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QUÍMICA BÁSICA – TRANSFORMAÇÕES Dentre as Ciências da Natureza, a Química é aquela que estuda a matéria no que diz respeito à sua composição e às transformações que ocorrem. Um número imenso dessas transformações ocorre no dia-a-dia. Muitas delas ocorrem naturalmente, isto é, sem que o homem interfira. Por exemplo, o amadurecimento de uma fruta, a decomposição de um organismo morto, a digestão dos alimentos etc. Outras transformações, porém, só acontecem devido à interferência do homem. Por exemplo, a queima da gasolina, a produção de tintas, a produção do aço etc. Contudo, todas as transformações que modificam a natureza da matéria, independentemente de serem naturais ou de serem controladas pelo homem, são por definição processos químicos. O objetivo de todo químico é entender exatamente como as transformações ocorrem, conhecer os princípios básicos que regem essas transformações para poder prever quando uma transformação é possível ou não e quando sua reprodução em grande escala é viável. MATÉRIA E ENERGIA Matéria Matéria é tudo o que tem massa e ocupa um lugar no espaço, ou seja, possui volume. Ex.: madeira, ferro, ouro, ar etc. Propriedades da matéria Propriedades são características que definem a espécie de matéria. Podem ser divididas em três grupos: gerais, funcionais e específicas. 1. Propriedades gerais - São as propriedades inerentes a qualquer espécie de matéria. Por exemplo: Massa: é a grandeza que se usa como medida da quantidade de matéria de um corpo ou objeto. Extensão: espaço que a matéria ocupa, ou seja, seu volume. Impenetrabilidade: é o fato de que duas porções de matéria não podem, ao mesmo tempo, ocupar o mesmo lugar no espaço. Divisibilidade: toda matéria pode ser dividida sem alterar a sua constituição (até um certo limite). Compressibilidade: o volume ocupado por uma porção de matéria pode diminuir sob a ação de forças externas. Elasticidade: se a ação de uma força causar deformação na matéria, dentro de um certo limite, ela poderá retornar à forma original. 2. Propriedades funcionais - São propriedades comuns a determinados grupos de matéria, identificadas pela função que desempenham. A Química se preocupa particularmente com essas propriedades. Por exemplo, a acidez, a basicidade, a salinidade de algumas espécies de matéria. 3. Propriedades específicas - São propriedades inerentes a cada tipo particular de matéria. Elas podem ser: Organolépticas: são aquelas capazes de impressionar os sentidos, como a cor, que impressiona a visão, o sabor e o odor, que impressionam o paladar e o olfato respectivamente, e a fase de agregação da matéria, que pode ser sólida (pó, pasta), líquida ou gasosa e que impressiona o tato. Químicas: são propriedades responsáveis pelos tipos de transformação que cada matéria é capaz de sofrer. Por exemplo, o vinho pode se transformar em vinagre; o ferro pode se transformar em aço. Físicas: são certos valores constantes, encontrados experimentalmente, para o comportamento de cada tipo de matéria, quando submetida a determinadas condições, as quais não alteram a constituição da matéria, por mais adversas que sejam. Por exemplo: o ponto de ebulição (sob uma pressão de 1 atmosfera, à temperatura de 100°C a água sempre passa de líquida para gasosa), a densidade, o calor específico etc. Propriedades físicas: Propriedades intensivas e propriedades extensivas. • As propriedades físicas intensivas não dependem da quantidade de substância presente. – Exemplos: densidade, temperatura e ponto de fusão. • As propriedades físicas extensivas dependem da quantidade de substância presente. – Exemplos: massa, volume e pressão. CLASSIFICAÇÃO DA MATÉRIA: Misturas e Substâncias puras Misturas: Dois ou mais tipos de matéria (Misturas homogêneas, também chamadas de soluções, e Misturas heterogêneas). Apresentam propriedades físicas e químicas diferentes. Os componentes são separados através de processos físicos: filtração, destilação, evaporação, decantação etc. Substâncias Puras: Substâncias simples (átomos de um mesmo elemento) e Substâncias compostas (átomos de elementos diferentes). Possuem propriedades físicas e químicas bem definidas. Separação de misturas • As misturas podem ser separadas se suas propriedades físicas são diferentes. • Os sólidos podem ser separados dos líquidos através de filtração. • O sólido é coletado em papel de filtro, e a solução, chamada de filtrado, passa pelo papel de filtro e é coletada em um frasco. • As misturas homogêneas de líquidos podem ser separadas através de destilação. • A destilação necessita que os diferentes líquidos tenham pontos de ebulição diferentes. • Basicamente, cada componente da mistura é fervido e coletado. • A fração com ponto de ebulição mais baixo é coletada primeiro. UNIDADES DE MEDIDAS Unidades SI • Existem dois tipos de unidades: – Unidades fundamentais (ou básicas); – Unidades derivadas. • Existem 7 unidades básicas no sistema SI. Unidades SI • Observe que a unidade SI para comprimento é o metro (m), enquanto a unidade SI para massa é o quilograma (kg). – 1 kg tem 2,2046 lb. Temperatura 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. – 273,15−Zero absoluto: 0 K = 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 += • 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 = 1000 cm3 = 1000 mL. LEIS DA CONSERVAÇÃO DA MASSA E DAS PROPORÇÕES DEFINIDAS Lei da conservação da massa (Lavoisier): Numa reação química, nenhuma quantidade de massa é criada ou destruída. Lei das proporções definidas: Em uma substância química pura, os elementos estão sempre presentes em proporções mássicas definidas. Ex.: Na água, a relação mássica entre hidrogênio e oxigênio é de 1/8. A PARTÍCULA FUNDAMENTAL DA MATÉRIA: O Átomo e sua composição Teoria Atômica de Dalton Os filósofos gregos Leucipo e Demócritos, cerca de 400 a 500 a.C, já propunham que a matéria não poderia ser infinitamente dividida em partes cada vez menores. Ao final deveria chegar-se a um determinado limite. Em 1803, o cientista inglês John Dalton, baseado em uma série de leis experimentais das transformações químicas apresentou os seguintes postulados: 1. A matéria é composta de partículas indivisíveis chamadas de átomos. 2. Todos os átomos de um mesmo elemento têm as mesmas propriedades (por exemplo, tamanho, forma e massa), as quais diferem das propriedades de todos os átomos dos outros elementos. 3. Uma reação química consiste, simplesmente, num rearranjo dos átomos de um conjunto de combinações para outro. Entretanto, os átomos individuais permanecem intactos. Massa e carga das partículas fundamentais: Prótons, elétrons e nêutrons. Para se medir a massa de coisas tão pequenas como o átomo e as partículas que o compõem, usa-se como padrão o u, unidade de massa atômica, de acordo com o Sistema Internacional de unidades. O u (unidade de massa atômica) correspondea 1,66057 x 10-24 g A massa das partículas fundamentais, em repouso, é a seguinte: próton = 1,00728 u, nêutron = 1,00866 u e elétron = 5,48579 x10-4 u. Exercício: Transformar as massas do próton, elétron e nêutron de u para g. Se comparar essas massas entre si, ver-se-á que a massa do nêutron é quase igual á massa do próton, enquanto o elétron tem massa igual a 1.836 vezes menor que a massa do próton. Praticamente toda a massa do átomo está contida no núcleo. A carga elétrica do elétron foi determinada experimentalmente em 1908 por Robert A. Millikan e é igual a -1,602189 x10-19 coulomb, o que equivale a uma unidade elementar de carga (1 uec). A carga do próton é igual à do elétron, só que de sinal contrário (o sinal das cargas é uma convenção). As cargas do próton e do elétron se anulam mutuamente. O nêutron não possui carga elétrica, é neutro. Dimensões do átomo O tamanho de um átomo é normalmente medido em angströns. Lembre-se de que: I angström equivale a 10-8 centímetro. O diâmetro médio do núcleo de um átomo fica entre 10-5 e 10-4 angström. O diâmetro médio da eletrosfera de um átomo é de 1 angström. Isso nos leva a importantes