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1 Química Geral Aula 1 Dr. Arion Zandoná Filho Conteúdo da Ementa � 1.Formas de energia e matéria • Átomo/moléculas e íons � 2.Ligações químicas � 3.Cinética química � 4.Equilíbrio químico 2 � 5. Termoquímica e Eletroquímica � 6. Química Aplicada a engenharia e seus produtos. Química Ambiental 3 Referência BROWN, THEODORE L., LEMAY, H. EUGENE, BURSTEN, BRUCE E. E BURDGE, JULIA R. Química, a Ciência Central. São Paulo: Pearson, 2005. 4 Vídeo � Nossa história no Universo em apenas 1 minuto https://www.youtube.com/watc h?v=q0WaMiAGnVQ 5 Aula 1 6 2 Formas de Energias e/ou Matéria? Conceitos Físicos e Químicos O que sabemos sobre a matéria? � O Macrocosmos... e o Microcosmos são iguais? O que os diferencia? A gravidade? A massa? Energias � ...vem do grego onde εργος (ergos), e significa "trabalho" Sabemos que tudo o que existe no universo é uma forma de energia. Ela está ao nosso redor... � Onde está a energia? Quais são sua formas e fontes? • MECÂNICA • RADIANTE 10 11 E o nosso mundo? A energia e a matéria são finitas ou infinitas ? � Modificações na matéria geram alterações no comportamento da energia • O engenheiro transforma a matéria... • …mas, para tanto, precisa entendê-la...respeitar suas propriedades 12 3 Fontes de energia acessíveis ao homem � 1- Solar � 2- Elétrica � 3- Hidroelétrica � 4- Química � 5- Eólica � 6- Nuclear 13 Curiosidade: energias renováveis ou alternativas � "É uma energia sustentável que deriva do meio ambiente natural e não gera impacto ambiental" 14 Curiosidade � Algumas fontes de energia são "renováveis" na medida em que são mantidas ou substituídas pela natureza 15 Energias Renováveis � a) Solar (térmica e voltaica) � b) Vento � c) Águas (doce e salgada) � d) Biomassa (madeiras...) � e) Geotérmica � f) Hidrogênio 16 Quando tudo começou? � 13 a 15 bilhões de anos atrás. No tempo humano… Big Bang Teoria Unificada 17 � Segundo os mais recentes cálculos, a idade do universo é calculada entre 13 a 15 bilhões de anos, quando houve a grande explosão. Naquele momento foram criados o tempo e o espaço 18 4 � Há a liberação de energia em níveis incríveis, com cerca de 3 bilhões de graus Celsius… O Universo era todo Luz � Radiação e partículas fundamentais (os "quarks") colidiam e era tudo energia... 20 Os três primeiros minutos (Steven Weinberg) Núcleo do Sol = 16 .106Kelvin 1.000 (103)Kelvin = 727 Celsius Os três primeiros minutos ∆T0-3= 727.000.000 Celsius 22 t = 0 � t = 10-43 s � T = 1032 K t = 10-2 s � T = 1011 K t = 10-1 s � T =3x1010 K t = 1 s � T = 1010 K t = 14 s � T = 3 X 109 K t = 3 min � T = 109 K 23 A formação de átomos Cadeia próton-próton 4 ¹H → 2 ²H + 2 e+ + 2 νe (4,0 MeV + 1,0 MeV) 2 ¹H + 2 ²H → 2 3He + 2 γ (5,5 MeV) 2 3He → 4He + 2 ¹H (12,9 MeV) Nasceu a Matéria � Nasce a dúvida no homem sobre a nossa existência... • Afinal do que somos feitos? Massa ou energia? 24 A.C. 5 Átomo e Elementos Químicos � Ostwald (1902), em Naturphilosophie, propôs o conceito de “energia”: � “Tudo o que sabemos acerca do mundo externo pode ser representado sob a (…) 25 � (…) forma de proposic ̧ões sobre a energia existente, e o conceito de energia revela-se como sendo, sob todos os aspectos, o mais geral que a ciência produziu até agora” 27 Ostwald (1902), em Naturphilosophie � Segundo Erwin Schrödinger (My vision of the World, 1996, p. 134): • (...) a teoria quântica remonta, há 24 séculos, a Leucipo e Demócrito. Eles inventaram a primeira descontinuidade – átomos isolados implantados no espaço vazio Vídeo � Do átomo grego ao átomo de Bohr - Evolução dos Conceitos da Física https://youtu.be/esreyoKP1sc � A nossa noção de partícula elementar descende historicamente da noção que eles tinham do átomo, e conceitualmente deriva da sua noção do átomo Erwin Schrödinger 6 Conceitos sobre átomos � Átomos são partículas que compõem a matéria. � São formados por partículas subatômicas. 31 Nº de Massa A = P + N A Z Nº Atômico Z = P ATOMICIDADE CARGA Nº de Átomos + Cátion - Ânion ÁTOMO CARGA = ZERO E ÍON P = e Conceitos sobre elementos Químicos � São aquelas substâncias que possuem o mesmo e número de prótons Fe ferro 55,847 2 8 14 2 26 Número atômico Distribuição eletrônica Símbolo Nome Massa atômica 7 37 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Vídeo � Tudo se transforma, estrutura atômica, enxergando o invisível https://www.youtube.com/watc h?v=qId2dtsFWGU Quais são as verdadeiras partículas elementares � (Quarks, Léptons, neutros e outros) O tamanho do átomo e a Teoria Quântica Átomo – 10-10 m Núcleo - 10-14 m Próton - 10-15 m Elétron - 10-18 m Quark - 10-18 m Vídeo � A Estrutura da Matéria https://www.youtube.com/watc h?v=HmUxFLa0m0Q A Teoria Quântica � Atualmente, suspeita-se que os quarks e os elétrons são fundamentais Rutherford 8 Experimentos Experimentos Raios Catódicos Dualidade da Matéria � A base conceitual da mecânica quântica é a propriedade ondulatória que as partículas possuem (De Broglie,1923) 9 Partícula onda Fenômeno Pode ser explicado na forma de Onda Pode ser explicado na forma de Partículas Reflexão SIM SIM Refração SIM SIM Interferência SIM NÃO Partícula onda Fenômeno Pode ser explicado na forma de