das árvores, etc. A Química em três níveis 2º Nível – Nível microscópico – Nível mais profundo que interpreta os fenômenos observados no nível anterior. Ou seja, está interessado nos arranjos dos átomos e nos mecanismos de reação; 3º Nível – Nível simbólico – É a descrição dos fenômenos químicos observados através dos símbolos químicos e por equações matemáticas. Resumidamente: O nível macroscópico (1º Nível) – por exemplo, a condução de um experimento – está relacionado com o nível microscópico (2º Nível) – fenômeno químico – através do nível simbólico (3º nível) que faz a representação do fenômeno químico. 11/08/2015 15 Nível MacroNNível Micro Nível Simbólico Figura 12 – Os três níveis da Química As descobertas da química são baseadas na metodologia científica. Ou seja, para ser um bom pesquisador (engenheiro, físico, químico, matemático,...) é necessário ser cuidadoso e criativo. O método científico é baseado: - Na coleta de dados (amostra) que precisam ser representativas da população em análise; 11/08/2015 16 - Ou seja, ser um pesquisador é sempre estar a procura de padrões ou modelos que podem descrever o fenômeno em análise. Esses padrões podem e transformar em leis científicas. - Lembrete: Toda Lei Científica é baseada primeiramente na observação do fenômeno em análise. Por exemplo: - Uma das primeiras leis da química foi a “Lei das Composições Constantes”. Esta Lei estabelece que um composto tenha a mesma composição independente da sua origem. H2O Mar Chuva Rio Refrigerante Figura 13 – “Lei das Composições Constantes” 11/08/2015 17 Após a observação do fenômeno são detectados padrões e são desenvolvidas as hipóteses. Após, a hipótese são planejados e executados experimentos cuidadosamente controlados para verificar a validade das hipóteses. Caso essas hipóteses sejam comprovadas ou validadas também por outros pesquisadores ou grupos de pesquisa, se avança no sentido de formular uma teoria. Culminando na criação de uma Lei ou Modelo Científico. Existem outros ramos da química, mas nesta disciplina vamos abordar apenas os princípios da química geral e inorgânica. Para conhecimento: - Química orgânica, o estudo dos compostos de carbono; - Química inorgânica, estuda os demais elementos e seus compostos; - Físico-química, o estudo dos princípios da química; - Química teórica, química medicinal, química analítica, bioquímica, entre outras. 11/08/2015 18 A química é uma ciência que tem as suas propriedades determinadas utilizando unidades de medida estabelecidas na Convenção Internacional do Metro. Desta forma, o Brasil como signatário desta convenção utiliza o Sistema Internacional de Unidades – S.I. Unidade Dimensional – metro – “m” Unidade de Massa – quilograma – “kg” Unidade de Tempo – segundos – “s” Unidade de quantidade de matéria – “mol” Unidade de Temperatura – Kelvin – K Unidade de Pressão – Pascal – “Pa” = N/m2” Unidade de Energia –Joule – “J = Nxm” Tabela 1 – Unidades Básicas do SI 11/08/2015 19 A matéria e energia O que é matéria? Matéria é qualquer coisa que tem massa e ocupa lugar no espaço. Substância é uma forma “pura” de matéria, ou seja, é a forma mais simples de uma determinada matéria. Por exemplo: O Ar é um tipo de matéria, mas uma o ar não é uma substância simples. O ar é uma solução gasosa, ou uma mistura homogênea. O Ar é incolor, inodoro e insípido. Ele é composto de 78% de nitrogênio (N2), 21% de O2 e 1% de outros gases. Os três estados físicos da matéria: 11/08/2015 20 Sólido, Líquido e Gasoso. Sólido – Forma mais rígida da matéria. Os átomos de um sólido estão firmemente compactados, sendo assim a matéria no estado sólido tem forma e volume definidos. Líquido – Interação entre os átomos é menor do que no estado sólido permitindo maior mobilidade entre os átomos. Desta forma, o estado líquido apresenta volume definido ou constante e forma variável, ou seja, o líquido se molda ao recipiente que o contém. Gasoso – Neste estado a interação entre os átomos é inexistente e cada átomo está muito espaçado em relação aos outros. Desta forma, não tem forma e nem volume definidos e os átomos se movimentam aleatoriamente ocupando todo o recipiente que o contém. Figura 14 – Estados físicos da matéria 11/08/2015 21 Figura 15 – Estados físicos da matéria Figura 16 – Propriedade do estado líquido. 11/08/2015 22 Propriedades Físicas da Matéria: - Características específicas de uma determinada matéria; - Características que podem ser medidas ou observadas sem mudar a identidade da substância – Ou seja, não modificação ou transformação da natureza química da matéria; - Por exemplo: A massa, o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a dureza, a cor, o brilho, a densidade (massa específica). 11/08/2015 23 Figura 17 – Propriedades Físicas Conceito de Energia - As reações químicas liberam ou absorvem energia. Isso é fundamental para o entendimento dos fenômenos químicos. Definição: É a medida da capacidade de realizar trabalho. - SI – unidade: Joule – “J” = Nxm = kg xm2/s2 11/08/2015 24 Elementos e Átomos A ciência busca a simplicidade fundamental, ou seja, os átomos e os elementos são os menores constituintes da matéria. Mais de 100 elementos químicos com as mais variadas combinações compõem a matéria. Átomo: O átomo é o menor constituinte da matéria. A menor partícula de um elemento. Em 1807 John Dalton formulou a hipótese atômica: Todos os átomos de um dado elemento são idênticos; Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes; Um composto em uma combinação específica de um elemento; Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, eles “trocam de parceiros” para produzir novas substâncias. 11/08/2015 25 Elemento: Um elemento é uma substância composta por um único topo de átomo. Resumindo: Toda a matéria é feita de várias combinações de formas simples da matéria, chamadas de elementos químicos. Um elemento é uma substância formada por um único tipo de átomo. 11/08/2015 26 Alguns anos depois, Henry Moseley determinou o número atômico dos átomos. Foi determinado através do seguinte experimento. Elemento Químico Feixe de Elétrons Raios-X ↔ Nº Atômico 11/08/2015 27 Figura 19 – Átomo de Rutherford Eletrosfera Figura 20– Átomo de hidrogênio e seus isótopos 11/08/2015 28 Nêutrons – Determinados através de um “Espectrômetro de Massas”. Equipamento utilizado para determinação da massa dos elementos que constituem determinada matéria. Os nêutrons são partículas subatômicas que só tem massa e não tem carga. E estão presentes no núcleo junto com os prótons. Exemplos – Tabela Periódica – Elemento Au. Au – prótons = 79, elétrons = 79 e MA = 197. Então o número de nêutrons é: 118 11/08/2015 29 Os átomos podem ser classificados como: isóbaros, isótonos e isótopos. Isóbaros: Mesmo número de MA. Isótonos: Mesmo número de nêutrons. Isótopos: mesmo número de prótons, mas o número de nêutrons diferentes. Os isótopos tem aplicação prática. É só lembrar-se do teste de carbono 14. Ou seja, a concentração do carbono 14 é determinante para saber a idade da matéria orgânica. Exemplo: Neônio – 20: P = 10, N = 10 e E =10 Neônio – 21: P = 10, N=11 e E = 10 Neônio – 22: P = 10, N = 12 e E = 10 11/08/2015 30 Figura 21 – Isótopos do Neônio Figura 22 – Átomo de Bohr 11/08/2015 31 A Organização dos elementos químicos - A criação da tabela Periódica Os químicos descobriram que arranjar os elementos em ordem crescente de número atômico (Z), poderiam formar famílias (grupos). Esse arranjo é denominado de tabela periódica. As famílias ou grupos são as linhas verticais e os períodos são as linhas horizontais. Observação: O livro do Atkins antes de iniciar o seu conteúdo, faz uma boa revisão dos conceitos desenvolvidos no Ensino Médio, até a página 96. Figura 3 – Tabela Periódica dos Elementos 11/08/2015 32 Figura 24 – Tabela Periódica dos Elementos Figura 25 – Tabela Periódica dos Elementos 11/08/2015 33 Figura 26 – Tabela Periódica dos Elementos Tabela 02 – Elementos Comuns e seus Símbolos 11/08/2015 34 Química Geral e Inorgânica – CAPÍTULO 1 - ÁTOMOS A mecânica quântica foi utilizada para explicar o movimentodos elétrons dentro dos átomos. Para investigar a estrutura interna dos átomos é preciso observá-los indiretamente, por meio das propriedades das radiações eletromagnéticas que eles emitem. Em seguida, é preciso construir um modelo da estrutura do átomo que explique essas propriedades. A análise da radiação eletromagnética emitida ou absorvida por substâncias é o ramo da química conhecida por espectroscopia. Veremos de forma bem simplificada como se utiliza a espectroscopia atômica – a espectroscopia aplicada aos átomos para determinar a sua estrutura. Química Geral e Inorgânica – CAPÍTULO 1 - ÁTOMOS Figura 27 – Ondas unidimensionais 11/08/2015 35 Figura 28 – Ondas eletromagnéticas - Comprimento de onda (λ) – é a distância entre dos máximos (picos) ou dois mínimos (vales) sucessivos. 