Substância química

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Substância química
Por Bruna Teixeira da Fonseca
Mestre em Química (UFRJ, 2012)
Graduada em Química (UFRJ, 2010)
É muito comum nos depararmos com o termo substância química em nosso cotidiano, no entanto, este termo é geralmente utilizado de forma pejorativa, como algo que cause danos à saúde e ao meio ambiente. Este é um uso errôneo para o termo, pois as substâncias químicas estão a toda nossa volta e, inclusive, dentro de nós.
O nosso corpo é formado por diversas substâncias químicas. A água (H2O) compõe mais de 50% da massa do corpo humano e as nossas células são compostas por carboidratos (açucares), lipídios, proteínas, entre outras substâncias. Nossa alimentação também é baseada em substâncias químicas, tanto naturais quanto sintéticas.
Molécula de água.
Substância química é qualquer espécie de matéria formada por uma composição constante de elementos químicos, e que tenha propriedades físicas e químicas definidas.
Por exemplo, a substância química água é um líquido à temperatura ambiente (25°C), de característica incolor e inodora, composta por moléculas de H2O, que à pressão de 1 atm possui temperatura de fusão igual a 0ºC e de ebulição igual a 100°C.
Um mesmo elemento químico pode formar substâncias diferentes, dependendo de como estes elementos se organizam, ou com quais outros elementos se combinam, podendo se ligar com um isótopo ou com outros elementos, formando substâncias simples ou compostas.
Quando um átomo de um elemento se liga a outro átomo isótopo dele, este elemento pode formar mais de um alótropo, como é o caso do oxigênio (O) que forma o gás oxigênio (O2) e o ozônio (O3). Este tipo de combinação é chamada de substância simples, pois temos apenas um tipo de elemento se combinando. Já em situações onde temos mais de um tipo de elemento se ligando, temos substâncias compostas, como é o caso da água (H2O), formada por 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio.
Uma substância química pode ser classificada como pura ou mistura. Substâncias puras possuem características definidas e sempre se comportam da mesma maneira, como é o caso do ácido clorídrico (HCl), ácido forte presente no estômago humano. Já as misturas são a junção de duas ou mais substâncias puras, como a água do mar ou a maionese e podem ser subdivididas em homogêneas ou heterogêneas.
As misturas homogêneas são aquelas em que não há separação de fases, ou seja, ao observarmos ao olho nu, vemos como uma só substância, como é o caso da água do mar, que é formada por H2O e NaCl (dentre outros sais dissolvidos), mas ao olho nu vemos apenas água salgada.
As misturas heterogêneas são aquelas que formam mais de uma fase ao olho nu, como é o caso de óleos bifásicos ou de uma simples mistura de água com areia.
Existe uma classe de substâncias químicas conhecida como coloides. Esta classe apresenta substâncias que ao olho nu parecem como uma substância pura, no entanto, ao olharmos cuidadosamente em um microscópio, vemos uma separação de fases. Um bom exemplo de coloide é a maionese, que ao ser observada no microscópio, é possível ver as moléculas de gordura que a formam dispersas no líquido.
Separação de Misturas
A separação de misturas em substâncias simples pode ser realizada através dos seguintes procedimentos:
Peneiração: usada entre dois sólidos de tamanhos diferentes. Exemplo: Pedra e areia.
Levigação: usada entre sólidos heterogêneos através da mistura de um deles à água.
Centrifugação: através da utilização de uma centrifuga, que agiliza a decantação.
Decantação: quando houver substâncias com diferentes densidades. Uma delas se deposita no fundo do recipiente e pode ser retirada.
Dissolução fracionada: pode ser utilizada quando um dos componentes da misture é solúvel em líquido. Depois de dissolvida uma das partes, a outra é filtrada e o restante evaporado.
Destilação simples: quando há temperaturas de ebulição distintas.
Destilação fracionada: semelhante à destilação simples, mas no vidro há diversos obstáculos que retém as partes da mistura aos poucos.
Catação: separação manual de sólidos diferentes.
Flotação: usada para separar sólidos de densidade diferentes. Enquanto um deles afunda, o outro permanece na superfície.
Fusão fracionada: quando as substâncias químicas possuem pontos de fusão diferenciados, uma delas é aquecida e separada.
Sublimação: é a passagem de solido para gás que algumas substâncias químicas podem sofrer, com o aquecimento adequado.
Além disso, ainda é possível fazer a separação magnética ou a separação por filtragem.
