Tema 1 - A MATÉRIA E SUAS TRANSFORMAÇÕES

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CURSO - ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
DISCIPLINA: FUNDAMENTOS DA QUÍMICA
TEMA 1: A MATÉRIA E SUAS TRANSFORMAÇÕES, UNIDADES DE MEDIDAS. 
1 - INTRODUÇÃO À QUÍMICA
A Química é uma ciência da natureza que estuda a matéria, suas propriedades, estruturas, transformações e a energia envolvida nessas transformações. Ela busca explicações para os fenômenos através de experimentos, criando as leis por meio de experimentações.
A Química está muito ligada ao nosso dia a dia. Está presente nos alimentos, medicamentos, construções, nas plantas, no vestuário, nos combustíveis. Tudo o que existe no universo é formado por química. A própria manutenção da vida (respiração, digestão dos alimentos, etc.) envolve processos químicos.
2- MATÉRIA
É dito com frequência que matéria é tudo que tem massa e volume ou que ocupa lugar no espaço. Esta perspectiva sugere a visão de que a massa é uma medida de quantidade de matéria enquanto o volume seria uma medida da quantidade de espaço ocupado por ela.
 2.1 Propriedades Gerais e Propriedades Específicas da Matéria
A massa (quantidade de matéria), o volume (espaço ocupado pela matéria), a indestrutibilidade (a matéria não se destrói, pode apenas ser quebrada até chegar ao átomo que é a menor unidade formadora da matéria) e a divisibilidade (dividir a matéria até chegar ao átomo) são as propriedades gerais da matéria. Essas propriedades não permitem diferenciar materiais uma vez que são comuns a toda matéria, independentemente da sua constituição. Já as propriedades específicas são físicas (podem ser observadas ou medidas sem que ocorra modificação na composição da matéria), químicas (estão associadas à sua capacidade de transformar-se em outro material) e organolépticas (percebidas pelos órgãos dos sentidos: cor, sabor, odor).
Além das propriedades Gerais também serem chamadas de Físicas Gerais, há outro grupo que também se enquadra nessa classificação dupla: as propriedades físicas extensivas e físicas intensivas, que são classificadas de acordo com a quantidade da amostra. As físicas extensivas variam conforme a quantidade do material contido na amostra, como o volume, a massa, a energia e a área superficial. As físicas intensivas não dependem da quantidade de material contido na amostra. É o caso da temperatura, da densidade, da cor, dos PF e PE.
 2.2 Transformações da Matéria
A transformação da matéria é qualquer processo (ou conjunto de processos) pelo qual as propriedades de determinado material são modificadas. 
Na análise das transformações da matéria, os químicos procuram identificar as propriedades que foram mantidas e as que sofreram modificações, constatando se um novo material foi ou não obtido. Partindo dessa identificação, as transformações da matéria são classificadas em físicas e químicas.
As transformações físicas não alteram a identidade das substâncias. As mudanças de estado são exemplos deste tipo de transformações. O ferro fundido, por exemplo, ainda é ferro. O gelo é água, mas no estado sólido. Um pedaço de fio de cobre pode ser dobrado e não se transforma em outra substância, podendo até ser finamente dividido em grânulos de pó. Estes são exemplos de transformações físicas. 
Nas transformações químicas as substâncias são destruídas e outras, novas, são formadas. A exposição de um prego de ferro ao ar livre e à chuva, causa uma transformação química, porque o ferro é combinado quimicamente ao oxigênio e à água da atmosfera. Se esta exposição for longa, este desaparece e em seu lugar é encontrada uma nova substância, a ferrugem. As transformações químicas são denominadas reações químicas. As substâncias que desaparecem durante estas transformações são chamadas reagentes, e aquelas formadas são chamadas de produtos. 
Além da ferrugem, da combustão, da acidez do leite e do processo a que chamamos de vida, outros exemplos de transformações químicas são: ação do calor (cozimento de alimentos); ação da eletricidade (eletrólise da água); ação mecânica (explosivos, acender o palito de fósforo); ação da luz (fotossíntese, fotografia); contato com outra substância (pastilha efervescente).
 2.3 Energia E Os Estados Físicos da Matéria
É geralmente dito que energia é a habilidade ou capacidade de produzir trabalho e dentre as diferentes formas de energia, a Química (alimentação) e a Mecânica (movimento) são as mais importantes para a Química 1, afinal nós gastamos energia para viver e viemos para produzir energia. 
A energia envolvida nessas transformações podem alterar os estados físicos da matéria, que são: sólido, líquido e gasoso, e cujas especificações estão expostas na Tabela abaixo.