conclusões: (diâmetro da eletrosfera) / (diâmetro de núcleo) = 105 veremos que a eletrosfera de um átomo é entre 10 000 e 100 000 vezes maior que o seu núcleo. Se o núcleo tivesse o diâmetro de 1 centímetro, a eletrosfera teria o diâmetro entre 100 metros e 1 quilômetro. Uma vez que praticamente toda a massa do átomo está contida no núcleo (devido aos prótons e aos nêutrons) e que essa enorme região chamada eletrosfera (que contém os elétrons) praticamente não tem massa, reafirma-se a conclusão de Rutherford: O átomo é um grande vazio. Átomos e elemento químico O número atômico Até hoje são conhecidos cerca de 114 tipos diferentes de elementos que, combinados entre si das mais diversas maneiras, vão dar origem a todo tipo de matéria existente. Átomos de mesmo tipo são aqueles que possuem o mesmo número de prótons (o número de nêutrons e o número de elétrons não precisam ser o mesmo). Como o número de prótons define a espécie de átomo, ele é denominado número atômico e simbolizado por Z. número de prótons (p) = número atômico (Z) ou Z = p De onde vem a definição: Elemento químico é um conjunto (agregado) de átomos com o mesmo número atômico. Exemplos: Hidrogênio -- conjunto de átomos que possuem 1 próton. Oxigênio -- conjunto de átomos que possuem 8 prótons. Carbono -- conjunto de átomos que possuem 6 prótons. Número de massa Como praticamente toda a massa do átomo está contida no núcleo, denomina-se o número total de prótons e nêutrons de um átomo de número de massa, que é simbolizado por A. A = p+n ou A =Z+n Exemplo: Considerando-se um átomo que possua 11 prótons, 12 nêutrons e 11 elétrons, seu número atômico Z será 11 (Z = p) e seu número de massa A será 23 (A = Z + n, isto é, A = 11+ 12 = 23). NÚMERO DE MASSA X MASSA ATÔMICA É importante ainda perceber que o conceito de número de massa é totalmente distinto dos conceitos de massa atômica -- termos muito usado na Química Massa atômica: é por definição o número que indica quantas vezes a massa do átomo é mais pesada que o u. Massa atômica = (massa do átomo em u). SÍMBOLOS DOS ELEMENTOS QUÍMICOS Cada elemento químico é representado por um símbolo, de acordo com a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), obedecendo às regras básicas criadas por Berzelius em 1814. Tabela Periódica dos Elementos ISÓTOPOS, ISÓBAROS E ISÓTONOS. ISÓTOPOS, bem como os dois itens seguintes, ISÓBAROS e ISÓTONOS, são relações que dizem respeito apenas ao núcleo do átomo. Como a eletrosfera e os elétrons não vão interferir nessas relações, o número de elétrons pode ou não ser o mesmo, de uma entidade química para outra. Isótopos Denominam-se isótopos as entidades químicas que possuem o mesmo número de prótons. A esse fenômeno dá-se o nome de isotopia. O número de nêutrons (n) dos isótopos e, portanto, o número de massa (A) é diferente. Todos os elementos químicos possuem isótopos, naturais e/ou artificiais. Os diferentes isótopos são diferenciados pelos números de massa. Apenas os isótopos do elemento químico hidrogênio possuem nome próprio. Observe: Os isótopos naturais, como os do hidrogênio, são encontrados em proporções praticamente constantes em qualquer amostra do elemento químico na natureza. Se forem considerados apenas os átomos isótopos (sem contar os respectivos íons isótopos), pode-se afirmar que eles possuem propriedades químicas iguais, pois são de um mesmo elemento químico. Possuem ainda propriedades nucleares diferentes (os mais pesados normalmente são radioativos) e propriedades físicas diferentes. A massa atômica oficial de cada elemento químico é calculada pela média ponderada dos números de massa dos isótopos existentes desse elemento na natureza, multiplicada pela abundância (% em massa) de cada isótopo. Exemplo: o elemento químico magnésio, de número atômico 12, possui 3 isótopos naturais: A massa atômica oficial do elemento químico será: Isóbaros Denominam-se isóbaros as entidades químicas que possuem o mesmo número de massa. A esse fenômeno dá-se o nome de isobaria. Entidades químicas isóbaras possuem o número de prótons e o número de nêutrons diferentes, porém a soma (p + n) é a mesma. Exemplo: Átomos isóbaros são elementos químicos diferentes e, por isso, todas as suas propriedades são diferentes. Isótonos Denominam-se isótonos as entidades químicas que possuem mesmo número de nêutrons. Ao fenômeno dá-se o nome de isotonia. MASSA ATÔMICA, MASSA MOLECULAR E MASSA MOLAR ( MOL) A massa molar é a massa em gramas de um mol de entidades elementares (átomos, moléculas, íons, eletrons, outras partículas, ou grupos específicos de tais partículas). Esta é representada pela letra "M" e expressa na unidade "g/mol" Relação entre massas atômica/massa molecular e massa molar A massa molar de um elemento químico ou de uma substância é numericamente igual à massa desse elemento em unidades de massa atômica. Desta forma, conhecendo a massa atômica de um elemento (expressa em unidades de massa atômica), sabe-se também a sua massa molar (expressa em g/mol) Ex.: O átomo de 12C foi escolhido como átomo padrão na construção das escalas de massas atômicas. Sua massa atômica foi fixada em 12u. Unidade de massa atômica (u) é a massa de 1/12 do átomo de 12C. Massa atômica de um átomo é a massa desse átomo expressa em u. Indica quantas vezes a massa do átomo é maior que 1/12 da massa de 12C. Massa atômica de um elemento formado por uma mistura de isótopos é a massa média dos átomos desse elemento expressa em u. É igual à média ponderada das massas atômicas dos isótopos constituintes do elemento. Massa molecular de uma substância é a massa da molécula dessa substância expressa em u. Indica quantas vezes a massa da molécula dessa substância é maior que a massa de 1/12 do átomo de 12C. MOL Mol é a unidade do S.I de quantidade de matéria ou quantidade de substância. Mol é a quantidade de matéria (ou de substância) que contém tantas entidades elementares representadas pela respectiva fórmula, quantos são os átomos de 12C contidos em 0,012 kg (12 g) de 12C. Constante de Avogadro (antigamente chamada número de Avogadro) é o número de átomos de 12C contidos em 0,012 kg de 12C. Seu valor numérico é: 6,02 x 1023 Exemplos Exemplo 1: O Hélio é um gás bastante usado nas indústrias, em pesquisas a baixas temperaturas, em mergulhos e até mesmo em balões. Quantosmols de He estão presentes em 6,46 g de He? Resposta: Primeiro nós encontramos que a massa molar do He é 4,003 g. Podendo ser expresso da seguinte forma 1 mol de He = 4,003 g de He. Para converter a quantidade de He em gramas para He em mols, nós escrevemos: 6,46 g He x 1 mol He = 1,61 mol He 4,003 g He Logo, 1,61 mol de átomos de Hélio está presente em 6,46 g de He. Pratique1: Quantos mols de magnésio (Mg) há em 87,3 g de Mg? Resposta: 3,59 mols. Exemplo 2: Zinco é um metal prateado muito usado na prevenção de corrosões. Quantos gramas de Zn há em 0,356 mol de Zn? Resposta: A massa molar do Zn é 65,39 g, a massa de Zn em gramas é calculado da seguinte forma: 0,356 mol Zn x 65,39 g Zn = 23,3 g Zn 1 mol Zn Logo, há 23,3 g de Zn em 0,356 mol de Zn. Pratique 2: Calcule a massa de chumbo (Pb) existente em 12,4 mols de chumbo. Resposta: 2,57 x 103 g. Exemplo 3: A prata (Ag) é um metal precioso usado muito em jóias. Qual é a massa (em gramas) de um átomo de Ag? Resposta: A massa molar da prata é 107,9 g. Há 6,022 x 1023 átomos de Ag em 1 mol de Ag, então a massa de um átomo de Ag é: 1 átomo Ag x 1 mol átomos Ag x 107,9 g Ag = 1,792 x 10-22 g 6,022 x 1023 átomos Ag 1 mol átomos Ag Pratique 3: Qual é a massa (em gramas) de um átomo de Iodo (I)? Resposta: 2,107 x 10-22 g. CÁLCULOS DE FÓRMULAS QUÍMICAS Duas importantes tarefas que fazem parte do dia-a-dia dos químicos são: • determinar a composição de uma substância, isto é, a quantidade de átomos de cada elemento presente no agregado atômico da substância; • calcular as quantidades de reagentes, que serão consumidos, e produtos, que serão obtidos numa reação química. No primeiro caso se deseja conhecer a fórmula da substância. No segundo, utilizando o cálculo