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1 Universidade Federal do Paraná (UFPR) 3.3.1.1 Aspectos macroscópicos da Química ....................................................................................... 1 3.3.1.2 Estrutura da matéria e teoria atômica ..................................................................................... 43 3.3.1.3 Classificação periódica e propriedades dos elementos e seus compostos ............................. 54 3.3.1.4 Ligação química ..................................................................................................................... 69 3.3.1.5 Ácidos e bases ....................................................................................................................... 83 3.3.1.6 Estequiometria química ........................................................................................................ 111 3.3.1.7 Unidades e grandezas em Química ..................................................................................... 127 3.3.1.8 Soluções, propriedades coligativas e forças intermoleculares .............................................. 133 3.3.1.9 Termoquímica ...................................................................................................................... 158 3.3.1.10 Equilíbrio químico ............................................................................................................... 166 3.3.1.11 Cinética química ................................................................................................................. 186 3.3.1.12 Eletroquímica ..................................................................................................................... 195 3.3.1.13 Estrutura dos compostos de carbono ................................................................................. 209 3.3.1.14 Isomeria em Compostos Orgânicos ................................................................................... 249 3.3.1.15 Ocorrência e obtenção de compostos orgânicos e suas propriedades principais ............... 260 Candidatos ao Vestibular, O Instituto Maximize Educação disponibiliza o e-mail professores@maxieduca.com.br para dúvidas relacionadas ao conteúdo desta apostila como forma de auxiliá-los nos estudos para um bom desempenho na prova. As dúvidas serão encaminhadas para os professores responsáveis pela matéria, portanto, ao entrar em contato, informe: • Apostila (universidade); • Disciplina (matéria); • Número da página onde se encontra a dúvida; e • Qual a dúvida. Caso existam dúvidas em disciplinas diferentes, por favor, encaminhá-las em e-mails separados. O professor terá até cinco dias úteis para respondê-la. Bons estudos! Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 1 Caro(a) candidato(a), antes de iniciar nosso estudo, queremos nos colocar à sua disposição, durante todo o prazo do concurso para auxiliá-lo em suas dúvidas e receber suas sugestões. Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação ou dúvida conceitual. Em qualquer situação, solicitamos a comunicação ao nosso serviço de atendimento ao cliente para que possamos esclarecê-lo. Entre em contato conosco pelo e-mail: professores @maxieduca.com.br Substâncias e Misturas As substâncias químicas correspondem a moléculas, que podem ser representadas por fórmulas, como a água, H2O. Estas são formadas por elementos químicos, ou seja, aqueles que são encontrados na tabela periódica. Analisando-se o exemplo da própria água, tem-se que, tanto o Hidrogênio como o Oxigênio, estão na tabela periódica, nas famílias 1 e 8, respectivamente. Substância Pura Uma substância pura é exatamente o que o termo indica: uma única substância com composição característica e definida e com um conjunto definido de propriedades, isto é, que possuem composição fixa. Exemplos de substâncias puras são: a água, o sal, o ferro, o açúcar comestível e o oxigênio. Nas substâncias puras o ponto de fusão e ebulição ocorrem em temperaturas constantes: As substâncias puras podem ser classificadas como simples ou compostas. -Substância simples As substâncias formadas por um ou mais átomos de um mesmo elemento químico é classificada como substância pura simples ou, simplesmente, substância simples. -Substância composta Quando as moléculas de determinada substância são formadas por dois ou mais elementos químicos, ela é classificada como substância pura composta ou, simplesmente, substância composta. 3.3.1.1 Aspectos macroscópicos da Química Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 2 Símbolos e fórmulas -Símbolos: representa um elemento químico -Fórmula: representa uma substância pura, simples ou composta. Exemplos: -O é o símbolo do elemento químico oxigênio -O2 é a fórmula da substância simples oxigênio -O3 é a fórmula da substância simples ozônio Misturas Uma mistura é um sistema formado por duas ou mais substâncias puras, denominadas componentes. Em uma mistura o fusão e/ou ebulição não ocorrem em temperaturas constantes. A temperatura varia durante a fusão ou durante a ebulição, ou durante ambas. Estas não possuem ponto de fusão e ponto de ebulição, e sim intervalo de fusão e intervalo de ebulição: Existem misturas que, como exceção, comportam-se como se fossem substâncias puras durante a fusão: são as chamadas misturas eutéticas. Exemplo: algumas ligas metálicas, dentre elas a solda usada em eletrônica (37% de chumbo e 63% de estanho). Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 3 Por outro lado, também existem misturas que, como exceção, comportam-se como se fossem substâncias puras durante o processo de ebulição; são chamadas de misturas azeotrópicas. Exemplo: água e álcool na proporção de 4% de água e 96% de álcool Uma vez que as misturas apresentam composição variável, têm também propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas substâncias quando estudadas separadamente. Tipos de misturas As misturas podem ser classificadas em homogêneas e heterogêneas. A diferença entre elas é que a mistura homogênea é uma solução que apresenta uma única fase enquanto a heterogênea pode apresentar duas ou mais fases. Fase é cada porção que apresenta aspecto visual uniforme. Misturas homogêneas Nesse tipo de mistura não há superfícies de separação visíveis entre seus componentes, mesmo que a observação seja realizada a nível de um microscópio eletrônico. Exemplo: Solução de água e açúcar As misturas homogêneas são normalmente chamada de solução Misturas heterogêneas As misturas heterogêneas são aquelas em que são possíveis as distinções de fases (regiões visíveis da mistura onde se encontram os componentes), formada por duas ou mais fases. As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu. Exemplos: - água + óleo - granito - água + enxofre - água + areia + óleo Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 4 Sistema homogêneo e Heterogêneo: Fases Sistema homogêneo Apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte de sua extensão em que seja examinado. Pode ser um mistura (solução) ou uma substância pura. Sistema heterogêneo É aquele que apresenta mais de uma fase, ou seja, não possui um aspecto uniforme, é descontínuo. Os sistemas heterogêneos também podem ser constituídos de substâncias puras. Por exemplo, água + gelo: os componentes são os mesmos, mas, por estarem em estados físicos diferentes, apresentam aspecto heterogêneo. Exemplos: Substância pura Fases: São diferentes porções homogêneas, limitadas por superfícies de separação visíveis (com ou sem aparelhos de aumento), que constituem um sistema heterogêneo.Um sistema homogêneo apresenta sempre uma única fase, isto é, constitui um sistema monofásico. Entretanto, sistema heterogêneo constitui sempre um sistema polifásico (muitas fases), que pode ser bifásico, trifásico, tetrafásico e etc. Processos de separação de misturas Análise imediata Na natureza, raramente encontramos substâncias puras. Assim, para obtermos uma determinada substância, é necessário usar métodos de separação. O conjunto de processos físicos que não alteram a natureza das substâncias é denominado análise imediata. Para cada tipo de mistura — heterogênea ou homogênea — usamos métodos diferentes. Decantação Processo utilizado para separar dois tipos de misturas heterogêneas. Substância pura Mistura homogênea Mistura homogênea Informações importantes: -Uma mistura de vários gases constitui sempre um sistema monofásico -Uma mistura de n sólidos constitui um sistema com n fases na maioria das vezes. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 5 a) Líquido e sólido A fase sólida (barro), por ser mais densa, sedimenta-se, ou seja, deposita-se no fundo do recipiente, e a fase líquida pode ser transferida para outro frasco. A decantação é usada, por exemplo, nas estações de tratamento de água b) Líquido e líquido Separa líquidos imiscíveis (exemplo: água e óleo) com a utilização de um funil de decantação. Após a decantação, abre-se a torneira, deixando passar o líquido mais denso. Centrifugação A centrifugação é uma maneira de acelerar o processo de decantação envolvendo sólidos e líquidos realizada num aparelho denominado centrífuga. Na centrífuga, devido ao movimento de rotação, as partículas de maior densidade, por inércia, são arremessadas para o fundo do tubo. Filtração É utilizada para separar substâncias presentes em misturas heterogêneas envolvendo sólidos e líquidos. -Filtração simples: A fase sólida é retida no papel de filtro, e a fase líquida é recolhida em outro frasco. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 6 -Filtração a vácuo: A água que entra pela trompa d’água arrasta o ar do interior do frasco, diminuindo a pressão interna do kitassato, o que torna a filtração mais rápida. Destilação É utilizada para separar cada uma das substâncias presentes em misturas homogêneas envolvendo sólidos dissolvidos em líquidos e líquidos miscíveis entre si. -Destilação Simples: Na destilação simples de sólidos dissolvidos em líquidos, a mistura é aquecida, e os vapores produzidos no balão de destilação passam pelo condensador, onde são resfriados pela passagem de água corrente no tubo externo, se condensam e são recolhidos no erlenmeyer. A parte sólida da mistura, por não ser volátil, não evapora e permanece no balão de destilação -Destilação fracionada: Na destilação fracionada, são separados líquidos miscíveis cujas temperaturas de ebulição (TE) não sejam muito próximas. Durante o aquecimento da mistura, é separado, inicialmente, o líquido de menor TE; depois, o líquido com TE intermediária, e assim sucessivamente, até o líquido de maior TE. À aparelhagem da destilação simples é acoplada uma coluna de fracionamento. Conhecendo- se a TE de cada líquido, pode-se saber, pela temperatura indicada no termômetro, qual deles está sendo destilado. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 7 Ventilação Esse método é usado, por exemplo, para separar a palha do grão de arroz. É aplicada uma corrente de ar, e a palha, que é mais leve, voa. Tamisação Feita com uma peneira muito fina chamada tamise, separa sólidos maiores dos menores. Ex: cascalhos e pequenas pedras preciosas. Sublimação As substâncias participantes desse processo podem ser separadas das impurezas através da sublimação e posterior cristalização. Separação Magnética É um método que utiliza a força de atração do ímã para separar materiais metálicos ferromagnéticos dos demais. Uma mistura de limalha (pó) de ferro com outra substância, pó de enxofre, por exemplo, pode ser separada com o emprego de um ímã. Aproximando o ímã da mistura, a limalha de ferro prende-se a ele, separando-se do enxofre. Liquefação fracionada Separa gases com pontos de fusão diferentes. Nesse processo um dos gases se liquefaz primeiro, podendo assim ser separado do outro gás. Cromatografia em papel Esta técnica é assim chamada porque utiliza para a separação e identificação das substâncias ou componentes da mistura a migração diferencial sobre a superfície de um papel de filtro de qualidade especial (fase estacionária). A fase móvel pode ser um solvente puro ou uma mistura de solventes. Este método é muito útil para separar substâncias muito polares, como açúcares e aminoácidos. Possui o inconveniente de poder-se cromatografar poucas quantidades de substância de cada vez. A cromatografia funciona graças ao fato das moléculas possuírem uma propriedade chamada polaridade em comum e tenderem a se atrair mutuamente. Uma molécula polar é simplesmente aquela que possui uma região rica em elétrons e uma outra região que é pobre em elétrons. Estas regiões às vezes são representadas como sendo negativamente e positivamente carregadas, respectivamente. Moléculas polares são unidas por forças de atração entre cargas opostas de moléculas diferentes. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 8 Moléculas de água têm regiões ricas em elétrons nos átomos de oxigênio e regiões pobres em elétrons nos átomos de hidrogênio. Assim, as moléculas de água são polares e, por conseguinte, organizam-se de maneira que a região de carga positiva de uma molécula é atraída pela região de carga negativa de outra. Estas interações provêem uma explicação para o elevado ponto de ebulição da água. A água (H2O) é uma molécula muito mais simples que o etanol (H3C-H2C-OH), mas tem um ponto de ebulição muito mais alto - etanol = 46ºC; água =100ºC, 1atm Assim, as duas amostras da mesma molécula (uma conhecida, usada como padrão, e outra desconhecida) são analisadas sob condições idênticas, ambas terão o mesmo Rf Esta razão será também diferente (de forma ideal) do Rf de qualquer outra molécula presente na mistura, suportando, desta forma, a identificação do desconhecido. Um princípio básico dos processos cromatográficos é que uma diferença de Rf é considerada como prova de que as amostras são diferentes, entretanto valores idênticos apenas suportam a identidade dos compostos, porque duas diferentes estruturas podem ter o mesmo Rf sob um determinado conjunto de condições. A cromatografia em papel é uma das técnicas mais simples e que requerem menos instrumentos para realização, porém também apresenta as maiores restrições para realização em termos analíticos. As técnicas cromatográficas são essenciais para a separação de substâncias puras de misturas complexas e são amplamente utilizadas nas análises de alimentos, drogas, sangue, produtos derivados de petróleo e produtos de fissão nuclear. Extração Líquido-Líquido A extração líquido-líquido (ELL) é um processo de separação que se utiliza da propriedade de miscibilidade de líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B (veja figura). A separação entre o extrato, A e C, e o refinado, A e B, é feita com uma ampola de decantação ou um funil de separação. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 9 A ELL (extração líquido-líquido) ou extração é empregada como alternativa a outros processos de separação, quando estes não são recomendáveis ou não são viáveis. Além disso, pode ser realizado à temperatura ambiente ou temperaturamoderada; existe ainda a possibilidade de utilização de solventes com boa capacidade de extração ou seletivos; como também possibilita controle de pH, força iônica e temperatura, de forma a evitar a desnaturação de enzimas e proteínas (sistemas aquosos bifásicos de biomoléculas); Extração de Produtos Naturais a partir de Vegetais Esse método de extração de substâncias é usado em uma área da Química, denominada “Química de Produtos Naturais”. Quando um químico deseja saber quais substâncias uma determinada planta contém, ele submete partes da planta (caule, folhas, casca) a um tratamento com solventes de polaridades diversas e analisa, posteriormente, as substâncias extraídas. Por outro lado, quando se deseja extrair de uma determinada planta uma substância que se conhece, o tratamento é feito com um solvente no qual a substância é muito mais solúvel. Esse processo também retira da planta outras substâncias e o químico tem que executar então, processos para purificar a substância desejada. Extração por Solventes A Extração com solventes é uma técnica relativamente moderna, usada para obter maior rendimento ou produtos que não podem ser obtidos por nenhum outro processo. As plantas são imersas no solvente adequado acetona ou qualquer outro derivado do petróleo e a separação realiza-se quimicamente, pela destilação em temperaturas especiais que causam somente a condensação do óleo e não dos solventes. Neste caso, os óleos obtidos geralmente não são usados em aromaterapia, pois geralmente contêm vestígios do solvente. A Extração com solventes consiste basicamente na transferência de íons, específicos, de uma solução pouco concentrada para outra, mais concentrada, por meio de um fenômeno de um soluto de distribuir entre dois solventes imiscíveis, em contato. Questões 01. (UFMG) Uma amostra de uma substância X teve algumas de suas propriedades determinadas. Todas as alternativas apresentam propriedades que são úteis para identificar essa substância, exceto: (A) densidade (B) massa da amostra (C) solubilidade em água (D) temperatura de fusão (E) temperatura de ebulição 02. Um copo contém uma mistura de água, acetona, cloreto de sódio e cloreto de prata. A água, a acetona e o cloreto de sódio estão numa mesma fase líquida, enquanto que o cloreto de prata se encontra numa fase sólida. Descreva como podemos realizar, em um laboratório de química, a separação dos componentes desta mistura. De sua descrição devem constar as etapas que você empregaria para realizar esta separação, justificando o(s) procedimento(s) utilizado(s). 03. (UFAC) Com relação às substâncias O2, H2, H2O, Pb, CO2, O3, CaO e S8, podemos afirmar que: (A) todas são substâncias simples. (B) somente O2, H2 e O3 são substâncias simples. (C) todas são substâncias compostas. (D) somente CO2, CaO e S8 são substâncias compostas. (E) as substâncias O2, H2, Pb, O3 e S8 são simples 04. Duas amostras de uma solução aquosa de CuSO4, de coloração azul, foram submetidas, respectivamente, às seguintes operações: I. filtração através de papel de filtro; II. destilação simples. Qual é a coloração resultante: A) do material que passou pelo filtro na operação I? B) do produto condensado na operação II? Justifique suas respostas. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 10 05. Dos materiais abaixo, quais são misturas e quais são substâncias puras? Dentre as substâncias puras, quais são simples e quais são compostas? Água dos rios; Ferro; Aço; Gás carbônico; Salmoura; Refrigerante; Leite; Metano; Vinagre; Ouro 18 quilates; Amálgama (liga de mercúrio, prata e zinco); Gasolina; Ar atmosférico; Etanol anidro; Água destilada; Gás nitrogênio; Cobre; Gás oxigênio. 06. (CEFET-PR) Para um químico, ao desenvolver uma análise, é importante verificar se o sistema com o qual está trabalhando é uma substância pura ou uma mistura. Dependendo do tipo de mistura, podemos separar seus componentes por diferentes processos. Assinale a alternativa que apresenta o método correto de separação de uma mistura. (A) Uma mistura homogênea pode ser separada através de decantação. (B) A mistura álcool e água pode ser separada por filtração simples. (C) A mistura heterogênea entre gases pode ser separada por decantação. (D) Podemos afirmar que, ao separarmos as fases sólidas e líquida de uma mistura heterogênea, elas serão formadas por substâncias puras. (E) O método mais empregado para a separação de misturas homogêneas sólido-líquido é a destilação. 