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INSTITUTO FEDERAL GOIANO/TRINDADE ENGENHARIA ELÉTRICA E CIVIL QUÍMICA GERAL Profa. Dra.: Pollyanna Laurindo de Oliveira Aulas: 2 - 4 2018/1 Descrição do Conteúdo 1. Átomos, Moléculas e Íons 1.1. Apresentação da Disciplina 1.2. Modelos Atômicos. 1.3. Teorias atuais sobre o entendimento de átomos e moléculas. 1.4. Vídeo: A História do Átomo (parte I). 1.5. Pesos atômicos. 1.6. A tabela periódica. 1.7. Moléculas e compostos moleculares. 1.8. Teorias de ligações químicas (iônica, covalente e metálica). 1.9. Propriedades físicas correlacionadas aos tipos de ligações químicas apresentadas. 2. Estequiometria 2.1. Equações químicas 2.2. Conceituação de Mol. 2.3. Cálculos Estequiométricos gerais. 2.4. Cálculos Estequiométricos envolvendo rendimento. 2.5. Cálculos Estequiométricos envolvendo reagente em excesso e limitante. Descrição do Conteúdo 3. Eletroquímica 3.1. Conceituação de oxidação e redução. 3.2. Balanceamento de equações químicas pelo método de oxirredução. 3.3. Formação de uma Pilha (catodo, anodo, ponte salina). 3.4. Fem de pilhas 3.5. Espontaneidade de reações redox 3.6. Efeito da concentração na Fem da pilha. 3.7. Corrosão metálica. 3.8. Diferenças entre a condução eletrolítica e a condução elétrica. 3.9. Eletrólise 4. Termoquímica 4.1. A natureza da energia 4.2. A primeira lei da termodinâmica. 4.3. Entalpia 4.4. Lei de Hess. 4.5. Entalpia de formação. 4.6. Alimentos e combustíveis. Bibliografia Básica: ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. Tradução Ignez Caracelli et al. Porto Alegre: Bookman, 2001, 914 p. BROWN, L.S.; HOLME, T.A. Química Geral: Aplicada à Engenharia. Tradução Maria Lucia Godinho de Oliveira. Revisão Técnica Robson Mendes Matos. São Paulo: Cengage Learning, 2010, 653 p. LEE, J. D. Química Inorgânica não tão Concisa. Tradução da 5ª Ed. Inglesa: Henrique E. Toma, Koiti Araki, Reginaldo C. Rocha. São Paulo: Edgard Blucher, 1999, 527 p. RUSSEL, J. B. Química Geral. Vol 1. Tradução e Revisão Técnica Márcia Guekezian et al. 2ª Ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1994, 621 p. RUSSEL, J. B. Química Geral. Vol 2. Tradução e Revisão Técnica Márcia Guekezian et al. 2ª Ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1994, 645 p. Bibliografia Complementar: MAHAN, B. M.; MYERS, R. J. Química: Um Curso Universitário. Tradução 4ª Ed. Americana. Coordenador: Henrique Eisi Toma. Tradutores: Koiti Araki, Denise de Oliveira Silva, Flávio Massao Matsumoto. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, 582 p. KOTZ, J.C.; TREICHEL, P. Jr. Química e Reações Químicas. Vol 1. Tradução: José Alberto Portela Bonapace, Oswaldo Esteves Barcia. Rio de Janeiro: LTC, 2002, 538 p. KOTZ, J.C.; TREICHEL, P. Jr. Química e Reações Químicas. Vol 2. Tradução: José Alberto Portela Bonapace, Oswaldo Esteves Barcia. Rio de Janeiro: LTC, 2002, 345 p. Evolução dos Modelos Atômicos INTRODUÇÃO O universo a nossa volta é constituído por diferentes substâncias, algumas com vida, outras inanimadas. A matéria geralmente muda de uma forma física ou química para outra; Observando tais acontecimentos, filósofos antigos especulavam sobre a natureza da ‘matéria’ fundamental da qual o mundo era feito. A realização de experimentos e a criação de explicações baseadas em observações feitas durante o experimento são denominadas teorias. Quando uma teoria é utilizada para explicar ou prever, através da comparação, a estrutura e o funcionamento de um sistema em estudo, ela recebe o nome de modelo. A ciência é a busca da simplicidade; A contribuição da química para essa busca é