11/08/2015 36 11/08/2015 37 Características da Radiação Eletromagnética Um feixe de radiação eletromagnética é o produto de campos elétricos e magnéticos oscilantes (isto é, que variam com o tempo) que atravessam o vácuo com uma velocidade de 3x108 m/s. Ou seja, a radiação eletromagnética viaja na velocidade da luz. Tipos de radiações eletromagnéticas: - Luz visível; - Micro-ondas; - Raios-X; - Ondas Rádio A Interação do Campo elétrico da radiação eletromagnética como Elétron promove mudanças na sua direção e intensidade. O número de ciclos que sofrem essas mudanças em 1 segundo é chamado de frequência n da radiação. A unidade de frequência é o Hertz – Hz. Ou seja, 1 Hz é igual a 1 ciclo/s. 11/08/2015 38 Figura 29 – Características das Ondas eletromagnéticas 11/08/2015 39 Resumo: Teoria Quântica e a estrutura dos átomos A teoria quântica permite prever e compreender o papel primordial que os elétrons têm na química. Figura 30 – Espectro Eletromagnético 11/08/2015 40 Figura 31 – Espectro Eletromagnético e a luz visível A Teoria Quântica de Planck Os sólidos quando são aquecidos emitem radiações eletromagnéticas em vários comprimentos de onda. Do vermelho de uma resistência de um aquecedor elétrico e a luz branca de uma lâmpada fluorescente. A mecânica clássica não conseguiu explicar a relação entre a temperatura, comprimento de onda e energia que são emitidos por um sólido em aquecimento. Max Planck sugeriu que os átomos e as moléculas podiam emitir ou absorver energia apenas em quantidades discretas, ou seja, em pequenos pacotes bem definidos. Planck denominou esses pacotes de quantum, ou seja, a menor quantidade de energia que pode ser emitida ou absorvida na forma de radiação eletromagnética. 11/08/2015 41 Figura 32 – A emissão de energia de um sólido submetido a aquecimento. Figura 33 – A emissão de luz através da energização de Argônio 11/08/2015 42 11/08/2015 43 Figura 34 – Experimento para produção do espectro de linhas. 11/08/2015 44 Figura 35 – Espectro de linhas para vários elementos Em relação ao átomo de hidrogênio energizado, Bohr atribuiu a emissão da radiação à transição de um elétron de uma órbita de maior energia para uma de menor energia e a emissão de um quantum de energia sobre a forma de luz 11/08/2015 45 Figura 36 – Processo de desintegração do átomo de acordo com a mecânica clássica. Números Quânticos Na mecânica quântica são necessários três números quânticos para descrever a distribuição de elétrons no hidrogênio e nos outros átomos. Em uma definição simplificada o orbital pode ser definido como o “local” em que há a maior probabilidade de se encontrar um elétron. Estes números derivam da solução matemática para o átomo de hidrogênio e são chamados: - Número quântico principal - Número quântico de momento angular - Número quântico magnético 11/08/2015 46 Esses números quânticos são usados para descrever orbitais atômicos e para identificar os elétrons que neles se encontram. - Número quântico de spin – descreve o comportamento de um elétron específico e completa a descrição dos elétrons em um átomo. Número quântico principal – “n” O número quântico principal está relacionado com a distância média entre o elétron o núcleo em determinado orbital. Quanto maior for o valor de n, maior será a distância ente o elétron e o núcleo. Assim, maior será o orbital, os números quânticos principais podem assumir valores inteiros como, por exemplo, 1, 2 e 3. 11/08/2015 47 Número quântico de momento angular – “l” O número quântico de momento angular (“l”) está relacionado com a forma dos orbitais. Os valores de “l” dependem do valor do número quântico principal, “n”. Para um dado valor de “n”, “l” tem os valores inteiros possíveis entre 0 e (n – 1). Por exemplo: Se n = 1, há apenas um valor possível de “l” que é “0”, ou seja, (n – 1) = (1 – 1) = 0; Se n = 2, há dois valores possíveis de “l” que são “0” e “1”, ou seja, (n – 1) = (2 – 1) = 1; Se n = 3, há três valores possíveis de “l” que são “0”, ou seja, (n – 1) = (3 – 1) = 2, ou seja, entre 0 e 2, temos 0, 1 e 2. O valor de “l” é designado geralmente pelas letras s, p, d, f,... “l” 0 1 2 3 4 5 Nome do orbital s p d f g h Se “l” = 0 temos um orbital “s”, se “l” = 1, temos em orbital “p” e assim por diante. n = 2 (número quântico principal) – “l” = 0 e “l” = 1 – número quântico de momento angular. Os orbitais são 2s e 2p. 11/08/2015 48 Figura 37 – Orbitais “s”. No orbital a densidade eletrônica diminui rapidamente è medida que a distância aumenta. Podemos dizer que há cerca de 90% de probabilidade de encontrar um elétron dentro de uma esfera de raio 100 pm (lembrando que 1 pm = 1x10-12 m) cercando o núcleo. Um orbital representado desta maneira é uma superfície na forma de esfera. O diagrama mostra as superfícies para os orbitais 1s, 2 s, 3s. Todos os orbitais s são esféricos, mas diferem no tamanho que aumenta à medida que o número quântico principal também aumenta. Figura 38 – Orbitais “p”. Não devemos esquecer que os orbitais p começam com o número quântico principal n=2, pois se n for igual a 1, então o número quântico de momento angular “l” só pode assumir o valor zero, e desta forma há apenas um orbital (1s) e não 3. Como foi visto anteriormente, quando “l” = 1, o número quântico magnético “ml” pode assumir três valores -1, 0 e 1. Começando com n=2 e l=1, temos três orbitais 2p: 2px, 2py e 1pz. As letras subscritas indicam os eixos ao longo dos quais os orbitais estão orientados. Os três orbitais p são idênticos no tamanho, na forma e na energia, diferem apenas na orientação espacial. 11/08/2015 49 Figura 39 – Orbitais “d”. Quando l=2, há 5 valores possíveis de ml que correspondem a 5 orbitais d. O valor mais baixo de n para o orbital d é 3. Visto que l nunca pode ser maior do que n-1,quando n=3 , l=2, temos cinco orbitais 3d (3dxy, 3dyz, 3dx2-y2 e 3dz2), apresentados na Figura. Todos os orbitais 3d tem a mesma energia. Os orbitais d nos quais n é maior do 3 tem formas semelhantes, porém tamanhos maiores. 3 11/08/2015 50 O número quântico de momento angular (“l”) está relacionado com a forma do orbital. “l” = 0 Orbital s - esférico “l” = 1 Orbital p - alteres “l” = 2 Orbital d - elipses Exemplo: Qual é o número quântico principal e de momento angular para os orbitais 6p, 5d e 4f Resposta: 6p – n =6 e l = 1 Resposta: 5d – n = 5 e l = 2 Resposta: 4f – n = 4 e l = 3. 11/08/2015 51 Número de quântico magnético (“ml”) Descreve a orientação do orbital no espaço dentro de uma subcamada, o valor de “ml” depende do número quântico momento angular, “l”). Para um certo valor de “l” há (2l +1) valores de inteiros de “ml”. - Se l = 0, então nº de valores= (2x0 +1) =1, ou seja, só admite um único valor, neste ml = 0 (este é o primeirovalor possível a ser admitido); - Se l = 1, então nº de valores= (2x1 +1) =3, ou seja, são admitidos 3 valores, neste ml = -1, 0 e +1); - Se l = 2, então nº de valores= (2x2 +1) =5, ou seja, são admitidos 5 valores, neste ml = -2, -1, 0, 1, e 2); - Se l = 3, então nº de valores= (2x3 +1) =7, ou seja, são admitidos7 valores, neste ml =-3, -2, - 1, 0, 1, 2 e 3); Número quântico de spin eletrônico (“ms”) Para considerar o movimento de rotação do elétron, ou seja, o spin eletrônico é necessário introduzir um quarto número quântico, denominado de número quântico de spin eletrônico “ms” que tem valores de +1/2 (sentido horário de rotação) e -1/2 (sentido anti-horário de rotação). 11/08/2015 52 Figura 40 – Spin eletrônico. + - Figura 41 – Experimento para determinar o número quântico de spin eletrônico (“ms”). 