estequiométrico, os químicos podem prever o quanto de substância, em massa ou volume, deve ser utilizada, ou será obtida, numa reação realizada em laboratório ou numa indústria química. FÓRMULAS QUÍMICAS Fórmula é a representação gráfica da composição de uma substância. Vários tipos de fórmulas são utilizadas: Fórmula centesimal, fórmula empírica (mínima), fórmula molecular, fórmula eletrônica e fórmula estrutural. Neste momento é importante estudar os conceitos e determinar, através de dados experimentais, fórmula centesimal, fórmula empírica (mínima) e fórmula molecular. Fórmula centesimal ou composição centesimal Fórmula centesimal (ou percentual) indica a percentagem, em massa, de cada elemento que constitui uma substância. Ou seja, a fórmula centesimal, em outras palavras, nos indica a massa (em gramas) de cada elemento presente em 100 gramas de substância. Para calcular a massa centesimal, é necessário conhecer os resultados das análises que determinam as quantidades de cada componente da molécula. Exemplo 1: Cálculos mostram que cada 100 gramas de água são formadas por 11,1 gramas de hidrogênio e 88,9 gramas de oxigênio. A fórmula centesimal da água é: H – 11,1% O – 88,9% A fórmula centesimal de uma substância também pode ser calculada conhecendo-se, simplesmente, a massa molecular da substância. Para o caso do ácido sulfúrico, H2SO4: elemento massa atômica Contribuição do elemento à para massa molecular Composição centesimal (%) H 1 2 X O 16 64 Y S 32 32 Z Massa molecular = 2 + 64 + 32 = 98 Determinando as proporções, tem-se: Para o hidrogênio x = 2 x 100/98 = 2,0% Para o oxigênio y = 64 x 100/98 = 65,3% Para o enxofre z = 32 x 100/98 = 32,7% Portanto, a fórmula centesimal do ácido sulfúrico é: H – 2,0%; S – 65,3%; O – 32,7% Pratique 1: Por séculos, os aborígenes australianos usaram folhas de eucaliptos para dores de garganta e outras dores. O ingrediente ativo primário foi identificado com o nome de eucaliptol. A análise de uma amostra de eucaliptol de massa total 3,16 g deu sua composição como 2,46 g de carbono, 0,373 g de hidrogênio e 0,329 g de oxigênio. Determine as porcentagens em massa de carbono, hidrogênio e oxigênio no eucaliptol. Resposta: 77,8% C, 11,8% H e 10,4% O. Fórmula mínima ou empírica Fórmula mínima (ou empírica) indica a proporção, expressa pelos números inteiros, entre os átomos presentes num agregado atômico (moléculas ou íons poliatômicos). A fórmula mínima de uma substância geralmente é determinada através da composição percentual (fórmula centesimal) do composto. Exemplo 2: Calcular a fórmula mínima de um composto que apresenta 43,4% de sódio, 11,3% de carbono e 45,3% de oxigênio. Dados: massas atômicas: Na = 23; C = 12; O = 16 Resolução 1 – Primeiramente, determina-se o número de mol de cada elemento no composto. Isto é feito dividindo-se a quantidade, em gramas, pela massa atômica de cada um. 43,4% Na 43,4/23 = 1,88 11,3% C 11,3/12 = 0,94 45,3% O 45,3/16 = 2,82 2 – Segundo, determina-se a proporção de cada elemento presente. Isto é feito dividindo-se os números de mols entre si, normalizando-se pelo que estiver em menor quantidade. 1,88/0,94 = 2 0,94/0,94 = 1 2,82/0,94 = 3 3 – Não se obtendo números inteiros (coeficientes), multiplica-se por um fator numérico até que isto seja alcançado. São usados os menores inteiros possíveis. Fórmula mínima = Na2CO3 Pratique 2: L - Dopa, uma droga usada para o tratamento do mal de ParKinson, se constitui de 54,82% de C, 5,62% de H, 7,10% de N e 32,46% de O. Qual é a fórmula empírica do composto? Resposta: C9H11NO4. Exemplo 3: Analisando-se uma amostra contendo 560 gramas de buteno-1, encontra-se 480 gramas de carbono e 80 gramas de hidrogênio. O cálculo da fórmula mínima deve ser assim realizado: Calcular o número de mols: 12 g é a massa de 1 mol de átomos; 480 g é a massa de x mol de átomos; onde x = 40 mol de C para o hidrogênio: 1 g é a massa de 1 mol de átomos; 80 g é a massa de y mol de átomos; onde y = 80 mol de H Determinar a relação entre o número de mols de cada C e H: Neste exemplo, verifica-se que a proporção entre os átomos de carbono e hidrogênio é 1 para 2 (40 mols de carbono: 80 mols de hidrogênio), ou seja, em qualquer amostra de buteno-1 o número de átomos de hidrogênio presente será o dobro do número de átomos de carbono. A fórmula mínima do buteno é CH2. Quando se conhece a fórmula molecular de uma substância, sua fórmula mínima é determinada através dos índices dos elementos na fórmula molecular. Em muitos casos as fórmulas mínima e molecular são as mesmas. Substância Fórmula molecular fórmula mínima água oxigenada H2O2 HO benzeno C6H6 CH Eteno C2H4 CH2 propeno C3H6 CH2 Buteno C4H8 CH2 ácido nítrico HNO3 HNO3 glicose C6H12O6 CH2O Fórmula molecular Fórmula molecular indica os elementos e a quantidade de átomos de cada elemento presente numa molécula da substância. Um dos caminhos para determinar a fórmula molecular é calcular inicialmente a fórmula mínima e depois multiplicá-la por n. O valor de n, por sua vez, é calculado a partir da massa molar da substância, uma vez que a relação anterior indica que: massa molecular = (massa da fórmula mínima) x n de onde resulta: n = massa molar/massa da fórmula mínima a. Cálculo da fórmula molecular através da fórmula mínima Exemplo 4: Uma substancia de massa molar 180 g/mol, contém 40,00% de carbono, 6,72% de hidrogênio e 53,28% de oxigênio. Pede-se sua fórmula molecular. Dados: massas atômicas: H = 1; C = 12; O = 16. Resolução: 1 – Inicialmente encontrar a proporção molar de cada constituinte: Dados Divisão das porcentagens pelas respectivas massas atômicas 40,00% C 40,00/12 = 3,33 6,72% H 6,72/1 = 6,72 53,28%O 53,28/16 = 3,33 2 – Determina-se a proporção de cada um em números inteiros. Isto se faz dividindo-se os valores pelo menor valor molar encontrado. Divisão pelo menor dos valores encontrados (3,33) 3,33/3,33 = 1 6,72/3,33 = 2 3,33/3,33 = 1 3 – Determina-se a massa molar da fórmula mínima (CH2O), somando as massas molares dos átomos aí contidos: 12 g/mol + (1 g/mol x 2) + 16 g/mol = 30 g/mol 4 – Encontra-se o valor de n para saber a fórmula molecular onde: n = massa molecular/massa da fórmula mínima = 180 g/mol/30 g/mol = 6 resulta, então: fórmula molecular = (CH2O)6 => fórmula molecular = C6H12O6 Pratique 4: A espectrometria de massa foi usada para mostrar que a massa molar da vitamina C é 176,12 g/mol. A partir da sua fórmula empírica C3H4O3 determine a fórmula molecular da vitamina C. Resposta: C6H8O6. Reação química Uma reação química é uma transformação da matéria na qual ocorrem mudanças qualitativas na composição química de uma ou mais substâncias reagentes, resultando em um ou mais produtos. Envolve mudanças relacionadas à mudança nas interações entre os átomos ou íons, na geometria das moléculas das espécies reagentes ou ainda na interconversão entre dois tipos de isômeros. Resumidamente, pode-se afirmar que uma reacção química é uma transformação da matéria em que pelo menos uma ligação química é criada ou desfeita. • Características de uma reação química Um aspecto importante sobre uma reação química é a conservação da massa e o número de espécies químicas (átomos e íons) presentes antes e depois da ocorrência da reação. Deve-se salientar que uma ligação química ocorre devido a interações entre as nuvens eletrônicas dos átomos, e que então reação química apenas envolve mudanças nas eletrosferas. NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl Nesta reação química, ao passo que o NaNO3 permanece em solução, formou-se uma ligação entre a prata (Ag) e o cloro (Cl) o que resultou em um produto sólido de cloreto de prata (AgCl), pode-se então dizer que houve uma reação química. Causas das reações químicas O acontecimento de uma reação química deve-se a fatores termodinâmicos e cinéticos. As reações químicas costumam ocorrer acompanhadas de alguns efeitos que podem indicar se elas estão acontecendo. SAÍDA DE GASES FORMAÇÃO DE PRECIPITADO MUDANÇA DE COR VARIAÇÃO DE CALOR TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS Na química