mostrar como tudo que nos cerca é de fato constituído por um “punhado” de entidades simples; Gregos antigos: Existência de quatro elementos; Atualmente: Existência de mais de cem elementos que combinados compõem toda a matéria da Terra. • ÁTOMOS DEMÓCRITO (460-370 a.C.): O que aconteceria se eles dividissem a matéria em peças cada vez menores? • A matéria é constituída de partículas inimaginavelmente pequenas; • A menor partícula possível de um elemento é chamada de átomo. TEORIA ATÔMICA DE DALTON Jonh Dalton (1766-1844): Em 1808 baseado em fatos experimentais, o cientista britânico formula uma teoria atômica para explicar composição da matéria. Atualmente não há dúvidas que toda matéria seja constituída por minúsculas partículas denominadas átomos. 1. A matéria é constituída de pequenas partículas esféricas maciças e indivisíveis denominadas átomos. 2. Um conjunto de átomos idênticos apresenta as mesmas propriedades e constitui um elemento químico. 3. A combinação de átomos de elementos diferentes, numa proporção de números inteiros, origina substâncias diferentes: H2O, H2O2 4. Numa reação química, os átomos não são criados nem destruídos: os átomos envolvidos na reação são simplesmente rearranjados, originando novas substâncias. Dalton chegou à sua conclusão sobre átomos com base nas observações químcas no universo macroscópio do laboratório. Hoje, entretanto, podemos usar novos instrumentos para medir as propriedades de átomos individuais e até fornecer imagens deles. Com o avanço no desenvolvimento de novas técnicas, evidências de que o átomo não seria uma partícula indivisível, e sim composto de partículas subatômicas ainda menores, começaram a serem observadas. O átomo é composto em parte por partículas carregadas eletricamente, algumas com carga positiva (+) e outras com carga negativa (-). Fig. A: Imagem da superfície de um asemicondutor GaAs obtida pela técnica de microscopia eletrônica de túnel. A reelaboração do modelo de Dalton Tales de Mileto (640-546 a.C) Surgiu no final do século XIX e início do século XX, a necessidade de um novo modelo atômico que levasse em conta a natureza elétrica da matéria. O movimento de partículas recebeu o nome de corrente elétrica. O modelo de Dalton não explicava reações provocadas pela passagem de corrente elétrica e o fluxo de partículas elétricas ao longo de um fio condutor após uma reação química. Não há dúvidas que os átomos existem e que eles são as menores unidades formadoras dos elementos. • MODELO NUCLEAR DESCOBERTA DO ELÉTRON (1897): J. J. THOMSON (físico britânico) RAIOS CATÓDICOS • Jatos de partículas com massa e carga negativa: Elétrons • e/me = 1,76 x 10 8 Coulomb/g A Descoberta da primeira partícula subatômica: O Elétron Com a finalidade de estudar a condução de corrente elétrica em gases, a baixas pressões, os cientistas Geissler e Crookes desenvolveram um dispositivo chamado de tubo de raios catódicos. Thomson (1887) Raios detectados ao colidirem com material fluorescente. Apresentavam massa. Determinou m/Z das partículas e observou que não dependia do gás contido no tubo. e/me = 1,76 x 10 8 Coulomb/g Demonstrou que os raios poderiam ser interpretados como um feixe de partículas carregadas negativamente, elétrons. •Os corpos são eletricamente neutros Existência de partículas positivas, Prótons. O desequilíbrio entre prótons e elétrons faz com que os átomos fiquem carregados gerando íons. Ânions: Íons carregados negativamente Cátions: Íons carregados positivamente Os experimentos de Thomson permitiram-lhe medir de maneira quantitativa a razão carga-massa de um elétron como sendo 