Onda Pode ser explicado na forma de Partículas Difração SIM NÃO Polarização SIM NÃO Efeito Fotoelétrico NÃO SIM O espectro de um átomo Efeito Fotoelétrico � Quando fótons atingem um metal não ocorre emissão de elétrons, a menos que a radiac ̧ão incidente tenha frequência superior a um determinado valor (…) � (…) característico das ligações no metal. A energia cinética dos elétrons ejetados varia linearmente com a frequência da radiac ̧ão incidente Efeito Fotoelétrico 10 Vídeo � Evolução dos modelos atómicos https://youtu.be/CR7dLfsOYLM � Resolver exercícios da pg. 60 (2.1 A 2.10) 1 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Química Geral Aula 2 � Capítulo 8 • Conceitos básicos de ligação química � Capítulo 9 • Geometria molecular e teorias de ligação Aula 2 � Ligações químicas � Reações químicas Eletrosfera — Ponto de Partida � Os elétrons estão distribuídos na eletrosfera em níveis e subníveis energéticos (camadas e subcamadas eletrônicas) Teoria Básica � Forças de atração entre partículas (campo de força) � Eletromagnética: atração e repulsão conforme a polarização da partícula 2 � Iônicas � Covalentes � Metálicas Forças Interatômicas � Pontes de hidrogênio � Van der Walls � Dipolos Forças Intermoleculares Pode-se usar as propriedades periódicas dos elementos � Lembrando que os elementos são classificados de acordo com suas propriedades e afinidades como metais, semimetais, não metais e gases nobres � Relações de afinidade e polaridade Cátions (eletropositivos) doadores de carga Ânions (negativos) receptores de carga Afinidades pela distribuição Distribuição Eletrônica 3 � Teoria do Octeto � Fortemente atraídos � Cargas opostas se anulam. Arranjo estrutural Busca da Estabilidade � Elétron da camada de valência se desloca em direção ao núcleo do ânion � Equilíbrio estabelecido, cargas se anulam Cátion Ânion � A atração entre moléculas é uma força intermolecular � Forças intermoleculares são muito mais fracas do que as forçasintramoleculares (por exemplo, 16 kJ mol-1 versus 431 kJ mol-1 para o HCl) Energias das forças interiônicas e intermoleculares Energias das forças interiônicas e intermoleculares Tipo de interação Energia típica kJ/mol Espécies Íon–íon 250 Ìons Íon–dipolo 15 Íons e moléculas polares Pontes de H 20 H ligado com FON Dipolo–dipolo 2 Moléculas polares Dipolo-dipolo induzido 2 Pelo menos uma molécula polar London (dispersão) induzido-induzido 2 Todos os tipos de moléculas +12X Energia de separação de íons Energia de separação de átomos Repulsão Energia total Atração (Coulomb) e n e rg ia 4 Intercadeia Interplanar Entre planos de Entre planos de ligação Entre cadeias no mesmo plano de ligação � Quando uma substância funde ou entra em ebulição, forças intermoleculares são quebradas (não as ligações interatômicas) Segundo a Teoria das Orbitais Moleculares, a sobreposição de dois orbitais atómicos leva à formação de dois orbitais moleculares: � um orbital molecular ligante (σ ou π), de menor energia � um orbital molecular antiligante (σ* ou π*), de maior energia Teoria das Orbitais Moleculares (TOM) TOM — Subnível s TOM 5 24 TOM — Subnível p Ligações Interatômicas N C Cl H O Pt Covalante Iônica Metálica Tipos de ligações intramoleculares ou interatômicas � É a ligação entre metais e metais � Formam as chamadas ligas metálicas Ligação Metálica � No estado sólido, os metais se agrupam de forma geometricamente ordenada, formando as células, ou grades, ou retículo cristalino � Uma amostra de metal é constituída por um grande número de células unitárias formadas por cátions desse metal 6 � Acontecem entre metais e ametais, ou metais e hidrogênio Ligações Iônicas � Atração eletrostática entre íons � Normalmente entre metais e não metais � Entre cátions e ânions � As substâncias iônicas são formadas por meio da transferência de elétrons de um átomo pouco eletronegativo para outro muito eletronegativo 1A - 1e 7A -7e � O par eletrônico compartilhado é formado por um elétron de cada átomo ligante Ligações Covalente Simples ou Normal e Dativa � O compartilhamento do par ocorre respeitando a Teoria do Octeto, os átomos possuem pequena ou nenhuma diferença de eletronegatividade. 7 � Dativa: o átomo já estável compartilha um par de elétrons com outro que ainda não está estável � Resultante Cargas Ligações Intermoleculares � São as principais responsáveis pelas propriedades físicas das substâncias covalentes, pelos estados físicos da matéria � E também pela maior ou menor solubilidade de um soluto num dado solvente 26 Este tipo de ligação pode ocorrer entre moléculas (forças de van der Waals) ou entre íons e moléculas polares (forças íon-dipolo) 8 Esta força é produzida pela correlação dos movimentos dos elétrons de um átomo com os movimentos dos elétrons de outro átomo, tendendo a se aproximar para atingir a distância de energia mínima Força de van der Walls Fonte: <http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Johannes_Dideri k_van_der_Waals.jpg>. � Quanto maior o número de elétrons de que a molécula dispõe, mais polarizável será e maior será a atração a) Dipolo-dipolo (ou dipolo permanente-dipolo permanente) a) Dipolo-dipolo (ou dipolo permanente-dipolo permanente) 