07 (Fuvest-SP) Para a separação das misturas: gasolina-água e nitrogênio-oxigênio, os processos mais adequados são respectivamente: (A) decantação e liquefação. (B) sedimentação e destilação. (C) filtração e sublimação. (D) destilação e condensação. (E) flotação e decantação. 08. (UFPE) Associe as atividades do cotidiano abaixo com as técnicas de laboratório apresentadas a seguir: • Preparar cafezinho com café solúvel • Preparar chá de saquinho • Coar um suco de laranja 1. Filtração 3. Extração 2. Solubilização 4. Destilação A sequência correta é: (A) 2, 3 e 1. (B) 4, 2 e 3. (C) 3, 4 e 1. (D) 1, 3 e 2. (E) 2, 2 e 4. 09. (UFPR) O processo de destilação é importante para a separação de misturas. Assinale a alternativa correta sobre o processo de destilação da água. (A) Na passagem do líquido, ocorre a quebra das ligações covalentes entre os átomos de hidrogênio e de oxigênio. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 11 (B) A temperatura de ebulição varia durante a destilação da água. (C) A fase vapor é constituída por uma mistura dos gases hidrogênio e oxigênio. (D) A temperatura de ebulição depende da pressão atmosférica local. (E) A temperatura de ebulição depende do tipo de equipamento utilizado no processo. 10. (PUC RJ) A despeito dos sérios problemas ambientais, o mercúrio é ainda muito utilizado nos garimpos devido à sua singular capacidade de dissolver o ouro, formando com ele um amálgama. Em muitos garimpos, o ouro se encontra na forma de partículas dispersas na lama, ou terra, dificultando assim a sua extração. Nestes casos, adiciona-se mercúrio à bateia, forma-se o amálgama (que não se mistura com a lama) e, em seguida, é feita a sua separação. Após separado da lama, o amálgama é aquecido com um maçarico até a completa evaporação do mercúrio, restando assim apenas o ouro. Sobre a temática apresentada, é INCORRETO afirmar que: (A) o mercúrio é um metal líquido a 25 °C e 1 atm de pressão. (B) a diferença nas temperaturas de ebulição é aproveitada para separar o mercúrio do ouro, já que estes não formam mistura eutética. (C) mercúrio e ouro formam um sistema heterogêneo. (D) a separação do sistema amálgama-lama constitui um processo físico. (E) os vapores de mercúrio eliminados durante a última etapa da extração podem contaminar os garimpeiros e também os ecossistemas em torno do garimpo. Respostas 01. Resposta B A massa é uma propriedade que independe da natureza do material. 02. Resposta: No primeiro passo devemos fazer uma filtração comum, retendo o AgCl(s) no filtro; em seguida, aqueceríamos a mistura em um aparelho de destilação separando a acetona primeiro e só em seguida a água do sal. 03. Resposta E. 04. Resposta: A) As soluções são materiais homogêneos e o papel de filtro não retém nenhuma substância, portanto o material que passou pelo filtro conserva a coloração azul da solução. B) Pela destilação simples, a água passa para vapor, sendo condensada a seguir. O produto condensado. Portanto, é incolor. 05. Resposta: Água dos rios: mistura Ferro: substância pura simples Aço: mistura Gás carbônico: substância pura composta Salmoura: mistura Refrigerante: mistura Leite: mistura Metano: substância pura composta Vinagre: mistura Ouro 18 quilates: mistura Amálgama(liga de mercúrio, prata e zinco): mistura Gasolina: mistura Ar atmosférico: mistura Etanol anidro: substância pura composta Água destilada: substância pura composta Gás nitrogênio: substância pura simples Cobre: substância pura simples Gás oxigênio: substância pura simples Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 12 06. Resposta E. a) Incorreta. A decantação é uma técnica empregada para separar misturas heterogêneas do tipo sólido-líquido. b) Incorreta. O álcool e a água são líquidos miscíveis que não se separam por técnicas físicas como a filtração simples. Nesse caso, são necessárias técnicas químicas como a destilação fracionada. c) Incorreta. Vide letra a. d) Incorreta. Não podemos afirmar que, ao separarmos as fases sólida e líquida de uma mistura heterogênea, elas serão formadas por substâncias puras, porque, por exemplo, o líquido pode, na verdade, ser uma mistura homogênea, como álcool e água, e não um líquido puro. e) Correta. A destilação simples é o método mais empregado para a separação de misturas homogêneas sólido-líquido. 07. Resposta A A gasolina e a água são líquidos praticamente insolúveis e podem ser separados por decantação, por exemplo, em um funil de bromo. O oxigênio e o nitrogênio são separados por liquefação e posterior destilação fracionada. 08. Resposta A No preparo do café, você solubiliza-o em água, o conteúdo do chá de saquinho é extraído com a ajuda da água quente, e as partes indesejáveis da laranja, no caso as sementes, são filtradas para o preparo do suco. 09. Resposta D. 10. Resposta C. O mercúrio é o único metal que dissolve o ouro, por isso é usado nos garimpos. Ele separa o ouro da ganga, ou seja, as rochas onde o metal está incrustado. Quando se põe a ganga em contato com o mercúrio, só o ouro se dissolve. Depois, a solução de ouro é separada do material sólido por um processo de decantação. Restando, então, ouro e mercúrio que, submetidos a destilação (a mistura é aquecida e o mercúrio evapora) se separam. Alotropia1 Uma substância simples é aquela que apresenta apenas um elemento químico, como por exemplo, o gás oxigênio O2. Quando uma substância simples varia o número de átomos, ou sua estrutura cristalina, outra substância é formada e a este fenômeno atribuímos o nome de Alotropia. Em síntese a Alotropia ocorre quando um elemento químico forma duas ou mais substâncias simples diferentes. Quando tratamos de formas alotrópicas obtidas a partir da variação na atomicidade devemos lembrar do gás oxigênio e do gás ozônio. Suas fórmulas são O2 e O3 respectivamente, havendo a variação de um átomo de oxigênio entre eles. Esta variação lhes confere propriedades diferentes e ao mesmo tempo essenciais para o funcionamento da vida na Terra, pois o gás oxigênio é necessário para a respiração e o gás ozônio é um dos responsáveis pela proteção contra os raios ultravioleta sendo encontrado na camada que inclusive leva o seu nome, a camada de ozônio. O enxofre é um elemento que possui variações alotrópicas, as principais são: enxofre ortorrômbico, ou apenas rômbico e enxofre monoclínico. As estruturas das moléculas ocorrem em forma de anel com oito átomos de enxofre (S8), porém possuem arranjos diferentes entre si originando assim diferentes cristais. O enxofre rômbico e o monoclínico são encontrados em regiões vulcânicas e utilizados para obtenção de ácido sulfúrico (H2SO4) industrialmente, bem como fazem parte da composição de fertilizantes. 1 Disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/alotropia/> Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 13 Diamante. Foto: everything possible / Shutterstock.com Grafite. Foto: Fablok / Shutterstock.com O fósforo pode apresentar diversas formas alotrópicas. As mais conhecidas o fósforo vermelho e o fósforo branco sendo o último extremamente reativo e consequentemente instável. Possuem fórmula molecular P4 variando apenas sua estrutura e são utilizados em artigos de pirotecnia além de aditivos de óleos industriais. Outro exemplo que ilustra bem a formação de alótropos devido a variação da estrutura são as formas alotrópicas do carbono: grafite e diamante. O grafite possui uma estrutura em forma de lâminas e o diamante possui uma estrutura mais compacta o que confere a ele uma maior estabilidade. O diamante é o mineral com maior dureza conhecido e devido a isso é utilizado inclusive como broca para perfuração, além é claro da sua comercialização como pedra preciosa. O grafite é facilmente desgastável por isso é utilizado em lápis além é claro da utilização em peças refratárias e lubrificantes. Outra forma alotrópica do carbono é o fulereno que é muito utilizado pela medicina como antiviral, antioxidante e antimicrobiano. Formas alotrópicas do carbono. Ilustração: magnetix / Shutterstock.com Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 14 Atualmente tem se desenvolvido muito a pesquisa na área da Nanociência relacionada aos nanotubos, que são estruturas de carbono em forma de “rolo” ou tubo extremamente pequenas. Esses nanotubos possuem grandeza na escala de 10-9 a 10-12 metros e são obtidos através de folhas de grafite enroladas quimicamente. Esses materiais são largamente utilizados em circuitos eletrônicos e são muito estáveis, resistentes e conduzem bem corrente elétrica. Desta forma são de extrema importância para o desenvolvimento tecnológico em geral. Reações Químicas As reações químicas são transformações que envolvem alterações, quebra e/ou formação, nas ligações entre partículas (átomos, moléculas ou íons) da matéria, resultando na formação de nova substância com propriedades diferentes da anterior. Algumas evidências da ocorrência de uma reação química são mudança de cor, evolução de calor ou luz, formação de uma substância volátil, formação de um gás, entre outros. No nosso cotidiano, há muitas reações químicas envolvidas, como por exemplo, no preparo de alimentos, a própria digestão destes alimentos no nosso organismo, a combustão nos automóveis, o aparecimento da ferrugem, a fabricação de remédios, etc. Equações químicas A equação química é a forma de se escrever uma reação química que envolve os reagentes e produtos. As substâncias iniciais de uma reação química, as que reagem, são chamadas de reagentes. Já as substâncias finais de uma reação, as que se formam, são chamadas de produto.2 -Representação de uma Equação Química: Nas equações químicas são utilizados símbolos e números para descrever os nomes e as proporções das diferentes substâncias que entram nessas reações. Os reagentes são mostrados no lado esquerdo da equação e os produtos no lado direito. Na reação a matéria não e criada e nem destruídas, os átomos somente são reorganizados de forma diferente, por isso, uma equação química deve ser balanceada: o número de átomos da esquerda precisa ser igual o número de átomos da direita. Sendo assim, balancear uma equação é fazer com que ela entre em equilíbrio. -Exemplo de uma Equação Química não equilibrada: H2 + Cl2 HCl A equação acima está desbalanceada, pois temos nos reagentes (H2 e Cl2) dois átomos de cada elemento, e no produto (HCl) somente uma molécula. -Exemplo de uma Equação Química equilibrada: H2 + Cl2 2 HCl Agora, a equação representada acima está balanceada, uma vez que a adição do coeficiente 2 nos produtos que indica a existência de duas moléculas de ácido clorídrico (HCl). Esse número que antecede o elemento, no caso o número 2, é chamado de coeficiente estequiométrico. A função desse coeficiente é indicar a quantidade de cada substância que participa da reação. 2 Mundoeducação.uol.com.br Reagentes Produto Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 15Podemos saber praticamente tudo sobre uma reação química através de sua equação, ela pode oferecer, por exemplo, as seguintes informações através de símbolos tais como: -Quando a reação é reversível: ↔ -Presença de luz: λ -Catalisadores ou aquecimento: ? -Formação de um precipitado: ↓ A Equação Química pode ainda demonstrar o estado físico do átomo participante da reação, através das letras respectivas entre parênteses: Gás (g) Vapor (v) Líquido (l) Sólido (s) Cristal (c). Tipos de reações Reação de síntese ou adição Na reação de síntese, uma substância composta é formada pela junção de duas ou mais substâncias (simples ou compostas).3 A + B C OBS: Essa reação se faz presente em flashes fotográficos descartáveis e foguetes sinalizadores. Exemplo 1: Ao se queimar uma fita de magnésio, o oxigênio presente no ar reage com o magnésio da fita, originando o óxido de magnésio:4 2Mg(s) + 1 O2(g) → 2MgO(s) Exemplo 2: Reação do óxido de cálcio com a água, produz o hidróxido de cálcio: CaO + H2O → Ca(OH)2 Exemplo 3: As soluções aquosas de ácido clorídrico e hidróxido de amônio, liberam dois gases: o HCl e o NH3. Se colocarmos estes dois gases em contato, eles gerarão uma névoa que é o cloreto de amônio: HCl + NH3 → NH4Cl Reação de Análise ou Decomposição A reação de decomposição ou de análise é um dos tipos de reações químicas na qual determinado composto, por ação espontânea se instável e não espontânea se estável, ao se desfragmentar quimicamente, dá origem à pelo menos dois produtos diferentes. Como exemplifica a reação a seguir: 2AB(s) 2A(s) + B2(g) Nessa reação, um composto simples AB se decompõe em duas substâncias simples A e B. Os símbolos subscritos (s, g) significam o estado de agregação das matérias envolvidas: sólido e gasoso, respectivamente Exemplo: Ocorre na decomposição do NaCl em Sódio sólido e Cloro gasoso: como o NaCl é extremamente estável, é necessário algum processo (geralmente eletroquímico) para que os átomos de cada molécula-íon sejam separados. Vários fatores podem causar a decomposição de um composto, entre eles, vamos destacar três: (1) Pirólise: Quando algumas substâncias compostas são submetidas ao aquecimento, elas se decompõem. Esse tipo de reação é chamado de pirólise, isto é, quebra de um composto por meio do fogo. Exemplo: Esse tipo de reação ocorre na produção do bio-óleo ou alcatrão pirolítico, que é considerado uma alternativa energética para os combustíveis derivados do petróleo. A vantagem do bio-óleo é que ele 3 THEODORE L. Brown, H. EUGENE LeMay, BRUCE E. Bursten. Química: A ciência central, São Paulo – SP: Editora Prentice-Hall, 2005. 9ª Edição. 992 pág. 4 http://www.infoescola.com/ Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 16 não possui metais pesados como chumbo e mercúrio, que podem poluir o meio ambiente e contaminar seres vivos; não possui enxofre, que sofre reações na atmosfera e gera as chuvas ácidas, e também libera menos cinzas. Outros exemplos de reações de decomposição pela ação do calor: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 2KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g) 5(2) Fotólise: Esse tipo de reação quando a luz causa a decomposição dos compostos. Exemplo 1: A fotólise ocorre no processo fotossintético realizado pelos vegetais a fim de produzir energia. A reação mais importante da fotossíntese é a fotólise da água, que ocorre na fase clara. 2H2O O2 + 4H+ + 4e- Exemplo 2: A água oxigenada (peróxido de hidrogênio), também está sujeito à fotólise, como representado na equação química: H2O2 (aq) H2O (l) + 1/2O2 (g) (3) Eletrólise: Nas reações de eletrólise as substâncias se decompõem pela passagem de corrente elétrica Reação de simples troca ou deslocamento Esse tipo de reação ocorre quando uma substância simples reage com uma composta originando novas substâncias: uma simples e outra composta. A + XY → AY + X Exemplo: Quando uma lâmina de zinco é introduzida em uma solução aquosa de ácido clorídrico, vai ocorrer a formação de cloreto de zinco e o gás hidrogênio vai ser liberado. Zn (s) + 2 HCl (aq) → ZnCl2(aq) + H2 (g) A reação e classificada como de deslocamento uma vez que o zinco “deslocou” o hidrogênio Reação de substituição ou dupla troca A reação de dupla troca ocorre quando dois reagentes reagem formando dois produtos, ou seja, se duas substâncias compostas reagirem dando origem a novas substâncias compostas recebem essa denominação. AB + XY → AY + XB Importante: Para a ocorrência da reação de dupla troca, pelo menos uma das três condições abaixo deve ocorrer: -Formar-se pelo menos um produto insolúvel; -Formar-se pelo menos um produto menos ionizado (mais fraco); -Formar-se pelo menos um produto menos volátil. Exemplo: a reação entre o ácido sulfúrico com hidróxido de bário produz água e sulfato de bário. H2SO4 (aq) + Ba(OH)2(aq) → 2 H2O(l) + BaSO4(s) O produto sulfato de bário: BaSO4(s) é um sal branco insolúvel. Balanceamento das reações químicas Segundo Danton os átomos normalmente se conservam nas transformações químicas, mas nem sempre uma equação é indicada de forma que isso fique aparente. Isso porque é preciso fazer um "acerto", o balanceamento químico do número de átomos que constituem os reagentes e os produtos. 5 SOUZA, Líria Alves De. "Tipos de Reações Químicas"; Brasil Escola. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 17 Neste tópico falaremos um pouco sobre um tipo bem específico de balanceamento, aquele que é feito logo no início, quando não se tem muita prática. Para melhor entendimento, recomendamos o uso de "bolinhas" ou os símbolos criados por Dalton. Além de ilustrarem melhor a operação, elas ajudam a fixar a ideia logo no início. Confira o exemplo: Vamos balancear a equação da formação da água. Tendo como reagentes uma molécula de Hidrogênio com dois átomos e uma molécula de gás oxigênio, também com dois átomos, precisamos chegar à fórmula H2O. Repare que sobra um átomo de oxigênio e para que ocorra o balanceamento, não pode haver sobra. Por isso é preciso acrescentar outra molécula de Hidrogênio com dois átomos. Assim ao invés de uma, serão produzidas duas moléculas de água. A equação balanceada ficaria da seguinte forma: . Repare que a soma dos átomos dos reagentes é igual ao número de átomos do produto. É isso que confirma: a equação foi balanceada. Confira outro exemplo: BaO + As2O5 → Ba3 (AsO4)2 Neste caso ao invés de sobrar, faltam átomos de Bário e Oxigênio. Para isso é preciso acrescentar moléculas de BaO até que a necessidade seja suprida, tomando cuidado para que não haja sobra. Acrescentando mais duas moléculas de BaO, tudo se resolve. Basta transcrever os coeficientes das fórmulas químicas na equação e pronto. Repare mais uma vez que o número de átomos se conserva. Fórmulas das substâncias As ciências se comunicam por meio de códigos. A música, por exemplo, utiliza símbolos para representar os variados sons, e desta forma, uma partitura musical será acessível a qualquer músico do mundo. A Química também possui os seus códigos e, sem dúvida, os mais importantes são os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas das substâncias. No caso da substância água, foi verificado experimentalmente, que: → A água era formada pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio. → Em qualquer quantidade de água, os átomos de hidrogênio e oxigênio estavam combinados na proporção de 2:1, respectivamente. Em função destas observações, concluiu-se que a água passou a ser representada pela fórmula H2O. H2O1ou H2O Onde os números 1 e 2, denominados de índice, indicam a quantidade de átomos de cada elemento químico. Normalmente, o índice 1 não precisa escrito.Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 18 Balanceamento das equações químicas por oxirredução Como nas reações de óxido-redução ocorre transferência de elétrons, para balanceá-las devemos igualar o número de elétrons perdidos e recebidos. Para isso, devemos inicialmente determinar o número de elétrons perdidos ou recebidos para cada espécie química, que corresponde à variação do Nox (ΔNox). Com base nesse conhecimento, vamos determinar a quantidade necessária de cada espécie para obter a igualdade do número de elétrons. Regras para realizar o balanceamento das equações por oxirredução O balanceamento tem como fundamento que o total de elétrons cedidos pelo redutor seja IGUAL ao total de elétrons recebidos pelo oxidante. 