Aula 1- Matéria e Energia

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Aula 1- Matéria e Energia 
Jackson Resende – GQI -UFF 
 
• Química é o estudo das propriedades da matéria e 
materiais, bem como das mudanças sofridas por estes; 
 
• Matéria é o material físico do universo; tudo que tem 
massa e ocupa espaço; (Ex: livro, quadro; roupas) 
 
• No nível microscópico, a matéria consiste de 
elementos, átomos e moléculas. 
 
• Átomos são partículas infinitamente pequenas; cada 
elemento é formadao por um único tipo de átomo 
 
• Os átomos se combinam para formar moléculas, nas 
quais dois ou mais átomos estão ligados 
químicamente. 
 
Estados da matéria 
 
• A matéria pode ser um gás, um líquido ou um sólido. 
• Esses são os três estados da matéria. 
• Os gases não têm forma nem volume definidos. 
• Os gases podem ser comprimidos para formarem 
líquidos. 
• Os líquidos não têm forma, mas têm volume. 
• Os sólidos são rígidos e têm forma e volume definidos 
Substâncias puras e misturas 
• Os átomos consistem de apenas um tipo de elemento. 
 
• As moléculas podem consistir de mais de um tipo de 
elemento. 
– As moléculas podem ter apenas um tipo de átomo 
(um elemento). 
– As moléculas podem ter mais de um tipo de átomo 
(um composto). 
 
• Se mais de um átomo, elemento ou composto são 
encontrados juntos, então a substância é uma mistura. 
 
Substâncias puras e misturas 
• Se a matéria não é totalmente uniforme, então ela 
é uma mistura heterogênea. 
• Se a matéria é totalmente uniforme, ela é 
homogênea. 
• Se a matéria homogênea pode ser separada por 
meios físicos, então ela é uma mistura. 
• Se a matéria homogênea não pode ser separada 
por meios físicos, então ela é uma substância pura. 
• Se uma substância pura pode ser decomposta em 
algo mais, então ela é um composto. 
 
 
Elementos 
 
• Se uma substância pura não pode ser decomposta 
em algo mais, então ela é um elemento. 
 
• Existem 114 elementos conhecidos. 
• A cada elemento é dado um único símbolo químico 
(uma ou duas letras). 
 
• Os elementos são a base de constituição da 
matéria. 
 
 
 
• A crosta terrestre consiste de 5 elementos principais. 
• O corpo humano consiste basicamente de 3 
elementos principais 
Elementos 
 
 
Compostos 
 
• A maioria dos elementos se interagem para formar 
compostos. 
• As proporções de elementos em compostos são as 
mesmas, independentemente de como o composto foi 
formado. 
• Lei da Composição Constante (ou Lei das Proporções 
Definitivas): 
– A composição de um composto puro é sempre a 
mesma. 
 
Compostos 
• Quando a água é decomposta, sempre haverá duas vezes 
mais gás hidrogênio formado do que gás oxigênio. 
• As substâncias puras que não podem ser decompostas são 
elementos. 
 
Misturas 
• As misturas heterogêneas não são totalmente uniformes. 
• As misturas homogêneas são totalmente uniformes. 
• As misturas homogêneas são chamadas de soluções. 
Mudanças físicas e químicas 
• Quando uma substância sofre uma mudança física, sua 
aparência física muda. 
– O derretimento do gelo: um sólido é convertido em um 
líquido. 
• As mudanças físicas não resultam em uma mudança de 
composição. 
 
Mudanças físicas e químicas 
 
• Quando uma substância muda sua composição, ela 
sofre uma alteração química: 
– Quando o hidrogênio puro e o oxigênio puro reagem 
completamente, eles formam água pura. No frasco 
contendo água não há sobra de oxigênio nem de 
hidrogênio. 
 
 Mudanças físicas e químicas 
 
Alterações físicas e químicas 
 
• As propriedades físicas intensivas não dependem da 
quantidade de substância presente. 
– Exemplos: densidade, temperature e ponto de fusão. 
• As propriedades físicas extensivas dependem da 
quantidade de substância presente. 
– Exemplos: massa, volume e pressão. 
• As misturas podem ser separadas se suas 
propriedades físicas são diferentes. 
– Exemplos: filtração, destilação e cromatografia. 
 