inorgânica, as reações podem ser classificadas em em quatro tipos diferentes: 1) Reações de síntese ou adição As reações de síntese ou adição são aquelas onde substâncias se juntam formando uma única substância. Representando genericamente os reagentes por A e B, uma reação de síntese pode ser escrita como: A + B → AB Exemplos: Fe + S FeS 2H2 + O2 2H2O H2O + CO2 H2CO3 2) Reações de análise ou decomposição As reações de análise ou decomposição são o oposto das reações de síntese, ou seja, um reagente dá origem a produtos mais simples que ele. Escrevendo a reação genérica fica fácil entender o que acontece: AB → A + B Exemplos: 2H2O 2H2 + O2 2H2O2 2H2O + O2 3) Reações de deslocamento As reações de deslocamento ou de simples-troca merecem um pouco mais de atenção do que as anteriores. Não que sejam complicadas, pois não são, mas por alguns pequenos detalhes. Em sua forma genérica ela pode ser escrita como: AB + C → A + CB 4) Reações de dupla-troca AB + CD → AD + CB Nesta reação, A trocou de lugar com C. A diferença desse tipo com as de deslocamento é que nem A nem C estavam sozinhos e, após a troca nenhum deles ficou sozinho. Exemplo: NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3 Obs. É bom lembrar que nem sempre ao se juntar dois compostos, uma reação irá ocorrer. Por exemplo, quando duas substâncias iônicas estão em solução. Exemplo: NaCl + KBr → Na+ + Cl- + K+ + Br- Para que a reação efetivamente ocorra, será necessário que ao menos um dos prováveis produtos (AD ou CB) não sejam separados ao se juntarem, ou seja, deve-se formar um composto insolúvel e isso é conseguido através de um sal insolúvel, de um gás ou de água. Se um dos produtos for um sal insolúvel ele não será separado em íons e permanecerá sólido. Se for um gás ele se desprenderá da solução (borbulhas) e também permanecerá com suas moléculas agrupadas. Se um dos produtos for a água, ela não se decompõe. Pb + H2SO4 H2 + PbSO4 Equação química Uma equação química é a representação gráfica de uma reação química. É representada com os reagentes à esquerda e os produtos à direita, separados por uma flecha. Exemplo: Na linguagem química, podemos associar as sentenças às equações químicas. Elas expressam por escrito o que ocorre em uma reação química; portanto elas devem representar o que ocorre antes e depois da reação. Por exemplo, para obter a água, o hidrogênio e o oxigênio têm que reagir. Ex: H2 + O2 → H2O As substâncias que estão à esquerda da seta (H2 + O2) são denominadas reagentes e as que estão à direita (H2O), de produtos. A seta indica o sentido em que ocorre a reação. Em Alguns casos é necessário designar em que estado estão os reagentes e produtos (s:sólido, l:líquido, g:gasoso e aq: solução) Balanceamento de Equação química Para bem representar uma reação química, deve-se levar em conta o que prescreve a Lei de Lavoisier (Lei da conservação da massa): "Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma." A aplicação dessa lei na equação química da produção da água descrita acima, observa-se que existem dois átomos de oxigênio no lado dos reagentes e apenas um no lado dos produtos, ou seja, um oxigênio ficou perdido. Isso significa que a equação não está completa, pois não obedece à Lei de Lavoisier. Para solucionar esse problema, multiplica-se o hidrogênio por dois, assim tem-se quatro hidrogênios, e, depois, multiplica-se a água também por dois, ficando com duas águas. 2H2 (g) + O2 (g) + 2 H2O (l) Obs.: Os coeficientes usados no balanceamento da equação devem ser os menores inteiros possíveis. Para se balancear (equilibrar) os coeficientes de uma equação química, três métodos podem ser utilizados: tentativa e erro ou por inspeção, método algébrico e oxirredução. Balanceamento por tentativa e erro ou inspeção Mesmo sendo um método onde se ajusta os coeficientes de forma aleatória, é interessante seguir a seguinte orientação: 1) Inicialmente ajusta-se os átomos dos metais, se houver; 2) A seguir, ajusta-se os átomos dos não-metais, se houver; 3) Depois, ajusta-se os átomos de hidrogênio, se houver; 4) Por último, ajusta-se os átomos de oxigênio, se houver. Ex. Balancear a equação que representa a reação entre o carbonato de sódio e o ácido clorídrico. Solução: Escrevendo a equação não balanceada Na2CO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 Balanceando ou ajustando os coeficientes: 1) O metal presente é o sódio. Nos reagentes existem dois sódios, nos produtos também devem possuir a mesma quantidade. Coloca-se o coeficiente 2 antes do NaCl. Na2CO3 + HCl → 2NaCl + H2O + CO2 2) O não-metal presente é o C, já está balanceado. 3) Com relação ao hidrogênio, verifica-seque nos reagentes só tem um, mas nos produtos existem dois. Coloca-se o coeficiente 2 antes do HCl. Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2 5) Uma rápida inspeção verifica-se que os oxigênios estão balanceados. Há três nos reagentes e três nos produtos. Ex. Escrever a equação balanceada que representa a reação do alumínio metálico com o ácido clorídrico. Resolução: Escreve-se a equação não balanceada Al + HCl → AlCl3 + H2 1) O metal presente é o alumínio. Este já está equilibrado. 2) O não-metal é o cloro. Verifica-se que há três nos produtos e apenas um nos reagentes. Coloca-se o coeficiente três antes do ácido clorídrico. Al + 3HCl → AlCl3 + H2 3) Ajusta-se o hidrogênio. Verifica-se que são três nos reagentes e apenas dois nos produtos. Se multiplicar H2 por 3/2, o hidrogênio ficará equilibrado. Al + 3HCl → AlCl3 + 3/2H2 Verifica-se que a equação está equilibrada. Entretanto, a recomendação é que devem ser usados coeficientes inteiros, os menores possíveis. Assim, multiplicando-se os dois lados da equação por 2, tem-se: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2 Escrever a equação balanceada que representa a combustão do acetileno (etino). Solução: A combustão é uma reação entre o combustível e o oxigênio. No caso: C2H2 + O2 → CO2 + H2O 1) A equação não apresenta metal. Então, ajusta-se os coeficientes do não-metal, que é o carbono. Reagentes apresentam dois carbonos, e produtos apenas um. Coloca-se o coeficiente dois antes do dióxido de carbono (gás carbônico). C2H2 + O2 → 2CO2 + H2O 2) Nos reagentes estâo presentes dois hidrogênios, igual quantidade encontra-se nos produtos. 3) Com relação ao oxigênio, nos reagentes existem dois, e nos produtos são cinco. Ajusta-se colocando-se 5/2 antes do O2. C2H2 + 5/2O2 → 2CO2 + H2O Verifica-se que a equação está equilibrada, porém há coeficiente fracionário. Multiplicando reagentes e produtos por dois, transforma-se todos coeficientes em inteiros. 2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O Balanceamento de equações químicas pelo método algébrico Algumas equações se tornam bem complicadas para balanceá-las por tentativa e erro. Nesses casos, a cada substância na equação atribui-se um coeficiente literal (a, b, c, d, ou x, y, z, w, por exemplo) e monta-se um sistema de equações lineares. Ex.: Escrever a equação balanceada que representa a combustão da amônia, balanceando-a pelo método algébrico. Solução: A equação não balanceada da combustão da amônia é: NH3 + O2 → N2 + H2O Para balancear a equação, inicialmente coloca-se coeficientes literais (letras) antes das fórmulas das moléculas de amônia, oxigênio, nitrogênio e água. No caso, coloca-se as letras x, y, z e w. xNH3 + yO2 → z N2 + wH2O A seguir, na equação não balanceada, comparam-se as quantidades dos átomos de N, O e H presentes nos reagentes e nos produtos, e chega-se ao sistema de equações: x = 2z (1) 3x = 2w (2) 2y = w (3) Montado o sistema, atribui-se a uma das variáveis um determinado valor. Por exemplo, z = 1. Então, da equação (1), encontra-se que x = 2; da equação (2), encontra-se que w = 3 e da equação (3), encontra-se que y = 1,5 (3/2). Substituindo-se esses valores na equação, tem-se: 2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O Para transformar os coeficientes em inteiros, multiplica-se os dois lados da equação por dois. 