1º) Determinar, na equação química, os valores de todos os Nox e verificar qual espécie se oxida e qual se reduz, analisando os valores dos Nox dos elementos nos reagentes e nos produtos. 2º) Escolher entre as espécies que sofrem redução e oxidação uma delas para iniciar o balanceamento. 3º) Calcular os Δoxid e Δred . Veja abaixo: Δoxid = número de elétrons perdidos x atomicidade do elemento Δred = número de elétrons recebidos x atomicidade do elemento 4º) Se possível, os Δoxid e Δred podem ser simplificados. Exemplificando: Δoxid = 4 Δred = 2 Resumindo.. Δoxid = 2 Δred = 1 5º) Para igualar os elétrons nos processos de oxidação e redução: O Δoxid se torna o coeficiente da substância que contém o átomo que se reduz. O Δred se torna o coeficiente da substância que contém o átomo que se oxida. 6º) Os coeficientes das demais substâncias são determinados por tentativas, baseando-se na conservação dos átomos. Exemplo1: Uma lâmina de alumínio (Al) foi mergulhada numa solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO4), ocorrendo a formação de cobre metálico (Cu) e de sulfato de alumínio [Al2(SO4)3]. A reação esquematizada acima pode ser representada, na forma iônica, da seguinte maneira: Al(s) + Cu2+ (aq) Al3+ (aq) + Cu(s) Primeiramente, devemos determinar o Nox de cada espécie e suas variações da seguinte maneira: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 19 O Al perde 3 e– ΔNox = 3 O Cu2+ recebe 2 e– ΔNox = 2 A seguir devemos igualar o número de elétrons: 1 átomo de Al perde 3 e– 2 átomos de Al perdem 6 e– 1 íon de Cu2+ recebe 2 e– 3 íons de Cu2+ recebem 6 e– Esses números de átomos correspondem aos coeficientes dessas espécies; a partir deles determinamos os coeficientes das outras espécies, obtendo a equação balanceada: 2Al(s) + Cu2+ (aq) 2 Al3+ (aq) + 3 Cu(s) Exemplo 2: Quando uma solução aquosa de permanganato de potássio (KMnO4), de cor violeta, é tratada com ácido clorídrico (HCl), ela sofre uma descoloração, ou seja, torna-se incolor. A reação pode ser esquematizada da seguinte maneira: KMnO4 + HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O Primeiramente, determinamos a variação do Nox (ΔNox) de cada elemento: Todo o manganês (Mn) presente no KMnO4 sofreu redução, originando o MnCl2: O cloro contido no HCl da origem ao KCl, MnCl2 e Cl2. Entretanto, apenas uma parte dos seus átomos oxidou-se, originando o Cl2: Associando o ΔNox com a quantidade de Cl2 formada, observamos que cada elemento cloro que forma Cl2 perde 1 elétron; como são necessários 2 cloros para formar cada Cl2, nessa formação foram perdidos 2 elétrons. Assim, temos: -KMnO4 = ΔNox = 5; -Cl2 = 2 ΔNox = 2. Agora iremos determinar os coeficientes para cada espécie em que houve variação do Nox, sabendo que isso pode ser feito simplesmente atribuindo o ΔNox de uma espécie como coeficiente da outra espécie. Assim, temos: -KMnO4 = ΔNox = 5 ⇒ 5 será o coeficiente do Cl2; -Cl2 = 2 (ΔNox) = 2 ⇒ 2 será o coeficiente do KMnO4. Conhecendo os coeficientes do KMnO4 e do Cl2, podemos determinar os outros pelo método das tentativas, e teremos a equação balanceada: 2KMnO4 + 16HCl 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Velocidade da Equação Química A velocidade das reações químicas é alterada principalmente por variações na superfície de contato, na concentração dos reagentes, na temperatura e pelo uso de catalisadores. A velocidade das reações químicas é uma área estudada pela Cinética Química. Esse estudo é importante porque é possível encontrar meios de controlar o tempo de desenvolvimento das reações, tornando-as mais lentas ou mais rápidas, conforme a necessidade. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 20 Alguns dos fatores que interferem na velocidade das reações são: - Temperatura: um aumento na temperatura provoca um aumento na velocidade das reações químicas, sejam elas endotérmicas ou exotérmicas, pois isso faz com que se atinja mais rápido o complexo ativado; - Concentração: um aumento na concentração dos reagentes acelera a reação, pois haverá um maior número de partículas dos reagentes por unidade de volume, aumentando a probabilidade de ocorrerem colisões efetivas entre elas; - Pressão: Esse fator interfere unicamente em sistemas gasosos. O aumento da pressão aumenta também a rapidez da reação, pois deixa as partículas dos reagentes em maior contato; - Superfície de contato: Quanto maior a superfície de contato, maior a velocidade com que a reação se processa, pois, conforme explicado nos dois últimos itens, a reação depende do contato entre as substâncias reagentes; -Catalisador: O uso de catalisadores específicos para determinadas reações pode acelerá-las. Essas substâncias não participam da reação em si, pois são totalmente regeneradas ao final dela. Questões 01. O consumo de ácido sulfúrico pode ser utilizado como um indicador do desenvolvimento de um país. Industrialmente, esse ácido pode ser obtido a partir da pirita de ferro, que consiste basicamente em sulfeto ferroso (FeS). Classifique as equações de obtenção industrial do ácido sulfúrico mostradas a seguir: I. FeS + O2 → Fe + SO2 II. 2 SO2 + 2 O2 → 2 SO3 III. SO3 + H2O → H2SO4 (A) Dupla troca, síntese, síntese. (B) Dupla troca, análise, análise. (C) Síntese, simples troca, dupla troca. (D) Simples troca, análise, análise. (E) Simples troca, síntese, síntese. 02. (FURRN-adaptado/2015) No filme fotográfico, quando exposto à luz, ocorre a reação: 2 AgBr →2 Ag + Br2 Essa reação pode ser classificada como: (A) pirólise. (B) eletrólise. (C) fotólise. (D) síntese. (E) simples troca 03. (UFCE) 1. A equação: Al + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2 mostra que: (A) a reação não está balanceada. (B) há maior quantidade de átomos de alumínio nos produtos que nos reagentes. (C) os coeficientes que ajustam a equação são 2 , 3 , 1 e 3. (D) a massa dos reagentes não é igual à dos produtos. 04. Assinale a alternativa que corretamente completa a frase a seguir: “Reações de análise ou decomposição são aquelas em que um único reagente transforma-se em dois ou mais produtos, sendo que, algumas recebem nomes especiais: a reação de ____ ocorre mediante decomposição provocada pelo calor; reação de ______ocorre mediante decomposição provocada pela luz; e reação de ______ ocorre mediante decomposição provocada pela passagem da corrente elétrica.” (A) síntese – deslocamento – dupla troca (B) adição – simples troca – deslocamento (C) pirólise – eletrólise – fotólise (D) pirólise – fotólise – eletrólise (E) fotólise – pirólise – eletrólise Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 21 05. (UFRJ) A reação que representa a formação do cromato de chumbo II, que é um pigmento amarelo usado em tintas, é representada pela equação: Pb(CH3COO)2 + Na2CrO4 → PbCrO4 + 2 NaCH3COO Que é uma reação de: (A) oxirredução (B) dupla troca (C) síntese (D) deslocamento (E) decomposição 06.Dê nomes às reações (reação de síntese, decomposição, simples troca ou dupla troca), de acordo com os reagentes e produtos, justificando a resposta:a) Zn + Pb(NO3)2 → Zn(NO3)2 + Pb b) FeS + 2 HCl → FeCl2 + H2S c) 2 NaNO3 → 2 NaNO2 + O2 d) N2 + 3 H2 → 2 NH3 07. UFMS A desidratação do sulfato de cobre, CuSO4 .x H2O, por aquecimento, é um processo que ocorre em 4 etapas, como mostrado abaixo. I. sulfato de cobre trihidratado é obtido pela perda de duas moléculas de água; II. forma-se o composto monohidrato; III. obtenção do sulfato de cobre anidro, ou seja, “seco”; IV. o sal anidro, quando fortemente aquecido, se decompõe em óxido de cobre II e trióxido de enxofre, como segue: CuSO4 → CuO + SO3. É correto afirmar que: 01. O sulfato de cobre hidratado inicial tem fórmula CuSO4 . 5H2O; 02. A equação que melhor representa a etapa II é CuSO4 . 5H2O → CuSO4 . H2O + 2H2O; 04. Perdem-se quatro moléculas de água nas etapas I e II; 08. 1 mol de sulfato de cobre anidro pesa 159,5 g; 16. a equação total de desidratação para obtenção de sulfato de cobre anidro é CuSO4 . 5H2O → CuO + SO3; 32. a etapa IV representa uma reação de óxido-redução. Dê, como resposta, a soma das alternativas corretas. 08 Mackenzie-SP I. SO3 + H2O → H2SO4 II. H2 + 1 O2 → H2O Das sínteses expressas pelas equações acima, realizadas em condições adequadas, é INCORRETO afirmar que: (A) na reação I tanto os reagentes como o produto são substâncias compostas. (B) na síntese da água, o balanceamento da equação está incorreto. (C) na reação I forma-se um ácido. (D) a soma dos menores coeficientes inteiros do balanceamento na equação I é igual a 3. (E) na reação II os reagentes são substâncias simples. 09.I.E. Superior de Brasília-DF As nações mais desenvolvidas precisam dedicar mais atenção aos problemas daquelas menos favorecidas, em especial quanto às necessidades básicas das populações. A alimentação, por exemplo, é uma questão crítica em países como os da maioria do Continente Africano. Algumas providências simples têm efeito quase imediato na reversão do quadro de subnutrição humana. No Nordeste do Brasil, por exemplo, outra área crítica em termos nutricionais, experiências bem sucedidas têm sido levadas a cabo por abnegados voluntários no combate a esse grave problema. Uma das técnicas utilizadas consiste em introduzir um prego amarrado por um barbante nas panelas onde são cozidos alimentos pobres em ferro, como o arroz. Com isso, íons imprescindíveis ao organismo humano são acrescentados à alimentação dos cidadãos com menor poder aquisitivo. Utilizando o texto acima como referência e seus conhecimentos de Química, julgue os itens. ( ) Os íons citados são provenientes do metal ferro, principal constituinte do prego. ( ) O metal ferro que compõe o prego não pertence ao mesmo elemento químico do íon ferro. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 22 ( ) Para que o prego contribua com íons para o arroz é necessário que o metal ferrosofra oxidação. ( ) O ferro é um metal alcalino como o sódio. ( ) O ferro é um elemento encontrado em quantidades significativas no solo do bioma Cerrado. 10 Unifor-CE Considere algumas transformações que ocorrem no ambiente: I. Formação de dióxido de enxofre: S(s) + O2 (g)→ SO2(g) II. Interação da “chuva ácida” com mármore: 2H+ (aq) + CaCO3(s)→ CO2(g) + H2O(l) + Ca 2+(aq) III. Interação do monóxido de nitrogênio com ozônio (na estratosfera): NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g) Dos processos descritos, reconhece-se interação que envolve oxirredução em: (A) I, somente (B) II, somente (C) III, somente (D) I e III, somente (E) I, II e III Respostas 01. Resposta E. I. FeS + O2 → Fe + SO2 = reação de simples troca ou deslocamento (uma substância composta (FeS) reage com uma substância simples (O2) e produz uma nova substância simples (Fe) e uma nova substância composta (SO2) pelo deslocamento entre seus elementos). II. 2 SO2 + 2 O2 → 2 SO3 = reação de síntese ou adição (duas substâncias reagem e produzem uma única substância mais complexa). III. SO3 + H2O → H2SO4 = reação de síntese ou adição. 02. Resposta C. A fotólise é um tipo de reação de decomposição que ocorre na presença de luz. 03. Resposta Todas as alternativas estão corretas. a) A reação não está balanceada porque enquanto nos reagentes temos 1 Al, 1 S e 4 O, nos produtos temos 2 Al, 3 S e 12 O. b) Há maior quantidade de átomos de alumínio nos produtos (dois) que nos reagentes (um). c) Os coeficientes que ajustam a equação são 2 , 3 , 1 e 3: 2 Al + 3 H2SO4 → 1 Al2(SO4)3 + 3 H2 Agora sim temos a mesma quantidade de átomos de todos os elementos nos dois membros da equação. d) A massa dos reagentes não é igual à dos produtos. Só o fato de a equação não estar balanceada já nos indica isso. Mas para comprovar, temos que consultar a massa dos elementos na tabela periódica (Al = 27, H = 1, S = 32, O = 16). Assim, temos: Al + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2 27 g + (2 + 32 + 64) g = (54 + 32 + 192) + 2 125 g ≠ 280 g. 04. Resposta D. Pirólise, fotólise e eletrólise 05. Resposta B Dupla troca 06. Resposta a) A equação acima se refere a uma reação de simples troca (ou deslocamento): uma substância simples (Zn) reagiu com uma composta Pb(NO3)2 e originou uma nova substância simples (Pb) e outra composta Zn(NO3)2. b) Reação de dupla troca: duas substâncias compostas reagiram entre si originando duas novas substâncias compostas. c) Reação de decomposição (ou análise): uma única substância (NaNO3) originou dois produtos. d) Reação de síntese (ou adição): duas substâncias originaram um único produto (NH3). Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 23 07. Resposta 01 + 04 + 08 = 13 08. Resposta: B 09. Resposta: V – F – V – F – V 10 Resposta:C Leis Ponderais No final do século XVIII, os cientistas Antoine Laurent Lavoisier e Joseph Louis Proust, através de estudos experimentais, concluíram que as reações químicas obedecem a determinadas leis. Essas leis são chamadas de leis ponderais e relacionam as massas das substâncias, reagentes e produtos participantes de uma reação química. -Lei de Lavoisier: A primeira delas, a Lei da Conservação de Massas, ou Lei de Lavoisier é uma lei da química que muitos conhecem por uma célebre frase dita pelo cientista conhecido como o pai da química, Antoine Lavoisier: “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” Ao realizar vários experimentos, Lavoisier concluiu que: “Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos” Exemplo: Mercúrio metálico + oxigênio → óxido de mercúrio II 100,5 g 8,0 g 108,5 g -Lei de Proust O químico Joseph Louis Proust observou que em uma reação química a relação entre as massas das substâncias participantes é sempre constante. A Lei de Proust ou a Lei das proporções definidas diz que dois ou mais elementos ao se combinarem para formar substâncias, conservam entre si proporções definidas. Em resumo a lei de Proust pode ser resumida da seguinte maneira: "Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa". Exemplo: A massa de uma molécula de água é 18g e é resultado da soma das massas atômicas do hidrogênio e do oxigênio. H2 – massa atômica = 1 → 2 x 1 = 2g O – massa atômica = 16 → 1 x 16 = 16g Reagente s Produto Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 24 Então 18g de água tem sempre 16g de oxigênio e 2g de hidrogênio. A molécula água está na proporção 1:8. mH2 = 2g = 1 ____ ___ _ m O 16g 8 -Lei de Dalton Em 1808, John Dalton propôs uma teoria para explicar essas leis ponderais, denominada teoria atômica, criando o primeiro modelo atômico científico, em que o átomo seria maciço e indivisível. A teoria proposta por ele pode ser resumida da seguinte maneira: 1. Tudo que existe na natureza é formadopor pequenas partículas microscópicas denominadas átomos; 2. Estas partículas, os átomos, são indivisíveis (não é possível seccionar um átomo) e indestrutíveis (não se consegue destruir mecanicamente um átomo); 3. O número de tipos de átomos (respectivos a cada elemento) diferentes possíveis é pequeno; 4. Átomos de elementos iguais sempre apresentam características iguais, bem como átomos de elementos diferentes apresentam características diferentes. Sendo que, ao combiná-los, em proporções definidas, definimos toda a matéria existente no universo; 5. Os átomos assemelham-se a esferas maciças que se dispõem através de empilhamento; 6. Durante as reações químicas, os átomos permaneciam inalterados. Apenas configuram outro arranjo. Ao mesmo tempo da publicação dos trabalhos de Dalton foi desenvolvido o estudo sobre a natureza elétrica da matéria, feita no início do século XIX pelo físico italiano Volta, que criou a primeira pilha elétrica. Isso permitiu a Humphry Davy descobrir dois novos elementos químicos: o potássio (K) e o sódio (Na). A partir disso, os trabalhos a respeito da eletricidade foram intensificados. Em meados de 1874, Stoney admitiu que a eletricidade estava intimamente associada aos átomos em que quantidades discretas e, em 1891, deu o nome de elétron para a unidade de carga elétrica negativa. A descoberta do elétron Em meados do ano de 1854, Heinrich Geissler desenvolveu um tubo de descarga que era formado por um vidro largo, fechado e que possuía eletrodos circulares em suas pontas. Ele notou que quando se produzia uma descarga elétrica no interior do tubo de vidro, utilizando um gás que estivesse sob baixa pressão, a descarga deixava de ser barulhenta, e no tubo uma cor aparecia –que iria depender do gás, de sua pressão e da voltagem a ele aplicada–. Um exemplo dessa experiência é o tubo luminoso de neon que normalmente se usa em estabelecimentos como placa. Já em 1875, William Crookes se utilizou de gases bastante rarefeitos, ou seja, que estavam em pressões muito baixas, e os colocou em ampolas de vidro. A eles depositou voltagens altíssimas e assim, emissões denominadas raios catódicos surgiram. Isso porque esses raios sempre se desviam na direção e sentido da placa positiva, quando são submetidos a um campo elétrico externo e uniforme, o que prova que os raios catódicos são de natureza negativa. Esse desvio ocorre sempre da mesma maneira, seja lá qual for o gás que se encontra no interior da ampola. Isso fez os cientistas imaginarem que os raios catódicos seriam formados por minúsculas partículas negativas, e que estas existem em toda e qualquer matéria. A tais partículas deu-se o nome de elétrons. Assim, pela primeira vez na história, constatava-se a existência de uma partícula subatômica, o elétron. Modelo atômico de Thomson No final do século XIX, Thomson, utilizando uma aparelhagem semelhante, demonstrou que esses raios poderiam ser considerados como um feixe de partículas carregados negativamente, uma vez que que eram atraídos pelo polo positivo de um campo elétrico externo e independiam do gás contido no tubo. Thomson concluiu que essas partículas negativas deveriam fazer parte dos átomos componentes da matéria, sendo denominados elétrons. Após isto, propôs um novo modelo científico para o átomo. Para Thomson, o átomo era uma esfera de carga elétrica positiva “recheada” de elétrons de carga negativa. As Leis de Lavoisier e de Proust são chamadas de Leis Ponderais porque estão relacionadas à massa dos elementos químicos nas reações químicas. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 25 Esse modelo ficou conhecido como “pudim de passas”. Este modelo derruba a ideia de que o átomo é indivisível e introduz a natureza elétrica da matéria. A descoberta do próton Em 1886, Goldstein, físico alemão, provocando descargas elétricas num tubo a pressão reduzida (10 mmHg) e usando um cátodo perfurado, observou a formação de um feixe luminoso (raios canais) no sentido oposto aos raios catódicos e determinou que esses raios era constituídos por partículas positivas Os raios canais variam em função do gás contido no tubo. Quando o gás era hidrogênio, obtinham-se os raios com partículas de menor massa, as quais foram consideradas as partículas fundamentais, com carga positiva, e denominadas próton pelo seu descobridor, Rutherford, em 1904. A descoberta da radioatividade Wilhelm Conrad Röntgen foi um físico alemão que, em 8 de novembro de 1895, realizando experimentos em que utilizava gases altamente rarefeitos em uma ampola de Crookes, descobriu acidentalmente que, a partir da parte externa do tubo, eram emitidos raios que conseguiam sensibilizar chapas fotográficas. Ele chamou esses raios de raios X. Isso possibilitou que, em 1886, Becquerel descobrisse a radioatividade e a descoberta do primeiro elemento capaz de emitir radiações semelhantes ao raio X: o urânio. Logo a seguir o casal Curie descobriu dois outros elementos radioativos: o polônio e o rádio. Com a finalidade de estudar as radiações emitidas pelos elementos radioativos, foram realizados vários tipos de experimentos, dentre os quais o mais conhecido é o representado a seguir, em que as radiações são submetidas a um campo eletromagnético externo. A experiência de Rutherford Em meados do século de XX, dentre as inúmeras experiências realizadas por Ernest Rutherford e seus colaboradores, uma ganhou destaque, uma vez que mostrou que o modelo proposto por Thomson era incorreto. A experiência consistiu em bombardear uma fina folha de ouro com partículas positivas e pesadas, chamada de α, emitidas por um elemento radioativo chamado polônio. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 26 Rutherford observou que: a) grande parte das partículas α passaram pela folha de ouro sem sofrer desvios (A) e sem altera a sua superfície; b) algumas partículas α desviaram (B) com determinados ângulos de desvios; c) poucas partículas não atravessaram a folha de ouro e voltaram (C). O modelo de Rutherford A experiência da “folha de ouro” realizada pelo neozelandês Ernest Rutherford foi o marco decisivo para o surgimento de um novo modelo atômico, mais satisfatório, que explicava de forma mais clara uma série de eventos observados: O átomo deve ser constituído por duas regiões: a) Um núcleo, pequeno, positivo e possuidor de praticamente toda a massa do átomo; b) Uma região positiva, praticamente sem massa, que envolveria o núcleo. A essa região se deu o nome de eletrosfera. Para que fique mais claro, vamos agora relacionar o modelo de Rutherford com as conclusões encontrados em sua experiência. Observações Conclusões Grande parte das partículas alfa atravessa a lâmina sem desviar o curso. Boa parte do átomo é vazio. No espaço vazio (eletrosfera) provavelmente estão localizados os elétrons. Poucas partículas alfa (1 em 20000) não atravessam a lâmina e voltavam. Deve existir no átomo uma pequena região onde está concentrada sua massa (o núcleo). Algumas partículas alfa sofriam desvios de trajetória ao atravessar a lâmina. O núcleo do átomo deve ser positivo, o que provoca uma repulsão nas partículas alfa (positivas). Em resumo: o modelo de Rutherford representa o átomo consistindo em um pequeno núcleo rodeado por um grande volume no qual os elétrons estão distribuídos. O núcleo carrega toda a carga positiva e a maior parte da massa do átomo. Devido ao modelo atômico de Thomson não ser normalmente usados para interpretar os resultados dos experimentos de Rutherford, Geiger e Marsden, o modelo de Rutherford logo o substituiu. De fato, isto é a base para o conceito do átomo. Partículas alfa Núcleo do átomo Átomo de Ouro Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 27 O átomo moderno Quando Rutherford realizou seu experimento com um feixe de partículasalfa, e propôs um novo modelo para o átomo, houve algumas controvérsias. Entre elas era que o átomo teria um núcleo composto de partículas positivas denominadas prótons. No entanto, Rutherford concluiu que, embora os prótons contivessem toda a carga do núcleo, eles sozinhos não podem compor sua massa. O problema da massa extra foi resolvido quando, em 1932, o físico inglês J. Chadwick descobriu uma partícula que tinha aproximadamente a mesma massa de um próton, mas não era carregada eletricamente. Por ser a partícula eletricamente neutra, Chadwick a denominou de nêutron. Hoje, acreditamos que, com uma exceção, o núcleo de muitos átomos contém ambas as partículas: prótons e nêutrons, chamados núcleons. (A exceção é o núcleo de muitos isótopos comuns de hidrogênio que contém um próton e nenhum nêutron.) Como mencionamos, é geralmente conveniente designar cargas em partículas em termos de carga em um elétron. De acordo com esta convenção, um próton tem uma carga de +1, um elétron de -1, e um nêutron de 0. Em resumo, podemos então descrever um átomo como apresentando um núcleo central, que é pequeníssimo, mas que contém a maior parte da massa do átomo e é circundado por uma enorme região extra nuclear contendo elétrons (carga -1). O núcleo contém prótons (carga +1) e nêutrons (carga 0). O átomo como um todo não tem carga devido ao número de prótons ser igual ao número de elétrons. A soma das massas dos elétrons em um átomo é praticamente desprezível em comparação com a massa dos prótons e nêutrons. Número atômico e número de massa Um átomo individual (ou seu núcleo) é geralmente identificado especificando dois números inteiros: o número atômico Z e o número de massa A. O número atômico (Z) é o número de prótons no núcleo. Como um átomo é um sistema eletricamente nêutron, se conhecermos o seu número atômico, teremos então duas informações: o número de prótons e o número de elétrons. O número de massa A é o número total de núcleons (prótons mais nêutrons) no núcleo. Número de prótons= número de elétrons Número de massa= número de prótons + número de nêutrons Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 28 Pode-se ver destas definições que o número de nêutrons no núcleo é igual a A - Z. Um átomo específico é identificado pelo símbolo do elemento com número atômico Z como um índice inferior e o número de massa como um índice superior. Assim, Indica um átomo do elemento X com o número atômico Z e número de massa A. Por exemplo: Refere-se a um átomo de oxigênio comum número atômico 8 e um número de massa 16. Todos os átomos de um dado elemento têm o mesmo número atômico, porque todos têm o mesmo número de prótons no núcleo. Por esta razão, o índice inferior representando o número atômico é algumas vezes omitido na identificação de um átomo individual. Por exemplo, em vez de escrever 16O8, é suficiente escrever 16O, para representar um átomo de oxigênio -l6. Íons Os átomos podem perder ou ganhar elétrons, originando novos sistemas, carregados eletricamente: os íons. Nos íons, o número de prótons é diferente do número de elétrons. Os átomos, ao ganharem elétrons, originam íons negativos, ou ânions, e, ao perderem elétrons, originam íons positivos, os cátions. Cátions (íons positivos) Em um cátions, o número de prótons é SEMPRE maior do que o número de elétrons. Veja abaixo um exemplo de cátion: -Cl (Z=17) Número de prótons: 17 carga:: +17 Número de elétrons: 17 carga: -17 Carga elétrica total: +16-16= 0 -Cl+ ( Z=17) Número de prótons: 17 carga: +17 Número de elétrons: 16 carga: -16 Carga elétrica total: +17 -16= +1 Ânions (íons negativos) Em um ânion, o número de prótons é menor do que o número de elétrons. Vamos agora relacionar o átomo de enxofre (S) com seu ânion bivalente (S2-). -S (Z=16) Número de prótons: 16 carga: +16 Número de elétrons: 16 carga: -16 Carga elétrica total: +16 -16 =0 -S (Z=16) Número de prótons: 16 carga: +16 Número de elétrons: 19 carga: -18 Carga elétrica total: +16 -18 = -2 ÍONS: Número de prótons ≠ Número de elétrons Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 29 O elemento químico Um elemento químico é definido como sendo o conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z). A cada elemento químico atribui-se um nome; a cada nome corresponde um símbolo e, consequentemente, a cada símbolo corresponde um número atômico. Elemento químico Símbolo Número atômico Hidrogênio H 1 Oxigênio O 8 Cálcio Ca 20 Cobre Cu 29 Prata Ag 47 Platina Pt 78 Mercúrio Hg 80 Relações atômicas -Isótopos: Átomos de um dado elemento podem ter diferentes números de massa e, portanto, massas diferentes porque eles podem ter diferentes números de nêutrons em seu núcleo. Como mencionado, tais átomos são chamados isótopos. Exemplo: considere os três isótopos de oxigênio de ocorrência natural: 16O8, 17O8 e 18O8; cada um destes tem 8 prótons no seu núcleo. (Isto é o que faz com que seja um átomo de oxigênio.). Átomos Prótons Nêutrons Elétrons H1 1 1 0 1 H1 2 1 1 1 H1 3 1 2 1 08 16 8 8 8 08 17 8 9 8 08 18 8 10 8 U92 234 92 142 92 U92 235 92 143 92 U92 238 92 146 92 Cada isótopo também apresenta (A - Z) nêutrons, ou 8, 9 e 10 nêutrons, respectivamente. Devido aos isótopos de um elemento apresentar diferentes números de nêutrons, eles têm diferentes massas. -Isóbaros: São átomos de diferentes números de próton, mas que possuem o mesmo número de massa (A). Assim, são átomos de elementos químicos diferentes, mas que têm mesma massa, já que um maior número de prótons será compensado por um menor número de nêutrons, e assim por diante. Desse modo, terão propriedades físicas e químicas diferentes. -Isótonos: São átomos de diferentes números de prótons e de massa, mas que possuem mesmo número de nêutrons. Ou seja, são elementos diferentes, com propriedades físicas e químicas diferentes. Questões 01. (FUVEST) O átomo constituído de 17 prótons, 18 nêutrons e 17 elétrons, possui número atômico e número de massa igual a: (A) 17 e 17 (B) 17 e 18 (C) 18 e 17 (D) 17 e 35 (E) 35 e 17 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 30 02. (PUC-SP). A notação Fe26 56 indica: (A) 26 átomos de ferro de número de massa 56. (B) 26 átomos grama de ferro de número de massa 56. (C) Um isóbaro de ferro de número de massa 56. (D) Um isótono de ferro de número de massa 56. (E) Isótopo de ferro de número de massa 56. 03. Um átomo de número atômico Z e número de massa A: (A) tem A nêutrons. (B) tem A elétrons. (C) tem Z prótons. (D) tem A – Z nêutrons. (E) tem Z elétrons. 04. (MACK) Indique a alternativa que completa corretamente as lacunas do seguinte período: “Um elemento químico é representado pelo seu ___________ , é identificado pelo número de __________ e pode apresentar diferente número de __________ .” (A) nome – prótons – nêutrons. (B) nome – elétrons – nêutrons. (C) símbolo – elétrons – nêutrons. (D) símbolo – prótons – nêutrons. (E) símbolo – – elétrons – nêutron 05. (PUC-PR) Dados os átomos de 238U92 e 210Bi83, o número total de partículas (prótons, elétrons e nêutrons) existentes na somatória será: (A) 641 (B) 528 (C) 623 (D) 465 (E) 496 06. No fim do século XIX começaram a aparecer evidências de que o átomo não era a menor partícula constituinte da matéria. Em 1897 tornou-se pública a demonstração da existência de partículas negativas, por um inglês de nome: (A) Dalton; (B) Rutherford; (C) Bohr; (D) Thomson; (E) Proust 07. Com relação à estrutura do átomo, assinalar a alternativa correta: (A) o átomo é maciço (B) a massa do átomo está fundamentalmente concentrada no seu núcleo (C) no núcleo encontram-se prótons e elétrons (D) a massa do elétron é igual à massa do próton (E) átomos deum mesmo elemento químico são todos iguais 08 (UFU-MG). O átomo é a menor partícula que identifica um elemento químico. Ele possui duas partes, a saber: uma delas é o núcleo, constituído por prótons e nêutrons, e a outra é a região externa – a eletrosfera-, por onde circulam os elétrons. Alguns experimentos permitiram a descoberta das características das partículas constituintes do átomo. Em relação a essas características, indique a alternativa correta. (A) prótons e elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas de sinais opostos. (B) entre as partículas atômicas, os elétrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. (C) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. (D) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm mais massa, mas ocupam um volume muito pequeno em relação ao volume total do átomo. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 31 09. (UFRJ). Alguns estudantes de Química, avaliando seus conhecimentos relativos a conceitos básicos para o estudo do átomo, analisam as seguintes afirmativas: I. Átomos isótopos são aqueles que possuem mesmo número atômico e números de massa diferentes. II. O número atômico de um elemento corresponde à soma do número de prótons com o de nêutrons. III. O número de massa de um átomo, em particular, é a soma do número de prótons com o de elétrons. IV. Átomos isóbaros são aqueles que possuem números atômicos diferentes e mesmo número de massa. V. Átomos isótonos são aqueles que apresentam números atômicos diferentes, número de massas diferentes e mesmo número de nêutrons. Esses estudantes concluem, corretamente, que as afirmativas verdadeiras são as indicadas por: (A) I, III e V (B) I, IV e V (C) II e III (D) II, III e V (E) II e V 10. (UFCE). Na tentativa de montar o intrincado quebra-cabeça da evolução humana, pesquisadores têm utilizado relações que envolvem elementos de mesmo número atômico e diferentes números de massa para fazer a datação de fósseis originados em sítios arqueológicos. Quanto a esses elementos, é correto afirmar que são: (A) isóbaros (B) isótonos (C) isótopos (D) alótropos (E) isômeros Respostas 01. Resposta D. O número de prótons é igual ao número atômico, portanto, o número atômico desde átomo é 17. O número de massa corresponde a soma do número de prótons mais o número de nêutrons, portanto o este número (17+18) é 35. 02. Resposta A. 26: representa o número atômico do Ferro 56: Representa o número de massa, isto é prótons (26) + neutros (30). 03. Resposta D. O número de nêutrons e calculado através da subtração entre o número de massa (A) e o número atômico (Z), portanto, o número de nêutrons é A - Z. 04. Resposta D. 05. Resposta C Vamos calcular primeiro o número de nêutrons para os dois elementos, usando a fórmula n = A – Z 238U92: 238 -92 = 146 210Bi83: 210 – 83 = 127 Soma dos nêutrons: 146 + 127 = 273 De acordo com a fórmula P = Z = e temos: -Soma dos prótons: 175; -Soma dos elétrons: 175; -Soma total (de prótons, elétrons e nêutrons) para os dois elementos será = 623. 06. Resposta D. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 32 07. Resposta B A massa do átomo (A) é constituída por prótons e neutros e está concentrada no núcleo do átomo. 08. Resposta D a) (INCORRETA), prótons e elétrons NÃO possuem massas iguais. b) (INCORRETA), entre as partículas atômicas, os elétrons NÃO têm maior massa e NÃO ocupam maior volume no átomo. c) (INCORRETA), entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa, mas NÃO ocupam maior volume no átomo. 09. Resposta B. II. (INCORRETA) O número atômico de um elemento corresponde ao número de prótons. III. (INCORRETA) O número de massa de um átomo é resultante da soma do número de prótons e nêutrons, dado pela fórmula A = p + n . 10. Resposta C. a) (INCORRETA), isóbaros possuem o mesmo número de massa (A), mas se diferem na numeração atômica (Z). b) (INCORRETA), isótonos são átomos com número de nêutrons (n) iguais que se diferem pelo número atômico (Z) e de massa (A). d) (INCORRETA), alótropos se diferem pelo arranjo geométrico. e) (INCORRETA), isômeros possuem partículas atômicas idênticas, mas se diferem no arranjo molecular. Estudo dos Gases O estudo do comportamento dos gases deve ser feito sempre a partir de suas três variáveis de estado: pressão, temperatura e volume. Equação geral dos gases Todo gás é constituído de partículas (moléculas) que estão em contínuo movimento desordenado. Esse movimento de um grande número de moléculas provoca colisões entre elas e, por isso, sua trajetória não é retilínea num espaço apreciável, mas sim caminham em ziguezague. Essas colisões podem ser consideradas perfeitamente elásticas. O estado em que se apresenta um gás, sob o ponto de vista microscópico, é caracterizado por três variáveis: pressão, volume e temperatura. São denominadas variáveis de estado. I. Volume O volume de qualquer substância é o espaço ocupado por esta substância. No caso dos gases, o volume de uma dada amostra é igual ao volume do recipiente que a contém. As unidades usuais de volume são: litro (L), mililitro (ml), metro cúbico (m3), decímetro cúbico (dm3) e centímetro cúbico (cm3). II. Temperatura É a medida do grau de agitação térmica das partículas que constituem uma substância. No estudo dos gases, é utilizada a escala absoluta ou Kelvin (K) e, no Brasil, a escala usual é a Celsius ou centígrado (°C). Portanto, para transformar graus Celsius (t) em Kelvin, temos: III. Pressão A pressão é definida como força por unidade de área. No estado gasoso, a pressão é o resultado do choque de suas moléculas contra as paredes do recipiente que as contém. A medida da pressão de um T = t + 273 Ct+273 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 33 gás é feita através de um aparelho chamado manômetro. O manômetro é utilizado na medida da pressão dos gases, dentro de recipientes fechados. Leis Físicas dos Gases Uma dada massa de gás sofre uma transformação quando ocorrem variações nas suas variáveis de estado. Começamos o estudo modificando-se apenas duas das grandezas e a outra se mantém constante. Lei de Boyle-Mariotte “À temperatura constante, uma determinada massa de gás ocupa um volume inversamente proporcional à pressão exercida sobre ele”. Esta transformação gasosa, onde a temperatura é mantida constante, é chamada de transformação isotérmica. Experiência da Lei de Boyle-Mariotte A lei de Boyle-Mariotte pode ser representada por um gráfico pressão-volume. Neste gráfico, as abscissas representam a pressão de um gás, e as ordenadas, o volume ocupado. A curva obtida é uma hipérbole, cuja equação representativa é PV = constante. Portanto, podemos representar: Lei de Charles/Gay-Lussac “À pressão constante, o volume ocupado por uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta." Esta transformação gasosa, onde a pressão é mantida constante, é chamada de transformação isobárica. As relações entre volume e temperatura podem ser representadas pelo esquema: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 34 Graficamente, encontramos: A reta obtida é representada pela equação: V = (constante) · T ou V/T = constante Com isso, ficamos com: Lei de Charles/Gay-Lussac “A volume constante, a pressão exercida por uma determinada massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.” Esta transformação gasosa, onde o volume é mantido constante, é denominada de transformação isocórica, isométrica ou isovolumétrica. As relações entre pressão e temperatura são representadas a seguir: Graficamente, encontramos: Apostila gerada especialmente para: WalterMello Mazzini 054.594.089-38 35 A reta obtida é representada pela equação: P = (constante) · T ou P/T = constante Com isso, ficamos com: Gás Perfeito ou Ideal Obedece rigorosamente às Leis Físicas dos Gases em quaisquer condições de temperatura e pressão. Gás Real Não segue o comportamento do gás ideal, principalmente em pressões muito altas e/ou em temperaturas baixas, porque ocorre alta redução de volume e as partículas, muito próximas, passam a interferir umas no movimento das outras. Um gás real aproxima-se do comportamento de um gás ideal à medida que diminui a pressão e aumenta a temperatura. Equação Geral dos Gases Esta equação é utilizada quando ocorre transformação gasosa em que as três variáveis de estado (P, V e T) se modificam simultaneamente. Ela é obtida por meio da relação matemática entre as transformações gasosas estudadas anteriormente. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 36 Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP, CN ou TPN) São definidas como condições normais de temperatura e pressão quando o gás é submetido a uma pressão de 1 atm e à temperatura de 0 °C. Portanto, podemos colocar: P = 1 atm = 760 mmHg T = 0 °C = 273 K Lei de Avogadro Sendo n a quantidade em mols de cada gás, podemos concluir que: Determinou-se experimentalmente o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás nas CNTP e foi encontrado o valor aproximadamente igual a 22,4 L. Portanto, podemos dizer que: Equação de Clapeyron As leis de Boyle e Charles/Gay-Lussac podem ser combinadas com a lei de Avogadro para relacionar volume, pressão, temperatura e quantidade em mols de um gás. Tal relação é chamada de equação de estado de um gás. Ela pode ser encontrada das seguintes formas: Lei de Boyle-Mariotte V é proporcional a quando T e n são constantes. Lei de Charles/Gay-Lussac V é proporcional a T onde P e n são constantes. P é proporcional a T onde V e n são constantes. Lei de Avogadro “Volumes iguais de gases quaisquer, à mesma temperatura e pressão, encerram o mesmo número de moléculas” Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 37 V é proporcional a n quando T e P são constantes. Agrupando as quatro expressões encontramos: V é proporcional a · (T) · (n) ou V = R · · (T) · (n), onde R representa a constante de proporcionalidade e é chamada de constante universal dos gases. A equação de estado pode então ser representada por: 𝑷. 𝑽 = 𝒏. 𝑹. 𝑻 Esta equação também é denominada de equação de Clapeyron, em homenagem ao físico francês que a determinou. A constante R pode assumir dois valores distintos, de acordo com a unidade de pressão utilizada, dentre os quais temos: 6Misturas gasosas As misturas gasosas são muito comuns no cotidiano. É possível descobrir sua pressão e volume total através das pressões e volumes parciais dos gases componentes da mistura. Estamos cercados mais por misturas de gases do que por gases isolados. O ar que respiramos é um exemplo de mistura de vários gases, sendo que os principais são o nitrogênio (N2), que corresponde a cerca de 80% do ar; e o oxigênio (O2), que é quase 20%. Visto que são tão presentes em nosso cotidiano, é necessário analisar duas grandezas importantes quando se trata de misturas gasosas, que são: pressão parcial e volume parcial. A seguir, ambos serão explicados: 1. Pressão parcial dos gases: A pressão parcial de um gás é a pressão que ele exerceria se estivesse sozinho, nas mesmas condições de temperatura e volume da mistura. Segundo Dalton, a soma das pressões parciais dos gases que formam a mistura resulta na pressão total (p) da mistura. Por exemplo, se a pressão do ar for de 1,0 atm, a pressão parcial do N2 será de 0,8 (80% da pressão total) e a pressão parcial de O2 será igual a 0,2 % (20% da pressão total da mistura). Essa Lei de Dalton é mostrada também pela fração em quantidade de matéria (X). Essa fração no caso do nitrogênio é dada por 0,8 mol. 1,0 mol PN2= p . XN2 PN2= 1,0 atm . 0,8 = 0,8 atm. Pode-se também calcular cada pressão parcial por meio da equação de estado dos gases: Equação de estado dos gases: PV = nRT 2. Volume parcial dos gases: Similarmente à pressão parcial, o volume parcial corresponde ao volume que um gás ocupa nas condições de temperatura e pressão da mistura. A Lei de Amagat diz que a soma dos volumes parciais é igual ao volume total, assim como o caso da pressão visto anteriormente. Por isso, usamos a equação de estado dos gases, com a única diferença que agora se coloca o volume parcial do gás e não a pressão: P. VN2= nN2 . RT 6 http://www.brasilescola.com/ Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 38 Também é possível calcular o volume parcial de cada gás componente da mistura por meio da fração em quantidade de matéria. Teoria cinética dos gases São considerados primitivos os conceitos de sólido, liquido e gás. Assim, uma rocha é um solido, a água que escorre da torneira é um liquido e o ar que respiramos é um gás. Mas o fato dos gases apresentarem propriedades extremamente distintas dos sólidos e líquidos chamou a atenção de inúmeros cientistas em meados do século XVIII, que passaram, então, a estudar esse estado físico da matéria. Algumas das propriedades que esses cientistas estudaram são: “Um gás não tem volume próprio” O volume de um gás corresponde ao volume do recipiente onde ele está inserido. Se colocarmos 1Kg de ar em um recipiente de 100L, o volume será de 100L , mas se colocarmos 1Kg de ar em um volume de 200L , o volume do gás será de 200L. “Um gás não tem forma própria” O gás assume a forma do recipiente onde está inserido. Nesse aspecto, os gases são semelhantes aos líquidos, que também não apresentam forma própria. Entretanto, os sólidos independem da forma do ambiente onde está inserido, isto é, os sólidos apresentam forma própria. “Os gases apresentam grande compressibilidade e expansibilidade” Assim, ao dobrarmos a pressão exercida sobre um gás, o seu volume diminui pela metade (compressibilidade); por outro lado, ao reduzirmos a pressão exercida pela metade, seu volume tende a dobrar (expansibilidade). “A liquefação e a vaporização são acompanhadas por uma elevada variação no volume” Entretanto, a fusão de um sólido e a solidificação de um líquido são acompanhadas por pequenas variações de volume. Resumindo: Gás Líquido Sólido Volume Variável (volume do recipiente onde está contido) Próprio Próprio Forma Variável (forma do recipiente onde está contido) Variável (forma de recipiente onde está contido) Próprio Compressibilidade e Expansibilidade Grande Muito pequena Muito pequena Variação de volume nas mudanças de estado físico Gás Líquido Líquido Sólido Gás Sólido Para explicar essas e outras propriedades dos gases foi criado um modelo gasoso, que constitui a chamada teoria cinética dos gases. A teoria cinética dos gases se baseia em quatro postulados: 1 – o gás é formado por moléculas que se encontram em movimento desordenado e permanente. Cada molécula pode ter velocidade diferente das demais. 2 – cada molécula do gás interage com as outras somente por meio de colisões (forças normais de contato). A única energia das moléculas é a energia cinética. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 39 3 – todas as colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente que contém o gás são perfeitamente elásticas. A energia cinética total se conserva, mas a velocidade de cada molécula pode mudar. 4 – as moléculas são infinitamente pequenas. A maior parte do volume ocupado por um gás é espaço vazio. Partindo desses postulados, Boltzmanne Maxwell mostram que a energia cinética média do total de moléculas de um gás ideal é proporcional à temperatura conforme a expressão: Onde k é a constante de Boltzmann e N é o número de moléculas. O valor de k pode ser calculado a partir da constante dos gases R e do número de Avogadro NA por: A expressão obtida mostra que a temperatura é proporcional à energia cinética média das moléculas de um gás ideal. Assim, vemos que a temperatura é uma média do grau de agitação das moléculas de um gás. Usando o número de mols, temos: Questões 01. (FUVEST – SP) Um recipiente indeformável, hermeticamente fechado, contém 10 litros de um gás perfeito a 30ºC, suportando a pressão de 2 atmosferas. A temperatura do gás é aumentada até atingir 60º C. A) Calcule a pressão final do gás. B) Esboce o gráfico pressão versus temperatura da transformação descrita. 02. (FAAP – SP) A 27º C, um gás ideal ocupa 500 cm3. Que volume ocupará a -73º C, sendo a transformação isobárica? 03. (UNIMEP – SP) 15 litros de uma determinada massa gasosa encontram-se a uma pressão de 8,0 atm e à temperatura de 30º C. Ao sofrer uma expansão isotérmica, seu volume passa a 20 litros. Qual será a nova pressão do gás? 04. O nitrogênio é considerado um gás ideal quando está em condições normais de temperatura e pressão. Dada uma massa igual a 2 Kg/m³, determine a massa de 10 litros de nitrogênio à pressão de 700 mmHg e à 40 °C. 05. O estado de um gás perfeito é caracterizado pelas variáveis de estado. Quais são elas? Quais suas definições? 06. (F.M. Itajubá - MG) O comportamento de um gás real aproxima-se do de um gás ideal quando: A) submetido a baixas temperaturas. B) submetido a baixas temperaturas e baixas pressões. C) submetido a altas temperaturas e altas pressões. D) submetido a altas temperaturas e baixas pressões. E) submetido a baixas temperaturas e altas pressões. 07. (UF-AC). Qual deve ser a temperatura de certa quantidade de um gás ideal, inicialmente a 200 K, para que tanto o volume quanto a pressão dupliquem? Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 40 A) 1200 K B) 2400 K C) 400 K D) 800 K E) n.d.a 08. (UNB) Os microprocessadores atuais são muito pequenos e substituíram enormes placas contendo inúmeras válvulas. Eles são organizados de forma que apresentem determinadas respostas ao serem percorridos por um impulso elétrico. Só é possível a construção de dispositivos tão pequenos devido ao diminuto tamanho dos átomos. Sendo estes muito pequenos, é impossível contá-los. A constante de Avogadro - e não o número de Avogadro - permite que se calcule o número de entidades - átomos, moléculas, formas unitárias, etc. - presentes em uma dada amostra de substância. O valor dessa constante, medido experimentalmente, é igual a 6,02.X1023 mol-1. Com relação ao assunto, julgue os seguintes itens. (01) A constante de Avogadro é uma grandeza, sendo, portanto, um número (6,02 . 1023) multiplicado por uma unidade de medida (mol-1). (02) A constante de Avogadro, por ser uma grandeza determinada experimentalmente, pode ter seu valor alterado em função do avanço tecnológico. (03) Massas iguais de diferentes elementos químicos contêm o mesmo número de átomos. (04) Entre os elementos químicos, o único que, em princípio, não está sujeito a uma variação de massa atômica é o isótopo do carbono de massa 12,00 u 09. Sabendo que a massa atômica do magnésio é igual a 24 u, determine a massa, em gramas, de um átomo desse elemento. (Dado: Número de Avogadro = 6,0 . 1023). (A) 24 g. (B) 4,0 g. (C) 24 . 10-23 g. (D) 4,0 . 1023 g. (E) 4,0 . 10-23 g. 10. Uma dada massa de gás perfeito está em um recipiente de volume 8,0 litros, a temperatura de 7,0oC, exercendo a pressão de 4,0 atm. Reduzindo-se o volume a 6,0 litros e aquecendo-se o gás, a sua pressão passou a ser de10 atm. Determine a que temperatura o gás foi aquecido. Respostas 01. Resposta: A: Considerando-se que o volume do gás é constante, temos que a transformação é isocórica. Assim, P1 = 2atm P2= ? T1 = 30ºC (passar para Kelvin) = 273 + 30 = 303 K T2 = 60ºC (passar para Kelvin) = 273 + 60 = 333 K Substituindo os valores fornecidos pelo problema na equação da transformação isocórica, temos: P1/T1 = P2/T2 2/303 = P2/333 P2 = 2,2 atm Assim, podemos concluir que a pressão e a temperatura são grandezas diretamente proporcionais. Letra B) A partir da resolução do item anterior, podemos esboçar o gráfico da pressão em função da temperatura (pressão x temperatura). Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 41 02. Resolução Sabe-se que: T1 = 27ºC = 300 K T2 = -73ºC = 200 K V1 = 500 cm3 V2 = ? Da transformação isobárica temos que: V1/T1 = V2/T2 500/300 = V2/200 V2 = 333,33 cm3 V2 = 3,33x 10-4 m3 Podemos concluir que, para a transformação isobárica, o volume e a temperatura são diretamente proporcionais. 03. Resolução Do enunciado temos: V1 = 15 litros V2 = 20 litros P1 = 8,0 atm P2 = ? T = 30º C = 303 K (TEMPERATURA CONSTANTE) Utilizando a equação da transformação isotérmica, temos: P1V1 = P2V2 8x15 = P2x20 P2 = 6 atm De acordo com a transformação isotérmica, a pressão e o volume, em uma transformação gasosa, são grandezas inversamente proporcionais. Obs.: Para a solução de problemas envolvendo as transformações gasosas devemos utilizar SEMPRE a temperatura na escala absoluta (Kelvin). 04. Resolução Dados: P1= 760 mmHg T1: 273 K µ= 2Kg/ m³ Dados: T2= 40º C= 313 K V2= 10L P2= 700 mmHg Calculando V1 do nitrogênio: 𝑃1 . 𝑉1 𝑇1 = 𝑃2 . 𝑉2 𝑇2 760. 𝑉1 273 = 700. 10 313 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 42 V1= 8L Calculando a massa específica do nitrogênio: µ = 𝑚 𝑉 2 = 𝑚 0,008 M=0,016 Kg 05. Resolução As variáveis de estado são três: volume, temperatura e pressão. Volume: é o volume do recipiente que o contém. Temperatura: é a responsável por medir o estado de agitação molecular. Pressão: a pressão é ocasionada pelo choque que ocorre em suas partículas contra as paredes do recipiente que o contém. 06. Resposta: D. Um gás real aproxima-se do ideal quanto mais alta for sua temperatura e menor sua pressão. 07. Resposta: D. Dados: T1= 200 K V2= 2 V1 P2= 2P1 𝑃1. 𝑉1 𝑇1 = 𝑃2. 𝑉2 𝑇2 𝑃1. 𝑉1 200 = 2𝑃1. 2𝑉2 𝑇2 T2= 800 K 08. Respostas (01) Verdadeiro. (02) Verdadeiro. (03) Falso. Os átomos de diferentes elementos químicos possuem massas atômicas diferentes. Assim, se pegarmos massas iguais de diferentes elementos químicos, o número de átomos de cada elemento químico nessas massas será diferente (comparando massas iguais, quanto menor a massa atômica do elemento, maior o número de átomos desse elemento nessa massa). (04) Verdadeiro. 09. Resposta: E 1 mol de átomos de Mg ↔ 24 g/mol ↔ 6,0 . 1023 átomos/mol x = 1 átomo . 24 g/mol 6,0 . 1023 átomos/mol x = 4,0 . 10-23 g. 10. Resposta: Aplicando a lei geral dos gases perfeitos, temos: Onde, T0 = 7 +273 = 280K Substituindo na equação, os valores fornecidos pelo enunciado do exercício temos: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 43 Logo, T = 525K Fazendo a transformação para a escala Celsius, temos: T = 525 – 273 = 252 oC Atomística Histórico A preocupação com a constituição da matéria surgiu em meados do século V a. C., na Grécia. Alguns filósofos gregos acreditavam que toda a matéria era formada por quatro elementos: água, terra, fogo e ar, que eram representados por: A estes elementos foram atribuídas “qualidades” denominadas: quente, frio, úmido e seco, conforme pode ser observado na figura abaixo: De acordo com esses filósofos tudo no meio em que vivemos seria formado pela combinação desses quatro elementos em diferentes proporções. Entretantopor volta de 400 a. C., os filósofos Leucipo e Demócrito elaboraram uma teoria filosófica (não científica) segundo a qual toda matéria era formada devido a junção de pequenas partículas indivisíveis denominadas átomos (que em grego significa indivisível). Para estes filósofos, toda a natureza era formada por átomos e vácuo. No final do século XVIII, Lavoisier e Proust realizaram experiências relacionado as massas dos participantes das reações químicas, dando origem às Leis das combinações químicas (Leis ponderais). 3.3.1.2 Estrutura da matéria e teoria atômica Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 44 Modelos atômicos Os modelos atômicos são teoria baseadas na experimentação feita por cientistas para explicar como é o átomo. Os modelos não existem na natureza. São apenas explicações para mostrar o porquê de um fenômeno. Muitos cientistas desenvolveram suas teorias. Com o passar dos tempos, os modelos foram evoluindo até chegar ao modelo atual. Seguem abaixo os modelos atômicos: Modelo Atômico Clássico As partículas presentes no núcleo, chamadas prótons, apresentam carga positiva. A partícula conhecida como nêutron foi isolada em 1932 por Chadwick, embora sua existência já fosse prevista por Rutherford. Dessa forma, o modelo atômico clássico constitui-se de um núcleo, no qual se encontram os prótons e nêutrons, e de uma eletrosfera, na qual estão os elétrons girando ao redor do núcleo em órbitas. Considerando-se a massa do próton como padrão, observou-se que sua massa era aproximadamente igual à massa do nêutron e 1836 vezes maior que o elétron. Logo: A essas três partículas básicas, prótons, nêutrons e elétrons, é comum denominar partículas elementares ou fundamentais. Algumas características físicas das partículas atômicas fundamentais: Modelo Atômico de Dalton Em 1808, John Dalton propôs uma teoria para explicar essas leis ponderais, denominada teoria atômica, criando o primeiro modelo atômico científico, em que o átomo seria maciço e indivisível. A teoria proposta por ele pode ser resumida da seguinte maneira: Dalton utilizava círculos de mesmo diâmetro com inscrições para representar os átomos dos diferentes elementos químicos. Assim, ele estabeleceu os postulados a seguir: I) Todas as substâncias são constituídas de minúsculas partículas, denominadas átomos, que não podem ser criados e nem destruídos. Nas substâncias, eles se encontram unidos por forças de atração mútua. II) Cada substância é constituída de um único tipo de átomo. Substância simples ou elementos são formados de “átomos simples”, que são indivisíveis. Substâncias compostas são formadas por “átomos compostos”, capazes de se decompor, durante as reações químicas em “átomos simples”. III) Todos os átomos de uma mesma substância são idênticos na forma, no tamanho, na massa e nas demais propriedades; átomos de substâncias diferentes possuem forma, tamanho, massa propriedades diferentes. A massa de um ”átomo composto” é igual à soma das massas de todos os “átomos simples” componentes. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 45 IV) Os “átomos compostos” são formados por um pequeno número de “átomos simples”. Modelo atômico de Thomson Pesquisando sobre raios catódicos e baseando-se em alguns experimentos, J.J. Thomson propôs um novo modelo atômico. Thomson demonstrou que esses raios podiam ser interpretados como sendo um feixe de partículas carregadas de energia elétrica negativa. A essas partículas denominou-se elétrons. Por meio de campos magnético e elétrico pôde-se determinar a relação carga/massa do elétron. Consequentemente, concluiu-se que os elétrons (raios catódicos) deveriam ser constituintes de todo tipo de matéria pois observou que a relação carga/massa do elétron era a mesma para qualquer gás empregado. O gás era usado no interior de tubos de vidro rarefeitos denominadas Ampola de Crookes, nos quais se realizavam descargas elétricas sob diferentes campos elétricos e magnéticos. Esse foi o primeiro modelo a divisibilidade do átomo, ficando o modelo conhecido como “pudim de passas". Segundo Thomson, o átomo seria um aglomerado composto de uma parte de partículas positivas pesadas (prótons) e de partículas negativas (elétrons), mais leves. Modelo Atômico de Rutherford Em 1911, Ernest Rutherford, estudando a trajetória de partículas a (partículas positivas) emitidas pelo elemento radioativo polônio, bombardeou uma fina lâmina de ouro. Ele observou que: - a maioria das partículas a atravessavam a lâmina de ouro sem sofrer desvio em sua trajetória (logo, há uma grande região de vazio, que passou a se chamar eletrosfera); - algumas partículas sofriam desvio em sua trajetória: haveria uma repulsão das cargas positivas (partículas a) com uma região pequena também positiva (núcleo). - um número muito pequeno de partículas batiam na lâmina e voltavam (portanto, a região central é pequena e densa, sendo composta portanto, por prótons). Diante das observações, Rutherford concluiu que a lâmina de ouro seria constituída por átomos formados com um núcleo muito pequeno carregado positivamente (no centro do átomo) e muito denso, rodeado por uma região comparativamente grande onde estariam os elétrons. Nesse contexto, surge ainda a ideia de que os elétrons estariam em movimentos circulares ao redor do núcleo, uma vez que se estivesse parados, acabariam por se chocar com o núcleo, positivo. O pesquisador acreditava que o átomo seria de 10000 a 100000 vezes maior que seu núcleo. Rutherford observou que: - o átomo é um enorme vazio; - o átomo tem um núcleo muito pequeno; - o átomo tem núcleo positivo (+), já que partículas alfa desviavam algumas vezes; - os elétrons estão ao redor do núcleo (na eletrosfera) para equilibrar as cargas positivas. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 46 Modelo Atômico Rutherford-Bohr O modelo proposto por Rutherford foi aperfeiçoado por Bohr. Baseando-se nos estudos feitos em relação ao espectro do átomo de hidrogênio e na teoria proposta por Planck em 1900 (Teoria Quântica), segundo a qual a energia não é emitida em forma contínua, mas em ”pacotes”, denominados quanta de energia. Foram propostos os seguintes postulados: 1. Na eletrosfera, os elétrons descrevem sempre órbitas circulares ao redor do núcleo, chamadas de camadas ou níveis de energia. 2. Cada camada ocupada por um elétron possui um valor determinado de energia (estado estacionário). 3. Os elétrons só podem ocupar os níveis que tenham uma determinada quantidade de energia, não sendo possível ocupar estados intermediários. 4. Ao saltar de um nível para outro mais externo, os elétrons absorvem uma quantidade definida de energia (quantum de energia). 5. Ao retornar ao nível mais interno, o elétron emite um quantum de energia (igual ao absorvido em intensidade), na forma de luz de cor definida ou outra radiação eletromagnética (fóton). 6. Cada órbita é denominada de estado estacionário e pode ser designada por letras K, L, M, N, O, P, Q. As camadas podem apresentar: K = 2 elétrons L = 8 elétrons M = 18 elétrons N = 32 elétrons O = 32 elétrons P = 18 elétrons Q = 2 elétrons 7. Cada nível de energia é caracterizado por um número quântico (n), que pode assumir valores inteiros: 1, 2, 3, etc. O modelo atômico de Bohr Em 1911, Ernest Rutherford, baseando-se na célebre experiência do espalhamento de partículas alfa por uma fina lâmina de ouro, propôs uma modelo planetário para o átomo. Este modelo foi combatido na época, pois a Física sabia que uma partícula carregada, quando em movimento acelerado, liberta energia. O elétron, sendo uma partícula com carga negativa girando ao redor do núcleo, deveria perder energia e acabaria por cair no núcleo. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 47Em 1913, Niels Böhr (1885-1962) propôs um novo modelo atômico, relacionando a distribuição dos elétrons na eletrosfera com sua quantidade de energia. Esse modelo baseia-se nos seguintes postulados: a) Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo. b) Cada uma dessas órbitas tem energia constante (órbita estacionária). Os elétrons que estão situados em órbitas mais afastadas do núcleo apresentarão maior quantidade de energia. c) Quando um elétron absorve certa quantidade de energia, salta para uma órbita mais energética. Quando ele retorna à sua órbita original, libera a mesma quantidade de energia, na forma de onda eletromagnética (luz). Essas órbitas foram denominadas níveis de energia. Hoje são conhecidos sete níveis de energia ou camadas, denominadas K, L, M, N, O, P e Q.7 O modelo de Böhr permite relacionar as órbitas (níveis de energia) com os espectros descontínuos dos elementos. Os subníveis O trabalho de Böhr despertou o interesse de vários cientistas para o estudo dos espectros descontínuos. Um deles, Sommerfield, percebeu, em 1916, que as raias obtidas por Böhr eram na verdade um conjunto de raias mais finas e supôs então que os níveis de energia estariam divididos em regiões ainda menores, por ele denominadas subníveis de energia. O número de cada nível indica a quantidade de subníveis nele existentes. Por exemplo, o nível 1 apresenta um subnível, o nível 2 apresenta dois subníveis, e assim por diante. Esses subníveis são representados pelas letras s, p, d, f, g, h. Estudos específicos para determinar a energia dos subníveis mostraram que: -existe uma ordem crescente de energia nos subníveis; -os elétrons de um mesmo subnível contêm a mesma quantidade de energia; -os elétrons se distribuem pela eletrosfera ocupando o subnível de menor energia disponível. A criação de uma representação gráfica para os subníveis facilitou a visualização da sua ordem crescente de energia. Essa representação é conhecida como diagrama de Linus Pauling. Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 48 O preenchimento da eletrosfera pelos elétrons em subníveis obedece à ordem crescente de energia definida pelo diagrama de Pauling: Cada um desses subníveis pode acomodar um número máximo de elétrons: Distribuição eletrônica por subnível Como num átomo o número de prótons (Z) é igual ao número de elétrons, conhecendo o número atômico poderemos fazer a distribuição dos elétrons nos subníveis. Vejamos alguns exemplos: Perceba que o subnível 4s2 aparece antes do subnível 3d1, de acordo com a ordem crescente de energia. No entanto, pode-se escrever essa mesma configuração eletrônica ordenando os subníveis pelo número quântico principal. Assim, obteremos a chamada ordem geométrica ou ordem de distância: Note que, na ordem geométrica, o último subnível — mais externo do núcleo — é o 4s2, sendo que esse subnível mais distante indica a camada de valência do átomo. Portanto: O subnível mais energético nem sempre é o mais afastado do núcleo. No caso do escândio, o subnível mais energético é o 3d1, apresentando 1 elétron, enquanto o mais externo é o 4s2, com 2 elétrons. A distribuição eletrônica do 21Sc por camadas pode ser obtida tanto pela ordem energética como pela ordem geométrica e é expressa por: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 49 K = 2; L = 8; M = 9; N = 2 Distribuição eletrônica de íons Os íons se formam quando um átomo “perde” ou “ganha” elétrons, e isso ocorre inicialmente com os elétrons da camada de valência (mais externa). -Cátions (íons positivos) Quando um átomo perde elétrons, irá originar um cátion. -Ânions (íons negativos) Quando um átomo “ganha” elétrons, irá originar um ânion. Modelo atômico de Scrodinger O movimento do elétron ao redor do núcleo atômico foi descrito pela primeira vez em 1927 pelo físico teórico austríaco Erwin Schrödinger, por intermédio de equações matemáticas que relacionam a natureza da partícula, a carga, a energia, e a massa do elétron, propondo o Modelo Atômico de Schrödinger. Com base nesse novo modelo atômico, o elétron é uma partícula-onda que se movimenta no espaço, mas estará com maior probabilidade no interior de uma esfera concêntrica ao núcleo (orbital). Devido à sua velocidade, o elétron permanece dentro do orbital, assemelhando-se a uma nuvem eletrônica. Para tanto, são aplicados os números quânticos, que são códigos matemáticos que permitem que cada elétron seja caracterizado pela sua quantidade de energia. Essa caracterização de cada elétron no átomo é feita por quatro números quânticos: principal, secundário, magnético e spin. Num mesmo átomo, não há dois elétrons com números quânticos iguais. Principal (n) – número inteiro que varia de 1 a 7. O número quântico principal indica a qual nível de energia pertence o elétron, sendo assim, quando o valor de n aumenta, a energia do elétron também aumenta, e ele se distancia do núcleo. Corresponde às sete camadas K, L, M, N, O, P e Q do modelo de Rutherford-Bohr. Secundário (l) – associa-se ao subnível de energia do elétron. Esse número assume os valores 0, 1 2 e 3, no entanto, normalmente é descrito pelas letras s, p, d e f, respectivamente. Magnético – faz referência ao orbital em que o elétron é encontrado, pois cada subnível é formado por diversos orbitais (apenas o subnível s possui apenas 1 orbital). Seus valores alteram de – a + , incluindo o 0. -Subnível s: 0 -Subnível p: -1 0 1 -Subnível d: -2 -1 0 1 2 -Subnível f: -3 -2 -1 0 1 2 Spin – associa-se à rotação do elétron. Esse número quântico é usado para diferenciar os elétrons de um mesmo orbital. Como há somente dois sentidos possíveis, o spin adota exclusivamente os valores - 1/2 e +1/2, o que indica 50% de probabilidade de um elétron estar girando em cada sentido. Modelo atômico de Broglie O cientista francês Louis de Broglie estudou a natureza das ondas dos elétrons. Em 1924, lançou a hipótese de que, se a luz apresenta natureza dual, uma partícula também apresentaria características ondulatórias. Assim, procurou associar a natureza dual da luz com o comportamento do elétron e afirmou que “a todo elétron em movimento está associada uma onda característica”, postulado que princípio da dualidade ou princípio de De Broglie. Com base nos conceitos de De Broglie, o movimento de um elétron está associado a um dado comprimento de onda. Assim surge a questão: para que uma partícula possa ser dita como onda, qual seria o comprimento de onda estabelecido a ela? Como resposta a esta questão, o físico francês propôs a fórmula Λ = h / P, onde λ representa o comprimento de onda de De Broglie, h representa a constante de Planck (tamanho de um quantum) e P se refere ao produto da massa pela velocidade da partícula. Essa proposta de De Broglie para a dualidade partícula-onda envolve não apenas os elétrons, mas toda a matéria, tais como prótons, nêutrons, átomos e moléculas. A dualidade partícula-onda constitui um princípio fundamental do comportamento da estrutura atômica, tornando possível uma compreensão mais abrangente da natureza do átomo, bem como das ligações Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 50 químicas por eles estabelecidas. O modelo atômico atual é um modelo matemático/ probabilístico, sendo o princípio da dualidade um dos seus pilares. Princípio da incerteza De acordo com Werner Heisenberg, para encontrar a posição correta de um elétron, é necessário que ele interaja com algum instrumento de medida, como por exemplo, uma radiação. A radiação deve ter um comprimento de onda na ordem da incerteza com que se quer determinar esta posição. Quanto menor for o comprimento de onda, maior é a precisão do localonde está o elétron. Quando se consegue descobrir o local provável onde está o elétron, este elétron já não estará neste local. Questões 01. Assinale a alternativa que completa melhor os espaços apresentados na frase abaixo: “O modelo de Rutherford propõe que o átomo seria composto por um núcleo muito pequeno e de carga elétrica ..., que seria equilibrado por …, de carga elétrica …, que ficavam girando ao redor do núcleo, uma região periférica denominada ...” (A)neutra, prótons, positiva e núcleo (B)positiva, elétrons, positiva, eletrosfera. (C)negativa, prótons, negativa, eletrosfera. (D)positiva, elétrons, negativa, eletrosfera. (E) negativa, prótons, negativa, núcleo. 02.Relacione os nomes dos cientistas e filósofos apresentados na coluna à esquerda com suas descobertas na coluna à direita, e assinale a alternativa correta 1) Demócrito 2) Thomson 3) Rutherford 4) Dalton 5) Chadwick ( ) Descobridor do nêutron. ( ) Seu modelo atômico era semelhante a uma bola de bilhar. ( ) Seu modelo atômico era semelhante a um “pudim de passas”. ( ) Foi o primeiro a utilizar a palavra átomo. ( ) Criou um modelo para o átomo.3,4,2,5,1 (A) 5,4,2,1,3 (B) 5,3,2,5,1 (C) 5,4,3,1,2 (D) 1,2,3,4,5 3. U. Católica-DF Os fogos de artifício utilizam sais de diferentes metais adicionados à pólvora e, quando explodem, produzem cores variadas. As diversas cores são produzidas quando os elétrons dos íons metálicos retornam para níveis de menor energia, emitindo radiações coloridas. Esse fenômeno pode ser explicado pela Teoria Atômica proposta por: Sais de Coloração Bário Verde Césio Azul claro Potássio Violeta Sódio Amarelo Cálcio Vermelho (A) Thomsom (B) Dalton (C) Bohr (D) Lavoisier (E) Rutherford Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 51 4. UnB-DF Um importante cientista na evolução do conhecimento químico foi John Dalton (1766-1844). Com base nos trabalhos de Lavoisier, de Proust (1754-1826) e de outros cientistas da época, Dalton resgatou os conceitos acerca da indivisibilidade do átomo introduzidos por Demócrito e Leucipo, filósofos gregos que tiveram suas ideias rejeitadas por Platão e Aristóteles, influentes filósofos na época (400 a.C.). A teoria atômica, como ficou conhecido o conjunto de proposições de Dalton para explicar as leis da Química na época aceitas, foi importante para o desenvolvimento dos conceitos químicos. A esse respeito, julgue os itens abaixo. ( ) O modelo atômico de Dalton não é suficiente para explicar a estequiometria das reações químicas. ( ) De acordo com o modelo proposto por Dalton, todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades químicas. ( ) A concepção de átomo indivisível, defendida por Dalton, é cientificamente válida até hoje. ( ) De acordo com Dalton, átomos não podem ser criados ou destruídos no curso de reações químicas ordinárias. 5. Unifor-CE I. diferem de elemento para elemento; II. são as unidades envolvidas nas transformações químicas; III. são indivisíveis; IV. consistem de unidades com um núcleo e uma eletrosfera onde se localizam os elétrons. Dessas afirmações, estão incluídas na teoria atômica de Dalton (1808), somente: (A) I (B) I e II (C) III e IV (D) II, III e IV (E) I, II e III 6. (PUC-PR) Dados os átomos de 238U92 e 210Bi83, o número total de partículas (prótons, elétrons e nêutrons) existentes na somatória será: (A) 641 (B) 528 (C) 623 (D) 465 (E) 496 7. UFR-RJ Dados os elementos A, B e C sabe-se que: • A e C são isótopos, sendo que A tem um nêutron a menos que C. • B e C são isóbaros. • C tem número de massa e número atômico 4 vezes maior que os do flúor. • B tem o mesmo número de nêutrons do átomo A. Indique, para os elementos A, B e C: (A) os números atômicos e os números de massas; (B) os números de prótons, nêutrons e elétrons; (C) as configurações eletrônicas. 8. UEMG Devido à sua estrutura, um átomo de sódio tem as características abaixo, exceto. (A) Seu isótopo de massa 23 contém 12 nêutrons. (B) Fica com 10 elétrons quando se torna cátion. (C) Possui 2 elétrons no primeiro nível e 9 elétrons no segundo nível. (D) Tem 11 prótons no núcleo. 9. U. Alfenas-MG Sobre as partículas que constituem um átomo pode-se afirmar que: (A) os elétrons têm grande contribuição tanto na massa do átomo, quanto na sua carga; (B) a neutralidade das espécies ocorre devido à presença de prótons, elétrons e nêutrons; (C) praticamente os prótons e os nêutrons é que são responsáveis pela massa do átomo; (D) a massa atômica e o número de massa medem exatamente o mesmo; (E) através do número de massa é possível se conhecer a estabilidade do átomo. 10. F.M. Itajubá-MG As afirmativas incompletas: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 52 1. Átomos de mesmo número atômico e número de nêutrons diferentes são denominados ............... . 2. Os átomos 20A40 e 20C42 são ............... . 3. Átomos com diferentes números atômicos e mesmo número de nêutrons são denominados ............... . 4. Átomos com diferentes números atômicos e mesmo número de massa são denominados ............... . 5. Os átomos 20Y42 e 18X40 são ............... . 6. Os átomos 20A40, 19B40 e 18E40 são ............... . Tornar-se-ão completas se, na mesma ordem numérica, introduzirmos as palavras: (A) Isótonos, isóbaros, isótonos, isóbaros, isótopos, isótonos. (B) Isótopos, isótonos, isóbaros, isóbaros, isótopos, isótonos. (C) Isóbaros, isótopos, isótopos, isótopos, isótopos, isótonos. (D) Isótopos, isótopos, isótonos, isóbaros, isótonos, isóbaros. (E) Isótopos, isótopos, isóbaros, isótonos, isóbaros, isótonos. Respostas 01. Resposta C Por definição o modelo de Rutherford propõe que o átomo seria composto por um núcleo muito pequeno e de carga elétrica positiva, que seria equilibrado por elétrons, de carga elétrica negativa, que ficavam girando ao redor do núcleo, numa região periférica denominada eletrosfera.” 02. Resposta B Analisando cada item. Temos que: (Chadwick) É o descobridor do nêutron. (Dalton) Seu modelo atômico era semelhante a uma bola de bilhar. (Thomson) Seu modelo atômico era semelhante a um “pudim de passas”. (Demócrito) Foi o primeiro a utilizar a palavra átomo. (Rutherford) Criou um modelo para o átomo semelhante ao Sistema Solar. 03. Resposta C 04. Resposta E – C – E – C 05. Resposta E 06. Resposta C Vamos calcular primeiro o número de nêutrons para os dois elementos, usando a fórmula n = A – Z 238U92: 238 -92 = 146 210Bi83: 210 – 83 = 127 Soma dos nêutrons: 146 + 127 = 273 De acordo com a fórmula P = Z = e temos: -Soma dos prótons: 175; -Soma dos elétrons: 175; -Soma total (de prótons, elétrons e nêutrons) para os dois elementos será = 623. 07. Resposta a) A B C Z = 36 Z = 37 Z = 36 A = 75 A = 76 A = 76 b) A B C P = 36 p = 37 p = 36 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 53 n = 39 n = 39 n = 40 e– = 36 e– = 37 e– = 36 c) 36A = 1s22s22p63s23p64s23d104p6 37B = 1s22s22p63s23p64s23d104p65s1 36C = 1s22s22p63s23p64s23d104p6 08. Resposta C 09. Resposta C 10. Resposta D Energia nuclear Há diversos materiais, naturais ou sintetizados pelo ser humano, que são radiativos, isto é emitem radiações. As radiações conhecidas como alfa, beta e gama têm várias características, como por exemplo, o poder de penetração em diferentes tecidos vivos e objetos. Fala-se em poluição radiativa quando atividades humanas ou acidentes, delas decorrentes, introduzem materiais radiativos no ambiente, e provocam um aumento nos índices de radiação. Estas atividades estão relacionadas à extração e processamento de materiais radiativos; produção, armazenamento e transporte de combustível nuclear, produção, uso e testes de armas nucleares, operação dereatores nucleares; e uso de materiais radiativos na medicina, na indústria e na pesquisa. Os efeitos da radiação nos organismos vivos são, entre outros, mutações genéticas, câncer, necroses e alterações de metabolismo. Conforme a intensidade e a natureza da radiação, ela pode ser fatal. O decaimento radioativo ocorre segundo as leis da probabilidade. O processo é complexo e explicá- lo aqui fugiria ao escopo deste artigo. Assim, basta saber que nele o núcleo se transforma em outro elemento ao ter sua carga elétrica mudada pela emissão de radiação, mudando o número de prótons e/ou nêutrons Esse decaimento pode ocorrer sucessivamente, causando uma cadeia de desintegrações, até que resulte um elemento estável. O tempo que certo número de núcleos de um radioisótopo leva para que metade de sua população decaia para outro elemento por desintegração é denominado meia-vida do radioisótopo. A desintegração pelo decaimento pode ocorrer espontaneamente ou ser provocada pela instabilidade criada em núcleos estáveis, pelo bombardeio com partículas ou com radiação eletromagnética. Na natureza, os elementos apresentam-se geralmente como uma mistura de diferentes isótopos, estáveis ou radioativos. Por exemplo, o urânio, que tem 92 prótons (Z = 92), é encontrado como uma mistura de 99,3% de urânio-238 (238U, com 146 nêutrons) e 0,7% de urânio-235 (235U, 143 nêutrons), além de frações muito pequenas de outros isótopos – o número que segue o nome do elemento químico ou antecede sua sigla é o chamado número de massa (A), ou seja, a soma de seus prótons e nêutrons. Para colocar uma usina nuclear em funcionamento é necessário, antes de mais nada, urânio enriquecido. Para se ter uma ideia, 0,5kg de U-235 enriquecido - quantidade usada para fornecer energia a submarinos e porta-aviões nucleares - é equivalente a 3,8 milhões de litros de gasolina. Em geral, o urânio é formado em péletes (formato de pílula) com diâmetro próximo ao de uma moeda de R$0,10 e espessura de 2,5cm. Estes péletes são dispostos em hastes longas agrupadas em feixes, os quais ficam submersos em água dentro de um recipiente de pressão. A água, por sua vez, tem a função de refrigerar o sistema. Para que o reator funcione, o feixe precisa ser levemente supercrítico. Isso significa que, caso fosse deixado sozinho, o urânio derreteria. Portanto, para que isso não ocorra, são inseridas no feixe hastes de controle (também chamadas de hastes de comando ou, ainda, barras de controle), as quais são feitas de material capaz de absover os nêutrons, utilizando um dispositivo que pode abaixar e/ou elevar as hastes. Assim, elevar e baixar as hastes controla o nível das reações nucleares. Portanto, quando se deseja maior produção de calor a partir do núcleo de urânio, as hastes são elevadas para fora do feixe, enquanto para produzir menor quantidade de calor, as hastes são abaixadas dentro do feixe. Além disso, as hastes possuem outras funções: baixá-las totalmente dentro do feixe podem desligar o reator, no caso de um acidente, ou tornar possível a troca de combustível. O calor liberado durante a reação nuclear é responsável pelo aquecimento da água, a qual é transformada em vapor. Esse vapor aciona uma turbina, a qual faz girar um gerador, responsável por produzir a energia. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 54 Depois de deixar a turbina, o vapor passa por um trocador de calor, que funciona como um condensador, onde o vapor é resfriado por uma fonte externa natural localizada próxima à usina (normalmente trata-se da água de um rio, lago ou mar) e volta na forma líquida ao circuito principal, iniciando novamente todo o processo. É por isso que as usinas nucleares costumam se encontrar em regiões próximas ao mar. Em algumas usinas, o vapor do reator passa através de um trocador de calor intermediário a fim de transformar a água de um outro circuito em vapor, o qual será o responsável pelo acionamento da turbina a vapor. Além disso, em alguns reatores, o fluido de resfriamento é um gás (CO2) ou metal líquido, permitindo que o núcleo seja operado em temperaturas mais elevadas. Uma das grandes vantagens da utilização de energia nuclear para gerar eletricidade é a não contribuição para o efeito estufa, comparada à queima de combustíveis fósseis (carvão, gás ou petróleo) que produz elevada emissão de gases poluentes. Outras vantagens são: maior independência para os países importadores de combustíveis fósseis, utilização de pequenas áreas de terreno para instalação da usinas etc. As desvantagens da utilização de energia nuclear englobam os riscos de acidente nas usinas nucleares (que podem provocar graves danos à população e ao meio ambiente); possibilidade de utilização na fabricação de bombas atômicas; os resíduos radioativos (lixo atômico), apesar da pouca quantidade gerada, não têm utilização posterior; envolve elevados custos de construção e operação das usinas. Tabela Periódica Classificação periódica dos elementos Histórico Um dos esforços mais antigos, no sentido de se encontrar uma relação no comportamento dos elementos com propriedades similares em grupos de três, denominadas tríades. Nessas tríades, a massa atômica de um elemento era aproximadamente a média aritmética dos pesos atômicos dos outros dois. Isto foi proposto pelo químico alemão J.W. Dobereiner, em 1829. No ano de 1862, Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois ordenou os valores de massas atômicas ao longo de linhas espirais traçadas nas paredes de um cilindro, dando origem ao parafuso telúrico, em que os elementos que apresentavam propriedades similares estavas reunidos numa linha vertical. 3.3.1.3 Classificação periódica e propriedades dos elementos e seus compostos Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 55 Em 1866, John A. R. Newlands desenvolveu um rearranjo dos elementos químicos denominados leis das oitavas. Essa forma de classificação consistia em colocar os elementos agrupados de sete em sete, em ordem crescente de massa atômica. A partir dessa classificação Newlands observou que o primeiro elemento tinha propriedades semelhantes ao oitavo, e assim por diante. Diante disso, ele chamou esta descoberta de Lei das oitavas uma vez que as características se repetiam de sete em sete, como as notas musicais. Em meados de 1869, Lothar Meyer e Dimitri Ivanovich Mendeleev, independentemente, criaram tabelas periódicas dos elementos (semelhantes às usadas atualmente) onde os elementos eram colocados em ordem crescente de massas atômicas. Essas tabelas foram criadas quando tinham conhecimento de apenas 63 elementos químicos.8 Mendeleev ordenou os elementos em linhas horizontais, chamadas de períodos, e em linhas verticais, de grupos, contendo elementos com propriedades similares. Veja a seguir a tabela de Mendeleev. Nesta tabela é possível observar que existe espaços vazios e asteriscos. Estes espaços representam elementos não conhecidos e os asteriscos os elementos que foram previstos por Mendeleev. Esta classificação proposta por Mendeleev foi utilizada até 1913, quando Mosely verificou que as propriedades dos elementos eram dadas pela sua carga nuclear (número atômico-Z). Sabendo-se que em um átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons, ao fazermos suas distribuições eletrônicas, verificamos que a semelhança de suas propriedades químicas está relacionada com o número de elétrons de sua camada de valência, ou seja, pertencem à mesma família. Com base nessa constatação, foi proposta a tabela periódica atual, na qual os elementos químicos: -estão dispostos em ordem crescente de número atômico (Z); -originam os períodos na horizontal (em linhas); -originam as famílias ou os grupos na vertical (em colunas). 8 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. Tabela periódica atual:Os elementos são agrupados em ordem crescente de seu número atômico (Z), observando-se a repetição periódica de muitas de suas propriedades. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 56 Como utilizar a tabela periódica? Cada quadro da tabela fornece os dados referentes ao elemento químico: símbolo, massa atômica, número atômico, nome do elemento, elétrons nas camadas e se o elemento é radioativo. As colunas verticais constituem as famílias ou grupos, nas quais os elementos estão reunidos segundo suas propriedades químicas. As filas horizontais são denominadas períodos. Neles os elementos químicos estão dispostos na ordem crescente de seus números atômicos. O número da ordem do período indica o número de níveis energéticos ou camadas eletrônicas do elemento. Famílias ou Grupos As Famílias da Tabela Periódica são distribuídas de forma vertical, em 18 colunas. Os elementos químicos que estão localizados na mesma coluna da Tabela Periódica são considerados da mesma família pois possuem propriedades físicas e químicas semelhantes. Esses elementos fazem parte de um mesmo grupo porque apresentam a mesma configuração de elétrons na última camada A tabela periódica atual é constituída por 18 famílias. A numeração das Famílias da Tabela Periódica se inicia no 1A (representado em nossa tabela periódica com o número 1) e continua até o zero ou 8A (representado em nossa tabela periódica pelo número 18). Existe também a Família B. -Famílias A ou zero Os elementos que constituem essas famílias são denominados elementos representativos, e seus elétrons mais energéticos estão situados em subníveis s ou p. Nas famílias A, o número da família indica a quantidade de elétrons na camada de valência. Elas recebem ainda nomes característicos. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 57 -Famílias B Os elementos dessas famílias são denominados genericamente elementos de transição. Uma parte deles ocupa o bloco central da tabela periódica, de IIIB até IIB (10 colunas), e apresenta seu elétron mais energético em subníveis d. A outra parte deles está deslocada do corpo central, constituindo as séries dos lantanídeos e dos actinídeos. Essas séries apresentam 14 colunas. O elétron mais energético está contido em subnível f (f1 a f14). O esquema a seguir mostra o subnível ocupado pelo elétron mais energético dos elementos da tabela periódica. Períodos ou séries Cada fila horizontal da tabela periódica constitui o que chamados de período ou série de elementos. Cada período corresponde ao número de camadas eletrônicas existentes nos elementos que os constituem. Os períodos são sete conforme pode ser observado no esquema abaixo. Informações importantes: 1. A família 0 recebeu esse número para indicar que sua reatividade nas condições ambientes é nula. 2. O elemento hidrogênio (H), embora não faça parte da família dos metais alcalinos, está representado na coluna IA por apresentar 1 elétron no subnível s na camada de valência. 3. O único gás nobre que não apresenta 8 elétrons na camada de valência é o He: 1s2. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 58 Períodos Camadas eletrônicas 1 1 (K) 2 2 (K, L) 3 3 (K, L, M) 4 4 (K, L, M, N) 5 5 (K, L, M, N, O) 6 6 (K, L, M, N, O, P) 7 7 (K, L, M, N, O, P) Vejamos agora alguns exemplos de localização na tabela periódica: 1H — 1s1 1° camada (K) 4Be — 1s2 2s2. 2° camada (K, L) 11Na— 1s2 2s2 2p6 3s1: 3°camada (K, L, M) 13Al — 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1: 3° camada. Lantanídeos e Actinídeos As séries dos lantanídeos e dos actinídeos correspondem, respectivamente, aos apêndices embaixo da tabela. Importante: a) Lantânio (La) e Actíneo (Ac) não pertencem às séries b) Essas séries são chamadas Elementos de transição Interna c) Os lantanídeos também são chamados lantanoides ou terras-raras. d) Os actinídeos também são chamados actinoides e) O uso dos termos “lantanoide” e actinoide” foi reconhecido pela IUPAC. Classificação dos elementos químicos Uma outra maneira de classificar os elementos pode ser feita relacionando o subnível energético de cada um. Assim temos: Elementos Subnível mais energético Localização Representativos s ou p Grupos A e gases nobres De transição d Grupos B De transição interna f Lantanídeos e Actinídeos Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 59 Outra maneira de classificar os elementos é agrupá-los, segundo suas propriedades físicas e químicas, em: metais, ametais, semimetais, gases nobres e hidrogênio. -Metais Os metais, em número de 81, são os mais numerosos elementos conhecidos. Eles estão situados do centro para a esquerda da Tabela Periódica. Características gerais: -Apresentam brilho metálico. -conduzem corrente elétrica e calor. -São maleáveis (maleabilidade). - Podem ser reduzidos a fios (ductilidade). -Apresentam, via de regra, poucos elétrons (menos de 4) na última camada; - Tendem a perder elétrons; -São sólidos a temperatura ambiente (25°C), com exceção do mercúrio (líquido). -Ametais ou não-metais São poucos (11 elementos), estão situados à direita da Tabela Periódica, antes dos gases nobres. Características gerais: - Não apresentam brilho metálico; - São maus condutores de corrente elétrica; -Não podem ser reduzidos a fios (ductilidade) e lâminas (maleabilidade); -São utilizados na produção de pólvora e na fabricação de pneus; -Apresentam, geralmente, muitos elétrons (mais do que 4) na camada de valência (última camada); -Tendem a ganhar elétrons em uma ligação química. Importante: A linha vermelha, de acordo com sugestão da Sociedade Brasileira de Química, separa os metais dos ametais. Os elementos próximos à linha são conhecidos por semimetais. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 60 -Semimetais São poucos (7) e estão situados na Tabela Periódica entre os metais e os não metais Características gerais: Apresentam brilho metálico têm pequena condutibilidade elétrica fragmentam-se, isto é, apresentam propriedades intermediárias as apontadas anteriormente. -Hidrogênio É um elemento atípico, pois possui a propriedade de se combinar com metais, ametais e semimetais. Nas condições ambientes, é um gás extremamente inflamável. -Gases nobres Como o próprio nome sugere, nas condições ambientes apresentam-se no estado gasoso e sua principal característica química é a grande estabilidade, ou seja, possuem pequena capacidade de se combinar com outros elementos. Elementos Cisurânicos São todos os elementos cujo número atômico é inferior ao 92, ou seja, as que antecedem o urânio. Sendo todos elementos naturais, encontrados na superfície terrestre, com exceção dos quatros seguintes, que são artificiais: Tecnécio (43) Promécio (61) Astato (85) Frâncio (87) Elementos químicos artificiais Os elementos artificiais são átomos de elementos químicos não encontrados na superfície terrestre e que foram sintetizados, isto é, criados em laboratório. Esses elementos possuem número atômico superior a 92, que é o número atômico do Urânio. Por isso foram denominados de elementos transurânicos. Elementos radioativos Os elementos radioativos são aqueles cujos isótopos mais abundante encontram-se, na tabela, do polônio em diante. Propriedades aperiódicas e periódicas A tabela periódica pode ser utilizada para relacionar as propriedades dos elementos com suas estruturas atômicas. Essas propriedades podem ser de dois tipos: aperiódicas e periódicas. Propriedades aperiódicas As propriedades aperiódicas são aquelas cujos valores variam (crescem ou decrescem) à medida que o número atômico aumenta e que não se repetem em períodos determinados ou regulares. Exemplos: a massa atômica de um elemento sempreaumenta de acordo com o número atômico desse elemento, o calor específico, a dureza, o índice de refração etc. 1. Massa atômica A massa atômica é a unidade de peso de átomos feita por comparação com uma grandeza padrão (1/12 da massa de um átomo isótopo do carbono-12). Esta propriedade sempre aumenta de acordo com o aumento do número atômico, sem fazer referência à localização do elemento na tabela periódica. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 61 2. Calor específico O calor específico é a quantidade de calor que um grama de uma substância precisa absorver para aumentar sua temperatura em 1 °C, sem que haja alteração no seu estado físico. O calor específico de um elemento no estado sólido sempre diminui com o aumento do número atômico. 3. Dureza A dureza é uma propriedade mecânica característica de materiais sólidos que representa a resistência destes materiais ao risco ou à penetração quando pressionados. Esta propriedade muito depende do estado em que se encontra o material, bem como das forças de ligação entre os seus átomos, moléculas ou íons. Quanto maior é o número atômico, maior também é a dureza do elemento químico. 4. Índice de refração O índice de refração é uma propriedade física descrita como sendo a razão entre a velocidade da luz em dois meios diferentes (no ar e num corpo transparente mais denso). Tal propriedade também aumenta com o aumento do número atômico. Propriedades periódicas As propriedades periódicas são aquelas que, à medida que o número atômico aumenta, assumem valores crescentes ou decrescentes em cada período, ou seja, repetem-se periodicamente. Exemplo: o número de elétrons na camada de valência. Vamos agora detalhar algumas propriedades periódicas da Tabela. 1. Raio atômico O raio atômico é uma propriedade periódica difícil de ser medida. Pode-se considerar que corresponde à metade da distância (d) entre dois núcleos vizinhos de átomos do mesmo elemento químico ligados entre si. Em uma família (grupo) tente a aumentar de cima para baixo (sentido em que aumenta também o número de camadas preenchidas pela eletrosfera de um átomo. Em um período, o raio atômico tende a aumentar da direita para a esquerda. Isso ocorre porque o número de prótons e elétrons aumenta para a direita. Logo, no lado direito do período, os átomos têm o mesmo número de camadas, maior números de prótons e elétrons e, portanto, a força de atração entre eles é maior. Isso provoca uma contração da eletrosfera e a consequente diminuição do raio atômico. 2. Raio iônico Quando um átomo ganha ou perde elétrons, transforma-se em íon. Nessa transformação, há aumento ou diminuição das dimensões do tamanho do átomo inicial. - Raio de cátion: Quando um átomo perde elétron, a repulsão da nuvem eletrônica diminui, diminuindo o seu tamanho. Inclusive pode ocorrer perda do último nível de energia e quanto menor a quantidade de níveis, menor o raio. Exemplo: Resumindo... Nas famílias o raio atômico tende a aumentar com o aumento do número. Nos períodos, ele tende a aumentar com a diminuição do número atômico. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 62 Portanto: raio do átomo > raio do cátion Raio do ânion: quando um átomo ganha elétron, aumenta a repulsão da nuvem eletrônica, aumentando o seu tamanho. Exemplo: Portanto: raio do átomo < raio do ânion 3. Energia de Ionização A maior ou menor facilidade com que o átomo de um elemento perde elétrons é importante para a determinação do seu comportamento. Um átomo (ou íon) em fase gasosa perde elétron(s) quando recebe energia suficiente. Essa energia é chamada de energia (ou potencial) de ionização. Quanto maior o raio atômico, menor será a atração exercida pelo núcleo sobre o elétron mais afastado; portanto, menor será a energia necessária para remover esse elétron.9 Generalizando: Quanto maior o tamanho do átomo, menor será a primeira energia de ionização. -Numa mesma família: a energia de ionização aumenta de baixo para cima; - Num mesmo período: a E.I. aumenta da esquerda para a direita. Ao retirarmos o primeiro elétron de um átomo, ocorre uma diminuição do raio. Por esse motivo, a energia necessária para retirar o segundo elétron é maior. Assim, para um mesmo átomo, temos: 1ª E.I. < 2ª E.I. < 3ª E.I. Esse fato fica evidenciado pela analogia a seguir, referente ao átomo de magnésio (Z = 12): 1s2 2s2 2p6 3s2. Afinidade eletrônica (AE) ou Eletroafinidade A Eletroafinidade é a energia liberada quando um átomo isolado, no estado gasoso, “captura” um elétron. X 0 (g) + e– X– (g) + energia 9 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 63 A medida experimental da afinidade eletrônica é muito difícil e, por isso, seus valores foram determinados para poucos elementos. Veja na tabela abaixo alguns valores conhecidos de eletroafinidade. A VIIA Li 60 KJ F 328 KJ K 48 KJ Br 325 KJ Resumindo... A variação da afinidade eletrônica na tabela periódica: aumenta de baixo para cima e da esquerda para a direita. 