55 � Em algumas moléculas o centro das cargas positivas não coincide com o centro das cargas negativas, mesmo na ausência de campos elétricos externos � Estas moléculas são chamadas polares, e possuem momento de dipolo permanente Moléculas Polares Dipolo-Dipolo Permanente 9 b) Dipolo-dipolo induzido (ou dipolo induzido-dipolo induzido b) Dipolo-dipolo induzido (ou dipolo induzido-dipolo induzido Molécula apolar Dipolo induzido Dipolo permanente Dipolo induzido c) Forças de dispersão ou forças de London c) Forças de dispersão ou forças de London Dipolo-dipolo Indução de Momentos Dipolares Adjacentes Pontes de Hidrogênio ou Ligação de Hidrogênio BF3 Polaridade 10 � A água é um excelente solvente polar para compostos orgânicos polares de baixo peso molecular, como o metanol, etanol, ácido fórmico, ácido acético, entre outros Polaridade e Solubilidade � Possuindo um dipolo bastante acentuado, atrai por eletrostática o dipolo da outra molécula, de forma a potencializar a solubilização � Porém essas moléculas orgânicas possuem uma parte polar, solúvel em água e uma parte apolar, insolúvel em água µ= δ . d Se µtotal = 0 → molécula apolar � Exemplo: Polaridade � Acompanhe pelo nosso livro páginas 261–266 � Faça a sua simulação. Disponível em: <http://www.dlt.ncssm.edu/tige r/chem3.htm>. � A concentração de cargas (em moléculas polares) ocorre quando os elementos ligantes possuem uma diferença de eletronegatividade � Essa diferença significa que um dos átomos (o de maior eletronegatividade) atrai os elétrons da nuvem com maior força, o que faz concentrar neste a maior parte das cargas negativas 11 � A concentração de cargas (em moléculas polares) ocorre quando os elementos ligantes possuem uma diferença de eletronegatividade � Ligação de dois átomos iguais resulta em moléculas apolares � Ex: O2, N2, Cl2. Mas não é necessário serem dois átomos iguais para haver apolaridade, como por exemplo dos compostos alcanos �Toda ligação de dois átomos diferentes resulta em polarização, já que os átomos possuirão eletronegatividades diferentes Exemplo: HCl, CaO, NaCl � 8.1 a 8.13; � 8.25 a 8.35; � 8.98 Façam os Exercícios do Capítulo 8 1 Química Geral Aula 3 Dr. Arion Zandoná Filho 14. Capítulo - Cinética Química Cinética Química Perguntas que você deverá responder ao final deste módulo � O que é Cinética Química? � Para que serve a Cinética Química? � Qual a sua importância para os processos químicos e físicos? � Por que o controle das velocidades das reações é importante na sociedade moderna? � Quais as aplicações no dia a dia e na engenharia? Condições para que ocorra uma reação � Os reagentes devem estar em contato � Afinidade química 2 Reatividade e Reações Químicas Introdução � Toda reação química necessita de um certo tempo para se completar. Exemplo: 1H2SO4 + 1 NaOH→ 1 Na2SO4 + 1 H2O � Formação da H2O (pode ficar anos sem ocorrer, mas uma faísca desencadeará uma reação explosiva) 1 H2 + ½ O2 → 1 H2O � Transformação de gases tóxicos em não-tóxicos � Em condições normais é lenta, mas em condições adequadas pode diminuir a poluição emitida pelos automóveis 2 CO + 2 NO →2 CO2 + N2 Cinética química • Cinética vem do grego kinetiké e significa “movimento” � Esse ramo da ciência se preocupa em estudar a rapidez das reações químicas e os fatores que a influenciam Figura 14.1- pg 484 3 � É o estudo da velocidade das reações e os fatores que nela influenciam Reagente(s) A Produto(s) B t=0 máximo de reagentes zero de produto t=♌ máximo de produtos zero de reagentes A B reagente produto A B tempo tempo Reação termina quando acaba pelo menos um dos reagentes t/s reagente produto [ ] � Bromo passa da condição molecular para a iônica mudando de cor Como Acontece? Teoria das Colisões 4 Como ocorre uma reação química 1ª Teoria das Colisões Reação Contato Colisão Efetiva Não Efetiva � Colisões Moleculares � Colisões Atômicas � Para ocorrer uma reação química é necessário haver colisões corretas entre os reagentesColisão entre as moléculas • Gases e Líquidos Efetiva Colisão efetiva � Velocidade � Orientação � Energia de choque + + Reagentes Energia E1 Complexo ativado Energia E2 Produtos Energia E3 � Probabilidades de Colisões 5 Sugestão de Vídeo Equilíbrio Químico � https://www.youtube.com/wat ch?v=fX9d4XbAMRU H2 O (g) + C O (g) H2 (g) + C O2 (g) Do minuto 5:58 ao 8:54 min. ∆ Conceitos Complementares Complexo Ativado � Complexo ativado é o estado intermediário formado entre reagente e produtos, em cujas estruturas existem ligações enfraquecidas (reagentes) e formação de novas ligações (produtos) Energia de Ativação � Energia de Ativação é a quantidade mínima de energia necessária para que a colisão entre as partículas dos reagentes, feita numa orientação favorável, ou seja, efetiva Energia de Ativação � Além de colisões com orientação espacial adequada, as moléculas devem apresentar uma energia cinética mínima que propicie uma ruptura das ligações (…) � (...) entre os reagentes e formação de novas ligações nos produtos. Quanto maior a energia de ativação, mais lenta é a reação 6 E1= energia dos reagentes (r) E2= energia do complexo ativado (CA) E3= energia dos produtos (p) b=energia de ativação da reação direta