11/08/2015 53 Exemplo: Indique os valores de n, l e ml para os orbitais na subcamada 4d. - Primeiramente devemos saber o que representam o “4” e o “d”. “n” – número quântico principal, portanto, n = 4. A letra indica o tipo de orbital. Visto que se trata de orbital d, temos que “l” – número quântico de momento angular igual a 2. Os valores que “ml” – número quântico magnético podem assumir são -2,-1, 0, 1 e 2. Exemplo: Indique os valores dos números quânticos associados aos orbitais na subcamada 3p. “n” = 3 e o orbital é p, então “l” = 1. O “ml” = (2l+1) = 3. Então o “ml pode assumir os valores de -1, 0 e 1. Exemplo: Quais os números total de orbitais associados ao número quântico principal n = 3? Então Se n = 3. Temos “l” = (n-1) = (3-1) = 2. Então, pode assumir os valores 0, 1 e 2. Ou seja, os orbitais s, p e d. Ou seja, 1 orbital s. Com n =3, l=0, ml=0 3 orbitais p. Com n=3, l = 1, ml= -1,0 e 1 5 orbitais d. Com n=3, l=2 e ml = -2, -1, 0, 1 e 2. Total de orbitais = 1+ 3 + 5 = 9 orbitais. A regra é o número de orbitais de um subnível = n2 = 32 = 9. 3 orbitais Orbital -p 5 orbitais Orbital - d 1 orbital Orbital - s “l” = 0 “ml” = 0 – Orbital esférico centro do orbital então só pode ser 0. “l” = 1 “ml” = assume valores de -1, 0 e +1 – Orbital p, o centro do orbital o valor ml está relacionado a posição da origem no espaço, logo só pode sero valor de ml = 0. A esquerda do centro, temos o ml = -1 e a direita = +1. 0-1 +1 0 0 +1 +2-1-2 “l” = 2 “ml” = assume valores de -2, - 1, 0, +1 e +2 – Orbital d, o orbital do centro, tem como valor de ml = 0, pois está relacionado a posição da origem, logo só pode ser ml = 0. A esquerda do centro, temos o ml = -2 e -1 e a direita = +1 e 2. 11/08/2015 54 Tabela 04 – Relação entre os números quânticos e os orbitais atômicos. Energia dos orbitais Agora que temos conhecimento das formas de e dos tamanhos dos orbitais atômicos, podemos estudar sobre as suas energias relativas e de que forma os níveis de energia afetam a distribuição dos elétrons. No átomo de hidrogênio é determinada apenas pelo número quântico principal. Assim, as energias dos orbitais do hidrogênio aumentam do seguinte modo: 1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d< 4s = 4p = 4d = 4f<... (situação ideal); 11/08/2015 55 Figura 42 – Distribuição dos subníveis de energia para os outros átomos. O panorama energético é mais complexo para os outros átomos. A energia de um elétron nesses átomos depende do seu número quântico de momento angular, bem como o número quântico principal. A ordem ficou assim: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s <3d< 4p < 5 s <... 11/08/2015 56 Figura 43 – Distribuição dos subníveis de energia para o átomo de hidrogênio. Figura 44 – Ordem Crescente de Distribuição dos subníveis de energia para os outros átomos. 11/08/2015 57 Figura 45 – Ordem Crescente de Distribuição dos subníveis de energia para os outros átomos. Os quatro números quânticos: - n; - l; - ml; -ms; Eles permitem caracterizar completamente um elétron em qualquer átomo. O conjunto definido pelos quatro números quânticos caracteriza o “endereço” do elétron em um átomo. Por exemplo, os quatro números quânticos para um orbital 2s. n =2, l = 0, ml =0 e ms=+1/2 ou -1/2. Para simplificar utiliza-se a seguinte notação: (n, l, ml, ms) (2, 0, 0,+1/2) ou (2, 0, 0, -1/2); O valor do ms não afeta a energia, o tamanho, a forma ou orientação de um orbital, mas determina o arranjo dos elétrons em um orbital. 11/08/2015 58 Exercício: Escreva os quatro números quânticos para um elétron em um orbital 3p n = 3, l =1, ml= 2x1 + 1 = 3, ou seja, -1, 0 e 1, ms = +1/2 e -1/2 Combinações; (3, 1, -1, +1/2) e (3, 1, -1, -1/2); (3, 1, 0, +1/2) e (3, 1, 0, -1/2); (3, 1, 1, +1/2) e (3, 1, 1, -1/2); Configuração eletrônica - é a maneira como os elétrons estão distribuídos nos orbitais atômicos. Vamos utilizar os 10 primeiros elementos para ilustrar o processo de configuração eletrônica e mostrar as regras envolvidas neste processo envolvendo apenas os átomos nos seus estados fundamentais. Ou seja, do H ao Ne. 11/08/2015 59 Exercício: Escreva os quatro números quânticos para um elétron em um orbital 3p n = 3, l =1, ml= 2x1 + 1 = 3, ou seja, -1, 0 e 1, ms = +1/2 e -1/2 Combinações; (3, 1, -1, +1/2) e (3, 1, -1, -1/2); (3, 1, 0, +1/2) e (3, 1, 0, -1/2); (3, 1, 1, +1/2) e (3, 1, 1, -1/2); Configuração eletrônica - é a maneira como os elétrons estão distribuídos nos orbitais atômicos. Observação: são seis elétrons então temos que ter 6 configurações diferentes para os 4 números quânticos da configuração eletrônica do orbital 3 p. Vamos utilizar os 10 primeiros elementos para ilustrar o processo de configuração eletrônica e mostrar as regras envolvidas neste processo envolvendo apenas os átomos nos seus estados fundamentais. Ou seja, do H ao Ne. Para o átomo de hidrogênio temo a seguinte configuração eletrônica: 11/08/2015 60 A configuração eletrônica pode ser representada por meio de diagrama de orbitais que mostra o spin do elétron. Princípio de exclusão de Pauling Para determinar as configurações eletrônicas de átomos poli-eletrônicos (com mais de 1 elétron), usamos o princípio da exclusão de Pauling. Este princípio estabelece que nenhum par de elétrons em um átomo pode ter o mesmo conjunto de quatro números quânticos iguais. Se dois elétrons em um átomo têm os mesmos valores de n, l, ml, os elétrons estão no mesmo orbital atômico, então é necessário que tenha valores diferentes de ms. 11/08/2015 61 Pelo Princípio de Exclusão de Pauling, qual das configuração abaixo está correta ? Pelo princípio da exclusão apenas a configuração eletrônica da letra c está correta, pois nela os elétrons tem o conjunto de números quânticos diferentes. (1, 0, 0, +1/2) e (1, 0, 0, +1/2); (1, 0, 0, -1/2) e (1, 0, 0, -1/2); (1, 0, 0, +1/2) e (1, 0, 0, -1/2); A configuração abaixo está correta: 11/08/2015 62 Diamagnetismo e Paramagnestismo O princípio da exclusão de Pauling é um dos princípios fundamentais da mecânica quântica e pode ser comprovado a partir de uma simples observação. Se os dois elétrons do orbital 1 s do átomo de He tivesses spins iguais ou paralelos: Os campos magnéticos se adicionariam e se reforçariam. Como se fosse adição de dois vetores magnéticos. As substâncias paramagnéticas são aquelas que contêm spins desemparelhados e são atraídas por imã. Por outro lado, se os spins eletrônicos estão emparelhados ou anti-paralelos entre si, os efeitos magnéticos se anulam. As substâncias diamagnéticas não contêm spins desemparelhados e são levemente repelidas pelos imãs. 11/08/2015 63 Assim, pelo princípio de exclusão o He é diamagnético. Normalmente, por este princípio elementos que tem elétrons com números ímpares de elétrons são paramagnéticos e os elementoscom números pares de elétrons são diamagnéticos. Considerando o átomo de Lítio, ou seja, Li. Z = 3, então número de elétrons = 3; Então, são dois orbitais, dois elétrons no orbital 1s e um elétron no orbital 2s. Assim a configuração do Li é 1s2 2s1. O átomo de lítio contém um elétron desemparelhado então é paramagnético. As substâncias paramagnéticas contêm spins desemparelhados no orbital mais energético e são atraídas pelos imãs. Figura 46 – Desenho esquemático que mostra uma forma de medir a força de atração magnética existente entre uma substância paramagnética e um imã. 11/08/2015 64 EFEITO DE BLINDAGEM EM ÁTOMOS POLIELETRÔNICOS Experimentalmente, observa-se que em um átomo polieletrônico , o orbital 2s está em nível de energia mais baixo do que o orbital 2p. Por quê? Definição de Efeito Blindagem: É quando um orbital interno reduz a força atrativa do núcleo em relação ao orbital mais externo. As configurações eletrônicas: - 1s2 2s2; - 1s2 2 s2 2p1; - 1s2 2s2; - 1s2 2 s2 2p1 Na configuração de 1s2 e 2s2 existe apenas 1 orbital s entre o núcleo e o 2 s. Efeito de blindagem mais fraco. Na configuração de 1s2 2s2 e 2p1existem dois orbitais s entre o núcleo e o 2 p. Efeito de blindagem mais forte. O núcleo atrai de forma mais fraca o elétron do orbital 2 p Conclusão é mais fácil tirar o elétron do orbital 2 p do que do orbital 2s. 11/08/2015 65 Assim os elétrons do orbital 1s2 blindam os elétrons em 2s2 e em 2p1. A consequência importante da blindagem é que reduz a atração eletrostática entre os prótons e o elétron no orbital 2s2 e 2p1. O efeito da blindagem aumenta à medida que o número de subníveis e camadas de energia aumentam. Em relação à blindagem temos a seguinte ordem crescente. s < p < d < f... Para o mesmo número quântico principal a blindagem eletrônica é maior para o nível f, e o nível s é que tem a menor blindagem. A estabilidade do elétron é determinada pela força com que o núcleo o atrai então o 2s tem menor energia do que o 2p. Quanto maior for a blindagem mais fraca é a ligação entre o elétron e o núcleo do átomo. Desta forma, esse elétron fica mais reativo. Continuando a configuração dos 10 primeiros elementos temos: Be – Z = 4 O átomo de berílio é paramagnético ou diamagnético? B – Z = 5 11/08/2015 66 O átomo de boro é paramagnético ou diamagnético? Exercício: Faça a o mesmo exercício para saber se o Fe e Cu são diamagnéticos ou paramagnéticos. REGRA DE HUND (FREDERICK HUND) A configuração eletrônica do carbono (Z = 6). 