	SÓLIDO “Organizado”
	LÍQUIDO
	GASOSO “Caótico”
	Partículas altamente organizadas
	Pequena desorganização das partículas
	Maior desorganização das partículas
	Energia cinética-EC média de vibração
	EC de vibração, rotação e translação
	Difusibilidade
	Baixo conteúdo energético
	Médio conteúdo energético
	Alto conteúdo energético
	Coesão > Repulsão
	Coesão ~ Repulsão
	Coesão < Repulsão
	Formato definido
	Formato variável
	Formato variável
	Volume definido
	Volume definido
	Volume variável
Variações de temperatura e de pressão podem provocar mudanças de estado físico da matéria sem contudo, alterar sua composição. Quando um corpo recebe energia (calor) passa a vibrar mais, entra em maior movimentação, rompe a interação de coesão, aumenta a repulsão, mudando seu estado físico. Em alguns casos essas mudanças ou transformações requerem energia para ocorrer, como o cozimento dos alimentos, que se processa mediante absorção de energia térmica sendo chamados de Endotérmicos. Em outros, no entanto, ocorrem com liberação de energia: a queima dos combustíveis, por exemplo, libera energia térmica e são chamados de Exotérmicos. A Figura a seguir apresenta as principais mudanças de estados físicos da matéria.
3 – UNIDADES DE MEDIDA
Unidade de medida é o nome que recebe uma quantidade específica de determinada grandeza e seus valores devem ser expressos em unidades, sendo fundamentais para a Química e as ciências experimentais. Para facilitar e uniformizar a comunicação científica e comercial entre os diversos países, foi desenvolvido o Sistema Internacional de Unidades (SI), que estabeleceu padrões para as unidades de medida das grandezas.
 3.1 Massa
Massa é uma grandeza relacionada à quantidade de matéria de um corpo e sua medida é feita por uma balança. Apesar da unidade padrão de massa ser o quilograma (Kg), pode ser medida por seus submúltiplos, como o grama (g) e o miligrama (mg), ou múltiplos, como o megagrama (Mg), que equivale a 1000 kg ou 1 tonelada.
 3.2 Volume
Volume é a grandeza que corresponde ao espaço ocupado por um corpo. A medida de volume de líquidos geralmente é feita usando vidrarias graduadas apropriadas, que apresentam marcações que permitem medir volumes. Para os sólidos regulares, o volume é medido através das fórmulas das formas geométricas que representam e, para os sólidos irregulares, usa-se o princípio de Arquimedes onde o volume de água deslocado por um sólido irregular é exatamente igual ao volume do próprio sólido. No caso dos gases, se estiverem nas CNTP – Condições Naturais de Temperatura e Pressão (pressão = 1atm e temperatura = 273K) deve ser utilizada a Hipótese de Avogrado (d=Mmolar/Vmolar), onde 1 mol de gás sempre terá volume igual a 22,4L. Em outras condições, mede-se o volume por meio da Equação de Clapeyron (PV=(m/M)RT).
 3.3 Densidade
Densidade é uma grandeza que relaciona a massa de um material com o volume que ele ocupa, sendo expressa pela divisão da massa pelo volume (d=m/v). A unidade da densidade no SI é o quilograma por metro cúbico (Kg/m3), embora as unidades mais utilizadas sejam grama por centímetro cúbico (g/cm3) e grama por mililitro (g/mL). A densidade depende da temperatura, pois os materiais sofrem contração ou dilatação de seu volume com a variação da temperatura. Assim é adequado indicar a temperatura em que foi feita a medição. 
Para calcular a densidade, a massa e ovolume de líquidos, sólidos (regulares ou irregulares) e gases (dentro ou fora das CNTP) devem ser medidos como explicado nos itens 3.1 e 3.2. Vale lembrar que corpos compostos de uma mesma matéria terão sempre a mesma densidade, independente dos seus tamanhos, ou seja, um objeto em miniatura e outro em tamanho real tem a mesma densidade se forem constituídos da mesma matéria, já que a massa e o volume aumentam ou diminuem juntos, proporcionalmente, como visto na Tabela a seguir.
A densidade interfere diretamente nas condições de flutuação de um corpo em um líquido, como pode ser analisado na Figura abaixo. Caso a densidade do corpo seja menor que a densidade do líquido, o corpo flutua (a). Quando ocorre o contrário, ou seja, se a densidade do corpo for maior que a densidade do líquido, o corpo afunda (c). Se a densidade do corpo for igual ou próxima a densidade do líquido, o corpo fica em equilíbrio indiferente, se localizando no meio do recipiente (b). 
 3.4 Temperatura
A distinção entre calor e temperatura é importante. Calor (ou energia calorífica) é uma forma de energia que é diretamente transferida de um objeto mais quente para um mais frio espontaneamente. Tal energia não está na forma de calor antes ou depois da transferência, somente durante a transferência. Em outras palavras, calor é energia em trânsito. Após a absorção de energia calorífica por um objeto, não é correto dizer que o objeto "contém mais calor". Neste caso, o objeto contém mais energia, mas não calor.
A temperatura de um objeto mede a energia cinética média de suas partículas. Quando o calor é transferido para um objeto, a energia cinética média de suas partículas componentes é aumentada, estas partículas movem-se então mais rapidamente e a temperatura do objeto aumenta.
A medida da temperatura é feita por termômetros. No SI, a temperatura pode ser medida em três escalas termométricas: Kelvin, Celsius e Fahrenheit, apresentadas na Figura a seguir, que utilizam os PF e PE da água.