 
Unidades SI 
• Existem dois tipos de unidades: 
– Unidades fundamentais (ou básicas); 
– Unidades derivadas. 
• Existem 7 unidades básicas no sistema SI. 
Volume 
 
• As unidades de volume são dadas 
por (unidades de comprimento)3. 
– A unidade SI de volume 
é o 1 m3. 
• Normalmente usamos 1 mL = 1 cm3. 
• Outras unidades de volume: 
– 1 L = 1 dm3 = 1000cm3 = 1000 mL. 
Unidades SI 
•Observe que a unidade SI para comprimento é o metro (m), 
enquanto a unidade SI para massa é o quilograma (kg). 
Densidade 
• Usada para caracterizar as substâncias. 
• Definida como massa dividida por volume: 
 
 
• Unidades: g/cm3. 
• Originalmente baseada em massa (a densidade era definida 
como a massa de 1,00 g de água pura). 
Energia 
• Energia é definida como capacidade de realizar trabalho, 
podendo ser cinética (movimento) ou potencial (armazenda) 
 
• A energia não pode ser nem criada nem destruida, maspode 
ser convertida de uma forma em outra. 
 
• Calor: É a propriedade da matéria relacionada à energia 
térmica que pode ser transferida de um corpo para outro. 
 
• Temperatura: É a propriedade da matéria relacionada à 
energia térmica decorrente do movimento dos átomos. 
 
 
Energia Cinética e Potencial da Matéria 
• Energia Cinética: associada ao movimento de corpo e ao 
trabalho mecânico; 
 
• Energia Potencial: energia “armazenada” decorrente da 
existência na Natureza de repulsões e/ou atrações entre 
objetos e seus constituintes; 
 
• Energia não pode ser criada ou destruída, somente 
transformada de uma forma em outra: ENERGIA TOTAL DO 
UNIVERSO É CONSTANTE 
E = K + P 29 
Energia Potencial 
• Atrações e repulsões elétricas no interior de átomos, 
moléculas e íons: substâncias possuem energia 
química na forma de energia potencial 
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Energia Cinética e temperatura de 
corpo 
• Partículas da matéria em constante movimento – energia 
cinética molecular; 
• Em gases e líquidos: deslocamento livre; Sólidos: oscilam 
em torno de posições fixas; 
31 
Energia Cinética e temperatura de 
corpo 
• A temperatura de um objeto é proporcional ao valor 
médio das energias cinéticas moleculares 
32 
2
2
1 mu
Energia Cinética e temperatura de 
corpo 
• Calor: transferido como energia cinética 
molecular de um objeto de temperatura mais 
alta para outro à temperatura mais baixa (lei 
zero da termodinâmica) 
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Unidades SI 
 
• Existem três escalas de temperatura: 
 
Escala Kelvin 
• Usada em ciência. 
• Mesmo incremento de temperatura como 
escala Celsius. 
• A menor temperatura possível (zero absoluto) é 
o zero Kelvin. 
• Zero absoluto: 0 K = - 273,15 oC. 
 
Temperatura 
• Escala Celsius 
• Também utilizada em ciência. 
• A água congela a 0 oC e entra em ebulição a 100 oC. 
• Para converter: K = oC + 273,15. 
 
• Escala Fahrenheit 
• Geralmente não é utilizada em ciência. 
• A água congela a 32 oF e entra em ebulição a 212 oF. 
• Para converter: 
 
 
 32-F
9
5
C    32C
5
9
F 
Termoquímica: Estudo das variações de 
energia em um sistema químico 
• SISTEMA: Parte do Universo a se estudar (béquer de 
uma reação) 
• VIZINHANÇA: Parte do Universo que não faz parte do 
Sistema 
• FRONTEIRA: Separação entre o ambiente e o sistema: 
pode ser visível (béquer) ou invisível (troposfera) 
 