c=variação de entalpia ( DH= Hp – Hr) Ea Energia de Ativação Velocidade de Reação � Moderada: oxidação de alimentos � Lenta: formação do petróleo Lenta Rápida Moderada 6 NaN3(l) + Fe2O3(s) faísca 3Na2O(s) + 2 Fe(s) + 9 N2(g) Conceito de velocidade de reação � A velocidade da reação é a razão da variação na concentração em relação ao tempo Variação na Concentração Tempo Decorrido Velocidade = ∆ [substância] ∆t Velocidade = Fatores que influenciam na Vr � Área de contato entre os reagentes � Concentração dos reagentes � Temperatura e energia de ativação � Ação de catalisadores 7 � Área de Contato Área de contato entre os reagentes � Esse fator tem sentido quando um dos reagentes for sólido (batata, estômago) Fe(prego) + H2SO4(aq) → FeSO4 (aq) + H2(g) V1 Fe(limalha) + H2SO4(aq) → FeSO4(aq) + H2(g) V2 � Na segunda reação a área de contato é maior. Portanto: V2 › V1 Fatores que influenciam na Vr � Concentração dos reagentes • Quanto maior a concentração dos reagentes, maior será a velocidade da reação 8 Exemplo � O carvão na churrasqueira quando abanado fica incandescente porque estamos aumentando a [ ] de gás oxigênio � (O2 , que é reagente na combustão), portanto aumenta a velocidade da reação � O O2 é o responsável pela deterioração do suco de laranja � Dentro da laranja a [ ] de O2 é muito baixa, e o suco dura alguns dias. Fora, ao aumentar a [ ] de O2, o suco estraga muito rápido ● Regra de Van’t Hoff: um aumento em 10ºC provoca uma duplicação na velocidade da reação Temperatura Energia Cinética Colisão Velocidade Temperatura Exemplo � Os alimentos gelados estragam com menor facilidade, pois a velocidade da reação diminui � Os incêndios se alastram rápido porque a energia liberada pela combustão (…) � (…) (exotérmica) ajuda as moléculas que ainda não reagiram a vencer as barreiras energéticas que separa reagentes e produtos 9 Velocidade Média e Velocidade instantânea � A velocidade instantânea se refere à velocidade em um único momento e é dada pelo grau de inclinação de uma linha tangente à curva definida pela variação na concentração versus tempo � Para a velocidade media, duas concentrações são medidas em tempos separados por uma diferença finita, e o grau de inclinação da linha entre elas fornece a velocidade A lei de velocidade � Para uma reação entre as substâncias X e Y , a velocidade de reação pode, normalmente, ser descrita por uma equação da forma: Velocidade = k[X]m[Y]n � Onde K é uma constante chamada constante de velocidade; [X] e [Y] representam as concentrações de reagente; e m e n são, geralmente, números inteiros ou meio inteiros � A concentração é medida em quantidade de matéria ou mol L ־¹, e o tempo em segundos � Unidade de velocidade normalmente é: L־¹s־¹ Velocidade Média � Velocidade média de reação é o quociente da variação da concentração molar (molaridade) de uma das substâncias, dividida pela variação do tempo 10 tempo A moléculas B moléculas N ú m e ro d e m ol é cu la s t(s) 0 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 Concentração de NH3 (mol.L-1) 8,0 4,0 2,0 1,0 Tempo (h) 00 1,0 2,0 3,0 2 NH3 → N2 + 3H2 Estequiometria e velocidade � A reação da destruição de ozônio é expressa em: 2 O3 → 3 O2 � Pode ser dada pela velocidade ∆ [O3] ∆t Velocidade = � Para o aumento de concentração a velocidade será positiva � Para a diminuição de concentração a velocidade será negativa Ordem de uma reação 11 � A ordem de uma reação química é igual ao valor dos expoentes ao qual os reagentes são elevados e expressos na equação de velocidade • A reação é de zero ordem quando a velocidade da reação química é independente da concentração do reagente 61 Reações de ordem zero e de primeira ordem � São aquelas em que a velocidade da reação química é proporcional à concentração de um reagente � A de ordem zero é constante e independente das concentrações dos reagents v= k[A]0 Como calcular esse fenômeno? 12 xA + yB... zC + wD ... Variação da concentração de A ∆t Vm = � A lei de velocidades é dada por v = k • [A]a • [B]b em que: a e b - são determinados experimentalmente v - velocidade da reação a dada temperatura k - constante, cujo valor depende apenas da temperatura [A] - concentração molar do reagente A [B] - concentração molar do reagente B Velocidade Variável � Cloreto de butília em água 13 Exercício � O óxido nítrico é um poluente atmosférico que pode ser reduzido na presença de hidrogênio, conforme a seguinte equação: 2 NO(g) + 2 H2(g) →N2(g) + 2 H2O(g) � A velocidade inicial de formação de N2 foi medida para várias concentrações iniciais diferentes de NO e H2, e os resultados são os seguintes: Experimento n° [NO] (mol/L) [H2] (mol/L) Velocidade inicial (molL-1s-1) 1 0,20 0,10 4,92 x 10-3 2 0,10 0,10 1,23 x 10-3 3 0,10 0,20 2,46 x 10-3 4 0,05 0,40 1,23 x 10-3 � Fazendo uso desses dados, determine: • a) a equação de velocidade para a reação • b) o valor da constante de velocidade da reação • c) a velocidade inicial da reação quando [NO]= 0,5 mol/L e [H2]= 1,0 mol/L 2 NO(g) + 2 H2(g) →N2(g) + 2 H2O(g) a) v = k • [A]a • [B]b v = k[NO]2 [H2] b) v = k[NO]2 [H2] 1,23 x 10-3 = k(0,10)2 (0,10)1 k = 1,23 c) [NO] = 0,5 M ; [H2] = 1,0 M vi = k[NO]2 [H2] vi = 1,23[0,5]2 [1,0] vi = 0,3 mol.L-1 .s-1 14 Pratique pg.489 Reações Químicas Exotérmicas Reações Químicas Endotérmicas Pressão � Pressão a proximidade número de velocidade das moléculas colisões da reação Como acelerar ou retardar esse processo ? Catálise � A catalise é um processo no qual uma velocidade de reação é influenciada pela presença de substâncias que não são nem reagentes, nem produtos na equação total 15 Reação sem catalisador C.A.