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O Exemplo: Encontrar os valores de x, y, z e w que balanceiam a equação x Fe + y H2O → zFe3O4 + wH2 Armando as equações: x = 3 z 2 y = 2 w onde y = w y = 4 z Para resolver o sistema escolhe-se UMA VARIÁVEL e atribuí-se a ela um valor QUALQUER. z = 1, portanto, os valores de “x” e “y” serão, respectivamente, 3 e 4. Como “w = y”, tem-se que w = 4. Substituindo estes valores na equação 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4H2 Exercício: Usando o método algébrico, acerte os coeficientes das equações abaixo: a) Pb + HNO3 → Pb(NO3)2 + H2O + NO2 b) H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O c) NH4NO3 → N2 + O2 + H2O Exercício: 1) No Alka-Seltzer estão presentes as substâncias bicarbonato de sódio (NaHCO3) e ácido cítrico (H3C6H5O7). Esse antiácido ao ser dissolvido em água, essas substâncias reagem conforme a equação: NaHCO3(aq) + H3C6H5O7(aq) → CO2(g) + H2O(l) + Na3C6H5O7(aq) Balanceie essa equação pelo método algébrico. Resp. 3NaHCO3(aq) + H3C6H5O7(aq) → CO2(g) + 3H2O(l) + Na3C6H5O7(aq) 2) A detonação da nitroglicerina produz os gases presentes na equação a seguir: C3H5N3O9(l) → CO2(g) + N2(g) + O2(g) + H2O(g) Banceie essa equação pelo método algébrico. Resp. 4C3H5N3O9(l) → 12CO2(g) + 6N2(g) + O2(g) + 10H2O(g) ESTEQUIOMETRIA Cálculo estequiométrico (ou estequiometria) é o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos das reações químicas, feito com base nas Leis das Reações e realizado com o auxílio das equações químicas correspondentes. Já que a matéria não pode ser criada ou destruída, a quantidade de cada elemento deve ser a mesma em antes, durante e após a reação. Por exemplo, a quantia de um elemento A no reagente deve ser igual à quantia do mesmo elemento no produto. É o cálculo que permite relacionar quantidades de reagentes e produtos, que participam de uma reação química com o auxílio das equações químicas correspondentes. Orientações gerais para o cálculo estequiométrico a) Escrever a equação química do processo. Exemplo: Combustão do monóxido de carbono CO + O2 → CO2 b) Acertar os coeficientes estequiométricos da equação da equação química. Exemplo: 2CO + O2 → 2CO2 Assim se terá proporção das quantidades em mols entre os participantes. Esses coeficientes lhe darão uma idéia da relação segundo a qual as substâncias se combinam. Exemplo: 2 mols de CO estão para 1 mol de O2 que está para 2 mols de CO2 2 : 1 : 2 c) Montar a proporção baseando-se nos dados e nas perguntas do problema (massa- massa, massa-quantidade em mols, massa-volume etc.). d) Utilizar regras de três para chegar à resposta. Exercício: O butano, C4H10, queima segundo a equação que deve ser balanceada. Nesse sentido, partindo-se de 29g de butano, qual a massa de dióxido de carbono que será produzida se todo o combustível for consumido. C4H10(l) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g) Exercício: Considere a reação: Na3PO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → Ba3(PO4)2(s) + NaNO3(aq) Considere uma solução aquosa em que 35g de fosfato de sódio reagiu completamente com o nitrato de bário contido em outra solução aquosa. Quantos gramas de fosfato de bário deverão ser formados? REAÇÕES QUÍMICAS EM SOLUÇÃO AQUOSA Grande parte do planeta Terra é recoberto por água, e é o que possibilita ocorrer vida nesse planeta. Sabe-se também que a água é a substância mais abundante no organismo humano. Tais fatos evidenciam que esse recurso natural é importantíssimo para a manutenção da vida na Terra. O fato da água ser tão importante vem, principalmente, das suas características ou propriedades. Uma das propriedades mais importantes da água é a sua capacidade de dissolver uma grande variedadede substâncias. Assim, qualquer água presente na natureza apresenta materiais dissolvidos, formando o que se chama de Soluções aquosas. Muitas das reações químicas que acontecem em nossos organismos ou ao nosso redor ocorrem devido às substâncias dissolvidas na água. Tecnicamente, uma solução é uma mistura homogênea de uma ou mais substâncias, sendo que a substância em maior quantidade é chamada de solvente (no caso, a água); e a substância em menor quantidade, de soluto. Quando uma pequena quantidade de sal de cozinha é adicionada a uma considerável quantidade de água, a água é o solvente - e o sal, o soluto. Soluções eletrolíticas Ao se falar da propriedade da água dissolver substâncias, é importante se falar sobre algumas peculiaridades às soluções, por conta do material que é dissolvido. Entre as peculiaridades, a que mais se destaca é a formação de soluções eletrolíticas (soluções que conduzem a corrente elétrica). Por exemplo, duas soluções límpidas e incolores, uma com água e açúcar (sacarose) e a outra com água e sal de cozinha (cloreto de sódio): uma assume características eletrolíticas e a outra não. A solução com sal de cozinha é condutora de eletricidade, enquanto que a solução com açúcar, não. Ver a figura abaixo: Fonte: efisica.if.usp.br/.../basico/eletrolise/intro/ Caso a solução contida no copo seja de água com sal de cozinha, a lâmpada certamente acenderá. Mas se a solução contiver açúcar, isso não ocorrerá. Para acender a lâmpada, a corrente elétrica deve "viajar" pelos dois terminais chamados de eletrodos (geralmente metálicos) imersos na solução. Pode-se dizer que a água pura não é condutora de eletricidade, isto porque a quantidade de íons dissolvidos é extremamente pequena. Então o que faz acender a lâmpada é a presença dos íons (partículas eletricamente positivas e negativas) na solução. Ou seja, os íons transportam as cargas elétricas de um terminal (eletrodo) para o outro, fechando o circuito. Veja a representação da liberação dos íons do sal de cozinha (NaCl): Nessa representação, o cloreto de sódio sólido tem seus íons liberados na forma do cátion Na+ e do ânion Cl-, na presença de água. Isso não ocorre com a sacarose (C12H22O11), pois suas moléculas em água não formam íons. A água que bebemos contém concentrações (quantidades) pequenas de muitos íons, e a maioria deles resulta da dissolução de materiais sólidos presentes nos ambientes com os quais a água interage. A dissolução do sólido iônico resulta da separação dos íons de cargas opostas do material, sendo a água especialmente boa para dissolver os compostos iônicos, pois cada molécula de água tem uma extremidade positivamente carregada e outra negativamente carregada. Assim, uma molécula de água pode atrair um íon positivo (cátion) à sua extremidade negativa e outro negativo (ânion) à sua extremidade positiva. Quando um composto iônico se dissolve em água, cada ânion fica cercado por moléculas de água com suas extremidades positivas em direção ao íon, e cada cátion fica cercado por extremidades negativas de diversas moléculas de água. Eletrólitos fortes e fracos Soluções boas condutoras de eletricidade são consideradas eletrólitos fortes, pois têm uma grande quantidade de íons livres na solução. Substâncias que embora se solubilizem completamente, mas na maioria das vezes, na forma de moléculas com, mas com apenas uma pequena fração na forma de íons, são más condutoras, ou seja, são eletrólitos fracos. É o fator ionização quem vai definir se um eletrólito é forte ou fraco, Por exemplo, Ba(OH)2 um composto iônico não é muito solúvel em água, mas a quantidade de substância que se dissolve está completamente dissociada em seus íons na água. O ácido acético, de outro lado, é extremante solúvel em água, mas é pequena a quantidade de moléculas que se ionizam, sendo, portanto, um eletrólito fraco. Os compostos iônicos solúveis em água, a exemplo do NaCl, são todos eletrólitos fortes, Alguns compostos moleculares como o HCl, HI, H2SO4, também são eletrólitos fortes, Reações de precipitação Os eletrólitos das soluções aquosas possibilitam a ocorrência de muitas reações químicas. Isso é muito importante, pois esses tipos de reações ocorrem na terra, nas plantas e nos animais. Por exemplo: alguns testes sobre a natureza química dos solos são realizados por meio de reações de precipitação. Estas são reações em que