1,76 x 108 C/g. Em 1909 Robert Millikan (1868-1953) mediu com êxito a carga de um elétron utilizando o “experimento da gota de óleo de Millikan”. O valor encontrado foi de 1,60 x 10-19 C. Millikan pôde, a partir da experiência da gota de óleo, calcular a massa do elétron, 9,1 x 10-28 g. Uma representação do instrumento de Millikan usado para medir a carga do elétron. RADIOATIVIDADE • 1896 (Henri Becquerel): Urânio emissão espontânea de radiação de alta energia. • Ernest Ruterford (1908): Radiações a, b e g. DESCOBERTA DO PRÓTON: 1908 O modelo de Rutherford Ernest Rutherford 1911, Rutherforde explicou suas observações: O átomo não é maciço, apresentando mais espaço vazio do que preenchido; A maior parte da massa do átomoe toda sua carga positiva (prótons, 1,672622 x 10-24 g) residem em uma região muito pequena e densa, núcleo; O diâmetro do núclo é cerca de 10.000 a 100.000 vezes menor que o diâmetro total do átomo; O núcleo era rodeado por uma região comparativamente maior (eletrosfera), contendo os elétrons, muito mais leves (1.836 vezes) que os prótons . Propôs seu modelo atômico: Modelo planetário. Modelo atômico de Rutherford; Modelo planetário. • ELÉTON: - 1,602 X 10-19 C • PRÓTON: + 1,602 X 10-19 C CARGAS ELETRÔNICAS • ELÉTON: - 1 • PRÓTON: + 1 CARGAS ATÔMICAS E SUBATÔMICAS • NO de prótons no núcleo: Z Como é possível a existência de mais de um próton dentro do núcleo? A massa de um átomo não é proporcional ao número de prótons; Nem todos os átomos de um elemento tem a mesma massa; • Século XX: Espectrômetro de massas NÊUTRONS Partícula Símbolo Carga Massa (u) Elétron e- -1 5,486 x 10-4 Próton p +1 1,0073 Nêutron n 0 1,0087 TABELA: Propriedes das partículas subatômicas 1u = 1,66054 x 10-24g • Feixes de partículas alfa colidiram com o elemento berílio. • Aparecimento de um tipo de radiação (g, provavelmente). • Partículas sem carga elétrica e de massa praticamente igual à dos prótons. 1932: James Chadwick (físico inglês) núcleons ISÓTOPOS Átomos que possuem mesmo Z e diferentes A. • Número de Massa (A) A = Z + n • Massas Atômicas (u): Massa média das massas de todos os isótopos de ocorrência natural, é relativa à massa do átomo de 12C, que tem uma massa de 12u. Isótopo Numero de massa Massa atômica Abundância Relativa Massa atômica média 12C 12 12 u 0,9893 12,01 u 13C 13 13,00335 u 0,0107 35Cl 35 34,969 u 0,7578 35,45 u 37Cl 37 36,966 u 0,2422 INCONSISTÊNCIAS COM O MODELO DE RUTHERFORD Depois da aceitação do modelo de Rutherford, a pergunta era: O que fazem os elétrons? Objetos em movimento tendem a descrever uma trajetória em linha reta, mas um objeto descrever uma órbita requer que uma força atue neste para mantê-lo em contínua trajetória curva. A atração do núcleo (positivo) mantém um elétron (-) se movimentando em órbita; Rutherford sabia que de acordo com a mecânica clássica a direção do movimento do elétron muda constantemente para permanecer na sua órbita sem escapar do núcleo. Essa mudança de direção de movimento emite enrgia radiante; Se o elétron perdesse energia por radiação, cairia lentamente e alteraria o raio de sua órbita, diminuindo sua distância do núcleo e entrando em colápso. Há algo de errado com a física clássica usada por Rutherford e outros cientistas. As leis da física clássica descrevem bem o movimento de objetos grandes, mas não o de partículas tão pequenas como o elétron. Os elétrons O que fazem os elétrons? Rutherford sugere um átomo com estrutura planetária Química Geral Velódromo: o ciclista pode ocupar qualquer parte da pista. O modelo atômico planetário: elétrons giram ao redor do núcleo, podendo ocupar