1s2 2s2 2p2 Nesses três casos existe violação do Princípio da Exclusão de Pauling? 11/08/2015 67 Nenhum dos três arranjos acima viola o princípio de exclusão de Pauling, de modo que temos de determinar qual deles dará a maior estabilidade. A resposta a este questionamento é dado pela Regra de Hund, que estabelece que o arranjo mais estável dos elétrons em subcamadas é aquele que contém o maior número de elétrons com os spins emparelhados ou paralelos. Nitrogênio – N – Z = 7 11/08/2015 68 Oxigênio – O – Z = 8 Flúor – F – Z = 9 Neônio – Ne – Z = 10 11/08/2015 69 Regras para distribuir os elétrons pelos orbitais atômicos 1 – Cada camada ou nível principal de número de quântico n contém n subcamadas. Por exemplo, se n=2 , então há duas subcamadas (dois valores de l) com números quânticos de momento angular 0 e 1; 2 – cada subcamada de número quântico l, contém (2l + 1) orbitais. Por exemplo, se l =1, então há três orbitais p; 3 – Não é possível colocar mais de dois elétrons por orbital. Assim, o número máximo de elétrons é simplesmente o dobro do número de orbitais; 4 – Um modo rápido de determinar o número máximo de elétrons que um átomo pode ter em um nível principal é usar a fórmula 2n2. Exemplo: Qual é o número máximo de elétrons que pode estar presentes no nível principal com n = 3. Número máximo de elétrons = 2 x 32 = 18 elétrons. n = 3, então l = (n-1); l = (3-1), l = 2. Então, l assumem valores de 0, 1 e 2. Então, existem os orbitais s, p e d. s – 1 orbital p – 3 orbitais d – 5 orbitais. Total de orbitais = 9 Total de elétrons = 2 x total de orbitais = 18. Exercício: Calcule o número máximo de elétrons que pode estar presentes no nível principal com n = 4; Número máximo de elétrons = 2n2 = 2 x 42 = 32 elétron n = 4, então l = (n-1); l = (n-1) = (4 – 1) = 3. Então, l assumem valores de 0, 1, 2 e 3. Então, existem os orbitais s, p, d e f. 11/08/2015 70 s – 1 orbital p – 3 orbitais d – 5 orbitais f – 7 orbitais Total = 16 orbitais = 32 elétrons. Exercícios Um átomo de oxigênio tem um total de 8 elétrons. Escreva os quatro números quânticos para cada um dos oito elétrons do estado fundamental. 11/08/2015 71 Solução: n = 2, l = n -1 = 2 -1 = 1, então assume os valores 0 e 1, ou seja, orbitais s e p. e ml = 3, podem assumir 3 valores -1, 0 e 1 no caso do orbital p e apenas o valor de ml = 0 para os dois orbitais s. 1º elétron do orbital 1 s – (1, 0, 0, +1/2) 2º elétron do orbital 1 s – (1, 0, 0, -1/2) 3º elétron do orbital 2 s – (2, 0, 0, +1/2) 4º elétron do orbital 2 s – (2, 0, 0, -1/2) 5º elétron do orbital 2 p – (2, 1, -1, +1/2) 6º elétron do orbital 2 p – (2, 1,-1,-1/2) 7º elétron do orbital 2 p – (2, 1, 0, +1/2) 8º elétron do orbital 2p – (2, 1, -1, +1/2) Exercício Escreva o conjunto completo dos números quânticos do B (boro – z = 5); 11/08/2015 72 Resumindo: 1 – Dois elétrons no mesmo átomo não podem ter os quatro números quânticos iguais. É o princípio da exclusão. 2 – Cada orbital pode ser ocupado por no máximo dois elétrons. Eles têm que ter spins opostos ou números quânticos de spin eletrônicos diferentes; 3 – O arranjo mais estável de elétrons em uma subcamada é aquele que tiver o maior número de spins paralelos. Esta é a regra de Hund; 4 – Átomos em que um ou mais elétrons estão desemparelhados são paramagnéticos. Átomos em que os spins dos elétrons estão emparelhados são diamagnéticos; 5 – Em um átomo de hidrogênio, a energia do elétron depende apenas do seu número quântico n principal. Nos outros átomos, a energia depende tanto de n como do seu número quântico de momento angular l; 6 – para elétrons com o mesmo “n”, o seu poder de penetração, ou de proximidade ao núcleo, diminui na ordem s > p > d > f. Isso quer dizer que será necessária energia para retirar um elétron do orbital 3 s de um átomo do que o do orbital 3 p, assim sucessivamente. Princípio de Preenchimento e configuração eletrônica com cerne no gás nobre No preenchimento da Tabela Periódica à medida que um próton é adicionado ao núcleo um elétron é adicionado a eletrosfera, isto é necessário para se manter a neutralidade dos átomos em seu estado fundamental. A configuração eletrônica utilizando como cerne a configuração eletrônica do gás nobre tem como objetivo simplificar a configuração eletrônica principalmente dos elementos de alto número atômico. 11/08/2015 73 Exemplos: K – potássio – Z = 19 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Argônio – [1s2 2s2 2p6 3s2] Assim, K – [Ar] 4s1 Exercício Ca – Cálcio – Z =20 Cr – Cromo – Z = 24 Cu – Cobre – Z = 29 11/08/2015 74 Exceções à regra: O átomo é mais estável com o subnível “d” semipreenchido e totalmente preenchido. A configuração esperada para o Cr seria [Ar] 4s2 3d4 A configuração esperada para Cu seria [Ar] 4s2 3d9 Indique o átomo que tem a seguinte configuração eletrônica no estado fundamental: [Ar] 4s2 3d6. 11/08/2015 75 CAPÍTULO 2 – Relações Periódicas entre os elementos No final do século XIX, o químico russo Dmitri Mendelev e o químico alemão Lothar Meyer, apresentaram de forma independente que os elementosorganizados em ordem crescente de números atômicos se organizam em grupo com propriedades semelhantes. 11/08/2015 76 Figura 47 – O Gálio em ponto de fusão de 37 ºC (figura da esquerda) enquanto que o mercúrio tem o ponto de fusão de -39 ºC (figura da direita). 11/08/2015 77 Em 1907, Henry Moseley descobriu que um determinado átomo quando bombardeado por elétrons existe uma correlação entre o que chamou de número atômico e a frequência dos Raios-X. 11/08/2015 78 Classificação Periódica dos Elementos Os elementos representativos: Todos esses elementos têm parcialmente preenchidos os subníveis s ou p; Os elementos de transição: Tem a subcamada d semipreenchida; Os lantanídeos e os actinídeos – Elementos terras raras; Elementos que tem a subcamada f semipreenchida A reatividade dos átomos é fornecida pelos elétrons, mais especificamente os elétrons de valência, pois eles são os mais periféricos; Os elementos do mesmo grupo tem o mesmo número de elétrons de valência; Elementos do grupo 1 – os elétrons de valência ns1 – formam cátions monopositivos; Elementos do grupo 2 – os elétrons de valência ns2 – formam cátions bipositivos; Exceção em relação às propriedades dentro do grupo é 14, carbono é um ametal, silício e germânio são semi-metais, estanho e chumbo são metais. Mas, todos os elementos tem a mesma configuração ns2np2. 11/08/2015 79 O comportamento elementos pertencentes do grupo dos nobres é muito semelhante. A falta de reatividade é devido ao preenchimento completo das subcamadas ns e np. Este preenchimento completo está diretamente relacionado à sua grande estabilidade. Elementos de transição – possuem a subcamada d semipreenchida; Exemplo: Um átomo de certo elemento tem 15 elétrons. Sem consultar a tabela periódica, responda as seguintes questões: - Qual é a configuração eletrônica no estado fundamental? - Como esse elemento pode ser classificado? - O elemento é diamagnético ou paramagnético? Exercício: Um átomo de certo elemento tem 20 elétrons. Sem consultar a tabela periódica, responda as seguintes questões: - Qual é a configuração eletrônica no estado fundamental? - Como esse elemento pode ser classificado? - O elemento é diamagnético ou paramagnético? 11/08/2015 80 Regra de representação dos elementos nas equações químicas (parou aqui turma de segunda-feira dia 16/03/2015). Como representar nas equações químicas os metais, semimetais e os ametais. Metais – como eles não existem na forma de molécula discretas (individuais) a fórmula empírica é igual ao símbolo químico do elemento. Exemplo: Fe Fórmula empírica: Fe Símbolo químico: Fe Os semimetais – são representados como metais. Para os não metais ou ametais não há uma regra única Por exemplo: No caso do carbono usamos a mesma maneira de representação que os metais Mas, por exemplo, para o hidrogênio, oxigênio, cloro, flúor, nitrogênio esses existem como moléculas diatômicas. Símbolos químicos: H, O, Cl, F, N, Br,.. Fórmulas empíricas: H2, O2, Cl2, F2, N2, Br2, I2 O enxofre S – representado também como os metais e semimetais e o carbono. Configuração eletrônica de cátions e ânions Até o presente momento, analisamos as configurações dos átomos no seu estado fundamental. Agora vamos analisar as configurações eletrônicas dos cátions e dos ânions no seu estado fundamental. Cátions Na formação de um cátion a partir de um átomo de um elemento representativo, um ou mais elétrons são removidos da camada n mais alta, ou seja, da camada de valência 11/08/2015 81 Configuração eletrônica dos Cátions - Exemplos Observação: Reparem que cada íon tem a configuração eletrônica idêntica a de um gás nobre. Ou seja, eles atingem a estabilidade. Ânions Na formação de um ânion a partir de um átomo de um elemento, um ou mais elétrons são adicionados à camada n mais alta parcialmente preenchida. É adicionado um ou mais elétrons à sua camada de valência. F-, O2-, N3- e o Ne são átomos isoeletrônicos, ou seja, tem a mesma configuração eletrônica e mesmo número de elétrons, ou seja, todos eles têm 10 elétrons. 