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1. INTRODUÇÃO A QUÍMICA O que é a química? A Química é um ramo das Ciências da Natureza que estuda a matéria, suas propriedades, constituição, transformações e a energia envolvida nesses processos. A Matéria é o principal objeto de estudo da Química e pode ser definida como tudo aquilo que ocupa lugar no espaço e tem massa, ou seja, todo o mundo material ao nosso redor e, inclusive, nós mesmos. Independentemente do formato, origem (presente no nosso planeta ou no universo) ou se vivo ou morto, não existe nenhum material que esteja fora do alcance da Química. A Química tem um enorme impacto sobre a tecnologia e a nossa sociedade, pois seus estudos desempenham um papel fundamental no desenvolvimento de todos os ramos das ciências. Afinal de contas, é por meio do estudo da matéria que podemos entender as propriedades e as possíveis transformações que cada substância pode sofrer para, então, usar esse conhecimento em nosso benefício. 2. MODELOS ATÔMICOS Quando falamos de átomo, logo nos vêm à mente os diferentes modelos atômicos propostos ao longo da história da ciência. Os filósofos gregos primeiramente propuseram a ideia de que a matéria era formada de partículas bem pequenas e que essas partículas eram indivisíveis. Essas partículas foram denominadas de átomos. Embora tenha ficado por muito tempo no esquecimento, a ideia de átomo, ou melhor, a ideia da existência de uma partícula que fosse indivisível, reapareceu nos estudos realizados sobre as reações químicas no século XIX. Com a finalidade de explicar alguns fatos experimentais observados nas reações químicas, no ano de 1808, o cientista John Dalton introduziu a ideia de que todo e qualquer tipo de matéria seria formado por partículas indivisíveis, denominadas de átomos. Com o passar do tempo, os estudos ficaram cada vez mais profundos na busca de uma explicação concreta, um modelo atômico útil, pois um modelo só é útil enquanto explica de forma correta determinado fenômeno ou experimento sem entrar em conflito com experimentos anteriormente realizados. Na busca por um modelo plausível, ou seja, um modelo que melhor explicasse um fenômeno, vários modelos foram elaborados, mas somente três deles ganharam destaque. São os Modelos de Thomson, Rutherford e Bohr. 2.1 Modelo Atômico de Thomson O modelo atômico de Thomson é conhecido como “pudim de passas” e enuncia que o átomo é uma esfera de carga elétrica positiva, não maciça e que nele se encontram cargas negativas estáticas distribuídas uniformemente, de modo que sua carga elétrica total é nula. 2.2 Modelo Atômico de Rutherford Rutherford, com a intenção de aprofundar seus estudos, foi para a Inglaterra submeter-se à orientação de Thomson nas investigações sobre as propriedades dos raios X e das emissões radioativas. Em seus estudos, ele conseguiu, por meio de experimentos, bombardear uma fina lâmina de ouro com partículas alfa (núcleo do átomo de hélio). Ele percebeu que a maioria das partículas alfa emitidas atravessava a lâmina sem sofrer qualquer desvio. Todavia, uma pequena parte das partículas sofria um desvio. Com isso, ele pôde concluir que o átomo possuía um pequeno núcleo e uma grande região vazia. Em seu experimento, Rutherford enunciou que os elétrons eram dotados de cargas negativas, mas no núcleo se encontravam as cargas positivas. Dessa forma, baseando-se no sistema planetário, Rutherford propôs para o átomo de hidrogênio um modelo semelhante. 2.3 Modelo Atômico de Bohr De acordo com Rutherford, em um átomo, os elétrons se deslocavam em órbita circular ao redor do núcleo. Porém, esse modelo contrariava a física clássica, que segundo suas teorias, o átomo não poderia existir dessa forma, uma vez que os elétrons perderiam energia e acabariam por cair no núcleo. Como isso não ocorria, pelo átomo ser uma estrutura estável, o cientista dinamarquês Niels Bohr aperfeiçoou o modelo proposto por Rutherford, formulando sua teoria sobre distribuição e movimento dos elétrons. Baseado na teoria quântica proposta por Plank, Bohr elaborou os seguintes postulados: I- Os elétrons descrevem ao redor do núcleo órbitas circulares, chamadas de camadas eletrônicas, com energia constante e determinada. Cada órbita permitida para os elétrons possui energia diferente. II- Os elétrons ao se movimentarem numa camada não absorvem nem emitem energia espontaneamente. III- Ao receber energia, o elétron pode saltar para outra órbita, mais energética. Dessa forma, o átomo fica instável, pois o elétron tende a voltar à sua orbita original. Quando o átomo volta à sua órbita original, ele devolve a energia que foi recebida em forma de luz ou calor. Questões: 1. Uma importante contribuição do modelo de Rutherford foi considerar o átomo constituído de: a) elétrons mergulhados numa massa homogênea de carga positiva. b) uma estrutura altamente compactada de prótons e elétrons. c) um núcleo de massa desprezível comparada com a massa do elétron. d) uma região central com carga negativa chamada núcleo. e) um núcleo muito pequeno de carga positiva, cercada por elétrons. 2. Relacione as características atômicas com os cientistas que as propôs: I. Dalton II. Thomson III. Rutherford ( ) Seu modelo atômico era semelhante a um “pudim de passas”. ( ) Seu modelo atômico era semelhante a uma bola de bilhar. ( ) Criou um modelo para o átomo semelhante ao “Sistema solar” 3. Ao longo dos anos, as características atômicas foram sendo desvendadas pelos cientistas. Foi um processo de descoberta no qual as opiniões anteriores não poderiam ser desprezadas, ou seja, apesar de serem ideias ultrapassadas, fizeram parte do histórico de descoberta das características atômicas. Vários foram os colaboradores para o modelo atômico atual, dentre eles Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr. Abaixo você tem a relação de algumas características atômicas, especifique o cientista responsável por cada uma destas teorias: I. O átomo é comparado a uma bola de bilhar: uma esfera maciça, homogênea, indivisível, indestrutível e eletricamente neutra. (________________________) II. O átomo é comparado a um pudim de ameixas: uma esfera carregada positivamente e que elétrons de carga negativa ficam incrustados nela. (________________________) III. Átomo em que os elétrons se organizam na forma de camadas ao redor do núcleo. (________________________) III. Átomo que apresenta um núcleo carregado positivamente e ao seu redor gira elétrons com carga negativa. (________________________) 3. ESTRUTURA ATÔMICA A estrutura do átomo é formada pelo núcleo, que é constituído por duas partículas (prótons e nêutrons), e pela eletrosfera, que detém os elétrons. Os átomos são partículas infinitamente pequenas que constituem toda matéria no universo. Ao longo do tempo, a ideia de como seria a estrutura atômica foi mudando de acordo com as novas descobertas feitas pelos cientistas. Um modelo é uma representação da realidade (não a própria realidade), assim, os modelos atômicos são representações dos principais componentes do átomo e de sua estrutura e explicam determinados comportamentos físicos e químicos da matéria. Isso é feito porque ainda não é possível ao ser humano enxergar um átomo isolado nem mesmo com ultramicroscópios. Para se ter uma ideia do quanto o átomo é pequeno, saiba que a menor partícula visível em um microscópio comum contém mais de dez bilhões de átomos! O átomo é tão pequeno que, se colocássemos um milhão deles lado a lado, não atingiríamos a espessura de um fio de cabelo. Entre os modelos atômicos, o mais usado atualmente para o entendimento da estrutura do átomo e suas propriedadesé o de Rutherford-Bohr. Segundo esse modelo, a estrutura do átomo é constituída de duas partes principais: o núcleo e a eletrosfera. ➢ Núcleo: Constituindo-se como a parte central do átomo, ele é compacto, maciço e muito denso, além de ser formado pelas partículas de maior massa, que são os prótons e os nêutrons. ➢ Prótons: O próton é uma partícula fundamental na estrutura atômica. Juntamente com os nêutrons, forma todos os núcleos atômicos, exceto para o hidrogênio, onde o núcleo é formado de um único próton. A massa de um átomo é a soma das massas dos prótons e nêutrons. Como a massa do elétron é muito pequena (tem cerca de 1/1836,15267377 da massa do próton), ela não é