qualquer órbita existente. Química Geral http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/Atome_de_Rutherford.png A reelaboração do modelo atômico de Rutherford De acordo com o modelo atômico proposto por Rutherford, os elétrons ao girarem ao redor do núcleo, com o tempo perderiam energia, e se chocariam com o mesmo. Modelo Atômico de Rutherford X Teoria da Física Clássica O Espectro Eletromagnético Energia radiante: Energia eletromagnética O arco-íris resulta da decomposição da luz solar que incide em gotículas de água suspensas na atmosfera. A decomposição da luz solar produz uma variedade de radiações, denominadas radiações eletromagnéticas Espectro luminoso visível Refração: Desvio do raio de luz Contínuo Química Geral Transporta energia pelo espaço, não depende de meio físico para ser transportada. Move-se no vácuo com a velocidade de luz: c = 3,00 x 108 m/s Possui características ondulatórias. Exemplos: Ondas de rádio, TV, IV, Luz Visível, Raios X, UV. RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Química Geral ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO Química Geral FREQUÊNCIA (Hertz, Hz) Estação AM: 820 KHz ou 820.000 s-1 . = c Química Geral Espectro da Luz Visível Se a luz de solar atravessa um prisma, ela será decomposta em varias cores, obtemos assim o espectro da luz visível: Química Geral Espectro Contínuo Isaac Newton Espectro da Luz Química Geral Lâmpada incandescente comum Espectros Atômicos Em 1856, o cientista Robert Bunsen (1811-1899) e seu colaborador, Gustav Kirchhoff (1824- 1887), decidiram investigar o espectro das chamas. Não há dois elementos químicos com o mesmo espectro de emissão Série de Balmer Química Geral Gases a baixa pressão submetidos a descargas elétricas. Química Geral Laser: Fonte específica de energia radiante (monocromática) Maioria das radiações: Produção de espectros contínuos e descontínuos. Max Planck (1900): a troca de energia entre matéria e radiação ocorre em pacotes de energia (quanta). Radiações eletromagnéticas comportavam-se como se fossem compostas de minúsculos pacotes de energia chamados fótons E h Química Geral E = hv onde h = constante de Planck (h = 6,63 x1034 J.s). Átomos quentes em um corpo negro oscilam rapidamente. Ao oscilar na freqüência , os átomos poderiam trocar energia com sua vizinhança em pacotes de magnitude igual a: Niels Bohr (1913) Niels Bohr (1885 - 1962) Niels Bohr trabalhou com Thomson, e posteriormente com Rutherford. Tendo continuado o trabalho destes dois físicos, aperfeiçoou, em 1913, o modelo atômico de Rutherford. Química Geral Descreveu a origem dos espectros de linha Explicou porque os gases emitem ou absorvem radiação com determinados comprimentos de onda e não numa faixa contínua de radiação. De todos os valores de energia quantizadas, um elétron pode ter somente um valor de energia. Um átomo tem um conjunto de energias quantizadas, ou níveis de energia. Os princípios fundamentais da teoria de Bhor são resumidos a seguir: Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitirem nem absorverem energia. O elétron não pode ter energia zero, ou seja, estar parado no núcleo. Em cada camada o elétron possui energia constante: quanto mais próximo ao núcleo, menor a energia, e, quanto mais distante do núcleo, maior a energia do elétron. Níveis de energia ou Camadas eletrônicas Cada nível de energia tem uma “população” máxima de elétrons. Teoria Quântica da Radiação (1900) de Max Planck. E = hv E = hc Para passar de um nível de menor energia para um de maior, o elétron absorve uma quantidade apropriada de energia. Ao fazer o caminho inverso ele libera a energia absorvida. Energia quantizada. Os pequenos pacotes fixos de energia absorvidos, ou liberados, são denominados quanta. O modelo de Bhor e os espectros dos elementos Relacionou as raias do espectro descontínuo às variações de energia dos elétrons contidos nos átomos desses gases. 