11/08/2015 82 Cátions derivados de metais de transição Nos elementos de transição existem configurações eletrônicas com orbital 4s2 e a subnível d semipreenchido. Exemplo: Manganês – Mn [Ar] 4s2 3d5 Mn2+ - Qual é a configuração eletrônica correta? [Ar] 3d5ou [Ar] 4s23d3 ? No caso dos metais de transição sempre são removidos primeiro os elétrons dos orbitais s antes de retirar elétrons do orbital d. Os elétrons nos orbitais d dos metais de transição apresentam maior estabilidade do que os dos orbitais s. Configuração correta do Mn2+: [Ar] 3d5 Observação: É por isso que os metais de transição podem apresentar mais de um tipo de cátion. Por exemplo: Mn2+, Mn5+, Mn7+. 11/08/2015 83 Exercício: Identifique os elementos com as seguintes descrições: - um íon de metal alcalino terroso que é isoeletrônico com o Kr Kr – Z = 36. Metal alcalino terroso – ns2 – grupo 2 A. Número de elétrons -2 = 36 Número de elétrons = 38 = Z = 38 – Sr – estrôncio Isoeletrônico com o Kr é o Sr2+ - Um ânion com carga -3 que é isoeletrônico com o K+ K – 1A – metais alcalinos – doa 1 elétron. No estado fundamental: K – Z = 19, e o K+ - nº de elétrons = 18. A configuração do K+ = [Ar]. Cl – Z = 17. Ele está no grupo 7 A então falta 1 elétron para atingir a configuração do Ar. Então o Cl- - número de elétrons = 18. E a configuração eletrônica do Cl- = [Ar]. Mas, não pode ser o Cl por que a carga é -1, e tem que ser 3-. Os átomos que ganham 3 elétrons para atingir a configuração de gás nobre pertencem ao grupo 5A. Então é um elemento que precisa ganhar 3 elétrons para atingir a configuração do argônio. Exercício: 11/08/2015 84 Ou seja, Nº de elétrons + 3 elétrons = 18 elétrons Nº de elétrons = 18 – 3 = 15 elétrons. - P- fósforo – Z = 15 = nº de elétrons. Então o P3- ganha 3 elétrons, então o P3- tem a mesma configuração do Ar e do K+. Resposta Correta: O ânion isoeletrônico com o K+ é o P3-. Variação das propriedades físicas dos elementos Quando a natureza faz variação nos números de prótons e nêutrons e elétrons dos átomos, formando novos elementos, existem variações em suas propriedades que podem ser estudadas. O Conceito de carga nuclear efetiva tem efeito direto em muitas propriedades atômicas. 11/08/2015 85 Carga Nuclear Efetiva Nos slides anteriores falamos sobre o efeito de blindagem que os elétrons próximos ao núcleo exercem nos elétrons das camadas exteriores em átomos com muitos elétrons. As presenças de outros elétrons reduzem a atração eletrostática entre um elétron mais externo e os prótons que são as cargas positivas presentes nos núcleos dos átomos. E o efeito da blindagem afeta em de forma mais efetiva os elétrons de valência que são os mais externos. A carga nuclear efetiva (Zef) é a carga realmente sentida por um elétrons quando a carga real Zreal e os efeitos de blindagem (repulsão) dos outros elétrons são levados em conta. De forma genérica: σ – é a constante de blindagem. Esse valor é sempre maior do que 0 e menor do que Creal. 11/08/2015 86 Figura 49 – Desenho esquemático que mostra o efeito da blindagem durante a remoção de elétrons Efeito da blindagem em um período Efeito da blindagem dentro de um grupo 11/08/2015 87 Figura 50 – Variação da carga nuclear efetiva ao longo da Tabela Periódica. 11/08/2015 88 Raio Atômico Por estudar o raio atômico e sua variação dentro da Tabela Periódica? Propriedades físicas diversas, como por exemplo, densidade, ponto de fusão e ponto de ebulição estão relacionadas com o tamanho dos átomos. O raio atômico é definidocomo a metade da distância entre dois núcleos em dois átomos de metal adjacentes ou em uma molécula diatômica. O raio atômico para átomos que tendem a formar arranjos tridimensionais (metais) é a metade da distância entre núcleos de dois átomos vizinhos. Para elementos que existem na forma de molécula diatômicas simples, o raio é a metade da distância entre os dois átomos da mesma molécula. Raio Atômico Átomos metálicos Moléculas diatômicas Figura 51 – Desenho esquemático que mostra a forma de se calcular o raio atômico 11/08/2015 89 Resumindo. No período da tabela periódica – O raio atômico diminui com o aumento do Z. Explicação: O aumento da carga nuclear efetiva e da eletronegatividade. Quanto mais forte for a atração dos elétrons pelo núcleo menor será o raio. No grupo da tabela periódica - O raio atômico aumenta com o aumento do Z. Explicação: Neste caso, ocorre o aumento do raio atômico devido ao aumento do número quântico principal da camada de valência. Ou seja, há um aumento do raio atômico com o aumento do tamanho dos orbitais com o aumento do número quântico principal. Figura 52 - Raio Atômico: varia inversamente em relação à carga nuclear efetiva é à eletronegatividade dos átomos. 11/08/2015 90 11/08/2015 91 Exercícios: - Coloque os elementos em ordem crescente de raio atômico: i) P, Si e N. N < P < Si ii) E para os elementos C, Li e Be. C < Be < Li. Revisão dos Conceitos: Compare a dimensão dos seguintes pares de átomos: Be, Ba; Be < Ba – o átomo de bário tem o maior raio atômico, porque temo maior Z e estão dentro do mesmo. Al, S; S < Al – o átomo de Al tem o maior raio atômico porque tem menor carga nuclear efetiva e menor afinidade pelos elétrons. Raio Iônico Raio iônico é o raio de um cátion e de um ânion. Por que estudar Raio Iônico? Afeta as propriedades químicas e físicas dos compostos iônicos. A estrutura tridimensional depende também das dimensões relativas dos seus cátions e ânions. Quando comparado com átomo no estado fundamental é esperado mudanças dos valores dos raios nos casos dos íons. 11/08/2015 92 Átomo que se transforma em ânion – é esperado um aumento do tamanho (raio), porque a sua carga nuclear diminui devido ao aumento do número de elétrons na eletrosfera, assim o raio iônico no caso do ânion é maior do que o raio atômico. Átomo que se transforma em cátion – é esperada uma diminuição do tamanho (raio), porque a o cátion tem excesso de carga positiva pela perda de elétrons, sendo assim o núcleo atrai mais fortemente os elétrons (maior carga nuclear efetiva) deixando o átomo mais compacto quando comparado com o átomo neutro. Assim, o raio iônico do cátion ânion é menor do que o raio atômico. Para a propriedade física raio iônico é possível fazer as seguintes observações: O raio iônico aumenta dentro de um mesmo grupo da tabela periódica; No caso dos íons isoeletrônicos (configuração eletrônica de gás nobre) os cátions são menores dos que os ânions. Exemplos: Raio Iônico: Na+< F- Raio iônico: K+< Cl- Raio iônico: Ca2+ < Cl- 11/08/2015 93 11/08/2015 94 Comparando os cátions entre si: Raios iônicos dos cátions isoeletrônicos: monopositivos > bipositivos > tripositivos > tretrapositivos ... Exemplo: três cátions isoeletrônicos dentro do mesmo período. Al – Al3+ Mg – Mg2+ Na – Na+ Raio iônico do Na+>Mg2+>Al3+. Maior carga nuclear efetiva elétrons restantes fortemente atraídos pelo núcleo dos átomos. Raios iônicos dos ânions isoeletrônicos monopositivos < bipositivos < tripositivos < tretrapositivos ... Menor carga nuclear efetiva em relação aos elétrons faz com que os mesmos sejam menos atraídos pelo núcleo, maior efeito de blindagem. Exercício: Para cada um dos pares de íons abaixo, indique quais das espécies é maior. N3- ou F- Mg2+ ou Ca2+ Fe2+ ou Fe3+ Exemplo: dois ânions isoeletrônicos dentro do mesmo período. O– O2- F – F- Raio iônico do O2->F-. 11/08/2015 95 Raio Iônico 11/08/2015 96 Energia de Ionização É possível correlacionar às propriedades físicas e químicas dos átomos com as suas configurações eletrônicas. As propriedades químicas de qualquer átomo são determinadas pela configuração dos elétrons de valência. A estabilidade desses elétrons reflete diretamente nas energias de ionização. 