considerada para a determinação da massa total do átomo. São partículas de carga elétrica positiva (carga relativa = +1) e a sua massa relativa é igual a 1. O fato de que os prótons formam o núcleo e dão a ele uma carga total positiva foi descoberto por Eugen Goldstein, em 1886, através de uma modificação na ampola de Crookes e alguns experimentos. Ele viu que, sob voltagens elevadíssimas, apareciam emissões (raios anódicos - restos de átomos do gás que estavam dentro da ampola e que tiveram seus elétrons arrancados pela descarga elétrica). Ao colocar um campo elétrico ou magnético externo à ampola, esses raios eram desviados no sentido do polo negativo. Isso significava que existiam partículas subatômicas positivas, que foram chamadas de prótons. Mais tarde, Ernest Rutherford (1871-1937) realizou seus experimentos o que o levou à descoberta da localização do próton: no núcleo. ➢ Nêutrons: são partículas de massa igual à dos prótons (1), mas como o próprio nome indica, eles são neutros, ou seja, não possuem carga elétrica. Os nêutrons foram descobertos, em 1932, por James Chadwick (1891-1974), que percebeu que o núcleo do berílio radioativo emitia partículas neutras com a massa praticamente igual à massa dos prótons (na verdade, é um pouquinho maior). O diâmetro do núcleo depende da quantidade de prótons e nêutrons que o átomo possui, mas, em média, fica em torno de 10-14 m e 10-15 m. O núcleo atômico concentra praticamente toda a massa do átomo, sendo uma parte muito pequena mesmo: tanto o próton como o nêutron são cerca de 100 mil vezes menores do que o próprio átomo inteiro! A título de comparação, imagine que aumentássemos o núcleo do átomo do elemento hidrogênio (que possui somente um próton) até o tamanho de uma bola de tênis, o elétron mais próximo ficaria a uns três quilômetros de distância! Mesmo se um átomo fosse aumentado até ficar da altura de um prédio de 14 andares, seu núcleo seria do tamanho de um mero grão de sal no sétimo andar. ➢ Eletrosfera: É uma região onde os elétrons ficam girando ao redor do núcleo. Apesar de ser uma região de volume muito maior que o do núcleo, ela é praticamente vazia, pois cada elétron é 1836 vezes menor que 1 próton (ou que 1 nêutron). É por isso que a massa do átomo se concentra praticamente toda no núcleo. Os elétrons são partículas de carga elétrica negativa (-1). Os elétrons foram descobertos, em 1897, por Joseph John Thomson (1856-1940), o criador do modelo atômico de Thomson, de forma resumida, ele usou a ampola de Crookes já mencionada e percebeu que os raios catódicos eram sempre atraídos pelo polo positivo, o que provava que o átomo possuía partículas negativas, que foram chamadas de elétrons. Os elétrons giram ao redor do núcleo bilhões de vezes por milionésimo de segundo, dando forma ao átomo e fazendo-o comportar-se como se fosse sólido. Resumidamente, podemos fazer uma tabela para diferenciar as três partículas subatômicas principais que fazem parte da estrutura do átomo: Os átomos de todos os elementos químicos são compostos por essas três partículas subatômicas. O que difere um elemento químico de outro é a quantidade em que essas partículas aparecem, principalmente a quantidade de prótons no núcleo, que é chamada de número atômico. 4. ELEMENTO QUÍMICO Elemento químico é o conjunto de átomos de mesmo número atômico. O número atômico é a quantidade de prótons que um átomo possui em seu núcleo. Desse modo, a menor parte ou partícula que conserva as propriedades de um elemento químico é um átomo só com aquele determinado número atômico. Para entender como isso se dá, pense em uma gota do elemento químico mercúrio (Hg). Ela pode ser subdivida em outras gotas menores, que continuarão sendo mercúrio, pois conservam as mesmas propriedades. Do mesmo modo, o elemento químico é um conjunto de átomos com o mesmo número atômico, mas a menor parte é apenas um átomo. Assim, na Tabela Periódica, apresentada em ordem crescente de número atômico, é exatamente esse número que identifica e diferencia os elementos químicos uns dos outros. Para identificar um elemento químico fora da Tabela Periódica, costuma-se colocar o símbolo do elemento no centro, número de massa (A) na parte superior e o número atômico (Z) na parte inferior. A figura abaixo mostra como isso pode ser feito para representar um elemento químico: Essa representação está de acordo com as normas da União da Química Pura e Aplicada (IUPAC). A seguir temos os elementos químicos sódio (Na) e cloro (Cl) sendo representados dessa forma: Assim, o número atômico 11 identifica os átomos de sódio e o número atômico 17 identifica os átomos de cloro. A massa do átomo é representada pela letra (A). O que caracteriza um elemento é o número de prótons do átomo, conhecido como número atômico do elemento que é representado pela letra (Z). O número da massa (A) do átomo é formada pela soma do número atômico (Z) com o número de nêutrons (N), ou seja, A = Z + N. Obs.: No estado fundamental, a quantidade de elétrons e de prótons é igual. 5. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA O modelo atômico de Rutherford-Böhr mostra que o átomo possui um núcleo com prótons e nêutrons, além de uma eletrosfera formada por várias camadas eletrônicas, com valores de energia específicos para cada tipo de átomo. Para os elementos conhecidos atualmente, existem, no máximo, sete camadas que são representadas, respectivamente (de dentro para fora), pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. A distribuição eletrônica refere-se ao modo em que os elétrons estão distribuídos nas camadas ou níveis de energia que ficam ao redor do núcleo do átomo. Por exemplo, abaixo temos os elétrons do berílio. Ele possui 4 elétrons no total, distribuídos em duas camadas eletrônicas. Assim, a sua distribuição eletrônica é dada por: No entanto, os elétrons não se distribuem de qualquer forma nessas camadas, havendo, portanto, algumas regras a serem seguidas para essa distribuição. Por exemplo, a primeira camada (K) suporta no máximo 2 elétrons, e a camada de valência (a última camada a ser preenchida) pode possuir no máximo 8 elétrons. Esses e outros fatores ocorrem porque os elétrons distribuem-se nas camadas eletrônicas de acordo com subníveis de energia, que são identificados pelas letras s, p, d, f, que aumentam de energia nessa ordem respectiva. Cada nível comporta uma quantidade máxima de elétrons distribuídos nos subníveis de energia. Para tornar mais fácil a distribuição dos elétrons dos átomos nas camadas eletrônicas, o cientista Linus Pauling (1901-1994) criou uma representação gráfica que facilitou a visualização da ordem crescente de energia e a realização da distribuição eletrônica. Essa representação passou a ser chamada de Diagrama de Pauling, sendo também conhecida como Diagrama de distribuição eletrônica ou, ainda, Diagrama dos níveis energéticos, e está exposta abaixo: Antes de você poder realizara distribuição eletrônica de um átomo por meio do Diagrama de Pauling, é necessário saber qual a quantidade máxima de elétrons que pode ser distribuída em cada nível e subnível. Considerando a quantidade máxima de elétrons por cama e subnível, o diagrama de Linus Pauling em ordem crescente de energia pode ser escrito da seguinte forma: Exemplo: Faça a distribuição eletrônica para o Vanádio (Z=23). • Ordem energética: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3 • Ordem geométrica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 • Número total de elétrons por nível ou camada: K = 2, L = 8, M = 11, N = 2 • Número de elétrons no subnível mais energético: o subnível mais energético é o último a ser preenchido, isto é, o 3d. Assim, o número de elétrons nele é 3. • Número de elétrons no subnível mais externo: o subnível mais externo é o que fica mais afastado do núcleo, isto é, o 4S. Assim, o número de elétrons nele é 2. 