1º Postulado: Somente órbitas de energias definidas, são permitidas para os elétrons em um átomo. 2º Postulado: Um elétron em certa órbita permitida, tem energia definida, onde os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias, de modo a ter uma energia constante, ou seja, sem emitirem nem absorverem energia. Modelo Atômico de Bohr Química Geral 3º Postulado: A energia só é emitida ou absorvida por um elétrons quando ele muda de um estado de energia permitido para outro. A energia é emitida ou absorvida na forma de luz (fóton). Química Geral O ESPECTRO DISCRETO - Emissão n = 3 n = 2 n = 1 Um elétron que ganha energia e passa para um nível de energia n = 3. Ele emite uma onda eletromagnética, perdendo energia e volta para o nível n = 1. h EE 13 Esta onda não tem uma freqüência qualquer, mas Química Geral n = 3 n = 2 n = 1 Devido aos diferentes níveis de energia, há possibilidades de diferentes transições. Assim, o elétron pode saltar de n= 3 direto para n = 1, ou ir de n = 3 para n = 2 e depois de n = 2 para n = 1. Cada transição implica numa emissão com frequência diferente. Isso explica o surgimento das linhas no espectro discreto dos elementos. Química Geral Química Geral ESPECTRO DE ABSORÇÃO Química Geral MODELO ATÔMICO DE SOMMERFRELD 1916: As raias estruturadas por Bohr (níveis de energia), eram na verdade, um conjunto de raias finas (subníveis de energia). NÚMEROS QUÂNTICOS PRINCIPAL, SECUNDÁRIO, MAGNÉTICO E SPIN Química Geral MODELO QUÂNTICO Química Geral 1927: Heisenberg Princípio da Incerteza. Impossível determinar silmultaneamente e com certeza a posição e o momento de uma pequena partícula, tal como um elétron. Para saber algo sobre a posição e o momento de uma partícula, temos de interagir de qualquer maneira com ela. Nenhum instrumento pode “sentir” ou “ver” um elétron sem influenciar intensamente o seu movimento. 1924: De Broglie Caráter ondulatório do elétron. Dualidade onda, partícula do elétron. Planck e Einstein: A energia é acondicionada em pequenos corpúsculos (quanta, quantum. O nome fóton é dado a um quantum de qualquer espécie de energia eletromagnética. Dualidade onda, partícula da energia radiante. E = h (energia de uma onda de frequência , Planck) mc2 = h (Louis De Broglie) m = h c = c/ m = h c2 c Associar a natureza dualística da luz ao comportamento do elétron. m = h v = h mv Diferente da luz, os elétrons movimentam-se em diferentes velocidades (v) • Sustentação para hipótese de De Broglie: C. Davisson e L. H. Germer (USA) e G. P. Thomson (Escócia). Difração dos elétrons O ângulo de difração depende do . E = mc2 (energia de uma partícula de massa m, Einstein) h = 6,63 x 10-34 J s 1 J = 1 Kg m2 s-2 h = 6,63 x 10-34 Kg m2 s-1 me = 9,1 x 10 -31 Kg v = 4 x 106 m s-1 6,63 x 10-34 Kg m2 s-1 (9,1 x 10-31 Kg)(4 x 106 m s-1) = 2 x 10-10 m = 1926: Erwing Schrodinger estudou o movimento do elétron ao redor do núcleo por meio de equações matemáticas, equação de onda. O comportamento ondulatório de elétrons em átomos, é o fundamento da mecânica quântica. Equação diferencial Infinitas soluções Natureza corpuscular x energia x carga x massa do elétron = Números Quânticos Funções de Onda (y, corresponde a amplitude da onda, Y2p) y2 (probabilidade de encontrar o elétron numa estreita região específica do espaço) NÚMEROS