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Substância pura
Por Bruna Teixeira da Fonseca
Mestre em Química (UFRJ, 2012)
Graduada em Química (UFRJ, 2010)
Substância pura é toda substância formada por apenas um tipo de molécula, de composição química invariável e homogênea, e que tenha propriedades físicas e químicas constantes. A substância pura pode existir em mais de uma fase, porém, nesses casos, a composição das fases será a mesma.
Em suma, substância pura é todo material com as seguintes características:
Unidades estruturais (moléculas, conjuntos iônicos) quimicamente iguais entre si.
Composição fixa, do que decorrem propriedades fixas, como densidade, ponto de fusão e de ebulição, etc.
A temperatura se mantém inalterada desde o início até o fim de todas as suas mudanças de estado físico (fusão, ebulição, solidificação, etc.).
O gráfico de aquecimento da água pura está representado abaixo:
No gráfico observa-se que o gelo, ao derreter, muda de estado físico (fusão) e esse processo acontece na temperatura constante de 0 ºC. Depois, ao atingir a temperatura de 100 ºC, a água líquida começa a passar para o estado vapor (ebulição) e esse processo também ocorre sem mudança de temperatura.
As substâncias puras podem ser divididas em simples e compostas.
Substância pura simples
É formada por apenas um tipo de elemento.
Exemplos:
H2 (gás hidrogênio)
N2 (gás nitrogênio)
O2 (gás oxigênio)
Substância pura composta
Pode ser formada por mais de um tipo de elemento.
Exemplos:
CO2 (dióxido de carbono)
NaCl (cloreto de sódio)
H2O (água)
As substâncias puras podem se apresentar em forma de sistema homogêneo ou heterogêneo:
Sistema homogêneo
Se apresenta em apenas uma fase, ou seja, vemos somente uma coisa dentro do frasco. Na foto abaixo vemos a substância pura água no estado líquido.
Água pura. Foto: Edler von Rabenstein / Shutterstock.com
Sistema heterogêneo
Apresenta mais de uma fase, ou seja, observamos mais de uma coisa dentro do frasco. Na foto abaixo vemos a substância pura água no estado líquido e também no estado sólido (gelo), no entanto, ambas as representações são água.
Sistema heterogêneo. Foto: Melica / Shutterstock.com
É importante tomar cuidado com situações onde lidamos com uma mistura que se comporta visualmente como substância simples. O sangue por exemplo, pode parecer uma substância simples, mas é uma mistura de diversos componentes (água, hemácias, plasma, etc). A água do mar é uma mistura de água com sais dissolvidos. Outros exemplos são o leite, a maionese, a madeira, entre outros.
O ar que respiramos também é um exemplo de mistura que aparentemente parece substância pura e é composto por: gás nitrogênio (N2) = 78%, gás oxigênio (O2) = 21%, gás argônio (Ar) = 1% e gás carbônico (CO2) = 0,03%. O resto da composição são impurezas e partículas sólidas dissipadas.
Bibliografia:
Atkins, P.W., Jones, L., Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente 5ª ed., Porto Alegre: Ed. Bookman, 2012.
Usberco J., Salvador E., Química Geral, 12ª.ed., São Paulo: Saraiva, 2006.
http://docente.ifsc.edu.br/michael.nunes/MaterialDidatico/Analises%20Quimicas/Quimica%20Geral/substacncias-puras-e-misturas-parte-1.pdf
http://www2.eesc.usp.br/netef/Oscar/Aula4t.pdf
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Substâncias simples e compostas
As substâncias puras (que só possuem um único componente) podem ser divididas em simples e compostas.
Substância pura simples
É formada por apenas um tipo de elemento, sob a forma de íonsiguais.
Exemplos: H2 (Gás Hidrogênio), N2 (gás nitrogênio), O2 (gás oxigênio).
Representação com átomos simbolizados por bolinhas para a molécula de H2.
Em alguns casos, um mesmo elemento pode formar substâncias simples diferentes dependendo da maneira como ele se combina, formando alótropos. Esse é o caso do oxigênio, que forma o O2 (gás oxigênio) e o O3 (gás ozônio).
Muitos elementos da Tabela Periódica existem como substância pura. A maior parte da Tabela forma substâncias puras no estado físico sólido (no caso dos metais, por exemplo) e gasoso (no caso o gás oxigênio, por exemplo). As duas únicas substâncias puras simples líquidas são o mercúrio e o bromo.