5.1 Distribuição eletrônica nos íons A distribuição eletrônica nos íons é semelhante à dos átomos neutros. No entanto, é importante salientar que os elétrons que o átomo irá ganhar ou perder (para se transformar num íon) serão recebidos ou retirados da última camada eletrônica, e não do subnível mais energético. Exemplo: o átomo de ferro (número atômico = 26) tem a seguinte distribuição eletrônica: 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠2 3𝑝6 4𝑠2 3𝑑6 Quando o átomo de ferro perde 2 elétrons e se transforma no íon Fe2+, este terá a seguinte distribuição eletrônica: 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠2 3𝑝6 3𝑑6 Evidentemente, se o átomo de ferro perder 3 elétrons e se transformar no íon Fe³+, este terá a seguinte distribuição eletrônica: 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠2 3𝑝6 3𝑑5 Exercícios Faça a distribuição eletrônica para os elementos Al, Cu, S, Mg, Mn, Ag, Au, indicando os subníveis de energia. 6. TABELA PERIÓDICA No ano de 1869, Dimitri Mendeleev iniciou os estudos a respeito da organização da tabela periódica através de um livro sobre os cerca de 60 elementos conhecidos na época, cujas propriedades ele havia anotado em fichas separadas. Ao trabalhar com esses dados ele percebeu que organizando os elementos em função da massa de seus átomos, determinadas propriedades se repetiam diversas vezes, e com uma mesma proporção, portanto era uma variável periódica. Lembrando que periódico é tudo o que se repete em intervalos de tempo bem definidos, como é o caso das estações do ano e das fases da lua, por exemplo. Ela foi criada com o intuito de organizar as informações já constatadas a fim de facilitar o acesso aos dados. Quando foi proposta muitos elementos ainda não haviam sido descobertos, muito embora seu princípio seja seguido até hoje com 118 elementos. Alguns outros modelos de tabela vêm sendo propostos, como por exemplo a que apresenta forma de espiral proposta por Philip Stewart com base na natureza cíclica dos elementos químicos, porém a mais utilizada ainda é a de Mendeleev. A tabela tem os elementos químicos dispostos em ordem crescente de número atômico e são divididos em grupos (ou famílias) devido a características que são comuns entre eles. Cada elemento químico é representado por um símbolo, por exemplo a prata é representada por Ag devido a seu nome no latim argentum. Cada elemento possui ao lado de seu símbolo o número atômico e o número de massa. 6.1 Características da Tabela Periódica a) Período – O número do período é igual ao número de níveis de energia ou camadas eletrônicas que o átomo possui. b) Família – Segue regras diferentes para a classificação. Mas é importante ressaltar que, dependendo do caso, ela pode ser usada para prever o número de elétrons na camada de valência e subnível mais energético. Veja: • Famílias 1 e 2 – o número da família é igual ao número de elétrons que o elemento possui na sua camada de valência. Ex.: Família 2, 2 elétrons na camada de valência. 12Mg = 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠2 • Família 13 até 18 – elementos com o elétron mais energético no subnível p. Para descobrir a quantidade de elétrons na última camada, basta subtrair 10 do número da família. Ex.: Família 16 → 16 − 10 = 6 → 6 elétrons na camada de valência. 8O = 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝4 Família 3 até 12 – elementos de transição, excluindo os de transição interna da família 3. Nestas famílias, a soma do subnível mais energético com os elétrons da camada de valência (que será sempre s², ou seja, 2 elétrons) resultará no número da família. Ex.: Família 12 → 2 + 10 = 12 → 2 elétrons no subnível s e mais 10 no subnível d. 30Zn = 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠2 3𝑝6 4𝑠2 3𝑑10 6.2 Propriedades Periódicas a) Raio Atômico: É a propriedade que se relaciona com o tamanho do átomo e, para comparar esta medida, é preciso levar em conta dois fatores: • Quanto maior o número de níveis, maior será o tamanho do átomo. • O átomo que apresenta menor número atômico e mesmo número de camadas, terá um raio atômico maior, pois a atração entre prótons e elétrons será menor. Figura: Sentido de crescimento do raio atômico na tabela periódica. a) Energia de Ionização: Energia necessária para retirar 1 elétron de 1 átomo (ou íon) isolado (no estado gasoso). • Quanto maior o tamanho do átomo, menor será a energia de ionização. • Em uma mesma família está energia aumenta de baixo para cima; • Em um mesmo período a Energia de Ionização aumenta da esquerda para a direita. Figura: Sentido de crescimento da energia de ionização na tabela periódica. b) Eletronegatividade: É a capacidade que um átomo possui de atrair elétrons para perto de si, em comparação a outro átomo. • Na tabela periódica a eletronegatividade aumenta de baixo para cima e da esquerda para a direita. • Essa propriedade se relaciona com o raio atômico, sendo que, quanto menor o tamanho de um átomo maior será a força de atração sobre os elétrons. Figura: Sentido de crescimento da eletronegatividade na tabela periódica. c) Eletropositividade ou caráter metálico: É a capacidade que um átomo possui de doar elétrons, em comparação a outro átomo. Esta propriedade é inversa da eletronegatividade. Figura: Sentido de crescimento da eletropositividade na tabela periódica. 6.3 Classificação dos elementos segundo suas propriedades Metais • Eletropositivos (formam cátions); • Bons condutores de calor; • Bons condutores de eletricidade; • Maleáveis (podem ser transformados em lâminas); • Dúcteis (sofrem grandes deformações antes de romperem); • Portadores de brilho metálico característico; • Sólidos a 25ºC e 1atm (exceção do mercúrio). Ametais • Eletronegativos (formam ânions); • Não são bons condutores de eletricidade e calor; • Podem ser usados como isolantes; • Não possuem brilho como os metais. Gases Nobres São 6 elementos cuja a característica principal é a inércia química. São muito estáveis na forma de átomos e não possuem nenhuma tendência a formar íons espontaneamente. Hidrogênio Elemento único e será sempre estudado a parte. 6.4 Metais: Características químicas e físicas Os metais são um grupo de elementos que possuem características semelhantes entre si, no que diz respeito à sua composição química e propriedades físicas. São encontrados em toda a natureza. O domínio das técnicas para o uso dos metais foi um elemento essencial no desenvolvimento da humanidade. Podemos pensar na cunhagem de moedas, um sistema de troca de valores que modificou as relações comerciais. A troca de metais valiosos, como o ouro e a prata, por altos valores monetários, o uso de metais na eletrônica e nas redes de energia elétrica, a forja de espadas e armas de fogo: os metais são materiais extremamente versáteis, necessáriosem vários campos da tecnologia e da economia na sociedade. Além disto, os metais estão presentes no organismo humano e são necessários para a manutenção da vida. A ausência de ferro no organismo pode causar uma anemia grave, assim como a ausência de cálcio pode causar osteoporose. Há, ainda, os metais essenciais para o sistema nervoso, como o sódio e o potássio. Características químicas dos metais Os metais são um grupo de elementos químicos que possuem, dentre outras características, um átomo que possui pouca força de atração com os elétrons da última camada. Em outras palavras, são elementos que possuem elétrons livres nas camadas de valência. Ao manter estes elétrons livres, os metais tornam possível que sejam realizadas ligações iônicas com outros materiais. Por este motivo os metais são bons condutores de energia elétrica e de energia térmica. São divididos em três grupos, conforme suas propriedades de ionização e ligação com metalóides: metais alcalinos, metais alcalinos-terrosos e não metais. Com exceção dos metais alcalinos e alcalinos-terrosos, todos os outros metais são estáveis. Os metais nobres são bastante oxidativos, principalmente na presença de um metal não nobre, sofrendo o processo de oxidação. Nos processos químicos, os metais formam bases de Arhenius, que são bases formadas pelo ânion hidroxila. Também formam sais básicos e sais anfóteros. Do ponto de vista da estrutura atômica, os metais possuem uma estrutura denominada como Cristalina. Características físicas dos metais Os metais são materiais encontrados na natureza quase sempre em estado sólido, se estiverem expostos a temperatura ambiente (em torno de 25°C). Apenas o mercúrio (Hg) é encontrado na forma líquida. Possuem brilho e cor característicos, em geral prata, com algumas exceções como o ouro, de cor amarelada, e o cobre, de cor avermelhada. Outras características físicas dos metais são: – Brilho: quando um metal é polido, ele reflete um brilho, ou lustre, característico