11/08/2015 97 A Energia de Ionização é a energia mínima necessária (kJ/mol) para remover um elétron de um átomo no estado gasoso e no seu estado fundamental. Podemos definir como energia de ionização é a quantidade de energia (kJ) necessária para retirar um mol de elétrons de um mol de átomos no seu estado gasoso. Pode ser definida também como uma medida de quão fortemente o elétron está ligado ao átomo, ou seja, quanto maior for a energia de ionização mais difícil é a remoção do elétron. Por que a energia de ionização é medida com o átomo no estado gasoso? Porque um átomo na fase gasosa não sofre influencia dos seus vizinhos e, portanto, não há forças intermoleculares a serem consideradas ao medir a energia de ionização. 11/08/2015 98 Primeira energia de ionização: Retirada do primeiro elétron de mais alta energia da camada de valência Segunda energia de ionização: Retirada do segundo elétron de mais alta energia da camada de valência; Terceira energia de ionização: Retirada do terceiro elétron de mais alta energia da camada de valência; I1 < I2 < I3 Ordem crescente das Energias de ionização de um mesmo átomo: A energia de ativação dos gases nobres são as mais altas da Tabela Periódica. Ou seja, é muito difícil ionizar um átomo de gás nobre. O átomo de He é o elemento que tem a maior energia de ativação porque o orbital s é o que faz a menor blindagem em relação ao núcleo. Ou seja, o núcleo atrai a mais fortemente o conjunto de elétrons. 11/08/2015 99 Importante: Grupo 1 - Os metais alcalinos têm a energias de ionização mais baixas da Tabela periódica. Como possuem um elétron de valência, é mais fácil liberar este elétron para atingir a configuração do gás nobre. Logo, os metais alcalinos tem menor energia de ionização em relação aos metais alcalinos terrosos. A medida que o número quântico principal aumenta, a distância entre o elétron e o núcleo aumenta. Assim, a energia de ativação diminui, pois a interação entre o núcleo os elétrons de valência diminui. Energia Ionização 11/08/2015 100 Exercícios: a) Qual dos átomos deve ter a primeira energia de ionização mais baixa: oxigênio ou enxofre? b) Qual dos átomos tem a maior segunda energia de ativação? Li ou Be (exercício para os alunos) Oxigênio; Z = 8 - 1s2 2s2 2p4 - O efeito de blindagem do orbital 2 s é deficiente assim a primeira energia de ionização é maior para o oxigênio, pois a atração do núcleo é maior. Assim é mais difícil retirar o elétron. Enxofre; Z = 16 - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 - O efeito de blindagem do orbital 2p é maior e assim os elétrons estão mais fracamente presos ao núcleo além disso os elétrons valência estão mais distantes do núcleo. Número quântico principal n = 3, dos elétrons de valência para o S, e para o oxigênio o n = 2. Afinidade Eletrônica É a propriedade é o negativo da variação de energia que ocorre quando um elétron é aceito por um átomo no estado gasoso para originar um ânion. Por exemplo: A Afinidade eletrônica do flúor é de + 328 kJ/mol. É o elemento com maior afinidade eletrônica da Tabela Periódica. A afinidade eletrônica também poder medida como a energia necessária para retirar um elétron de um átomo no seu estado gasoso. A afinidade eletrônica dos não metais é maior do que a dos metais. Ou seja, os ametais tem a tendência de formar ânions para atingira configuração eletrônica do gás nobre. 11/08/2015 101 Relações Diagonais da Tabela Periódica Essas relações são baseadas nas semelhanças entre pares de elementos em grupos e períodos diferentes da tabela periódica. Os elementos Li, Be e B exibem semelhanças entre os elementos colocados diagonalmente baixo deles. A razão disso é que esses elementos tem densidade de carga (carga do cátion/volume) dos seus cátions semelhantes. Assim, eles têm comportamentos químicos semelhantes. Diante das propriedades citadas anteriormente é possível notar as seguintes propriedades químicas dos elementos: O hidrogênio pode reagir como cátion com os halogênios na forma de H+: Na++ H- →NaH H++ F- →HF O hidrogênio pode reagir como ânion com os metais alcalinos e alcaninos terrosos na forma de H-: 11/08/2015 102 Grupo 1 A - metais alcalinos. Grupo 2 A - metais alcalinos terrosos A reatividade é menor do que os metais alcalinos, reagem fracamente com água o Be e Mg. Do Cálcio em diante temos a reação que é exemplificada abaixo com o Ba. Grupo 3 A ou 13 - Grupo do Boro O Boro não reage com o oxigênio nem com a água. Grupo 4 ou 14 - Grupo do Carbono O C, Si, Ge não reagem com água. Os metais reagem em meio ácido. 11/08/2015 103 Grupo 5 ou 15 - Grupo do Nitrogênio N - reage com oxigênio formando vários óxidos: NO, N2O, NO2, N2O4 e N2O5. Grupo 6 ou 16 – Calcogênios Formação da Chuva ácida. Grupo 7 ou 17 - Halogênios 11/08/2015 104 Funções Ácido Sais Nox Prefixo Sufixo Prefixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso hipo ito +3 ou + 4 - oso ito +5 ou + 6 - Ico ato +7 (hi)per ico (hi)per ato Tabela Importante para Nomenclatura das Funções Inorgânicas Ácidos e Sais Ligações Químicas O desenvolvimento da Tabela Periódica e do conceito de configuração eletrônica forneceu aos químicos uma base lógica. Está explicação foi formulada por Gilbert Lewis, que propôs que os átomos se combinavam de forma a alcançar a configuração eletrônica de um gás nobre. Quando átomos reagem entre apenas os elétrons da camada de valência (camada mais externa) atuam. Os elementos que tem 1 elétron na sua camada de valência são chamados monovalentes, os que tem 2 elétrons são denominados de bivalentes e assim por diante. 11/08/2015 105 Formação da ligação do gás hidrogênio Razão das Ligações Químicas para as Formações dos Compostos Um átomo adquire a estabilidade eletrônica quando possui 8 elétrons na sua camada eletrônica mais externa, ou dois elétrons quando possuir apenas a camada k – REGRA DO OCTETO. Quando os átomos atingem essa configuração eletrônica, ficam com a mesma estabilidade dos gases nobres. 11/08/2015 106 Ligação iônica Em uma ligação iônia é a força eletrostática que mantém os íons ligados formando o composto iônico. 11/08/2015 107 11/08/2015 108 Exercícios: Utilize o configuração de Lewis para descrever a formação do Al2O3 Ligação Covalente A ligação covalente é aquela que envolve o compartilhamento dos elétrons da camada de valência pelos átomos participantes do composto. É uma ligação onde os dois elétrons são compartilhados por dois átomos. Os compostos covalentes são compostos que contêm apenas ligações covalentes. Por exemplo: Formação de gás hidrogênio – H2 11/08/2015 109 Exemplos: Os elétrons compartilhados na ligação covalente são representados. Esses dois exemplos (com exceção do hidrogênio) ilustram a regra do octeto. onde cada átomo no composto covalente deverá atingir oito elétrons na camada de valência. 11/08/2015 110 Figura 55 – Variação do comprimento da ligação após a formação de uma ligação covalente. Compostos covalentes com ligação simples - átomos compartilham dois elétrons Compostos covalentes com ligação dupla - átomos compartilham 4 elétrons. 11/08/2015 111 Compostos covalentes com ligação dupla - átomos compartilham 6 elétrons Comparação das Propriedades de Compostos Covalentes e Iônicos Os compostos iônicos são mantidos pelas forças eletrostáticas entre os íons. São compostos polares e se dissolvem em água formando seus eletrólitos. Alto ponto de fusão. Bons condutores de eletricidade em solução. Os compostos covalentes são mantidos pelas formas intermoleculares. Na sua grande maioria são insolúveis em água. Baixo ponto de fusão A influência da eletronegatividade sobre a ligação covalente Eletronegatividade - é a capacidade que um átomo tem de atrair um elétron para si em uma ligação. Ela está relacionada com a energia de ionização e com afinidade eletrônica. ligação covalente polar - ligação com átomos que possuem eletronegatividade diferentes. Os elétrons compartilhados nesse tipo de ligação ficam mais tempo com o F do que com o H. É possível diferenciar a ligação iônica da ligação covalente polar. A ligação iônica ocorre quando a diferença de eletronegatividade entre os dois átomos é maior ou igual a 2,0. 