= Complexo ativado Ea = Energia de ativação HR. = Entalpia dos reagentes HP. = Entalpia dos produtos ∆H = Variação de entalpia Reação com catalisador C.A.= Complexo ativado Ea = Energia de ativação HR. = Entalpia dos reagentes HP. = Entalpia dos produtos ∆H = Variação de entalpia catalisador Reação com e sem catalisador Catálise � Quando um catalisador é introduzido,a quantidade de energia necessária diminui, e uma maior fração das moléculas tem velocidades que são altas o suficiente para fornecer a energia necessária 16 Perspectiva Molecular da Catálise � Os catalisadores aumentam a velocidade de reação, fornecendo um novo caminho de reação, que diminui a energia de ativação Catalisadores homogêneos e heterogêneos � Os catalisadores podem ser dividido em duas grandes categorias: � catalisadores homogêneos, que estão na mesma fase das substâncias reagentes • catalisadores heterogêneos, que estão em uma fase diferente das espécies reagentes � Ambos os tipos de catálise são importantes nos processos atmosféricos! 17 � Um catalisador deve ter as seguintes características: • a) longevidade suficiente ou durabilidade para perdurar em muitos ciclos de reação • b) deve ter um alto número de rotação, gerando grande quantidade de produtos em menos tempo, e seletividade o que minimiza a formação de derivados indesejáveis Catalisador SO2(g) + ½ O2(g) →SO3(g) Ea= + 240 KJ.mol-1 sem catalisador Utilizando o NO2(g) como catalisador a Ea se reduz para 110 KJ.mol-1, tornado a reação extremamente mais rápida � Mecanismo da reação SO2 + NO2 →SO3 + NO (E1 consumo do catalisador) NO + ½ O2 → NO2 (E2 regeneração do catalisador) SO2 + ½ O2 →SO3 Equação global Ea = +110 KJ.mol-1 Características dos catalisadores � Somente aumentam a velocidades � Não são consumidos 18 � Não iniciam reação, mas interferem nas que já ocorreram sem sua presença � Podem ser usados em pequenas quantidades � Seus efeitos podem ser diminuídos pela presença de “venenos de catálise” Inibidor e Veneno � Inibidor: é uma substância que retarda a velocidade da reação � Veneno: é uma substância que anula o efeito de um catalisador 1 Química Geral Prof. Dr. Arion Zandoná Filho Aula 4 4a Aula Equilíbrio Químico � A velocidade de uma reação muda com o tempo, invariavelmente diminuindo na medida em que a reação progride 1 N2O4(g) = 2 NO2(g) � N2O4(g) — incolor (puro congelado) � NO2(g) — marrom acima de 21,2º C Marrom 2 � A natureza das reações é o primeiro tema a ser abordado � Incluindo o equilíbrio que basicamente dita a eficiência de uma reação Figura 15.2 — 532 Tempo Tempo C o n ce n tr a çã o C o n ce n tr a çã o Reações diretas e inversas Conceito de Reações e Fases no Equilíbrio � Em fase gasosa � Com sólidos � Soluções aquosas 3 Constantes de Equilíbrio � Expressão de equilíbrio • aA (x)+ bB(y)= cC(z)+dD(w) � NH₃ (g)+ CH₄(g) = HCN(g) +3H₂ (g) � = �� � 3 �� [���] Equilíbrio em Fase Gasosa PV = nRT ou � É preciso relacionar a concentração em quantidade de matéria de um gás a sua pressão parcial � = ��� � Concentração no Equilíbrio � Medida por meio de experimentos em laboratórios � Por cálculos 1. Escreva a equação química balanceada 2. Escreva as expressões de equilíbrio correspondentes 3. Crie uma tabela de concentração 4 I. Na primeira linha: concentrações iniciais II. Na segunda: variações nestas concentrações III.Na terceira: concentrações finais do equilíbrio Dados: [H2]inicial = [I2]inicial = 0,050 mol/L H₂ (g) + I2 (g) ↔ 2HI(g) H2 I2 HI Concentração inicial 0,050 mol/L 0,050mol/L 0 mol/L Variação de concentração -x -x +2x Concentração final H2 I2 HI Concentração inicial 0,050 mol/L 0,050mol/L 0 mol/L Variação de concentração Concentração final H2 I2 HI Concentração inicial 0,050 mol/L 0,050mol/L 0 mol/L Variação de concentração -x -x +2x Concentração final 0,050 - x 0,050-x 2x Cálculo Análise H2 I2 HI Concentração inicial 0,050 mol/L 0,050mol/L 0 mol/L Variação de concentração 0,040 0,040 0,020 Concentração final 0,010 0,010 0,080 5 Princípio de Le Châtelier � Quando um sistema em equilíbrio é submetido à tensão, ele responde restabelecendo o equilíbrio, para reduzir a tensão aplicada � Na química, essas tensões são variações nas concentrações, na pressão e na temperatura Variação na concentração Variação resultante em Q Resposta do sistema (produto) aumentada Q>K Mais reagentes formados (produto) diminuída Q<K Mais produtos formados (reagentes) aumentada Q<K Mais produtos formados (reagente) diminuída Q>K Mais reagentes formados Variação na Concentração de Regente ou Produto 1 N2O4(g) = 2 NO2(g) � O gráfico ilustra a resposta de um equilíbrio a um aumento de concentração de reagente • Inicialmente apenas o NO₂ estabelece o equilíbrio 6 � No tempo médio é adicionado grande quantidade de NO₂, perturbando o equilíbrio � O sistema responde gerando mais N₂O₄ e estabelece um novo equilíbrio Temperatura constante = 25oC V = 2 L P = 4,6 atm V = 10 L P = 1,0 atm Variação na Pressão Quando Estão Presentes Gases � Dois mols de NO₂ gasoso combinam-se para formar um mol de N₂O₄ gasoso. Logo, se a pressão é aplicada, o sistema responde produzindo mais produtos � A variação da pressão é decorrente de uma variação de volume Variação na Temperatura Tipo de reação Tipo de variação de temperatura Resposta do sistema Exotérmica T aumenta Mais reagentes formados Exotérmica T diminui Mais produtos formados Endotérmica T aumenta Mais produtos formados Endotérmica T diminui Mais reagentes formados Variação na Temperatura — Importante � Reação exotérmica o calor é produto na reação: • reagentes � produtos + calor � Reação endotérmica: o calor é absorvido do meio reacional: • reagentes + calor � produtos 7 � Para engenheiros que auxiliam ou projetam processos industriais, a solubilidade é um fator preponderante tanto no isolamento dos produtos desejados, quanto no tratamento de fluxos de rejeitos Equilíbrio de Solubilidade � Como normalmente os processos industriais são realizados a altas temperaturas, as características de solubilidade devem ser visualizadas no contexto do equilíbrio das relações naquelas temperaturas Constante do Produto de Solubilidade � A solubilidade de reagentes e produtos é a capacidade de um soluto dissolver em um solvente � Por exemplo, o brometo de prata é insolúvel, mas na verdade seremos mais exatos se nos referirmos a ele como ligeiramente solúvel 8 � Fornecendo tempo e um solvente sem condições de equilíbrio, até mesmo um sal mais insolúvel se dissolveria Constante do Produto de Solubilidade Kps Definindo Constante do Produto de Solubilidade � Se o brometo de prata for colocado em água e o sistema for deixado assentar sem ser perturbado, será estabelecido um equilíbrio dinâmico entre o sal e os seus íons constituintes; essa substância ficará heterogênea � Logo, expressões da constante de equilíbrio não vão conter a concentração do sal sólido, apenas o produto das concentrações dos íons aparecerá. A forma empregada para as expressões de constantes de solubilidade é Kpps � A solubilidade molar é a concentração de um sólido dissolvido presente em uma solução saturada A Relação Entre Kpps e a Solubilidade Molar � E é facilmente determinada a partir do Kpps Kpps = [Ag⁺][Br‾]= 5,3x10 -¹³ 9 � Como na Lei de Le Châtelier, os íons que fazem parte de um equilíbrio, introduzidos numa fonte externa, são chamados de íons comuns, pois são comuns à solução e ao sólido Efeito do Íon Comum � Se adicionarmos um íon comum a uma solução já em equilíbrio, o deslocamento da resultante seria no sentido queconsome o íon adicionado, formando mais sólido � Pois se adicionarmos um sólido ligeiramente solúvel a uma solução cujo íon comum já está presente, os íons presentes anularão a solubilidade do sólido Ácidos e Bases � Reações ácido-base são reversíveis � Em equilíbrio, ambas as reações continuam com a mesma velocidade, e a quantidade de cada espécie permanece constante no decorrer do tempo � Ácidos ou bases fortes se dissociam completamente em uma solução � Ácidos ou bases fracos se dissociam parcialmente em uma solução 10 Arrhenius (1887) � O conceito desenvolvido por Arrhenius em 1887 definiu ácidos e bases para explicar a condutividade elétrica de certas soluções desta forma: • ácido é toda substância que em solução aquosa se dissocia, fornecendo íons H+, como único tipo de cátion • base é toda substância que, dissolvida em água, se dissocia, fornecendo íons hidróxido OH- como único tipo de ânion Brönsted & Lowry (1923) � Teoria mais ampla, válida para todos os meios (meio alcoólico, meio aquoso etc.) • ácido: é toda a substância química capaz de doar um próton (íon H+) a outra substância • base: é definida como uma substância capaz de aceitar um próton (íon H+) de um ácido � Um ácido fraco e a água reagem para produzir um sistema ácido-base conjugado no qual o ácido e a base à direita são mais fortes do que seus ácido e base à esquerda ácido forte + base forte � base fraca + ácido fraco � Significa que o equilíbrio favorece o lado esquerdo, e apenas uma pequena porcentagem das moléculas de ácido se ionizará 11 O Papel da Água na Teoria de Bronsted-Lowry HCN(aq) + H2O(l) H3O+ (aq) + CN- (aq) � Aqui a molécula de HCN doa um próton, logo é claramente um ácido. No entanto, a molécula de água recebe esse próton � Água seria uma base NH3 (g)+ H2O(l) -> NH3+ (aq) + OH- (aq) � Água também pode agir como um ácido � A molécula de água (um ácido) doa um próton para a molécula de amônia (uma base), que recebe o próton � A água pode agir tanto como ácido quanto como base, dependendo da identidade do outro reagente Espécie Anfótera ou Anfiprótica � É aquela que pode atuar como ácido ou como base dependendo do meio em que ocorre o fenômeno � Kc não varia com a concentração nem com a pressão, mas varia com a temperatura �� + �� = �� + �� �� = [�]�+[�] [�]!