As substâncias simples podem ser classificadas em monoatômicas, diatômicas, triatômicas, etc. como vemos a seguir:
Monoatômicas: é o caso dos gases nobres, que existem de maneira isolada na natureza, como o gás hélio (He), o gás argônio (Ar) e também dos metais como o ferro (Fe) e o alumínio (Al).
Diatômicas: é o caso do oxigênio (O2) e do hidrogênio (H2) do ar.
Triatômicas: o gás ozônio (O3) é formado por três átomos de oxigênio como já mencionado no texto.
Substância pura composta
Pode ser formada por mais de um tipo de elemento, sob a forma de íons diferentes. Não existe limite para o número de átomos que formam uma substância composta.
Exemplos: CO2 (dióxido de carbono), NaCl (cloreto de sódio), H2O (água).
Representação com átomos simbolizados por bolinhas para a molécula de H2O.
Assim como nas substâncias puras, nas compostas também há a possibilidade de dois elementos formarem, dependendo da proporção entre eles, substâncias diferentes. Neste caso não chamados de alotropia pois é apenas uma combinação diferente de átomos. Mas é preciso levar em conta que para ser substância pura, a composição não pode variar.
Exemplo: H2O (água) e H2O2 (água oxigenada).
Note que ambas as substâncias possuem hidrogênio e oxigênio, mas não são a mesma.
Uma particularidade de algumas substâncias compostas é a capacidade de serem decompostas em substâncias simples. A água (H2O), por exemplo, pode ser decomposta em gás oxigênio e gás hidrogênio por eletrólise, assim como cloreto de sódio (NaCl) que, no seu estado fundido, ao passarmos uma corrente elétrica, sofre uma reação de oxirredução que dará origem a duas substâncias simples, o sódio metálico (Na) e o gás cloro (Cl2).
Bibliografia:
Atkins, P.W., Jones, L., Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente 5ª ed., Porto Alegre: Ed. Bookman, 2012.
Usberco J., Salvador E., Química Geral, 12ª.ed., São Paulo: Saraiva, 2006.
http://docente.ifsc.edu.br/michael.nunes/MaterialDidatico/Analises%20Quimicas/Quimica%20Geral/substacncias-puras-e-misturas-parte-1.pdf
http://www2.eesc.usp.br/netef/Oscar/Aula4t.pdf
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Isótopos
Por Bruna Teixeira da Fonseca
Mestre em Química (UFRJ, 2012)
Graduada em Química (UFRJ, 2010)
Faça os exercícios
onceitualmente, isótopos são átomos que possuem o mesmo número de prótons, ou seja, são espécies distintas do mesmo elemento, diferindo apenas no número de massa e de nêutrons.
Os isótopos em geral possuem mesmas propriedades químicas, visto que esse tipo de propriedade só depende do número atômico, como é o caso da solubilidade. No entanto, podem apresentar diferentes propriedades físicas devido a suas massas serem diferentes, como é o caso da densidade.
Os isótopos de um mesmo elemento possuem abundâncias naturais diferentes, ou seja, são encontrados na natureza em quantidades distintas uns dos outros. O cálculo da massa de um elemento químico é feito utilizando-se a massa e a abundância natural de cada isótopo daquele elemento. Sendo assim o isótopo mais abundante é aquele que contribui mais para as características químicas do elemento na Tabela Periódica.
Ex.: O cloro possui dois isótopos:
	Isótopo
	Abundância Isotópica (%)
	Massa Relativa (u)
	Cl35
	75,76
	34,969
	Cl37
	24,24
	36,966
A massa atômica relativa do cloro é dada pela média ponderada entre suas abundâncias isotópicas:
(75,76×34,969)+(24,24×36,966)100≈35,5u
A massa arredondada que observamos para o oxigênio na Tabela Periódica é 16u., sendo este valor uma maior contribuição (99,75%) do isótopo de massa 15,994 u. do que de seus outros dois isótopos, O17 e O18.
Os radioisótopos são átomos que apresentam um núcleo radioativo, podendo liberar radiação ao se transformar em um outro isótopo (decaimento radioativo). Estes isótopos são muito utilizados em diversas aplicações, desde a obtenção de energia até na medicina para tratamentos radioterápicos.
A utilização de radioisótopos no tratamento de câncer é geralmente feita ligando-se um destes radioisótopos a uma molécula que o leve até a célula cancerosa. Quando o radioisótopo decai, ele emite radiações que ionizam o DNA da célula cancerosa e inibem seu crescimento.