deste material. O brilho é a relação entre a quantidade de luz incidente e a quantidade de luz refletida. O brilho ocorre porque os metais possuem elétrons livres na superfície, que absorvem e refletem a luz. – Maleabilidade: propriedade de transformar-se em lâminas e chapas, sem que haja rompimento. – Ductibilidade: capacidade de formar filamentos, sem que estes se rompam. – Condutibilidade: grande capacidade de transmitir energia elétrica e calor. – Pontos de fusão e ebulição elevados: esta característica permite que os metais sejam utilizados em processos de altas temperaturas. Ligas metálicas. As ligas metálicas são combinações químicas e físicas entre metais ou entre metais e outros materiais, como o carbono. As ligas metálicas foram desenvolvidas para facilitar o trabalho com os metais, uma vez que trabalhar com o material puro pode ser complicado para algumas tarefas, principalmente na indústria. Um bom exemplo de material gerado a partir de uma liga metálica é o aço. O aço é obtido a partir de uma liga metálica de ferro com um acréscimo de 2% de carbono. Esta mistura torna o material mais barato, mais resistente, sem risco de oxidação e mais maleável do que o ferro puro encontrado na natureza. É possível realizar ligas com quase todos os metais existentes. As ligas de cobre são bastante utilizadas nas indústrias hidroelétricas, com fins de tornar a produção de energia mais eficaz. Os metais e a vida cotidiana Como elementos da natureza, os metais estão presentes em todas as partes. Muitas vezes, ouvimos que, após um longo esforço físico, um atleta precisa repor os sais minerais. São os minerais presentes no organismo humano e fundamentais para o bom funcionamento do corpo, pois ajudam a absorvem e manter a água no organismo. Bebidas como isotônicos e água de coco possuem estes minerais e ajudam nesta hidratação. Os metais são usados também para a fabricação de panelas, eletrodomésticos, computadores, estruturas da construção civil, medicação (como é o caso do lítio, usado na psiquiatria), criação de próteses e maquinários para a indústria. Do ponto de vista econômico, a extração de metais em grandes garimpos movimenta um número de pessoas bastante significativo. Por outro lado, as consequências ambientais deste extrativismo mineral são enormes. Por isto, há estudos para tentar substituir estes materiais por outros menos poluentes. Porém, até o momento, não foi descoberto nenhum outro material com as mesmas qualidades. Existem muitos tipos de metais, chegando hoje ao total de sessenta e oito. Dentre eles existem alguns bem diferentes, como o mercúrio (que é líquido) e o sódio (que é leve). Os mais conhecidos e utilizados há muitos anos são o ferro, cobre, estanho, chumbo, ouro e a prata. Os metais podem ser separados em grupos: os ferrosos, compostos por ferro, e os não- ferrosos e as ligas. Metais ferrosos: é composto principalmente de ferro. Eles podem ter pequenas quantidades de outros metais ou outros elementos adicionados, tais como carbono, manganês, níquel, cromo, silício, titânio, tungstênio, etc., para dar as propriedades necessárias. Metais Não-ferrosos: são metais que não contem qualquer ferro como componente. Os metais puros comuns são: alumínio, cobre, chumbo, zinco, estanho, prata e ouro. Ligas: Liga é um metal novo que é formado pela mistura de dois ou mais metais e às vezes outros elementos juntos. Os metais mais usados são: ferro, alumínio, cobre, titânio, zinco, magnésio etc. Ferro é o componente básico de aço. Quando o carbono, um não metal, é adicionado ao ferro em quantidades de 2,1%, o resultado é uma liga conhecida como aço. Por outro lado, os metais não-ferrosos mais utilizados são o alumínio, cobre, titânio, ouro etc. Veja abaixo os principais tipos de metais e suas aplicações: 6.5 Aço Sua História O ferro foi descoberto ainda na pré-história, porém, o aço, como conhecemos atualmente, só foi desenvolvido em 1856, alcançando grande repercussão no meio industrial. Isso porque o aço é mais resistente que o ferro fundido e pode ser produzido em grandes quantidades, servindo de matéria-prima para muitas indústrias. Com o avanço tecnológico dos fornos e a crescente demanda por produtos feitos de ferro e aço, as indústrias siderúrgicas aumentaram a produção. No entanto, o crescimento deste setor trouxe também um aumento da extração de madeira para produção de carvão e da emissão de gases poluentes na atmosfera pela queima de carvão vegetal. Segundo a Worldsteel (associação global do ferro), a produção mundial de aço bruto, em 2014, foi de 1,66 bilhão de toneladas, correspondendo à um crescimento de 1,2% em relação ao ano anterior. O ferro e o aço são encontrados na agricultura (ceifadeiras, colheitadeiras, semeadores, arados, etc.), nos transportes (caminhões, carros, navios, aviões etc.), na construção civil, na indústria automobilística, em embalagens, aparelhos domésticos e muitas outras utilidades. As latas de aço e flandres são amplamente utilizadas no mercado nacional de embalagens principalmente para o armazenamento de alimentos, óleos lubrificantes, tampas metálicas e outros. Composição Para a obtenção das chapas de aço é necessário extrair da natureza o minério de ferro, denominado hematita, e a partir de sua redução com carvão vegetal, produz-se uma chapa do metal com alto grau de pureza. As latas de aço produzidas com chapas metálicas, conhecidas como folhas de flandres, são compostas por ferro e uma pequena parte de estanho (0,20%) ou cromo (0,007%), materiais que as protegem contra a oxidação (ferrugem). Reciclagem de aço A reciclagem de aço remontaà própria história de utilização do metal. Reciclado, mantém suas propriedades como dureza, resistência e versatilidade. As latas normalmente jogadas no lixo podem retornar a nós em forma de novas latas, ou como vários utensílios – arames, partes de automóvel, dobradiças, maçanetas e muitos outros. Nas áreas de armazenamento, as latas são prensadas para aumentar sua densidade e melhorar as condições de transporte. São enviadas às indústrias siderúrgicas junto com as demais sucatas metálicas, para se transformarem em tarugos ou folhas de flandres. As latas de aço lançadas na natureza sofrem oxidação num prazo médio de 3 anos, transformando-se em óxidos ou hidróxidos de ferro. Se recuperadas, podem ser recicladas infinitamente. Produção Para a obtenção dos metais através dos minérios é feita a redução deste minério, ou seja, a separação do metal dos demais componentes. Este é o processo primário e é feito a altas temperaturas com elevado consumo energético. Reciclagem de Metal A reciclagem do metal é considerada o processo secundário de obtenção deste material, e neste caso é feita a fusão do metal já usado com um consumo de energia menor. Portanto, uma das mais importantes vantagens da reciclagem dos metais é a economia de energia, quando se compara sua produção desde a extração do minério e o beneficiamento. Sua reciclagem ocorre em diferentes unidades industriais dependendo do tipo e no caso dos metais pesados, o processo é mais complexo. Os materiais ferrosos podem ser facilmente separados dos demais através de uma máquina com imã que atrai os objetos de aço. 7. LIGAÇÕES QUÍMICAS É fato que são poucos os elementos encontrados na natureza de forma isolado. Apenas 6 são encontrados na forma de átomos isolados e são os gases nobres. A partir da configuração eletrônica destes elementos e da estabilidade que eles possuem estipulou-se a seguinte regra, denominada a Regra do Octeto: “Os átomos dos diferentes elementos ligam-se entre si, cedendo, recebendo ou compartilhando elétrons, na tentativa de adquirir uma configuração igual à de um gás nobre: oito elétrons na camada de valência, ou dois elétrons, se a camada de valência for a 1ª camada”. Obs.: Existem exceções (como sempre)! Aí vão algumas: Ex: BF3, PCl5 e AlF3 respectivamente. 7.1 Tipos de Ligações 7.1.1 Ligação Iônica A ligação iônica é aquela que ocorre pela atração elétrica entre íons positivos e negativos e formam compostos iônicos (≠ de molécula). Esses íons são formados, de modo geral, quando se encontram juntos átomos de metais e ametais, sendo que ocorre transferência de elétrons dos metais para os ametais. Figura: Representação da captura de elétron. 