íons de duas substâncias (ou mais) consideradas eletrólitos fortes reagem entre si, formando um composto insolúvel (pouquíssimo solúvel) em água. Uma solução incolor de iodeto de potássio (KI), ao interagir com uma de nitrato de chumbo (Pb(NO3)2, forma um precipitado amarelo de iodeto de chumbo PbI2. Pode-se representar essa reação de precipitação com as seguintes equações: Equação Geral 2KI(aq) + Pb(NO3)2(aq) → PbI2(s) + 2KNO3(aq) Equação Iônica: 2K+(aq) + 2I-(aq) + Pb2+(aq) + 2NO3 - (aq) → PbI2(s) + 2K+(aq) + 2NO3 - (aq) Equação Iônica Simplificada: 2I-(aq) + Pb2+(aq) → PbI2(s) Os termos (aq.) na equação significam "aquoso"; e o (s), "sólido". Logo, a substância KI, por exemplo, é representada com íons K+ e I- em solução. Os outros componentes da equação, o reagente (Pb(NO3)2 e o produto formado KNO3, também devem ser representados nas suas respectivas formas iônicas. Mas o outro composto formado, o PbI2, é praticamente insolúvel, e por esse motivo é representado como PbI2(s). Reações de neutralização Existem algumas substâncias moleculares quando se formam íons em soluções aquosas. As mais importantes delas são as ácidas. Podem, então, existir reações que ocorrem em soluções com materiais ácidos. Nesses casos, destacam-se as reações ácido- base, conhecidas como reações de neutralização. Por exemplo, a reação entre ácido nítrico (HNO3) e hidróxido de potássio (KOH): Equação global: HNO3(aq) + KOH(aq) → H2O(l) + KNO3(aq) Equação Iônica: H+(aq) + NO3 -(aq) + K+(aq) + OH-(aq) → H2O(l) + KNO3(aq) Equação Iônica Simplificada: H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l) Obs. Nessa reação não há a formação de precipitado, mas, sim, de nitrato de potássio (KNO3), um sal iônico, portanto solúvel, e água. Para verificar essas reações, utilizam- se indicadores ácido-base. Ex.: Escrever as equações para a reação entre ácido carbônico e hidróxido de potássio em solução aquosa. REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO Reações de reações são aquelas onde ocorre transferência de elétrons entre os reagentes. Um se oxida e o outro se reduz. É o que ocorre no enferrujamento do ferro, por exemplo. 4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) Outros exemplos: Zn(s) + Hg S O4(aq) → Zn S O4(aq) + Hg(l) Fe(s) + Cu Cl2(aq) → Fe Cl2(aq) + Cu(s) Mg(s) + 2H Cl(aq) → Mg Cl2(aq) + H2(g) BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO O balanceamento de algumas equações químicas é, às vezes, bastante complicado. É o que ocorre com as reações de oxirredução. Um fato a ser levado em consideração é que o número total de elétrons perdidos no processo de oxidação tem que ser igual ao número de elétrons ganhos na redução. MÉTODOS DE BALANCEAMENTO Variação do Número de Oxidação Um método usado nesses balanceamentos tem como base a variaçãodo número de oxidação dos átomos envolvidos na reação. Para ilustrar os passos envolvidos nesse método, ver o balanceamento da equação: HCl + K2Cr2O7 → KCl + CrCl3 + Cl2 + H2O 1 – Atribuir os números de oxidação de todos os átomos na equação. Escrevê-los abaixo dos símbolos químicos para evitar confundi-los com cargas reais. H Cl + K2 Cr2 O7 → K Cl + Cr Cl3 + Cl2 + H2 O +1 -1 +1 +6 -2 +1 -1 +3 -1 0 +1 -2 2 – Identificar quais os átomos que variam de número de oxidação e insira coeficientes momentâneos de forma que se tenha o mesmo número de átomos em ambos os lados. Verifica-se que o cromo, Cr, varia de +6 para +3 e que os átomos de Cl variam de -1 para 0, e os outros não variam. Para igualar os átomos de cloro e de cromo que sofrem variação, em ambos os lados colocamos um 2 na frente do HCl e um 2 na frente do CrCl3. 2H Cl + K2 Cr2 O7 → K Cl + 2Cr Cl3 + Cl2 + H2 O +1 -1 +1 +6 -2 +1 -1 +3 -1 0 +1 -2 3 – Calcular a variação total no número de oxidação tanto para a oxidação quanto para a redução. Têm-se dois cloros que variam de -1 para 0; a variação total corresponde à perda de dois elétrons. A seguir, vê-se que dois cromos variam de +6 para +3; isso corresponde a um ganho de seis elétrons. 2HCl + K2Cr2O7 → KCl + 2CrCl3 + Cl2 + H2O -1 +6 +3 0 4 – Tornar igual o ganho e a perda total de elétrons multiplicando os coeficientes por fatores apropriados. Multiplicando-se o número de elétrons perdidos por 3, têm-se então um total de seis elétrons perdidos e seis elétrons ganhos. 6HCl + K2Cr2O7 → KCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + H2O 5 – Finalmente, balancear o restante da equação por inspeção. Há dois potássios à esquerda, o que exige o coeficiente 2 para o KCl. Ao se contar todos os cloros da direita, que são 14, muda-se o coeficiente do HCl também para 14. Finalmente, coloca-se 7 em frente ao H2O. 14HCl + K2Cr2O7 → 2 KCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + 7H2O Balanceamento de Reações Redox pelo Método do Íon-Elétron O procedimento chamado método íon-elétron é adequado para balancear equações iônicas representativas de reações de oxirredução em solução. Esse método envolve a divisão da equação global em duas semi-reações, sendo uma para a oxidação e outra para a redução. Cada semi-reação é balanceada em termos dos átomos e depois em termos de cargas, para isso, adicionando-se elétrons do lado da semi-reação deficiente em carga negativa. Finalmente, as semi-reações balanceadas são somadas, de modo que os elétrons sejam cancelados em ambos os lados da equação final. Exemplo: Sn2+ + Hg2+ + Cl- → Hg2Cl2 + Sn4+ O primeiro passo é dividir em duas semi-reações. É importante observar que em cada lado da semi-reação, os átomos são do mesmo tipo. As semi-reações são: Sn2+ → Sn4+ Hg2+ + Cl- → Hg2Cl2 Em seguida, balanceia cada semi-reação em termos de átomos. A primeira está balanceada, mas a segunda precisa ajustar os coeficientes. Sn2+ → Sn4+ 2Hg2+ + 2Cl- → Hg2Cl2 O terceiro passo é ajustar a carga, adicionando elétrons ao lado mais positivo. Na primeira semi-reação, a carga total à esquerda é +2 e à direita é +4, sendo necessário adicionar dois elétrons à direita para que a carga total em ambos os lados fique a mesma. Na segunda semi-reação, a carga total à esquerda é +2 e à direita é zero. Portanto, adicionam-se dois elétrons à esquerda. Sn2+ → Sn4+ + 2e- 2e- + 2Hg2+ + 2Cl- → Hg2Cl2 O quarto passo é tornar o número de elétrons ganhos igual ao número de elétrons perdidos, Neste exemplo, esta condição já está preenchida. Então, somam-se as duas semi-reações. Sn2+ → Sn4+ + 2e- 2e- + 2Hg2+ + 2Cl- → Hg2Cl2 ___________________________________________ 2e- + Sn2+ + 2Hg2+ + 2Cl- → Hg2Cl2 + Sn4+ + 2e- Finalmente, se cancela tudo o que for igual em ambos os lados A equação final é: Sn2+ + 2Hg2+ + 2Cl- → Hg2Cl2 + Sn4+ Balanceamento de Equações de Oxirredução em Meio Ácido e Básico Ao balancear as equações redox (oxirredução), levar em conta o ganho de elétrons (redução) separadamente da perda de elétrons (oxidação), escrevendo cada processo como uma semi-reação e balancear os átomos e as cargas. Ao combinar as semi-reações, verifica-se se o número de elétrons liberados na oxidação é igual ao número de elétrons usados na reação. O procedimento geral do balanceamento da equação química de reação redox é trabalhar com as semi-reações. ETAPA 1 - Identificar as espécies que sofrem oxidação e as que sofrem redução a partir das mudanças dos números de oxidarão. ETAPA 2 - Escrever as duas equações simplificadas (não-balanceadas) das semi- reações de oxidação e redução. ETAPA 3 - Balancear todos os elementos nas duas semi-reações, exceto O e H. ETAPA 4 - Em solução ácida, para balancear um átomo de hidrogênio, adiciona-se um H+ ao outro lado da equação; para balancear um átomo de O (oxigênio) adiciona-se uma molécula de água, H20, ao lado deficiente em oxigênio e, então, dois íons H+ ao lado oposto para remover o desbalanceamento do hidrogênio. Em solução básica, balancear um átomo de O (oxigênio) adiciona-se dois íons hidroxílas ao lado deficiente em oxigênio e uma molécula de água, H2O, ao lado oposto; e depois, para balancear H, adiciona-se H2O do lado da semi-reação deficiente em hidrogênio, e hidroxila, OH-, do lado oposto. ETAPA 