Isótopos importantes:
Isótopos do Hidrogênio
O elemento hidrogênio possui 3 isótopos conhecidos, sendo eles:
1H1 – prótio (cerca de 99,98%)
1H2 – deutério - hidrogênio que possui um nêutron (cerca de 0,015%).
1H3 – trítio - hidrogênio que possui dois nêutrons, e é radioativo (apenas traços).
Isótopos do Carbono
O carbono possui dois isótopos naturais:
6C12 – carbono 12, mais abundante na Terra (cerca de 98,89%).
6C13 – carbono 13, menos abundante (cerca de 1,01 a 1,14%).
6C14 – carbono 14, apenas traços na natureza, é radioativo e por esta razão é utilizado para fazer o processo de datação de artefatos geológicos.
Como funciona a datação por carbono 14?
A técnica de datação por carbono-14 foi descoberta na década de 1940 por Willard Libby. Ele utilizou um contador Geiger para medir a radioatividade do C-14 existente em diversos objetos e percebeu que a quantidade de C-14 decaia a um ritmo constante após a morte de um organismo vivo. Ele fez a análise de artefatos com datação documentada e comparou com a radiação observada por ele, podendo assim determinar a idade média do artefato. Esta técnica é considerada viável para objetos de até 70 mil anos e é aplicável à madeira, carbono, sedimentos orgânicos, ossos, conchas marinhas - ou seja, todo material que conteve carbono em alguma de suas formas, e o absorveu, mesmo que indiretamente, como pela alimentação com organismos fotossintetizantes, da atmosfera.
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Mistura e substância
Mistura - é formada por duas ou mais substâncias puras. As misturas têm composição química variável, não expressa por uma fórmula.
Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:
- gasolina – mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por hidrogênio e carbono.
- ar atmosférico – mistura de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 1% de argônio e mais outros gases, como o gás carbônico.
- álcool hidratado – mistura de 96% de álcool etílico mais 4% de água.
Substância – é cada uma das espécies de matéria que constitui o universo. Pode ser simples ou composta.
Sistema e fases
Sistema – é uma parte do universo que se deseja observar, analisar. Por exemplo: um tubo de ensaio com água, um pedaço de ferro, uma mistura de água e gasolina, etc.
Fases – é o aspecto visual uniforme.
As misturas podem conter uma ou mais fases.
Mistura homogênea: É formada por apenas uma fase. Não se consegue diferencias a substância. Exemplos:
- água + sal
- água + álcool etílico
- água + acetona
- água + açúcar
- água + sais minerais
Mistura heterogênea: É formada por duas ou mais fases. As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio. Exemplos:
- água + óleo 
- granito
- água + enxofre
- água + areia + óleo
Os sistemas monofásicos são as misturas homogêneas. Os sistemas polifásicos são as misturas heterogêneas.
Os sistemas homogêneos, quando formados por duas ou mais substâncias miscíveis (que se misturam) umas nas outras chamamos de soluções. São exemplos de soluções: água salgada, vinagre, álcool hidratado.
Os sistemas heterogêneos podem ser formados por uma única substância, porém em váriasfases de agregação (estados físicos). Exemplo:
Água: 
- líquida 
- sólida (gelo)
- vapor
Separação de misturas
Os componentes das misturas podem ser separados. Existem algumas técnicas para realizar esta separação. O tipo de separação depende do tipo de mistura.
Alguns dos métodos de separação são: 
catação, 
levigação, 
dissolução ou flotação, 
peneiração, 
separação magnética, 
dissolução fracionada, 
decantação e sedimentação, 
centrifugação, 
filtração, 
evaporação, 
destilação simples e fracionada e 
fusão fracionada.
Separação de sólidos: Para separar sólidos, podemos utilizar os seguintes métodos.
Catação: Consiste basicamente em recolher com as mãos ou uma pinça um dos componentes da mistura. Exemplo: separar feijão das impurezas antes de cozinhá-los.
Levigação: Separa substâncias mais densas das menos densas usando água corrente. Exemplo: processo usado por garimpeiros para separar ouro (mais denso) da areia (menos densa).
Dissolução ou floculação: Consiste em dissolver a mistura em solvente com densidade intermediária entre as densidades dos componentes das misturas.
Exemplo: serragem + areia (Adiciona-se água na mistura. A areia fica no fundo e a serragem flutua na água; com isso separa-se a serragem e a areia).
Peneiração: Separa sólidos maiores de sólidos menores ou ainda sólidos em suspensão em líquidos.