+[�]" 12 � Quanto maior o Kc, maiores são as concentrações dos produtos em relação às dos reagentes, no equilíbrio � Quanto menor o Kc, menores são as concentrações dos produtos em relação às dos reagentes, no equilíbrio Energia Livre e Equilíbrio Químico � O equilíbrio é o efeito eventual de qualquer sistema fechado, ele deve de alguma forma estar também conectado à energia livre � A relação entre a energia livre e equilíbrio é tal equilíbrio é um estado de energia livre mínima � Todos os sistemas caminham no sentido do equilíbrio, pois diminuem suas energias livres � Quando eles atingem o equilíbrio, a energia livre não varia mais 1 Química Geral Aula 5 Dr. Arion Zandoná Filho 5a Aula Por que estudar? Qual a sua aplicação? Eletroquímica � Entender... • fenômenos de corrosão • Reações de Redox • Baterias e pilhas • Produção de insumos industriais de alta pureza • tratamento de efluentes industriais História 2 Primeiro – O conceito Eletricidade � O conceito vindo da Grécia antiga � Segundo Tales de Mileto, ao se esfregar âmbar com pele de carneiro, observou-se que pedaços de palha eram atraídos pelo âmbar � Nasce o conceito ... carga... eléktron (ἤλεκτρον), o que significa âmbar em grego � Em relação ao seu desenvolvimento no oriente, especula-se que objetos encontrados no Iraque, datados de 250 a.C., seriam usados como uma forma de bateria Segundo Conceito – A Corrente Elétrica � A corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas, através de um condutor elétrico e � A corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas, através de um condutor elétrico 3 � Ela pode ser definida como corrente elétrica real (sentido do movimento dos elétrons) e corrente elétrica convencional (consiste no movimento de cargas positivas) � Para isso acontecer, duas coisas são fundamentais: • uma diferença de potencial, capaz de atrair os elétrons e • um meio de propagação que permita sua passagem Corrente Elétrica � Dentro dos condutores há muitos elétrons livres descrevendo um movimento caótico, sem direção determinada � Ao aplicar-se uma diferença de potencial entre dois pontos de um metal, (…) (…) estabelece-se um campo elétrico interno e os elétrons passam a se movimentar numa certa ordem, constituindo assim a corrente elétrica 4 Há Dois Tipos de Corrente Elétrica � Corrente contínua: é aquela cujo sentido se mantém constante Ex.: corrente de uma bateria de carro, pilha etc. �Corrente alternada: É aquela cujo sentido varia alternadamente Ex.: corrente usada nas residências NOX Reação de Oxirredução ou Redox � Ocorre transferência eletrônica entre espécies químicas, ou seja… � Há variação do nox de determinados elementos � Obrigatoriamente, pelo menos uma espécie química se reduz e pelo menos uma se oxida � Toda reação pode ser dividida em duas semi-reações, uma de redução e uma de oxidação � Os elétrons perdidos na oxidação são empregados na redução 5 NOX � Os elementos envolvidos em uma reação eletroquímica são caracterizados pelo número de elétrons que têm � Uma reação na qual ocorrem oxidação e redução é chamada de reação redox NOX � A perda de elétrons de uma substância é chamada oxidação � O ganho é conhecido como redução Os metais apresentam diferentes tendências à oxidação, como na presença de ar e umidade, em que nota-se que o ferro tem maior tendência a se oxidar do que o níquel e o ouro. 6 Revendo Eletroquímica � Ânodo: eletrodo para onde se dirigem os ânions (pólo negativo), ocorrendo a corrosão, com consequente perda de massa e oxidação dos ânions, pois aumenta o número de elétrons livres � Cátodo: eletrodo para onde se dirigem os cátions (pólo positivo). Nesse elétrodo ocorre sempre depósito (aumento da massa), e também redução dos cátions � Os padrões das meias reações estão relacionados ao fato de termos transformações químicas que envolvem transferências de elétrons entre as espécies, ou seja, alguém perde elétrons (oxida), enquanto alguém ganha (reduz) � Isso pode ser feito artificialmente, colocando as espécies desejadas, e passando por elas uma corrente de eletricidade. A recíproca é verdadeira: eletricidade produz reações químicas; reações químicas produzem eletricidade Tabela de Potenciais � Os elétrodos que fornecem elétrons (ânodo) são colocados acima do hidrogênio, ficando com o sinal negativo 7 � E os elétrodos que recebem elétrons (cátodo) são colocados abaixo do hidrogênio, ficando com o sinal positivo Tabela de Redox Sistema Eletroquímico � Um condutor eletrônico em contato com um condutor iônico, que consiste de íons em movimento � Interações íon-solvente � Interações íon-íon � Para cada elétron doado em um eletrodo deve-se ter um íon recebendo os elétrons no outro eletrodo: correntes iguais � Na difusão, as correntes são iguais em cada eletrodo � Os gradientes de concentração nos eletrodos irão se ajustar de forma que a corrente seja igual no dois 8 Titulação Célula EletroquímicaTipos 9 Reações Espontâneas Corrosão É a transformação, destruição ou deterioração de um material devido à reação química ou eletroquímica com seu meio � Há metais que oxidam lentamente. São pouco reativos • Ex.: Ouro � Há metais que oxidam rapidamente. São muito reativos • Ex.: Potássio 10 Formam-se primeiro óxidos à superfície do metal, formando uma película, uma vez que esta é a zona mais exposta ao oxigênio do ar O processo de formação dos