7.1.2 Ligação Metálica: Na ligação entre átomos de um elemento metálico, ocorre a liberação parcial dos elétrons mais externos, com a consequente formação de íons positivos. Uma amostra de metal é constituída por esses cátions, os quais são estabilizados pelos elétrons que foram liberados e envolve a estrutura como uma nuvem eletrônica. Figura: Representação de uma nuvem de elétrons. 7.1.3 Ligação Covalente: Se caracteriza pelo compartilhamento de pares de elétrons de valência entre os átomos que participam da ligação, em vista de adquirirem estabilidade. Desta maneira são formadas as moléculas. Figura: Representação do compartilhamento de elétrons: Podemos representar a ligação covalente entre os átomos e a formação de moléculas através de 3 fórmulas diferentes (usaremos o gás hidrogênio como exemplo): a) Fórmula eletrônica ou Fórmula de Lewis: Indicam-se todos os elétrons da última camada de cada átomo, colocando lado a lado aqueles que estão sendo compartilhados. b) Fórmula estrutural: Evidencia a estrutura da ligação, ou seja, cada par de elétrons compartilhado é representado por um traço. c) Fórmula molecular: Mostra apenas o tipo e a quantidade de átomos que formam 1 molécula. De um modo geral, é montada da seguinte maneira. Escrevem-se os símbolos dos átomos em ordem crescente de eletronegatividade (o menos eletronegativo primeiro). Cada símbolo é seguido de um índice que indica o número de átomos na molécula. O índice 1 não precisa ser escrito. 7.2 Polaridade das ligações Os modelos usados para representar as ligações iônicas e covalentes são as situações extremas na ligação. A ligação covalente pura, onde os átomos compartilham um par de elétrons igualmente só acontece quando dois átomos idênticos estiverem ligados entre si. Quando dois átomos diferentes formarem uma ligação covalente, o par de elétrons será desigualmente compartilhado. O resultado é uma ligação covalente polar, uma ligação na qual os dois átomos têm cargas residuais ou parciais. Mas por que as ligações são polares? Porque nem todos os átomos estão ligados aos seus elétrons de valência com a mesma força, nem todos os átomos assumem elétrons adicionais com a mesma facilidade. Portanto, os elétrons da ligação não são igualmente compartilhados entre os átomos. O átomo para o qual o par é deslocado tem uma maior “parte” do par de elétrons e, assim adquiri uma carga parcial negativa. Ao mesmo tempo, o átomo na outra terminação da ligação adquire uma carga parcial positiva. Tal comportamento caracteriza uma ligação polar. Figura: Polaridade de uma ligação iônica. Em compostos iônicos, o deslocamento do par do ligante para um dos dois átomos é essencialmente completo e os símbolos + e – juntamente com os símbolos dos átomos são representados nas estruturas de Lewis. Linus Pauling propôs um parâmetro chamado eletronegatividade para decidir se uma ligação é polar e determinar qual átomo da ligação é negativo ou positivo: • Eletronegatividade é a habilidade de um átomo em uma molécula de atrair elétrons para si. Seu comportamento é uma das propriedades periódicas da tabela, como já foi visto. A escala de eletronegatividade de Pauling facilita nosso estudo: Uma decorrência importante do estudo da eletronegatividade dos elementos é que, em função da diferença de eletronegatividade (Δ) entre os átomos envolvidos, podemos classificar as ligações covalentes como: a) Ligações apolares: apresentam diferença de eletronegatividade igual a zero. b) Ligações polares: apresentam diferença de eletronegatividade diferente de zero. É importante salientar o seguinte: quando essa diferença ultrapassa o valor de 1,7 a atração exercida por um dos átomos sobre o par eletrônico é tão grande que a ligação covalente se “rompe”, tornando-se uma ligação iônica. 7.3 Ligações Intermoleculares São as forças de atração que mantém as moléculas unidas. Atualmente se resumem em 4 tipos de forças: Forças de van der Waals ou dipolo induzido, Forças de Keesom-Dipolo permanente, Forças de London - Dipolo instantâneo e pontes de hidrogênio. As forças de van der Waals ou de dipolo induzido são forças fracas que ocorrem entre moléculas apolares ou entre átomos de gases nobres. Forças de Keesom-Dipolo permanente: As forças de dipolo permanente são responsáveis pela atração existente entre moléculas polares. Forças de London - Dipolo instantâneo: Os elétrons que constituem a nuvem eletrônica de uma molécula estão em constante movimento, assim, se pudéssemos tirar fotografias dessa nuvem, elas não representariam a mesma imagem. Ou seja, em moléculas apolares, há possibilidade de tornar-se polar durante um curto período de tempo. Entretanto, esse tempo é o bastante para que deforme a nuvem de outra molécula apolar e induza-a, de modo a formar dois polos distintos (positivo e negativo). Pontes de Hidrogênio são forças de atração de natureza elétrica, do tipo dipolopermanente, porém bem mais intensas. Elas ocorrem quando a molécula possui hidrogênio ligado a elemento muito eletronegativo como o flúor, o oxigênio ou o nitrogênio. Assim temos a ordem de ligação da mais forte para a mais fraca, a seguir: Pontes de Hidrogênio > Dipolo Permanente > Induzido E usando esta ordem é possível prever qual ligação possui ponto de fusão e ebulição maior que a outra. 8. REAÇÃO QUÍMICA Reação química é a união de dois ou mais átomos, moléculas ou íons, união esta que resulta em uma alteração química. 8.1 Tipos De Reação: • Síntese ou adição: 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑐𝐶 • Decomposição ou análise: 𝑐𝐶 → 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 • Deslocamento ou Reação de simples troca: 𝐴𝐵 + 𝐶 → 𝐴𝐶 + 𝐵 (𝐶 é 𝑚𝑎𝑖𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝐵) 𝐴𝐵 + 𝐶 → 𝐶𝐵 + 𝐴 (𝐶 é 𝑚𝑎𝑖𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝐴) • Reação de dupla troca: 𝐴𝐵 + 𝐶𝐷 → 𝐴𝐷 + 𝐶𝐵 A reação de dupla troca ocorre quando AD e/ou CB for: - menos solúvel - eletrólito mais fraco - mais volátil que AB e/ou CD. 8.2 Metais: • Metais alcalinos fazem reação muito violenta (perigo!) com a água, mesmo a frio. • Metais alcalino-terrosos fazem reação branda com a água, a frio. • O magnésio faz reação muito lenta com a água fria; com a água quente é mais rápida, porém branda. • Os metais menos reativos que o Mg e mais reativos que o H só reagem com vapor de água a alta temperatura. • Os metais menos reativos que o H não reagem com a água em nenhuma condição. Indícios Da Ocorrência De Uma Reação: • Mudança de coloração no sistema e/ou; • Liberação de gás (efervescência) e/ou; • Precipitação (formação de composto insolúvel). 8.3 Reações De Óxi-Redução É a reação na qual o elemento sofre variações no seu número de oxidação devido a ocorrência de transferência de elétrons. Em uma reação, a espécie que sofre oxidação é chamada de agente redutor e a espécie que sofre redução é chamada de agente oxidante. Oxidação: É o fenômeno que indica que uma espécie química perdeu elétrons, tendo aumento do seu número de oxidação. Redução: É o fenômeno que indica que uma espécie química ganhou elétrons, tendo diminuição do seu número de oxidação. Número de oxidação (nox): É o número que indica a carga real, para os íons ou carga parcial para átomos em ligações covalentes. 9. FUNÇÕES QUÍMICAS Dentro do estudo das substâncias químicas, encontramos as funções químicas que foram divididas em grupos, que são conjuntos de substâncias que apresentam propriedades químicas semelhantes, isto é, por possuírem estruturas parecidas. Funções químicas são também chamadas de funções inorgânicas, onde as principais quatro funções são: -Ácidos; -Bases (ou hidróxidos); -Sais; -Óxidos. 