5 Balancear as cargas elétricas adicionando elétrons do lado esquerdo nas reduções do lado direito nas oxidações. ETAPA 6 Multiplicar todas as espécies, em uma ou em ambas as semi-reações, pelo fator que iguale o número de elétrons nas duas semi-reações e, então, somá-las. Por fim, simplifica-se a equação cancelando as espécies que que aparecem em ambos os lados da seta e verifica-se que se nos dois lados os átomos e as cargas estão balanceados. Exemplos: Balanceamento de uma equação redox em solução ácida: Exemplo 1: Os íons permanganato, MnO4 -, reagem com ácido oxálico, H2C2O4, em solução aquosa ácida, para produzir íons manganês (II) e dióxido de carbono. A equação simplificada é: MnO4 - (aq) + H2C2O4(aq) → Mn2+(aq) + CO2(g) RESOLUÇÃO: Inicialmente, verificar quem se reduz e quem se oxida e dividir a reação global nas semi-reações de oxidação e de redução, e usar o procedimento descrito acima. Semi-reação de redução: Etapa l Identificar as espécies que se reduzem. O número de oxidação do Mn diminui de +7 para +2, logo, o íon MnO4 - se reduz. Etapa 2 Escreve-se a equação simplificada da redução. MnO4 - → Mn2+ Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O MnO4 - → Mn2+ (Mn já está balanceado) Etapa 4 Balancear os átomos O adicionando H2O. MnO4 - → Mn2+ + 4H2O Balancear os átomos H adicionando H+: MnO4 - + 8 H+→ Mn2+ + 4H2O Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons. Como Mn saiu de +7 para +2, ele se reduziu pelo ganho de 5e- MnO4 - + 8 H+ + 5 e- → Mn2+ + 4 H2O Semi-reação de oxidação: Etapa l Identificar as espécies que se oxidam.O número de oxidação do carbono aumenta de +3 para +4, logo, o ácido oxálico oxida- se. Etapa 2 Escrever a equação simplificada da oxidação. H2C2O4 → CO2 Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O. Verifica-se que o C não está balanceado, então, coloca-se o coeficiente 2 à frente do dióxido de carbono. H2C2O4 → 2 CO2 Etapa 4 Os átomos O estão balanceados. H2C2O4 → 2 CO2 Balancear os átomos H adicionando H+. H2C2O4 → 2 CO2 + 2 H+ Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons. Isto se faz colocando-se elétrons ao lado direito da equação. H2C2O4 → 2 CO2 + 2 H+ + 2 e- Para verificar suas equações neste ponto, certifique-se de que o número de elétrons perdidos ou ganhos em cada semi-reação é igual à variação do número de oxidação do elemento oxidado ou reduzido. Etapa 6 Escrever a equação total. Para isso, verifica-se quenas semi-reações, 2 elétrons são perdidos na oxidação, mas 5 são ganhos na redução. Para equilibrar esses elétrons, multiplica-se a semi-reação de redução por 2 e a de oxidação por 5. Semi-reação de redução multiplica-se por 2. 2 MnO4 - + 16 H+ + 10 e- → 2 Mn2+ + 8 H2O Semi-reação de oxidação multiplica-se por 5. 5 H2C2O4 → 10 CO2 + 10 H+ + 10 e- Passo seguinte, é somar as duas equações e cancelar os elétrons. 2 MnO4 - + 16 H+ + 10 e- → 2 Mn2+ + 8 H2O 5 H2C2O4 → 10 CO2 + 10 H+ + 10 e- _______________________________________________________ 2 MnO4 - + 5 H2C2O4 + 16 H + → 2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2 + 10 H+ Por fim, cancelar os íons H+ à esquerda e à direita e adicionar os estados físicos. 2 MnO4 -(aq) + 5 H2C2O4(aq) + 6 H +(aq) → 2 Mn2+(aq) + 8 H7O(1) + 10 CO2(g) A massa e a carga estão balanceadas, logo, esta é a equação iônica simplificada totalmente balanceada. Exemplo: Equilibrar a equação que representa a oxidação do íon plumbato, Pb(OH)3 -, a dióxido de chumbo, pelo íon hipoclorito, OCl- em solução básica. Pb(OH)3 - + OCl- → PbO2 + Cl- Resolvendo: Inicialmente, verifica-se quem se oxida e quem se reduz. A seguir escreve-se a semi-reação de oxidação e a de redução. Semi-reação de oxidação: Etapa l Identificar as espécies que se oxidam. O número de oxidação do chumbo aumenta de +2 para +4, logo, o íon plumbato se oxida. Etapa 2 Escrever a equação simplificada da oxidação. Pb(OH)3 - → PbO2 Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O. Verifica-se que o chumbo já está balanceado. Então, vai para a etapa 4. Etapa 4 Balancear oxigênio, para cada átomo, adiciona-se duas hidroxilas ao lado deficiente em oxigênio, e uma molécula de H2O ao lado oposto. Pb(OH)3 - + H2O→ PbO2 + 2OH- Agora, balancear H. Para cada átomo, adiciona-se uma molécula de água ao lado deficiente em hidrogênio e uma hidroxila ao lado oposto. Como há deficiência de três átomos de H, então, são três moléculas de água e três hidroxilas. Pb(OH)3 - + H2O + 3OH- → PbO2 + 2OH- + 3H2O Simplificando essa equação, fica: Pb(OH)3 - + OH- → PbO2 + 2H2O Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons no lado deficiente. Pb(OH)3 - + OH- → PbO2 + 2H2O + 2e- Semi-reação de redução: Etapa l Identificar as espécies que se reduzem. O número de oxidação do Cl diminui de +1 para -1, logo, o íon OCl - se reduziu. Etapa 2 Escreve-se a equação simplificada da redução. OCl - → Cl- Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O OCl - → Cl- (Cl já está balanceado) Etapa 4 Balancear os átomos O adicionando hidroxila (duas para cada O) ao lado deficiente em oxigênio e água ao lado oposto. OCl - + H2O → Cl - + 2OH- Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons. Como Cl saiu de +1 para -1, ele se reduziu pelo ganho de 2e-, então adiciona-se este número de elétrons ao lado esquerdo da equação. 2e- + OCl - + H2O → Cl - + 2OH- Etapa 6 Escrever a equação total. Para isso, verifica-se que nas semi-reações, 2 elétrons são perdidos na oxidação, mas 2 também são ganhos na redução. Basta então somar as duas semi-reações e cancelar os elétrons e íons comuns. Pb(OH)3 - + OH- → PbO2 + 2H2O + 2e- 2e- + OCl - + H2O → Cl - + 2OH- _______________________________________________________ Pb(OH)3 - + OCl- → PbO2 + Cl- + H2O + OH- A massa e a carga estão balanceadas, logo, esta é a equação iônica simplificada totalmente balanceada Pb(OH)3 - + OCl- → PbO2 + Cl- + H2O + OH- Exemplo: Balancear a equação da reação entre o íon dicromato, Cr2O7 2-, e o sulfeto de hidrogênio, H2S, em meio ácido, produzindo o íon cromo(III) e enxofre elementar: Cr2O7 2- + H2S → Cr3+ + S Resolvendo: O primeiro passo é dividir a reação em duas semi-reações: Oxidação e Redução Semi-reação de oxidação: Etapa l Identificar as espécies que se oxidam. Verifica-se que o enxofre, em H2S, passa de -2 para 0 nos produtos. Logo, e ele quem se oxida. Etapa 2 Escrever a equação simplificada da oxidação. H2S → S Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O. Verifica-se que o enxofre já está balanceado. Então, vai para a etapa 4. Etapa 4 Não exixte oxigênio, então balancear os átomos de H. Para isto, adicionar dois íons H+ no lado do produto da equação. H2S → S + 2 H+ Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons no lado deficiente. O lado deficiente é o da direita que recebeu duas cargas positivas, ou seja, 2H+. H2S → S + 2 H+ + 2e- Semi-reação de redução: Etapa l Identificar as espécies que se reduzem. O número de oxidação do Cr dimimui de +6 para +3, logo o Cr se reduziu. Etapa 2 Escreve-se a equação simplificada da redução. Cr2O7 2- → Cr3+ Etapa 3 Balancear todos os elementos, exceto H e O Cr2O7 2- → 2Cr3+ Etapa 4 Balancear os átomos O adicionando uma molécula de água para cada O ao lado deficiente em oxigênio e dois íons H+ ao lado oposto. Cr2O7 2- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O Etapa 5 Balancear as cargas adicionando elétrons. Como Cr saiu de +6 para +3, ele se reduziu pelo ganho de 3e-. Como são dois Cr, então adiciona-se 6 elétrons ao lado esquerdo da equação. 6e- + Cr2O7 2- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O Etapa 6 Escrever a equação total. Para isso, verifica-se que nas semi-reações, 2 elétrons são perdidos na oxidação, mas 6 são ganhos na redução. Então, primeiro multiplica a semi-reação de oxidação por 3, e então somar as duas semi-reações e cancelar os elétrons e íons comuns. 