11/08/2015 112 Classifique as ligações como iônica, covalente polar e covalente apolar: a) HCl, b) KF e a c) CC em H3C - CH3 Qual é a ligação covalente polar, covalente apolar e a iônica? a) CaCl, b) H2S c) NN em H2N - NH2. Eletronegatividade e número de oxidação O número de oxidação é o valor que indica se um átomo perdeu ou ganhou elétrons em relação ao seu estado fundamental. Exemplo: cátion = tem carga positiva, ocorreu perda de elétrons, ânion = tem carga negativa, ocorreu - ganho de elétrons. Exemplo: No caso do composto molecular neutro o número de oxidação está relacionado aos átomos individualmente NH3 - amônia Nitrogênio - mais eletronegativo - carga -3 Hidrogênio - menos eletronegativo - carga +3. Total de cargas: 0. Oxidação = perda de elétrons. Número de oxidação trás a informação se há excesso ou falta de elétrons em um elemento ou composto. 11/08/2015 113 Escrevendo as Estruturas de Lewis Escreva a Estrutura de Lewis do trifluoreto de nitrogênio no qual todos os átomos de F estão ligados ao N. 1º Passo: O átomo de N é menos eletronegativo do que o F modo que o esqueleto estrutural o N ocupa a posição central. 2º Passo: As configurações eletrônicas das camadas mais externas do N e do F N – 2s2 2p3 – 5 elétrons de valência F – 2s2 2p5 - 7 elétrons de valência x 3 (3 átomos de F) Total de elétrons de valência = 5 + 7x3 = 26 elétrons 3º Passo: Desenhamos a ligação covalente simples entre o N e o F e completamos o octeto dos átomos de F. Colocamos os dois elétrons restantes no N. Exercício: Escreva a Estrutura de Lewis para o dissulfeto de carbono (CS2) 11/08/2015 114 Escreva a Estrutura de Lewis do ácido nítrico (HNO3) em que os três átomo de oxigênio estão ligados ao átomo de N central e o hidrogênio está ligado a um dos átomos de oxigênio. 1º Passo: Montar o esqueleto estrutural. 2 º Passo: As configurações eletrônicas do N, O e H nas camadas mais externas. N – 2s2 2p3 - 5 elétrons O – 2s2 2p4 – 6 elétrons x 3 (3 átomos de O) H – 1s1 – 1 elétron Total = 5 + 6 x 3 +1 = 24 elétrons de valência tem o HNO3 3 º Passo: Colocamos as ligações simples entre o N e o O e a ligação simples entre o O e o H. Primeiro fazemos cumprir a regra do octeto para o O. 4 º Passo: Agora observa-se que falta satisfazer a regra do octeto para o N. Assim, move-se Um par isolado do O para formar outra ligação com o N. 11/08/2015 115 Escreva a Estrutura de Lewis do íon carbonato (CO3 2-) 1º Passo: No caso do íon carbonato como o C é o menos eletronegativo que o átomo de O. Nesse composto o átomo de C ocupa a posição central rodeado de átomos de O. 2º Passo: As configurações eletrônicas da camada mais externa do C e do O são: C – 2s2 2p2 – 4 elétrons O – 2s2 2p4 - 6 elétrons Total: 4 + 6 x 3 + 2 elétrons = 24elétrons 3º Passo: Desenhar uma ligação simples entre C e para cada átomo de O e assim cumprimos a regra do octeto para os átomos O. 4º Passo: A regra do octeto é satisfeita para os átomos de O, mas não para o átomo de C. Assim, movemos um par isolado de um átomo de O para formar outra ligação com o carbono. Agora, a regra do octeto também é satisfeita para o átomo C: 11/08/2015 116 Verificação: Temos que assegurar satisfazer a regra do octeto. É preciso fazer contagem de valência em (CO3 2-) (nas ligações químicas e nos pares isolados). O resultado e 24, igual ao número total de elétrons de valência nos três átomos de O (3 x 6 = 18), no átomo de C (4) e duas cargas negativas (2). Exercício: Escreva a estrutura de Lewis do íon nitrito (NO2 -) Cálculo da Carga Formal Regra todos os elétrons não ligantes são atribuídos ao átomo. As ligações covalentes são quebradas e 1 elétron é atribuído a cada átomo que compõe a ligação. Exemplo: Substância Simples Ozônio = O3 – É uma forma alotrópica do oxigênio. Explicação: Alotropia são substâncias que são compostas do mesmo elemento, mas diferem no seu arranjo espacial ou na sua atomicidade. É necessário que todos os átomos satisfaçam a regra do octeto 11/08/2015 117 Forma correta de se representar o composto O3 Ligação Metálica Estrutura dos Metais Figura 56 – Estrutura dos metálicos 11/08/2015 118 Figura 57 – Exemplo de Ligação Metálica O metal é um aglomerado de nêutrons e cátions, mergulhados em uma nuvem de elétrons livres (deslocalizados). A nuvem de elétrons estaria funcionando como uma ligação metálica. 11/08/2015 119 Propriedades dos metais: Brilho metálico, condutividade térmica e elétrica, pontos de fusão e de ebulição, alta resistência à tração. Ligas metálicas São uniões de dois ou mais metais, podendo ainda incluir semimetais ou não metais, mas sempre com predominância dos elementos metálicos. Exemplos: latão, bronze, aço, aço inoxidável,... Forças Intermoleculares Estados físicos dos compostos em condições ambientes: Compostos iônicos – Forças de Atração Eletrostáticas – Estado Sólido Metais e Ligas Metálicas – Estado Sólido. Compostos Covalentes – Podem ser sólidos, líquidos e gasosos. São as chamadas forças intermoleculares que existem entre as moléculas que influenciam no estado físico da matéria que vamos estudar. As principais forças intermoleculares são: Forças ou Ligação Dipolo-dipolo Pontes de Hidrogênio Forças de Van der Waals (London) 11/08/2015 120 Ligação Dipolo-dipolo Quando uma molécula é polar, como no caso do HCl, a mesma apresenta uma extremidade eletronegativa e a outra eletropositiva. Neste caso, a molécula possui um dipolo elétrico permanente. Explicação: Este tipo de situação ocorre porque o Cl é mais eletronegativo que o H. Sendo assim, o Cl atrai os elétrons da ligação H – Cl para sua proximidade. Desta forma, o Cl fica com uma carga parcialmente negativa e o H fica com uma carga parcialmente positiva. Interação íon-dipolo São interações que ocorrem entre um cátion ou ânion e uma molécula O cátion induz o movimento dos elétrons da molécula na direção do cátion. Enquanto os ânion repelem de os elétron para mais distante do ânion. Como o cátion é menor do que o ânion as interações cátion-dipolo são mais intensas em relação à interação ânion-dipolo. 11/08/2015 121 H2O Tipos de interação cátion – dipolo. Tipos de interação dipolo induzido. 11/08/2015 122 Pontes de Hidrogênio É uma variação da ligação dipolo-dipolo. Esse tipo de atração ocorre quando o hidrogênio se liga a elementos fortemente eletronegativos como o F, O e o N. A forte atração que se estabelece ente o hidrogênio e esses elementos chama-se Ponte de Hidrogênio. Esse tipo de ligação existem nos Estados Sólido e Líquido. 11/08/2015 123 Exemplo de Interações de pontes de hidrogênio Forças ou Ligações de Van der Waals São as forças intermoleculares que existem nas moléculas polares. A maioria dessas moléculas se encontram no estado gasoso. Essas substâncias tem o ponto de fusão muito baixo. Essas forças é que mantém o N2 líquido na temperatura de -156 ºC. As forças de Van der Waals são 10 x mais fracas do que as forças de dipolo-dipolo. Pelo movimento dos elétrons nas moléculas pode ser que algum momento ocorra uma polarização ou pela indução de um campo elétrico se forme um dipolo induzido. 11/08/2015 124 Dipolo Induzido e as suas interações devido às forças de dispersão – Forças típicas de moléculas apolares. Geometria Molecular A geometria molecular é o arranjo tridimensional dos átomos no espaço em uma molécula. A geometria de uma molécula afeta muitas das propriedades físicas e químicas, como por exemplo, ponto de fusão ponto de ebulição e os tipos de reações que as moléculas participam. O modelo de geometria molecular se baseia na repulsão dos elétron da camada de valência. A geometria adotada pela molécula é o estado de mais baixa energia, ou seja, é aquela que as forças de repulsão são minimizadas. O Modelo de Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência (RPECV). Existem duas regras: 1 – Em relação a repulsão dos elétrons as ligações duplas e triplas tem o mesmo efeito das ligações simples. A única diferença é em relação ao volume ocupado no espaço que a ligação tripla ocupa em relação as outras; 2 – Temos que dividir as moléculas em duas categorias: átomo central com o par de elétrons não ligantes e sem esse par de elétrons não ligantes. Por questão de simplicidade começamos com o átomo central que não tem pares de elétrons isolados. 