QUÂNTICOS • Códigos matemáticos associados à energia do elétron • A caracterização de cada elétron no átomo é feita por meio de 4 números quânticos: principal, secundário, magnético e spin • No mesmo átomo, não existem 2 elétrons com os mesmos números quânticos. Química Geral ORBITAL: A região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron no átomo. • Cada subnível contém um ou mais orbitais • O formato de cada orbital foi determinado matematicamente por Schrodinger. NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n) Indica o nível de energia do elétron, distância média do núcleo n = 1, 2, 3...7 Rydberg: Número máximo de elétrons por nível: 2n2 Química Geral Química Geral Camadas No quântico principal No máximo teórico de elétrons K 1 2 L 2 8 M 3 18 N 4 32 O 5 50 P 6 72 Q 7 98 Camada K L M N O P Q Valor de n 1 2 3 4 5 6 7 No de elétrons observado 2 8 18 32 32 18 8 NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO OU AZIMUTAL (l) Relacionado com o subnível de energia e a forma do orbital Subnível s p d f g Nº Quântico Secundário (l) 0 1 2 3 4 Química Geral Valores possíveis para l l = 0 l = n-1 NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO (m OU ml) Química Geral O termo magnético é relativo ao fato de que os orbitais de uma dada subcamada possuem diferentes energias quantizadas na presença de um campo magnético. Orientação dos orbitais no espaço Valores inteiros - l a + l MODELO QUÂNTICO + 2e- 2e - 6e- 2e- 6e- 10e- 2e- 6e- 10e- 14e- s L M N n=1 n=2 n=3 n=4 K s p s sp d d fp Química Geral NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRON POR SUBNÍVEL: 2(2l +1) s < p < d < f ORBITAIS s • Todos os orbitais s são esféricos. • A medida que n aumenta, os orbitais s ficam maiores. •ml = 0 Química Geral ORBITAIS p • Existem três orbitais p: px, py, e pz. • Os três orbitais p localizam-se ao longo dos eixos x-, y- e z- de um sistema cartesiano. • ml = -1, 0, e +1. • Os orbitais têm a forma de halteres. • À medida que n aumenta, os orbitais p ficam maiores. Química Geral ORBITAIS p Química Geral ORBITAIS d Química Geral ORBITAIS f Química Geral Química Geral NÚMERO QUÂNTICO SPIN (s OU ms) Os elétrons se comportam como um imã em função da sua rotação no sentido horário ou anti-horário Ms = + ½ ou – ½ Química Geral Experimento de Stern-Gerlach Na DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA EM ORBITAIS • Princípio da exclusão de Pauli: Não existem dois elétrons num átomo que possuam os mesmos valores para todos os números quânticos. • Regra de Hund: Os elétrons de uma mesma subcamada tendem a permanecer desemparelhados, com spins paralelos. • O método utilizado para a determinação da configuração eletrônica no estado fundamental é conhecido como procedimento de Aufbau. Química Geral MODELO ATÔMICO ATUAL (ORBITAL) DIAGRAMA DE LINUS PAULING • Coloca os subníveis em ordem crescente de Energia. 7s 6d 6p 6s 5f 5d 5p 5s 4f 4d 4p 4s 3d 3p 3s 2p 2s 1s 21s 22s 2632 sp 26 43 sp 2610 543 spd 2610 654 spd 261014 7654 spdf 101465 df Professor Fabiano Ramos Costa Química Geral E = n + l Química Geral Exemplo O conjunto de números quânticos que caracteriza o elétron mais energético do Si ( Z = 14) Resposta: n = 3 l = 1 m = 0 s = -1/2 Química Geral Exercício O conjunto de números quânticos que caracteriza o elétron mais energético do Sc ( Z = 21) Resposta: n = 3 l = 2 m = -2 s = -1/2 Química Geral Exercício Qual é o elemento na TP que apresenta os seguintes números quânticos: n = 5 l = 2 ml = 1 s = ½ Admita que a distribuição iniciou com spin + 1/2 Química Geral
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