3H2S → 3 S + 6H+ + 6e- 6e- + Cr2O7 2- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O _______________________________________________________ Cr2O7 2- + 3H2S + 8H + → 3S + 2Cr3+ + 7H2O A massa e a carga estão balanceadas, logo, esta é a equação iônica simplificada totalmente balanceada Cr2O7 2- + 3H2S + 8H + → 3S + 2Cr3+ + 7H2O Exercícios 1 - O cobre reage com ácido nítrico diluído para formar nitrato de cobre (II) e o gás óxido nítrico, NO. Escreva a equação iônica simplificada da reação, utilizando o procedimento da figura 1. Resposta: 3Cu(s) + 2NO3 - (aq) + 8H + (aq) → 3Cu2+(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l). 2 - Os produtos da reação entre íons brometo e permanganato, MnO4 -, em água em meio básico, são óxido de manganês (IV) sólido, MnO2, e íons bromato. Balanceiea equação. 3 - Uma solução de íons hipoclorito, em meio alcalino, reage com hidróxido de crômio (III) sólido para dar íons cromato e íons cloreto, em água. Escreva a equação iônica simplificada da reação. Resposta: 2Cr(OH)3(s) + 4OH-(aq) + 3ClO- (aq) → 2CrO42-(aq) + 5H2O(l) + 3Cl-(aq). SOLUÇÕES CLASSIFICAÇÃO DAS SOLUÇÕES – As soluções podem ser assim classificadas: 1. Quanto ao estado físico: Sólidas Líquidas gasosas 2. Quanto à condutividade elétrica: Eletrolíticas ou iônicas Não-eletrolíticas ou moleculares 3. Quanto à proporção soluto/solvente: Solução diluída – Na solução diluída há pouco soluto para a quantidade de solvente. Solução concentrada – É a solução que contém uma proporção de soluto relativamente maior. Solução insaturada - Uma solução é dita insaturada se ainda tem capacidade de diluir soluto, sem precipitar excessos. Solução saturada - É quando o solvente dissolveu toda a quantidade possível de soluto, e qualquer quantidade a mais que for adicionada não será dissolvida e ficará no fundo do recipiente. Solução supersaturada - Acontece quando o solvente e soluto estão em uma temperatura em que seu coeficiente de solubilidade é maior, e depois a solução é resfriada de modo a reduzir o coeficiente de solubilidade. Quando isso é feito de modo cuidadoso, o soluto permanece dissolvido, mas a solução se torna extremamente instável. Qualquer vibração faz precipitar a quantidade de soluto em excesso dissolvida. CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÃO O comportamento das soluções depende também das suas concentrações. Os químicos adotam o termo concentração para designar a quantidade de soluto dissolvida em uma determinada quantidade de solvente ou solução. Quanto maior a quantidade de soluto, maior a concentração da solução. As concentrações das soluções são determinadas em termos de quantidade de soluto por volume de solução, cuja unidade é expressa em mol por litro (mol/L). Existem também outras formas de determinar as concentrações, como, por exemplo, em partes por milhão (ppm), em porcentagem, etc. UNIDADES DE CONCENTRAÇÃO MOLARIDADE OU CONCENTRAÇÃO MOLAR A molaridade de uma solução da espécie A, é a quantidade de matéria dessa espécie (mol) contida em 1 L de solução. Sua unidade é M, que tem dimensões de mol L-1. Molaridade = _quantidade de soluto (mol)_ volume de solução em litros Relembrando que a quantidade de uma substância em mol está relacionada à sua massa em gramas pela sua massa molar. Quantidade de matéria (em mol) = [massa (g)]/[massa molar (g/mol)] Ex. 1. Achar a molaridade de uma solução aquosa que contém 2,30 g de álcool etílico (EtOH; C2H5OH) ( massa molar= 46,07 g mol -1) em 3,50 L de solução . 1. Calcular o Nº de mol em 2,30 g de EtOH: 2,30 g/46,07 g mol-1 = 0,04992 mol de EtOH 2. Para se obter a concentração molar, divide-se a quantidade molar pelo volume da solução: M = 0,04992 mol/3,50 L = 0,0143 M Ex 2. Como preparar 0,150 L de uma solução 0,500 M de NaOH, a partir de NaOH sólido e água? 1. Calcular inicialmente a quantidade de matéria (mol) de NaOH necessária.: Nº mol NaOH necessário = 0,150 L x L 1 NaOH mol 0,500 = 0,0750 mol NaOH Massa de NaOH requerida = 0,075 mol x g 3,00 mol 1 g 40,0 = Resp: Deverão ser pesados 3,00 g de NaOH e dissolver em suficiente água até completar 150 mL (0,150 L) de solução. CONCENTRAÇÃO PERCENTUAL (%) A percentagem (partes por cem) de uma substância em uma solução freqüentemente exprime-se como porcentagem em massa (em gramas), que se define como Percentagem em massa = _massa de soluto_ massa de solução X 100 Ex.: Uma solução 40 % em massa de etanol em água, contém 40 g de etanol em 100 g de solução, e se prepara misturando 40 g de etanol com 60 g de água. Outras unidades comuns são: volume por cento (% v/v) e massa-volume (% p/v) por cento Percentagem em volume (v/v) = % 100 x solução volume soluto volume Percentagem massa-volume (p/v) = massa do soluto(g)/volume x 100% Ex.: O HCl comercial está rotulado 37,0 %, o que implica percentagem em massa. Sua densidade é 1,18 g mL-1. Dessas informações, encontrar: 1. A molaridade do HCl; 2. O volume de solução que contém 0,100 mol de HCl. Resolvendo: 1. Encontrar a molaridade do HCl 1.1 - Uma solução a 37 % contém 37,0 g de HCl em 100 g de solução. 1.2 - Sabendo-se que a densidade da solução é 1,18 g/mL, encontra-se que a massa de 1L de solução é: (1 000 mL) mL g x 1,18 = 1 180 g 1.3 - Então, de posse da massa da solução, encontra-se que a massa de HCl na solução é: Em 100 g de solução _______________ 37g de HCl Em 1180 g ________________________ Xg de HCl X = massa de HCl = 437 g 1.4 - Dado que a massa molar do HCl é 36,5, encontra-se que o número de mols de HCl na solução é 1 mol de HCl ________________ 36,5g Y ________________________437g Y = 12 mol 1.5 – Como o volume de solução é de 1 litro, tem-se que M = molaridade da solução de HCl é 12 mol/L 2. Encontrar o volume de solução que contém 0,100 mol de HCl. 2.1 - Visto que a solução 12 mol/L, então 1 L de solução___________________ 12 mol de HCl W ___________________________ 0,1 mol de HCl Logo, o volume de solução que contém 0,100 mol de HCl é 8,33 mL Exercício: Determine a concentração de uma solução que contém 2 moles de ácido clorídrico, HCl, dissolvidos em água perfazendo um volume total de 100 ml de solução. Exercício: Determine a molaridade de 2 dm3 de uma solução aquosa (o solvente é a água) que contém 49 gramas de ácido sulfúrico, H2SO4, dissolvidos. DILUIÇÃO E TITULAÇÃO DE SOLUÇÃO DILUIÇÃO Diluição é uma operação em que se acrescenta solvente à solução. A quantidade de soluto permanece constante. Diluir uma solução significa diminuir a sua concentração. O procedimento mais simples, geralmente aplicado para diluir uma solução, é a adição de solvente à solução. Na diluição de soluções, a massa de soluto, inicial e final, é a mesma, somente o volume é maior, logo, a concentração da solução será menor. Como a massa de soluto permanece inalterada durante a diluição, pode-se escrever: C1 x V1 = C2 x V2,onde C1=concentração da solução inicial V1=volume de solução inicial C2= concentração da solução diluída V2= volume da solução diluída Em termos de molaridade, obtem-se: M1 x V1 = M2 x V2 QUESTÃO 01 Um químico possui, em seu estoque, uma solução aquosa de hidróxido de sódio cuja concentração é 10mol/L. No entanto, ele precisa de uma solução aquosa de hidróxido de sódio com concentração 2,5 mol/L. Calcule o volume de água, em litros, que deve ser adicionado a 5,0L da solução-estoque, para se obter a concentração desejada. QUESTÃO 02 Adicionaram-se 300 ml de água a 200 ml de uma solução 0,5 M de ácido sulfúrico. Qual será a sua molaridade? QUESTÃO 03 200mL de solução 5 molar de ácido nítrico foram diluídos com água destilada, até a obtenção de uma solução 2 molar. Qual o volumeda solução final? QUESTÃO 04 Para preparar 1,2 L de solução 0,4M de HCl, a partir do ácido concentrado (16M), o volume de água, em litros, a ser utilizado será de: QUESTÃO 05 Na preparação de 500mL de uma solução aquosa de H2SO4 de concentração 3 mol/L, a partir de uma solução de concentração 15mol/L do ácido, deve-se diluir o seguinte volume da solução concentrada: TITULAÇÃO Titulação é uma operação de laboratório através da qual se determina a concentração de uma solução A medindo-se o volume de uma solução B de concentração conhecida, que reage completamente com um volume conhecido da solução A.
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