11/08/2015 125 Geometria Molecular Linear 11/08/2015 126 Triangular Tetragonal 11/08/2015 127 Bipirâmide Trigonal Octaédrica 11/08/2015 128 Dióxido de Enxofre 11/08/2015 129 Amônia 11/08/2015 130 Funções Químicas Inorgânicas É o conjunto de substâncias com propriedades químicas semelhantes, denominadas de Propriedades Funcionais. Quais são as Principais Funções Químicas? Funções Químicas Inorgânicas � Ácidos � Bases � Sais � Óxidos 11/08/2015 131 TEORIA DA DISSOCIAÇÃO IÔNICA DE ARRHENIUS A explicação para este fenômeno é a seguinte: O açúcar (sacarose) quando dissolvido em água não forma eletrólitos (substância capaz de transportar elétrons), ou seja, o açúcar dissolvido se subdivide em moléculas de sacarose eletricamente neutras. Logo não podem conduzir a eletricidade. O sal – NaCl, quando dissolvido em água se subdivide em partículas eletricamente carregadas (elétrolitos), denominadas de íons. Esses íons fazem o transporte do elétrons em solução. Cátion – cargas positivas Ânions – cargas negativas água O cloreto de sódio sólido sofreu processo de dissociação. Esse fenômeno poderemos observar em detalhe no próximo slide 11/08/2015 132 Grau de Dissociação Iônica Quanto maior for o grau de dissociação iônica mais forte é o eletrólito, ou seja, conduzirá a corrente elétrica em solução de forma mais eficiente. Exemplos: HCl – α = 92/100 = 0,92 ou 92% - eletrólito forte HF – α = 8/100 = 0,08 ou 8% - eletrólito fraco. 11/08/2015 133 � Ácidos São compostos que em solução aquosa, se ionizam produzindo como íon positivo apenas o cátion hidrogênio (H+). O H+ é o radical funcional dos ácidos. água água água água 11/08/2015 134 Reação genérica de m ácido em água. 11/08/2015 135 � Classificação dos Ácidos i) De acordo com o número de hidrogênio ionizáveis. - Monoácidos – na ionização, a molécula produz apenas um H+ Exemplos: HCl, HNO3, HI, etc. - Diácidos – na ionização, a molécula produz dois H+ Exemplos: H2SO4, H2CO3, H2S, etc; - Triácidos- na ionização, a molécula produz três H+ Exemplos: H3PO4, H3BO3, etc. 11/08/2015 136 ii) De acordo com a presença ou não de oxigênio na molécula - hidrácidos: não contém o oxigênio; - Exemplos: HCl, HI, HBr, HCN, etc. - Oxiácidos: contém o oxigênio - Exemplos: H2SO4, H2CO3, HNO3 , H3PO4, H3BO3, etc. iii) De acordo com o grau de ionização - Ácidos fortes: quando α > 50% Exemplo: HCl (α = 92%), H2SO4 (α = 61%), - Ácidos moderados: quando 5 < α < 50% Exemplo: HF (α = 8%), H3PO4 (α = 27%), - Ácidos fracos: quando α < 5% Exemplo: HCL (α = 92%), H2SO4 (α = 61%), Exemplo: HCN (α = 0,008%), H2CO3 (α = 0,18%), 11/08/2015 137 FORÇA DO ÁCIDO Para verificar se um oxiácido é forte ou fraco basta calcular a diferença entre o nº de átomos de O e o nº de átomos de H do ácido. Exemplos: HClO4: 4 -1 = 3 – ácido muito forte (α = 97%); HNO3; 3 -1 =2 – ácido forte (α = 92%); H2SO4: 4-2 = 2 – ácido forte (α = 61%); H3PO4: 4 – 3 = 1 – ácido moderado (α = 27%); H3BO3: 3 – 3 = 0 – ácido fraco (α = 0,025%). 11/08/2015 138 Para os hidrácidos quanto maior for o tamanho do raio do ânion maior será a força do ácido. Pois, quanto maior o raio do ânion mais facilmente o átomo de hidrogênio se dissocia. HCl HF HBr HI FO RÇA D O Á CID O iv) De com a volatilidade - Ácidos fixos: são sólidos ou líquidos pouco voláteis. Exemplos: H2C2O4 (sólido) e H2SO4 (líquido - ponto de ebulição 338 ºC). - Ácidos voláteis: líquidos voláteis ou gases. Exemplos: HNO3 - (líquido - ponto de ebulição 338 ºC). HC, H2S, HCN são gases 11/08/2015 139 � Formulação dos Ácidos Normalmente, x ≤ 4. � Nomenclatura dos ácidos - Hidrácidos Ácido + prefixo do nome do ânion + ídrico HCl – ácido clorídrico HF – ácido fluorídrico H2S - ácido sulfídrico HCN – ácido cianítrico 11/08/2015 140 - Oxiácidos Ácido + nome do elemento + ico ou oso. Sufixo ico – maior Nox (número de oxidação do elemento central) Sufixo oso – menor Nox (número de oxidação do elemento central) Funções Ácido Nox Prefixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso +3 ou + 4 - oso +5 ou + 6 - Ico +7 (hi)per ico Tabela para nomenclatura dos Oxiácidos 11/08/2015 141 - H2SO4 – ácido sulfúrico – S = +6; - H2SO3 – ácido sulfuroso – S = +4; - HNO3 – ácido nítrico – N = +5; - HNO2 – ácido nitroso – N = +3; - HClO4 – ácido perclórico – Cl = +7; - HClO3 – ácido clórico – Cl = +5; - HClO2 – ácido cloroso – Cl = +3; - HClO – ácido hipocloroso – Cl = +1. - � Bases ou hidróxidos São compostos que, por dissociação iônica, liberam, como íon negativo (ânion), apenas o ânion hidróxido, OH-, também chamado de hidroxila ou oxidrila. O OH- é o radical funcional das bases. 11/08/2015 142 água água água água 11/08/2015 143 � Classificação das Bases i) De acordo com o número de hidroxilas ionizáveis. - Monobases – na ionização produz apenas uma OH- Exemplos: NaOH, NH4OH, KOH, etc. - Dibases – na ionização produzem duas OH- Exemplos: Ca(OH)2, Fe(OH)2 etc. - Tribases – na ionização produzem três OH- Exemplos: Al(OH)3, Fe(OH)3, etc. �De acordo com o grau de ionização - Bases fortes – são aquelas compostas por metais alcalinos e alcalinos terrosos, possuem grau de ionização de 100%; - Bases fracas – quando o grau de ionização é inferior a 5%, os hidróxidos dos metais que não pertencem aos grupos 1 e 2 da Tabela Periódica. 11/08/2015 144 �De acordo com a solubilidade em água - Solúveis: hidróxidos dos metais alcalinos e o NH4OH (hidróxido de amônio). - Parcialmente solúveis: hidróxidos dos metais alcalinos terrosos; - Insolúveis: todos os demais hidróxidos. � Formulação dos Bases Normalmente, y ≤ 4. 11/08/2015 145 � Nomenclatura das Bases Hidróxido + nome do elemento NaOH – hidróxido de sódio KOH – hidróxido de potássio Ca(OH)2 – hidróxido de cálcio Hidróxido + nome do elemento + ico ou oso Fe(OH)2 – hidróxido ferroso Fe(OH)3 – hidróxido férrico Sn(OH)2 – hidróxido estanoso Sn(OH)4 – hidróxido estânico 11/08/2015 146 Hidróxido + nome do elemento + Nox do Elemento em Algarismos Romanos Fe(OH)2 – hidróxido de ferro II Fe(OH)3 – hidróxido de ferro III Sn(OH)2 – hidróxido de estanho II Sn(OH)4 – hidróxido de estanho IV � Escala de Medição do Caráter Ácido e Básico de Soluções Escala que determina o grau de acidez e de alcalinidade das soluções. Quando a concentração de H+ é muito alta, a solução em questão é muito ácida. Quando a concentração de H+ é muito baixa, a solução é alcalina ou básica. 11/08/2015 147 Este conceito está relacionado ao par ácido-base conjugado, isto é, um ácido e a sua base conjugada ou uma base e seu ácido conjugado. 11/08/2015 148 11/08/2015 149 A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente. A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente. 11/08/2015 150 11/08/2015 151 11/08/2015 152 11/08/2015 153 � Sais São compostos que possuem, pelo menos, um cátion diferente do H+ e um ânion diferente do OH-. Exemplos: NaCl, NaF, CaCl2,.. NaHSO4 11/08/2015 154 Os sais são o produto da reação entre um ácido e uma base. Essa reação é denominada de neutralização. Exemplo: HCl + NaOH NaCl + H2O Ou seja os sais podem ser formados a partir da reação de um ácido com uma base. 11/08/2015 155 Exemplos de sais neutros: NaCl, Na3PO4, Ca(NO3)2 e Ca3(PO4)2. � Reação e fórmulas gerias dos sais normais 11/08/2015 156 � Formulação dos Sais NaCl, Na3PO4, Ca(NO3)2 e Ca3(PO4)2. � Nomenclatura dos Sais Normais - Tabela da nomenclatura dos sais que contém o oxigênio. Funções Ácido Sais Nox Prefixo Sufixo Prefixo Sufixo +1 ou +2 hipo oso hipo ito +3 ou + 4 - oso ito +5 ou + 6 - Ico ato +7 (hi)per ico (hi)per ato 11/08/2015 157 Oxisais Nome DO ÁCIDO DE ORIGEM + ito ou ato + de + NOME DO CÁTION DA BASE DE ORIGEM Sufixo ato – maior Nox (número de oxidação do elemento central) Sufixo ito – menor Nox (número de oxidação do elemento central) Exemplos: Sulfato de Cálcio – CaSO4 Nitrato de Sódio – NaNO3 Nitrito de potássio – KNO2 Ácido nítrico Hidróxido de Cálcio Nitrato de Cálcio Exercício: Fazer a mesma metodologia para os seguintes sais: 1- Sulfato de Cálcio – CaSO4 2 - Nitrato de Sódio – NaNO3 3 - Nitrito de potássio – KNO2 11/08/2015 158 Nomenclatura dos sais que NÃO contém o oxigênio. Nome DO ÁCIDO DE ORIGEM + eto + de + NOME DO CÁTION DA BASE DE ORIGEM Ácido clorídrico Hidróxido de Sódio Cloreto de Sódio Exercício: Fazer a mesma metodologia para os seguintes sais: 1- CaCl2; 2 – NaI, 3 – MgBr2 Propriedades funcionais dos Sais - Sabor – salgado - Estado físico – são sólidos, cristalinos, altas temperaturas de fusão - São compostos predominantemente iônicos. Em solução formam íons e conduzem a corrente elétrica. Sal Solubilidade em água Exceções Nitratos Cloratos Acetatos Solúveis Cloretos Brometos Iodetos Solúveis Ag+, Hg2 2+, Pb2+ Sulfatos Solúveis Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+ Sulfetos Insolúveis Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, NH4+, Ca+2, Sr2+, Ba2+ Outros sais Insolúveis 11/08/2015 159
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