9.1 Ácidos As substâncias que são compostos moleculares que se dissociam em íons em solução aquosa, são os ácidos. São capazes de conduzir corrente elétrica, e como exemplo podemos citar o Ácido Clorídrico, Ácido Bórico, Ácido Fórmico, etc. Estes possuem hidrogênio que é liberado como cátion quando dissolvidos. Os elementos que formam ácidos se formam por ligações covalentes e ganham elétrons. Entre suas principais características, estão o sabor azedo, como o do limão, por exemplo. Boa condução da eletricidade, e a alteração da cor dos indicadores, que são substâncias que tem propriedade de mudar a cor para identificar caráter ácido ou básico da solução. Vamos verificar abaixo os ácidos mais conhecidos: HCL – ácido clorídrico; HNO3 – ácido nítrico; H2SO4 – ácido sulfúrico; H3PO4 – ácido fosfórico. Conforme observamos acima, os ácidos possuem a presença obrigatória do hidrogênio. Onde os ácidos são usados? Ácido muriático • Pode ser usado para limpar o excesso de rejunte e cimento em pisos de cerâmica. • Este ácido também é encontrado em nosso estômago, junto ao suco gástrico trabalhando na digestão dos alimentos. • É usado também na prospecção de petróleo, injetado nas rochas, ajuda a dissolver parte delas, facilitando o fluxo do petróleo até a sua superfície. Ácido acético • Presente no vinagre; • Usado na aspirina; • Utilizado para tingir tecidos; • Preservar madeiras. Ácido sulfúrico • Utilizado para refinação de petróleo; • Utilizado na indústria siderúrgica; • Na fabricação de adubos e tintas; • Presente nas baterias dos carros. 9.2 Bases As bases também são chamadas de hidróxidos, são compostos químicos que se ionizam na água, como os ácidos. O ânion formado é sempre OH, conhecido como radical hidroxila. As bases possuem gosto adstringente, como por exemplo: fruta verde, como banana ou caju. Onde as bases são usadas? Hidróxido de sódio • Conhecido também como soda cáustica; • É utilizado na fabricação de papel; • Fabricação de sabão; • Utilizado para desentupir canos. Hidróxido de cálcio • Conhecido como cal hidratado; • Usado na fabricação do açúcar refinado; • Usado na mistura com cimento nas massas de construção. Hidróxido de amônia • Conhecido como amoníaco; • Presente em alguns produtos de limpeza doméstica. 9.3 Sais Os sais são compostos que em solução aquosa (em água), sofrem dissociação e apresentam pelo menos um cátion diferente de H e um ânion diferente OH. Essa propriedade faz com que os sais conduzam corrente elétrica quando em solução aquosa. Os sais possuem sabor salgado. Alguns exemplos de sais e seus íons quando em água: NaCL – cloreto de sódio (Na: cátion sódio) e (CL: ânion cloreto) KCL – cloreto de potássio (K: cátion potássio) e (CL: ânion cloreto) Reação de neutralização Os ácidos combinam-se facilmente com as bases, e o resultado é sempre um sal e água, como por exemplo: HCI + NaOH → NaCL + H2O. Esse tipo de reação é chamada de reação de neutralização, isto porque com a base podemos anular o efeito de um ácido, e com um ácido podemos anular o efeito de uma base, e sendo assim temos uma reação de neutralização. Onde a reação de neutralização pode ser usada? • A substancia injetada pela picada de abelha é ácida, e a dor causada pode ser aliviada por uma base, como por exemplo: sabão ou cal hidratado; • Uma substância injetada por um marimbondo é alcalina e a dor de sua ferroada pode ser aliviada usando vinagre ou suco de limão. 9.4 Óxidos O óxido é formado por compostos que envolvem apenas dois elementos químicos, um dos quais obrigatoriamente é o oxigênio. São exemplos de óxidos: • ZnO – óxido de zinco; • CO2 – dióxido de carbono ou gás carbônico; • SO2 – dióxido de enxofre; • K2O – óxido de potássio. Onde são encontrados os óxidos? Gás carbônico • É um óxido muito importante para os seres vivos, e é fundamental para as plantas realizarem a fotossíntese; • É encontrado nos refrigerantes e alguns refrescos, tornando-os mais saborosos. • É encontrado na ferrugem; • Encontrado no ferro de grades, portões, automóveis, arames, todos reagem aos poucos com o oxigênio do ar. De um modo geral, os metais são encontrados na natureza sob a forma de óxidos, por exemplo, o ferro é obtido a partir de dois minérios: magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3) 10. NOMENCLATURA 10.1 Ácidos Para ácidos não oxigenados, usamos a terminação IDRICO. Exemplo: • HCl – ácido clorídrico • H2S – ácido sulfídrico • H2Se – ácido selenídrico Para ácidos oxigenados, a coisa complica um pouco. Se o elemento possuir somente uma valência, usamos a terminação ICO. Exemplo: • H2CO3 – ácido carbônico • H3BO3 – ácido bórico Se o elemento tiver 2 valências, para a maior usamos ICO e para a menor OSO. Exemplos: • H2SO3 – ácido sulfuroso • H2SO4– ácido sulfúrico • HNO2 – ácido nitroso • HNO3 – ácido nítrico Se o elemento tiver 3 ou mais valências, usamos o prefixo HIPO junto com o sufixo OSO, e o prefixo PER junto com o sufixo ICO, nesta ordem. Exemplos: • HClO – ácido hipocloroso • HClO2 – ácido cloroso • HClO3 – ácido clórico • HClO4 – ácido perclórico Existem casos em que o elemento forma diversos ácidos, porém sempre com a mesma valência. Usamos então os prefixos ORTO, META e PIRO. Exemplos: • H3PO4 – ácido ortofosfórico • HPO3 – ácido metafosfórico • H4P2O7 – ácido pirofosfórico Note que nos três ácidos o fósforo tem valência +5. 10.2 Bases Se o elemento possuir somente uma valência, usamos a expressão “hidróxido de” seguida do nome do elemento. Exemplo: • NaOH – hidróxido de sódio • Ca(OH)2 – hidróxido de cálcio Se o elemento possuir duas valências, usamos a expressão “hidróxido de” seguida do nome do elemento e os sufixos OSO e ICO, ou então a valência em números romanos. Exemplo: • Fe(OH)2 – hidróxido ferroso ou hidróxido de ferro II • Fe(OH)3 – hidróxido férrico ou hidróxido de ferro III 10.3 Óxidos Se o elemento possuir somente uma valência, usamos a expressão “óxido de” seguida do nome do elemento. Exemplo: • BaO – óxido de bário • K2O – óxido de potássio Se o elemento possuir duas valências, usamos a expressão “óxido de” seguida do nome do elemento e os sufixos OSO e ICO, ou então a valência em números romanos. Exemplo: • Cu2O – óxido cuproso ou óxido de cobre I • CuO – óxido cúprico ou óxido de cobre II • NiO – óxido niqueloso ou óxido de níquel II • Ni2O3 – óxido niquélico ou óxido de níquel III 10.4 Sais Os sais derivam da reação de um ácido ou óxido com uma base. Os sais sem oxigênio mudam a terminação IDRICO para a terminação ETO. Exemplo: • CaS – sulfeto de cálcio, vem do ácido sulfídrico. • RbH – fluoreto de rubídio, vem do ácido fluorídrico. Os sais oxigenados de menor valência mudam a terminação OSO para ITO. Exemplo: • Na2SO3 – sulfito de sódio, vem do ácido sulfuroso. • LiNO2 – nitrito de lítio, vem do ácido nitroso. Os sais oxigenados de maior valência mudam a terminação ICO para ATO. Exemplo: • Na2SO4 – sulfato de sódio, vem do ácido sulfúrico • NaClO3 – clorato de sódio, vem do ácido clórico. Os prefixos HIPO, PER, ORTO, META E PIRO são mantidos inalterados nos sais, mudando apenas as terminações de OSO para ITO e de ICO para ATO. Exemplos: • NaPO3 – metafosfato de sódio, vem do ácido metafosfórico • Ca2P2O7 – pirofosfato de cálcio, vem do ácido pirofosfórico. 11. ESTEQUIOMETRIA Existe um grande número de compostos químicos na natureza que sofrem incontáveis reações. Pela construção e exploração de um entendimento sistemático de reatividade, os químicos também produziram um impressionante arranjo de compostos não naturais. Tornar qualquer síntese comercialmente exequível exige entendimento minucioso e quantitativo das reações envolvidas. As relações quantitativas entre as quantidades de reagentes e produtos em uma reação química são chamadas de estequiometria. 11.1 Grandezas Químicas 11.1.1 Massa Atômica A massa atômica, ou mais corretamente a massa do átomo de um dado isótopo (também chamada de peso atômico) é a massa deste átomo em seu estado fundamental. Esta massa é expressa em unidade de massa atômica (representada pelo símbolo uma ou simplesmente u). 11.1.2 Massa Molecular Tanto as fórmulas quanto as equações químicas têm significado quantitativo; os índices inferiores nas fórmulas e nos coeficientes nas equações representam quantidades precisas. A fórmulas H2O indica que a molécula dessa substância contém exatamente dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Mas, como relacionamos os números de átomos e moléculas com as quantidades que medimos no laboratório? Apesar de não podermos contar átomos ou moléculas diretamente, podemos determinar indiretamente seus números se conhecemos as massas. Assim, antes que possamos seguir os aspectos quantitativos de fórmulas e equações químicas, precisamos examinar as massas dos átomos e moléculas. A massa molecular de uma substância é determinada pela soma das massas atômicas dos elementos que fazem parte dessa molécula. Exemplos: C12H22O11 C → 12 u x 12 = 144 u H → 1u x 22 = 22 u O → 16 u x 11 = 176 u ------------------------------- M.M. = 342 u Assim, quando dizemos que a Sacarose (C12H22O11) tem massa molecular 342 u é porque a massa de sua molécula é 342 vezes 1/12 da massa do isótopo 12 do carbono. 