Exemplos: os pedreiros usam esta técnica para separar a areia mais fina de pedrinhas; para separar a polpa de uma fruta das suas sementes, como o maracujá. Este processo também é chamado de tamisação.
Separação magnética: Usado quando um dos componentes da mistura é um material magnético. Com um ímã ou eletroímã, o material é retirado. Exemplo: limalha de ferro + enxofre; areia + ferro
Ventilação: Usado para separar dois componentes sólidos com densidades diferentes. É aplicado um jato de ar sobre a mistura.
Exemplo: separar o amendoim torrado da sua casca já solta; arroz + palha.
Dissolução fracionada: Consiste em separar dois componentes sólidos utilizando um líquido que dissolva apenas um deles.
Exemplo: sal + areia (Dissolve-se o sal em água. A areia não se dissolve na água. Pode-se filtrar a mistura separando a areia, que fica retida no filtro da água salgada. Pode-se evaporar a água, separando a água do sal).
Separação de sólidos e líquidos: Para separar misturas de sólidos e líquidos, podemos utilizar os seguintes métodos:
Decantação,
sedimentação,
 centrifugação, 
Filtração,
evaporação.
Sedimentação: Consiste em deixar a mistura em repouso até o sólido se depositar no fundo do recipiente.
Exemplo: água + areia
Decantação: É a remoção da parte líquida, virando cuidadosamente o recipiente. Pode-se utilizar um funil de decantação para remover um dos componentes da mistura.
Exemplo: água + óleo; água + areia
Centrifugação: É o processo de aceleração da sedimentação. Utiliza-se um aparelho chamado centrífugaou centrifugador, que pode ser elétrico ou manual.
Exemplo: Para separar a água com barro.
Filtração: Processo mecânico que serve para separar uma mistura sólida dispersa com um líquido ou gás. Utiliza-se uma superfície porosa (filtro) para reter o sólido e deixar passar o líquido. O filtro usado é um papel filtro.
O papel filtro dobrado é usado quando o produto que mais interessa é o líquido. A filtração é mais lenta.
O papel filtro pregueado produz uma filtração mais rápida e é utilizada quando a parte que mais interessa é a sólida.
Exemplo: água + areia
Evaporação: Consiste em evaporar o líquido que está misturado com um sólido.
Exemplo: água + sal de cozinha (cloreto de sódio).
Nas salinas, obtém-se o sal de cozinha por este processo. Na realidade, as evaporações resultam em sal grosso, que se for purificado torna-se o sal refinado (sal de cozinha), que é uma mistura de cloreto de sódio e outras substâncias adicionadas pela indústria.
Separação de misturas homogêneas: Para separar os componentes das substâncias de misturas homogêneas, usamos os métodos chamados de fracionamento, que se baseiam na constância da temperatura nas mudanças de estados físicos. São eles: destilação e fusão.
Destilação: Consiste em separar líquidos e sólidos com pontos de ebulição diferentes. Os líquidos devem ser miscíveis entre si.
Exemplo: água + álcool etílico; água + sal de cozinha
O ponto de ebulição da água é 100°C e o ponto de ebulição do álcool etílico é 78°C. Se aquecermos esta mistura, o álcool ferve primeiro.
No condensador, o vapor do álcool é resfriado e transformado em álcool líquido, passando para outro recipiente, que pode ser um frasco coletor, um erlenmeyer ou um copo de béquer. E a água permanece no recipiente anterior, separando-se assim do álcool.
Para essa técnica, usa-se o aparelho chamado destilador, que é um conjunto de vidrarias do laboratório químico. Utiliza-se: termômetro, balão de destilação, haste metálica ou suporte, bico de Bunsen, condensador, mangueiras, agarradores e frasco coletor. Este método é a chamada destilação simples.
Nas indústrias, principalmente de petróleo, usa-se a destilação fracionada para separar misturas de dois ou mais líquidos. As torres de separação de petróleo fazem a sua divisão produzindo gasolina, óleo diesel, gás natural, querosene, piche.
As substâncias devem conter pontos de ebulição diferentes, mas com valores próximos uns aos outros.
 
Fusão fracionada: Separa componentes de misturas homogêneas de vários sólidos. Derrete-se a substância sólida até o seu ponto de fusão, separando-se das demais substâncias.
Exemplo: mistura sólida entre estanho e chumbo.
O estanho funde-se a 231°C e o chumbo a 327°C. Então, funde-se primeiramente o estanho.