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• Sistema aberto: troca de energia e matéria com a 
vizinhança; 
• Sistema fechado: troca de energia com a vizinhança, 
porém sem troca de matéria; 
• Sistema isolado: sem troca de energia e nem de 
matéria com a vizinhança; 
37• Num sistema isolado, toda alteração de temperatura 
só pode ocorrer decorrente de modificações de sua 
energia potencial e energia cinética molecular; 
• Reações química implicam na quebra e formação de 
ligações químicas; 
• Em reações exotérmicas, observa-se o aumento na 
temperatura de um sistema isolado, ou cessão de 
calor para a vizinhança em um sistema fechado/aberto 
(EP  EK); 
• Em reações endotérmicas, observa-se uma diminuição 
na temperatura de um sistema isolado, ou absorção 
de calor do ambiente em um sistema fechado/aberto 
(EK  EP); 
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Funções de estado 
• A energia de um sistema é função apenas do Estado do 
Sistema, não dependendo da como o sistema adquiriu 
nem do que possa acontecer. 
• Qualquer propriedade que não dependa da “história” 
do sistema e nem do seu futuro é denominada FUNÇÃO 
DE ESTADO; 
• Se um sistema é alterado de um estado a outro, a 
variação na função de estado é independente de como 
a mudança foi produzida. 
• Em outras palavras, a variação da função de estado 
depende somente dos estados inicial e final do 
sistema, e não de como a energia foi utilizada. 
 
 
39 
Variação da temperatura 
 
Esta independência do método ou do mecanismo através do 
qual ocorre uma variação é a característica marcante de 
todas as funções de estado 
t = tfinal - tinicial 
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Energia interna 
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• A energia total de um sistema é denominada Energia 
interna. Esta é descrita como a soma de toda a energia 
cinética e potencial de um sistema. 
Etotal = Ecinética + EPotencial 
• Não se pode medir a energia interna absoluta. 
 
• Em termoquímica, o interesse está nas variações que ocorrem 
na energia em decorrência das reações químicas; 
 
 
 
• Assim, pode-se observar que a energia interna é uma função 
de estado. 
E = Efinal - Einicial 
E = Eprod - Ereagentes 
 
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Variação da 
Energia 
Interna de 
uma pilha 
 
Calor e trabalho 
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• A energia não pode ser criada ou destruída, ou seja, A energia 
(sistema + vizinhança) é constante. 
• Toda energia transferida de um sistema deve ser transferida para as 
vizinhanças (e vice-versa). 
• Desta forma, o calor e o trabalho são os dois processos pelos quais 
um sitema troca energia com a vizinhança; 
• Assim, define-se a primeira lei da termodinâmica: 
quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, 
a variação obtida em sua energia interna, E, é dada pelo 
calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho 
realizado pelo ou no sistema: 
 
E = q + w 
E = entrada de calor + entrada de trabalho 
• O calor e o trabalho não são funções de estado, e assim suas 
variações são dependentes dos processos que ocorrem na 
transformação 
44 
 
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Exemplo: Um motor de automóvel realiza 520 J 
de trabalho e perde 220 J de energia como 
calor. Qual é a variação de energia interna do 
motor? Trate o motor, o combustível e os gases 
do escapamento como um sistema fechado. 
 
 ΔU = q – w 
 ΔU = –520 – 220 
 ΔU = –740 J 
 
Calor Específico e Capacidade 
Calorífica 
• Propriedades térmicas comuns a todas sustâncias: 
Calor Específico e Capacidade Calorífica 
• Calor Específico: quantidade de calor necessária para 
variar a temperatura de 1g de uma substância de 1ºC 
(propriedade intensiva). 
q = m c T (c = calor específico) 
• Capacidade Calorífica: calor necessário para variar a 
temperatura de uma amostra de 1ºC (relaciona-se a 
um objeto – propriedade extensica) 
q = C T (C = capacidade calorífica) 
 
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 Exemplo: Suponha que 15,0 g de ouro (Au) são 
aquecidos de 16,1 a 49,3 oC sob pressão atmosférica. 
Calcule a troca de calor para o processo, admitindo 
que o calor específico do ouro é de 0,032cal/g oC 
nestas temperaturas. 
 
1) Variação de temperatura 
ΔT = 49,3 – 16,1 = 33,2 oC . 
 
 q = m C ΔT 
 
 q = 15,9 cal = 66,6 J