11.1.3 Mol – Número De Avogadro: Mesmo as menores amostras com que trabalhamos contêm enormes números de átomos, íons ou moléculas. Por exemplo, uma colher de chá de água (aproximadamente 5 mL) contém 2 x 1023 moléculas de água, um número tão grande que praticamente dificulta a compreensão. Por isso, os químicos inventaram uma unidade de contagem especial para descrever números grandes de átomos e moléculas. No dia-a-dia usamos unidades de contagem cm dúzia (12 objetos) e grosa (144 objetos) para lidar com quantidades modestamente grandes. Em química, a unidade para lidar com o número de átomos, íons ou moléculas em uma amostra de tamanho normal é o mol. Um mol é quantidade de matéria que contém tantos objetos (átomos, moléculas ou o que consideramos) quantos número de átomos em exatamente 12 g de 12C isotopicamente puro. A partir de experimentos, os cientistas determinaram que esse número é 6,0221421 x 1023 e o chamaram de número de Avogadro, em homenagem ao cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856). Um mol de átomos, um mol de moléculas ou um mol de qualquer coisa contém o número de Avogadro desses objetos. 1 mol de átomos de 12C = 6,02 x 1023 átomos de 12C 11.1.4 Massa Molar De Um Elemento Químico É a massa em gramas numericamente igual a sua massa atômica. Exemplo: Sódio (Na) Massa Atômica = 23 u Massa Molar = 23g/mol (massa de 6,02 x 1023 átomos de sódio) A Massa Molar De Uma Substância: É a massa em gramas numericamente igual a sua massa molecular. Para determinarmos a massa molar das moléculas temos que multiplicar o índice de cada elemento pela sua massa atômica e depois devemos somar os resultados. Ex1: Dados: H = 1; S = 32; O = 16. 𝐻2𝑆𝑂4 𝐻 → 2 . 1 = 2 𝑆 → 1 . 32 = 32 𝑂 → 4 . 16 = 64 Logo: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 = 98 𝑔 = 6 x 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 11.1.5 Volume Molar É o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás submetido a uma determinada temperatura e pressão. Constante De Avogadro: Antigamente conhecida como número de Avogadro (em homenagem a Amedeo Avogadro), é uma constante fundamental que representa um mol de entidades elementares (átomos, moléculas, íons, elétrons ou partículas), que é aproximadamente igual a 6,02 × 1023. 11. 2 Cálculo Estequiométrico É o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos envolvidos em uma reação química efetuado com o auxílio da equação química correspondente. A relação quantitativa entre as espécies é estabelecida pelos seus coeficientes estequiométricos. 11.3 Resolução De Problemas Para resolução de problemas estequiométricos deve-se seguir as etapas seguintes: 1-Escrever a equação da reação química; 2-Ajustar os coeficientes da equação; 3-Destacar 2 substâncias para trabalhar: a da pergunta e a do dado fornecido; 4-Estabelecer relação quantitativa entre essas 2 substâncias, usando os seus coeficientes estequiométricos; 5-Resolver o problema usando regra de três com o dado fornecido e a pergunta do problema; # Relembrando 1 𝑚𝑜𝑙 → 6,02 . 1023 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝐶𝑁𝑇𝑃: 22,4 𝐿 Exemplos: 1) 108g de metal alumínio reagemcom o ácido sulfúrico, produzindo o sal e hidrogênio, segundo a reação abaixo: 𝐴𝑙 + 𝐻2𝑆𝑂4 → 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 + 𝐻2 Determine: a) o balanceamento da equação: 2𝐴𝑙 + 3𝐻2𝑆𝑂4 → 1𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 + 3𝐻2 Isto quer dizer que 2 mols de Al reagem com 3 mol de H2SO4 reagindo com 1 mol de Al2(SO4)3 e 3 mols de H2. b) a massa de ácido sulfúrico necessário para reagir com o alumínio: 1° passo: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 − 98 𝑔 3 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 − 𝑥 𝑥 = 3 . 98 𝑥 = 294 𝑔 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 2° passo: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐴𝑙 − 27 𝑔 2 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐴𝑙 − 𝑥 𝑥 = 2 . 27 𝑥 = 54 𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑙 3° passo: 294 𝑔 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4 − 54 𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑙 𝑥 − 108 𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑙 54 . 𝑥 = 108 . 294 𝑥 =31752/54 𝒙 = 𝟓𝟖𝟖 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟐𝑺𝑶𝟒 Relacionar a massa de ácido com a massa de alumínio, como no 3° passo. Antes, no 1° e no 2°passo, transformar o número de mol em gramas. Reagente Limitante E Em Excesso: Para garantir que a reação ocorra e para ocorrer mais rápido, é adicionado, geralmente, um excesso de reagente. Apenas um dos reagentes estará em excesso. O outro reagente será o limitante. Estes cálculos podem ser identificados quando o problema apresenta dois valores de reagentes. É necessário calcular qual destes reagentes é o limitante e qual deles é o que está em excesso. Depois de descobrir o reagente limitante e em excesso, utiliza-se apenas o limitante como base para os cálculos estequiométricos. Exemplos: 1) Zinco e enxofre reagem para formar sulfeto de zinco de acordo com a seguinte reação: 𝑍𝑛 + 𝑆 → 𝑍𝑛𝑆 Reagiu 30g de zinco e 36g de enxofre. Qual é o regente em excesso? Balancear a reação química: 1𝑍𝑛 + 1𝑆 → 1𝑍𝑛𝑆 Dados: Zn = 30g S = 36g Transformar a massa em gramas para mol: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑍𝑛 − 65,39 𝑔 𝑥 − 30 𝑔 65,39. 𝑥 = 30 𝑥 =30/65,39 𝑥 = 0,46 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑍𝑛 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑆 − 32 𝑔 𝑥 − 36 𝑔 32 . 𝑥 = 36 𝑥 =36/32 𝑥 = 1,12 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑆 Pela proporção da reação 1 mol de Zn reage com 1 mol de S. Então 0,46 mol de Zn reage com quantos mols de S? Pode ser feita uma regra de três para verificar qual regente está em excesso: 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑍𝑛 − 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 0,46 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 − 𝑥 𝑥 = 1 . 0,46 𝒙 = 𝟎, 𝟒𝟔 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑺 Então 1 mol de Zn precisa de 1 mol de S para reagir. Se temos 0,46 mol de Zn, precisamos de 0,46 mol de S, mas temos 1,12 mol de S. Concluímos que o S está em excesso e, portanto, o Zn é o regente limitante. 2) Quantos gramas de ZnS será formado a partir dos dados da equação acima? Para resolver esta pergunta, utiliza-se somente o valor do reagente limitante. 65,39 𝑔 − 97,39 𝑔 30 𝑔 − 𝑥 65,39 . 𝑥 = 30 . 97,39 𝑥 =2921,7/65,39 𝒙 = 𝟒𝟒, 𝟔𝟖 𝒈 𝒅𝒆 𝒁𝒏 12. SOLUÇÕES São misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Nas soluções, o componente que está presente em menor quantidade é o soluto, enquanto, o componente predominante é chamado solvente. São encontradas em três estados físicos: sólidas, líquidas e gasosas. As soluções são divididas em: • Diluídas: a proporção do soluto é pequena em relação ao solvente. • Concentradas: a proporção do soluto é grande em relação ao solvente. • Homogêneas: São aquelas que apresentam um aspecto uniforme, com uma única fase (monofásicas). • Heterogêneas: São aquelas que apresentam mais de uma fase. 12.1 Unidades de concentração Podemos estabelecer diferentes relações entre a quantidade de soluto, de solvente e de Solução. Tais relações são denominadas genericamente concentrações. Onde: • Índice 1 para o soluto • Índice 2 para o solvente • Sem índice para a solução 12.2 Concentração comum (C) Relação entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros. 𝐶 = 𝑚1 𝑉 𝑔/𝐿 12.3 Concentração molar ou Molaridade (M) Relação entre o número de mol do soluto e o volume da solução em litro. 𝑀 =m1/ 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 × 𝑉 𝑀 =n1/𝑉 (𝑚𝑜𝑙/𝐿) Exemplo 5.1: Um acadêmico do curso de Química necessita preparar uma solução de ácido bórico (H3BO3) 0,5 mol/L para ser utilizada como fungicida. Para preparar tal solução, ele dispõe de 2,5 g do ácido. Qual deve ser o volume, em mL, de solução com a concentração desejada que possa ser preparado utilizando toda a massa disponível? Solução: Com o valor da molaridade determinado e a massa do ácido conhecido, podemos calcular o volume da solução a partir da equação dada acima. É necessário, assim, conhecer a massa molar do ácido bórico. Obtida com auxílio de uma tabela periódica, o valor aproximado da massa molecular é 62 g/mol. Arranja-se a equação deixando em evidência o volume. 