Escala Fahrenheit (F°) foi criada em 1724 pelo físico e engenheiro Daniel Gabriel Fahrenheit, utilizada nos Estados Unidos e na Inglaterra, e tem como referência o PF da Água: 32 °C e PE da Água: 212 °C. A escala Celsius (°C), criada em 1742 pelo astrônomo sueco Anders Celsius, é a escala mais utilizada no mundo, inclusive no Brasil e atribuiu valores ao PF da Água: 0 °C e PE da Água: 100 °C. A mais recente dentre as escalas, a escala Kelvin (K), só foi criada em 1864 pelo físico, matemático e engenheiro irlandês William Thomson ou Lord Kelvin e utiliza o PF da Água: 273 K e PE da Água: 373 K. Como as três escalas termométricas são utilizadas em lugares diferentes, é interessante saber a forma de converter uma em outra, como apresentado nas fórmulas abaixo.
 
3.5 Pressão
Pressão é definida como a força por unidade de área, isto é, a força total sobre a superfície dividida pela área sobre a qual a força é exercida. Logo, temos a seguinte fórmula: P=F/A. A unidade de pressão derivada SI é o pascal (Pa), mas outras unidades como atmosfera (1atm = 1,0 x 105 Pa) e milímetro de mercúrio (1 mmHg = 1,3 x 102 Pa) são muito utilizadas. Cabe informar que 1atm corresponde a 760mmHg.
A camada de ar que envolve a Terra exerce uma pressão sobre todos os corpos: a pressão atmosférica. Essa pressão depende da altitude pois, quanto maior a altitude, mais rarefeito torna-se o ar e, portanto, a pressão é menor do que em um local de menor altitude. Ao nível do mar, a pressão normal do ar atmosférico é de 1 atm.
Considere um recipiente fechado e com um volume de gás que está ocupando todo seu espaço interno, a uma determinada temperatura, e que exerce uma determinada pressão nas paredes do mesmo. Se a pressão é decorrência da força com que as moléculas se chocam com as paredes do recipiente, é de se esperar que, aumentando a temperatura (energia cinética e velocidade), a força desses choques também aumente. Aumentando a força, a pressão também será maior e, quanto mais rápido as moléculas se mexerem dentro do recipiente, mais vezes elas se chocarão entre si e com as paredes, portanto, mais uma justificativa para o aumento da pressão. Em resumo, se diminuir o volume, aumentarão a pressão e as colisões internas, como vemos na Figura abaixo.
 
Ao nível do mar (1atm) a água ferve a 100ºC quando suas bolhas preenchidas de vapor de água vencem a pressão atmosférica que as empurram para o fundo do recipiente e, ao chegarem a superfície do líquido, o vapor é liberado. Nos Andes, por exemplo, devido à altitude elevada, a pressão atmosférica é muito baixa e fica mais fácil da água entrar em ebulição (87°C) o que dificulta o cozimento dos alimentos já que a água vira vapor antes do alimento ficar pronto. A solução seria utilizar uma panela de pressão, cuja pressão interna é de 120°C e 1,44 – 2,0 atm, fazendo com que o alimento cozinhe mais rápido. Tais valores estão resumidos na Tabela acima.
3.6 Solubilidade 
É a capacidade que as substâncias tem de se dissolverem, ou não, em um líquido. O coeficiente de solubilidade (Cs) é a quantidade máxima de soluto (sólido) que pode ser dissolvida em determinada quantidade de solvente (líquido), a certa temperatura e pressão, dando origem a uma solução ou mistura homogênea.
Os solutos podem ser classificados em: solúvel (se dissolvem no solvente), pouco solúvel (apresentam dificuldade para se dissolverem no solvente) e insolúvel (não se dissolvem no solvente). Um princípio comum em solubilidade é: “semelhante dissolve semelhante”. Isso quer dizer que um soluto polar tende a se dissolver em um solvente polar. O mesmo é verdadeiro para substâncias apolares. Por exemplo: O álcool (polar) é solúvel em água (polar), mas não é solúvel em gasolina (apolar).
Como ilustrado na Figura a seguir, quando o soluto não consegue mais se dissolver no solvente, começando a se acumular no fundo do recipiente, é porque o solvente atingiu o seu limite de solubilidade ou seu ponto de saturação. O soluto que resta no fundo do recipiente e que não se dissolve é chamado de corpo de fundo ou precipitado. 
 
Em relação ao ponto de saturação, as soluções classificam-se em três tipos: insaturada (quantidade de soluto < Cs), saturada (quantidade de soluto = Cs) e supersaturada (quantidade de soluto > Cs).
AS INFORMAÇÕES CONTIDAS NESTE MATERIAL FORAM EXTRAÍDAS DAS SEGUINTES PUBLICAÇÕES:
- Lisboa, J. C. F.; Bruni, A. T.; Nery, A. L. P.; Liegel, R. M.; Aoki, V. L. M. Ser Protagonista: Química 1. Edições SM, 2ed, São Paulo. 2014
- Russel, J. B. Química Geral: volume 1., 2-ed, São Paulo: Makron, 1994. 1268p.