óxidos continua para camadas mais profundas Ferrugem Óxido de Ferro III hidratado Presença de água permite fluxo de carga entre cátodo e ânodo Presença de eletrólitos favorecem a formação, aumentando o fluxo de corrente Presença de ácidos favorecem formação: menor pH, menor Eo red 11 Células Combustíveis 1 Química Geral Aula 6 Prof. Dr. Arion Zandoná Filho 6a. Aula Termodinâmica Processo Termodinâmica Propriedade Termodinâmica Estado de um sistemaFunções de Estado Sistema Termodinâmico Termodinâmica Química � Objetiva o estudo das variações de energia que acompanham as reações químicas Primeira Lei da Termodinâmica � Não há reação química que ocorra sem variação de energia � A energia é conservativa 2 � Não pode ser criada ou destruída � Apenas transformada! Energia e Calor � As variações de energia, nas reações químicas, manifestam-se sob a forma de calor (geralmente) e luz liberada ou absorvida Origem � A origem da energia envolvida numa reação química decorre, basicamente, de um novo arranjo para as ligações químicas Entalpia � Enthalpein, do grego = calor � É simbolizado por H (heat) � É o conteúdo de energia armazenado, principalmente na forma de ligações Energia nas Ligações Quantidades de Calor 3 Estado Físico � Estado padrão = 0 Classificação das Reações Termoquímicas � Em função da energia envolvida, as reações podem ser de dois tipos: I.Exotérmicas: liberam energia • processos de combustão, respiração animal � Energia no final da reação é menor 4 II.Endotérmicas: absorvem energia • fotossíntese, cozimento dos alimentos Representações Gráficas Combustão do METANO H2 < H1 CALOR LIBERADO ∆H = H2 - H1 ∆H<0 CALOR LIBERADO CARBONATO DE CÁLCIO H2 > H1 CALOR ABSORVIDO ∆H = H2 - H1 ∆H>0 CALOR ABSORVIDO Quantidade de Calor � Cuidado: Quantidade de calor é diferente de temperatura. A temperatura de um corpo é função da agitação (velocidades de translação, de vibração e de rotação) de suas partículas. (...) (...) Enquanto que a quantidade de calor é função da temperatura e da massa total do sistema que contém o corpo 5 1 kcal = 1.000 cal 1 cal = 4,18 .107 erg = 4,18 j 1 kj = 1.000 j � “Caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5oC para 15,5oC a temperatura de 1g de água.” Calorímetro � É um aparelho usado para medir a quantidade de calor liberado ou absorvido em uma reação química ou transformação física Como Pode Ser Medido o Calor de Reação Em Meio Aquoso? � Utiliza-se um calorímetro, que nada mais é do que um recipiente isolado termicamente Como Pode Ser Medido o Calor de Reação? � Para reações de combustão, utiliza-se uma bomba calorimétrica � Nos dois casos, o calor é transferido para uma massa de água, que é obtido a partir da expressão: • Q=m. c. ∆T Tipos de Entalpia 1.Entalpia ou Calor de Formação • Corresponde à energia envolvida na formação de um mol de substância a partir de substâncias simples, no estado alotrópico mais comum 6 pg 160 2.Entalpia ou Calor de Decomposição • Pode ser considerada como a entalpia inversa à de formação de uma substância pg 164 3.Entalpia de Combustão • Corresponde à energia liberada na reação de 1 mol de substância (combustível) com O2 puro (comburente) Alimentos • Se o combustível for material orgânico • (C, H e O) a combustão pode ser de dois tipos: I. Completa II.Incompleta 7 I.Completa: os produtos são CO2 e H2O II.Incompleta: além dos produtos acima, forma-se, também, CO e/ou C (fuligem) 4.Entalpia de Dissolução • Corresponde ao calor liberado ou absorvido na dissolução (às vezes, seguida de dissociação) de 1 mol de substância, (...) (...) de tal modo que, pela adição de quantidades crescentes de água, seja alcançado um limite, a partir do qual não haja mais liberação ou absorção de calor � Processo endotérmico � Processo exotérmico 8 5.Entalpia de Neutralização • Corresponde ao calor liberado na formação de 1 mol de água, a partir da neutralização de 1 mol de íons H+ por 1 mol de íons OH-, em solução aquosa diluída Neutralização 6.Entalpia ou Energia de Ligação • É a quantidade de calor absorvida na quebra de 6,02.1023 ligações de determinada espécie, supondo as substâncias no estado gasoso, à 25°C Lei de Hess 9 Conceito � Lei da soma dos calores de reação, que demonstra que a variação de entalpia de uma reação química não depende do modo ou caminho como a mesma é realizada, e sim do estado inicial e do estado final Química Ambiental Energia � Combustíveis Fósseis � Energia Renovável Fluxo Energia 1020 Kj Combustíveis Fósseis 10 � Energias de combustão Energia Solar Formação de biomassa A quantidade anual de energia da luz solar em 1 m2 equivale a 190 kg de carvão betuminoso Distribuição de Combustíveis Atmosfera � Oxigênio & Ozônio � Chuva Ácida Ozônio Ciclo Natural � 22 km da terra 11 Chuva Ácida � O termo foi usado pela primeira vez por Robert Angus Smith, químico e climatologista inglês. Ele usou a expressão para descrever a precipitação ácida que ocorreu sobre a cidade de Manchester, no início da Revolução Industrial � Queima do enxofre: S + O₂ SO₂ +H₂O H₂SO₃ 2SO₂ + O₂ 2SO₃ H₂SO₄ Chuva Ácida Causada por Óxidos de Nitrogênio N₂+ 2O₂ 2NO₂ 2NO₂ + H₂O HNO₂ + HNO₃ τελικά επιτυχία
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