𝑉 = 𝑚/𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑥 𝑀 =2,5 𝑔/62(𝑔/𝑚𝑜𝑙). 0,5𝑚𝑜𝑙𝐿= 0,0806 𝐿 = 80,6 𝑚𝐿 Logo, deve ser adicionado solvente até que a solução desejada tenha um volume de 80,6 mL. 12.4 Parte por milhão (ppm) Relação entre uma quantidade muito pequena de soluto dissolvida em quantidade muito grande de solvente. 𝑝. 𝑝. 𝑚 =m1/m2 (𝑚𝑔/𝐾𝑔) 12.5 Título, Porcentagem em massa (t) Quociente entre a massa do soluto e da solução. Sua resposta é dada em porcentagem. 𝑡 =m1/m 𝑜𝑢 𝑡 =m1/m1+m2 Exemplo: Em 200g de solução alcoólica de fenolftaleína contendo 8,0% em massa de soluto. Qual a massa de fenolftaleína, em gramas, contida na solução? Solução: Para resolver esse problema, aplica-se a equação acima evidenciando a massa do soluto, sendo nosso a grandeza que queremos determinar. 𝑚1 = 𝑡 𝑥 𝑚 = 0,08. 200 𝑔 = 16 𝑔 A massa de fenolftaleína na solução alcoólica é de 16 g. 12.6 Título, Porcentagem em volume (tV) Quociente entre o volume do soluto da solução. Sua resposta é dada em porcentagem. 𝑡𝑉 = v1/v Exemplo: Na cidade de São Paulo (SP), por exemplo, a qualidade do ar é considerada inadequada se o teor de monóxido de carbono (CO) atingir 15 ppm (V/V). Nessa situação, qual é o volume de CO existente em cada metro cúbico de ar? Solução: O ppm é uma forma de expressar uma concentração qualquer. Quando se trata de gases é normal representá-los pela equação acima, sendo o valor do título em ppm (10-6). Logo a equação rearranjada, fica da seguinte forma: 15𝑥10−6 =𝑣1/1𝑚3 Para calcular o volume de CO basta evidenciar v1. 𝑣1 = 15𝑥10−6. 1 𝑚3 = 15𝑥10−6 𝑚³ = 15 𝑐𝑚³ Portanto, para cada metro cúbico de ar, 15 cm³ são de monóxido de carbono. Outra forma de compreender o problema é expressar o volume em outra unidade. Logo, em 1000 L (1 m³) de ar, 15 mL (15 cm³) são de CO. 12.7 Normalidade (N) Relação entre o número de equivalente-grama do soluto pelo volume da solução. 𝑁 =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒−𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 (𝑛𝑒)/𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑉) 𝑛𝑒 =𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑚1)/𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒−𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 (𝐸) 𝐸 =𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝑀𝑀)/𝑋 O X representa para: • Os ácidos, o número de hidrogênios ionizáveis; • As bases, o número de hidróxidos; • Os sais, o total de valência dos cátions ou ânions; • Os óxidos, o total de valência do elemento combinado com oxigênio, etc. Exemplo: Qual a massa de ácido sulfúrico (H2SO4) contida em 80 mL de sua solução 0,1N? Solução: Para calcular a massa do ácido em questão, primeiramente, combinam-se as equações dadas acima. 𝑁 =𝑚1 . 𝑋/𝑀𝑀 . 𝑉 9 Deixando a massa em evidência, obtemos a seguinte equação: 𝑚1 =𝑁 . 𝑀𝑀 . 𝑉/𝑋 Com a normalidade e volume da solução conhecidos, resta apenas os valores da massa molar e do X. Com o auxílio de uma tabela periódica, obtêm-se o valor de 98 g/mol para a massa molecular do ácido sulfúrico. O valor de X requer uma análise equação deionização do ácido. 𝐻2𝑆𝑂4 → 2𝐻+ + (𝑆𝑂4)2− Chega-se a conclusão de que dois íons de hidrogênio são ionizados para cada molécula de ácido sulfúrico. Logo, o valor de X é 2. 𝑚1 =0,1 𝑚𝑜𝑙𝐿. 98𝑔𝑚𝑜𝑙. 0,08 𝐿2= 0,392 𝑔 Portanto, a massa de ácido sulfúrico na solução é de 0,392 g. 12.8 Densidade (d) A densidade da solução relaciona a massa como volume da própria solução. Ela indica a massa da solução correspondente a uma unidade de volume (por exemplo: 1 mililitro). A densidade da solução não é uma forma de expressar a concentração da solução. 𝑑 = 𝑚/𝑉(𝑔/𝑚𝐿) 12.9 Diluição Diluir uma solução, significa adicionar a ela uma porção do próprio solvente puro. Nesse procedimento o volume e a concentração das soluções são variáveis, no entanto, a quantidade de soluto permanece constante. • Em relação à Concentração comum: 𝐶𝑖×𝑉𝑖 = 𝐶𝑓×𝑉𝑓 • Em relação à Molaridade: 𝑀𝑖×𝑉𝑖 = 𝑀𝑓×𝑉𝑓 • Em relação ao Título: 𝑡𝑖×𝑀𝑖 = 𝑡𝑓×𝑀𝑓 12.10 Mistura de Soluções Se não ocorrer reação química, podem-se ter dois tipos de misturas: • Solutos e solventes iguais Solução A + Solução B = Solução Final 𝐶𝐴. 𝑉𝐴 + 𝐶𝐵. 𝑉𝐵 = 𝐶𝑓(𝑉𝐴 + 𝑉𝐵) (5.14) • Solutos diferentes e solventes iguais •Ocorre a diluição dos dois solutos. Concentrações finais dos solutos serão menores que as iniciais. As quantidades permanecem constantes, porém eles estarão dispersos num volume maior. 12.11 Solubilidade A dissolução de uma substância depende de inúmeros fatores, entre eles, da polaridade das moléculas e de suas ligações. De um modo geral, os solventes polares dissolvem melhor solutos também polares, do mesmo modo que os solutos apolares se dissolvem melhor solventes apolares, ou seja: “Semelhante dissolve semelhante”. 12.12 Fenômenos de saturação Em função do ponto de saturação, classificamos as soluções em: • Não-saturadas (ou insaturadas): Contém uma quantidade de soluto inferior ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura. • Saturadas: Contém uma quantidade de soluto igual ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura. • Supersaturadas: Contém a quantidade de soluto superior ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura inicial. Após o aquecimento da solução, o corpo de fundo se solubiliza, deixando a solução supersaturada. 12.13 Coeficiente de solubilidade Adicionando gradativamente um determinado soluto em um solvente, à pressão e temperatura constante e sob agitação contínua, verifica-se que, em dado momento o soluto não se dissolve mais. A partir deste ponto, qualquer quantidade adicional de soluto precipitará. Dizemos, então, que a solução atingiu seu coeficiente ou grau de solubilidade. 12.14 Curva de solubilidade São gráficos que apresentam a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. Figura-Curva de solubilidade do nitrato de prata em água. Figura– Curvas de solubilidade de vários sais em água. Existem diferentes comportamentos de solubilidade em gráficos, porém, para interpretá- los a regra geral resume-se a: quem está acima da curva do gráfico está saturado com corpo de fundo, quem está na curva, saturado, e quem está abaixo, insaturado. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1) O monitoramento da concentração de glicose (C6H12O6) plasmática é um exame clínico importante na medicina preventiva, sendo o diagnóstico considerado normoglicêmico (regular) quando os valores da concentração se encontram entre 70 e 100mg/dL. Os exames de dois pacientes confirmaram a concentração de glicose em 1,8 x 10-3 mol/L (paciente 1) e 7,2 x 10-3 mol/L (paciente 2). Diante destas informações, o diagnóstico dos pacientes 1 e 2 indica, respectivamente, um quadro: a) hipoglicêmico e hiperglicêmico. b) hipoglicêmico e normoglicêmico. c) normoglicêmico e hiperglicêmico. d) normoglicêmico e hipoglicêmico. e) hiperglicêmico e hipoglicêmico. 2) A concentração de íons fluoreto em uma água de uso doméstico é de 5,0x10-5 mol/litro. Se uma pessoa tomar 3,0 litros dessa água por dia, ao fim de um dia, a massa de fluoreto, em miligramas, que essa pessoa ingeriu é igual a: (Dado: Massa molar de fluoreto = 19,0 g/mol) 3) Uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4), para ser utilizada em baterias de chumbo de veículos automotivos, deve apresentar concentração igual a 4 mol/L. O volume total de uma solução adequada para se utilizar nestas baterias, que pode ser obtido a partir de 500 mL de solução de H2SO4 de concentração 18mol/L é igual a: 4) Misturando-se 20 mL de solução de NaCl, de concentração 6,0mol/L, com 80mL de solução de NaCl, de concentração 2,0 mol/L, são obtidos 100 mL de solução de NaCl, de concentração, em mol/L, igual a quanto? 5) Quatro tubos contêm 20 mL (mililitros) de água cada um. Coloca-se nesses tubos dicromato de potássio (K2Cr2O7) nas seguintes quantidades: Massa de K2Cr2O7 (g) Tubo A 1,0 Tubo B 2,5 Tubo C 5,0 Tubo D 7,0 A solubilidade do sal, a 20°C, é igual a 12,5 g por 100 mL de água. Após agitação, em quais dos tubos coexistem, nessa temperatura, solução saturada em fase sólida? GABARITO 1) Letra C. 2) 2,85 mg. 3) 2,25 L. 4) 2,8 mol/L. 5) Tubos C e D.
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