4. Eletronegatividade e Eletropositividade A eletronegatividade e a eletropositividade são duas propriedades periódicas que indicam a tendência de um átomo, numa ligação química, em atrair elétrons compartilhados. Ou ainda, podem representar a força com que o núcleo atrai a eletrosfera. -Eletropositividade: tendência que um átomo tem de perder elétrons. É muito característico dos metais. Pode ser também chamado de caráter metálico. É o inverso da eletronegatividade. A eletropositividade aumenta conforme o raio atômico aumenta. Quanto maior o raio atômico, menor será a atração do núcleo pelo elétron mais afastado, maior a facilidade do átomo em doar elétrons, então, maior será a eletropositividade. Os gases nobres também não são considerados, por conta da sua estabilidade. A eletropositividade aumenta nas famílias, de cima para baixo, e nos períodos, da direita para a esquerda. O elemento mais eletropositivo é o frâncio (Fr), que possui eletronegatividade 0,70. -Eletronegatividade: a força de atração exercida sobre os elétrons de uma ligação. A eletronegatividade dos elementos não é uma grandeza absoluta, mas, sim, relativa. Ao estudá-la, na verdade estamos comparando a força de atração exercida pelos átomos sobre os elétrons de uma ligação. Essa força de atração tem relação com o raio atômico: quanto menor o tamanho do átomo, maior será a força de atração, pois a distância núcleo-elétron da ligação é menor. A eletronegatividade não é definida para os gases nobres. As variações de eletronegatividade podem ser representadas pela ilustração a seguir: Importante: Na tabela periódica, a eletronegatividade cresce de baixo para cima e da esquerda para a direita. A eletronegatividade relaciona-se com o raio atômico: de maneira geral, quanto menor o tamanho de um átomo, maior será a força de atração sobre os elétrons. Numa família ou num período, quanto menor o raio, maior a afinidade eletrônica. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 64 O cientista Linus Pauling propôs uma escala de valores para a eletronegatividade: ATENÇÃO CANDIDATO, passarei agora um macete para que você memorize a escala de eletronegatividade proposta por Linus Pauling: “Fui Ontem No Clube Briguei I Sai Carregado para o hospital”. 4. Densidade Experimentalmente, verifica-se que: a) Entre os elementos das famílias IA e VIIA, a densidade aumenta, de maneira geral, de acordo com o aumento das massas atômicas, ou seja, de cima para baixo. b) Num mesmo período, de maneira geral, a densidade aumenta das extremidades para o centro da tabela. Assim, os elementos de maior densidade estão situados na partecentral e inferior da tabela periódica, sendo o ósmio (Os) o elemento mais denso (22,5 g/cm3). 5.Temperatura de fusão (TF) e temperatura de ebulição (TE) Experimentalmente, verifica-se que: a) Nas famílias IA e IIA, os elementos de maiores TF e TE estão situados na parte superior da tabela. Na maioria das famílias, os elementos com maiores TF e TE estão situados geralmente na parte inferior. b) Num mesmo período, de maneira geral a TF e a TE crescem das extremidades para o centro da tabela. Assim, a variação das TF e TE na tabela periódica pode ser representada como no esquema acima. 6. Volume atômico Usamos a expressão “volume atômico”. Na verdade, usamos essa expressão para designar — para qualquer elemento — o volume ocupado por uma quantidade fixa de número de átomos. O volume atômico sempre se refere ao volume ocupado por 6,02 x 1023 átomos, e pode ser calculado relacionando-se a massa desse número de átomos com a sua densidade. Assim, temos: Por meio de medidas experimentais, verifica-se que: - numa mesma família, o volume atômico aumenta com o aumento do raio atômico; - num mesmo período, o volume atômico cresce do centro para as extremidades. De maneira geral, a variação do volume atômico pode ser representada pelo seguinte esquema: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 65 Questões 01. (PUC-MG) Considerando os elementos da coluna VA, na ordem crescente de números atômicos, é CORRETO afirmar que: (A) o ponto de fusão aumenta. (B) o caráter metálico diminui. (C) a eletronegatividade aumenta. (D) o raio atômico diminui. (E) o potencial de ionização aumenta 02. Baseando-se nas configurações eletrônicas em ordem crescente de energia dos elementos abaixo, assinale a alternativa correta. (a) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2. (b) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d2. (c) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p2. (d) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f2. A) A e C pertencem ao mesmo grupo, mas estão em períodos diferentes. B) B é elemento de transição. C) C e D estão no mesmo período da tabela periódica. D) C está no grupo 2A (ou 2). E) A, B, C, D são todos metais alcalino terrosos. 03. Sobre a posição de um determinado elemento químico na Tabela Periódica sabe-se que: I. Pertence a um dos dois períodos longos; II. Inicia a primeira série dos elementos de transição; III.O elemento químico que o precede é o cálcio. Tomando como base essas informações, consulte a Tabela Periódica e escreva o nome, o número atômico, a massa atômica e a configuração eletrônica de um átomo e de um íon bivalente desse elemento químico. 04. (Cesgranrio-RJ). Na Tabela Periódica, os elementos estão organizados em ordem crescente de: (A) Número de massa (B) Massa atômica (C) Número atômico (D) Raio atômico (E) Eletronegatividade 05. (UFPA) Um átomo, cujo número atômico é 18, está classificado na Tabela Periódica como: (A) metal alcalino (B) metal alcalino terroso (C) metal terroso (D) ametal (E) gás nobre 06. Faça a associação correta com respeito às famílias ou grupos da Tabela Periódica: 1. Metais Alcalinos A. Grupo 18 2. Metais Alcalino terrosos B. Grupo 17 3. Calcogênios C. Grupo 16 4. Halogênios D. Grupo 15 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 66 5. Família do Carbono E. Grupo 14 6. Família do Nitrogênio F. Grupo 1 7. Gases Nobres G. Grupo 2 07. Um elemento X apresenta a configuração 5s2 5p3 na camada de valência. Indique o grupo e a família desse elemento na tabela periódica: (A) 5º período e família dos calcogênios. (B) 15º período e família dos halogênios. (C) 3º período e família do nitrogênio. (D) 5º período e família do nitrogênio. (E) 5º período e família dos gases nobres 08. (Ufac). O número atômico do elemento que se encontra no período III, família 3A é: (A) 10 (B) 12 (C) 23 (D) 13 (E) 31 09. O livro “A Tabela Periódica”, de Primo Levi, reúne relatos autobiográficos e contos que têm a química como denominador comum. Cada um de seus 21 capítulos recebeu o nome de um dos seguintes elementos da tabela periódica: Argônio, Hidrogênio, Zinco, Ferro, Potássio, Níquel, Chumbo, Mercúrio, Fósforo, Ouro, Cério, Cromo, Enxofre, Titânio, Arsênio, Nitrogênio, Estanho, Urânio, Prata, Vanádio, Carbono. Escreva o símbolo do elemento que dá nome a um capítulo e corresponde a cada uma das seis descrições a seguir. I – É metal alcalino. II – É líquido na temperatura ambiente. III – É o de menor potencial de ionização do grupo 15. IV – É radioativo, usado em usinas nucleares. V – Aparece na natureza na forma de gás monoatômico. VI – É lantanídeo. 10. UnB-DF Os acumuladores, mais comumente chamados de baterias, cuja utilização sofreu um aumento considerável com o advento dos aparelhos eletroeletrônicos, geralmente contêm substâncias simples e/ou compostas que envolvem, entre outros, os seguintes elementos químicos: zinco (Zn), mercúrio (Hg), lítio (Li), cádmio (Cd), prata (Ag) e carbono (C). Acerca das propriedades periódicas desses elementos químicos, julgue os itens abaixo. ( ) Prata e cádmio pertencem a uma mesma família. ( ) Os átomos de cádmio são maiores que os de zinco. ( ) Mercúrio e zinco pertencem a um mesmo período tabela periódica. ( ) Os átomos de lítio e carbono têm valores de eletronegatividade muito próximos. 11. UFGO Leia o texto que se segue e responda à questão. Grupo cria molécula com gás nobre Os gases nobres são conhecidos pela estabilidade. Todos possuem oito elétrons na camada exterior (exceto o hélio, que tem apenas dois), o que faz deles os mais esnobes elementos químicos – não gostam de se misturar. Ser um gás nobre é o sonho de todo elemento. É por essa razão que eles se unem em compostos. Os átomos comuns costumam doar ou receber elétrons de outros átomos – formando moléculas – a fim de completar seu octeto, ou seja, ficar com oito elétrons na última camada – exatamente como seus primos ricos. Quanto menor o átomo do gás nobre, mais próximos do núcleo estão os elétrons da última camada, o que faz com que mais energia seja necessária para furtá-los. A definição química de nobreza: Gases chamados de nobres não costumam interagir com outros elementos. Adaptado da Folha de S. Paulo. 24 ago. 2000. p. A18. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 67 Com base nas informações desse texto e utilizando-se dos conhecimentos da Química, pode-se afirmar que: ( ) os gases nobres não se misturam com outros gases; ( ) ao doar ou receber elétrons de outros átomos, um elemento se transforma em gás nobre; ( ) quanto menor o átomo do gás nobre, maior será o primeiro potencial de ionização; ( ) a palavra interagir foi utilizada como sinônimo de reação química. 12. UFRJ Um dos elementos químicos que tem se mostrado muito eficiente no combate ao câncer de próstata é o Selênio (Se). Com base na Tabela de Classificação Periódica dos Elementos, os símbolos de elementos com propriedades químicas semelhantes ao Selênio são: (A) Cl, Br, I (B) Te, S, Po (C) P, As, Sb (D) As, Br, Kr 13. UFRJ Cálcio é um dos elementos principais da estrutura óssea dos seres humanos. Uma doença muito comum em pessoas idosas, principalmente em mulheres após a menopausa, é a osteoporose, que consiste na desmineralização óssea causada pela perda de Ca+2, provocando fraturas frequentes e encurvamento da coluna vertebral. Uma das formas utilizadas pelos médicos para estudar a osteoporose consiste em administrar aos pacientes uma dieta contendo sais de estrôncio e acompanhar a taxa de absorção do mesmo pelo organismo. O estrôncio tem a capacidade de substituir o cálcioem seus compostos. A partir da estrutura atômica dos dois elementos, explique por que o estrôncio pode ser utilizado no lugar do cálcio. Respostas 01. Resposta A Uma vez que o número atômico aumenta, aumenta também o ponto de fusão, 02. Resposta B A → 4 camadas 4.º período Elemento representativo: Subgrupo A número do grupo = número de e– Grupo IIA ou 2 de valência, ou seja, 2e– Metal alcalino terroso B → Elemento de transição Subgrupo B número do grupo: IIIB – IVB Grupo: IVB ou 4 d1 d2 4.º período → 4 camadas C → Elemento representativo 4 camadas ∴ 4.º período número do grupo: 4s2 4p2 (4e–) Subgrupo A Grupo IVA ou 14 D → Elemento de transição interna Grupo IIIB ou 3 6 camadas ∴ 6.º período. 03. Resolução: Elemento químico: Escândio Número atômico Z: 21 MA: 45 Configuração do átomo: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 Configuração do íon: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 04. Resposta C Na tabela periódica atual (moderna) os elementos são classificados de acordo com a ordem crescente de seu número atômico (Z). 05. Resposta E De acordo com a distribuição eletrônica no diagrama de Pauling de 18 elétrons é: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 68 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6. A distribuição em camadas é: K=2; L= 8; M 8. Observe que esse elemento possui 8 elétrons na última camada, então ele é da família 8 A ou 18, que é a dos gases nobres. Ao olhar na Tabela Periódica, vemos que se trata do gás argônio (Ar). 06. Resolução: 1. Metais Alcalinos → F. Grupo 1 2. Metais Alcalino terrosos → G. Grupo 2 3. Calcogênios → C. Grupo 16 4. Halogênios → B. Grupo 17 5. Família do Carbono → E. Grupo 14 6. Família do Nitrogênio → D. Grupo 15 7. Gases Nobres → A. Grupo 18 07. Resposta D Analisando a configuração eletrônica da camada de valência desse elemento, é possível observar que ele possui cinco camadas ou níveis, portanto seu período é o 5º. Somando os elétrons distribuídos na última camada camadas, temos o total de 5 elétrons (2 + 3), o que nos indica que ele pertence à família 15 ou V A, que é a família do nitrogênio. Realizando a distribuição eletrônica completa no diagrama de Pauling abaixo, descobrimos que o seu número atômico é igual a 51. Conferindo na Tabela Periódica, trata-se do Sb (Antimônio), que realmente está no quinto período e na família 15. K 1s2 L 2s2 2p6 M 3s2 3p6 3d10 N 4s2 4p6 4d10 4f O 5s2 5p3 08. Resposta D Ao observar a Tabela Periódica encontramos o elemento Alumínio, cujo número atômico é 13. Mas se não tivermos uma Tabela à disposição, basta realizar a distribuição no diagrama de Pauling, que indica o período III e a família 3A, ou seja: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Agora basta somar todos os elétrons distribuídos: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. 09. Resolução: I – K II – Hg III – As IV – U V – Ar VI-Cério 10. Resposta E – C – E – E 11. Resposta E – E – C – C 12. Resposta: B 13. Resposta: Cálcio e estrôncio são elementos da mesma família da Tabela Periódica, apresentando portanto a mesma distribuição eletrônica na camada de valência e consequentemente propriedades químicas semelhantes. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 69 Ligações químicas Se átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes não tivessem a capacidade de se combinarem uns com os outros, certamente não encontraríamos na natureza uma grande variedade de substâncias. Há diferentes maneiras pelas quais os átomos podem se combinar, como, por exemplo, mediante o ganho ou a perda de elétrons, ou pelo compartilhamento de elétrons dos níveis de valência. Alguns poucos elementos, como os da família dos gases nobres (família 0 ou VIIIA), aparecem na forma de átomos isolados. Esses elementos apresentam oito elétrons na camada de valência. O hélio (He) é a única exceção: ele apresenta apenas uma camada com dois elétrons. Em 1916, os cientistas Lewis e Kossel associaram esses dois fatos, ou seja, a tendência de elementos com oito elétrons na camada de valência aparecerem isoladamente, com a tendência que os elementos manifestam de perder, ganhar ou compartilhar elétrons. A partir dessa associação, propuseram uma teoria para explicar as ligações químicas entre os elementos: Essa teoria é aplicada principalmente para os elementos representativos (família A), sendo que os elementos de transição (família B) não seguem obrigatoriamente esse modelo. Embora existam muitas exceções a essa regra, ela continua sendo utilizada por se prestar muito bem como introdução ao conceito de ligação química e por explicar a formação da maioria das substâncias encontradas na natureza. Estabilidade dos gases nobres De todos os elementos químicos conhecidos, apenas 6, os gases nobres ou raros, são encontrados na natureza na forma de átomos isolados. Os demais se encontram sempre ligados uns aos outros, de diversas maneiras, nas mais diversas combinações. Os gases nobres são encontrados na natureza na forma de átomos isolados porque eles têm a última camada da eletrosfera completa, ou seja, com 8 elétrons. Mesmo o hélio, com 2 elétrons, está completo porque o nível K só permite, no máximo, 2 elétrons. Regra do Octeto – Os elementos químicos devem sempre conter 8 elétrons na última camada eletrônica ou camada de valência. Na camada K pode haver no máximo 2 elétrons. Desta forma os átomos ficam estáveis, com a configuração idêntica à dos gases nobres. Essa estabilidade deve-se ao fato de que possuem a última camada completa, ou seja, com o número máximo de elétrons que essa camada pode conter, enquanto última. Os átomos dos demais elementos químicos, para ficarem estáveis, devem adquirir, através das ligações químicas, eletrosferas iguais às dos gases nobres. 3.3.1.4 Ligação química Teoria do octeto: um grande número de átomos adquire estabilidade eletrônica quando apresenta oito elétrons na sua camada mais externa. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 70 Como os átomos se ligam? As ligações entre átomos são feitas várias formas, mais sempre envolvendo a camada mais externa (camada de valência). Isso indica que são os elétrons do último nível que participam das ligações. Estudaremos os seguintes tipos: -Ligações iônicas -Ligações covalente -Ligação covalente dativa -Ligação metálica Substâncias iônicas As substâncias iônicas são aquelas que apresentam pelo menos uma ligação iônica entre seus componentes. Entre estes compostos temos, por exemplo os cloretos (Ex.: NaCl - sal de cozinha), nitratos (NaNO3), sulfatos (Na2SO4), carbonatos (CaCO3), etc. -10Cloretos: O cloro é um elemento localizado na Família 7A da Tabela Periódica, que o classifica como pertencente à família dos halogênios. A sua configuração eletrônica, razão desta sua classificação, é 1s22s22p63s23p5, o que mostra que o átomo de cloro possui sete elétrons em sua camada de valência (última camada, camada M no caso do cloro). Dessa forma, o átomo de cloro necessita de um elétron para adquirir a estabilidade de um gás nobre (de acordo com a Regra do Octeto, oito elétrons na camada de valência conferem maior estabilidade a um átomo). Assim, o NOX (número de oxidação) do cloro é (-1), o qual expressa a sua tendência ao fazer uma ligação química. O nome dado à partícula iônica Cl- é cloreto, o qual é o ânion de muitos sais de importância comercial. Um cloreto trata-se de um sal inorgânico onde está presente como ânion (partícula carregada negativamente) o átomo de cloro monovalente, e um cátion metálico. O número de cargas positivas deverá ser igual ao de cargas negativas, o que quer dizer que o NOX do cátion será igual à quantidade de cloretos existentes na molécula, uma vez que o cloreto realiza apenas uma ligação química. Portanto,no caso do cloreto de sódio, a fórmula molecular será NaCl (o metal sódio apresenta NOX +1), já a fórmula molecular do cloreto de cálcio será CaCl2, pois o metal cálcio apresenta NOX +2. E ambos os metais exemplificados podem ter o seu NOX relacionado às suas posições na Tabela Periódica: o primeiro na Família 1A e o segundo na Família 2A. Os sais formados pelo ânion cloro estão entre os mais corriqueiros da química inorgânica, estando presentes em muitas substâncias naturais de nosso contexto. “Os cloretos estão presentes em todas as águas naturais, em concentrações variáveis, como em amostras de águas, tais como: Água Potável; Água de Poço; Água para Caldeira e Água Destilada”2 Em vista de sua solubilidade com a maioria das formações, talvez o cloreto insolúvel mais importante seja o cloreto de prata, pode-se considerar sua importância como fonte de minerais ao organismo humano, tais como no caso do cloreto de sódio (NaCl) e do cloreto de potássio (KCl). -Nitratos: Os nitratos são compostos inorgânicos que contêm o ânion NO3-. O nitrogênio é o décimo quinto (15) Grupo da tabela periódica e pertence à família VA. Como todos os elementos dessa família, possui 5 elétrons na camada de valência. No entanto, cada oxigênio possui 6 elétrons na última camada e, portanto, cada um de seus átomos precisa realizar duas ligações para ficar estável. Assim, no ânion nitrato, o nitrogênio é o elemento central, que realiza uma ligação dupla com um dos oxigênios, que fica estável, e mais duas ligações simples com os outros dois oxigênios. Isso significa que esses dois oxigênios não ficam estáveis, precisando ainda receberem mais 1 elétron cada, dando um total de carga igual a -2. Porém, visto que o nitrogênio faz uma ligação a mais do que poderia fazer, ele doa um de seus elétrons, ficando com carga igual a +1. Assim, no total, o ânion fica monovalente (- 2 + 1 = -1). Veja abaixo a estrutura desse ânion: 10 http://www.infoescola.com/ Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 71 -11Sulfatos: Os sulfatos são compostos químicos iônicos, de valência ou estado de oxidação 2-, que se originam a partir do ácido sulfúrico, tratando-se de um átomo de enxofre central ligado a quatro átomos de oxigênio por meio de ligações covalentes, de fórmula molecular SO42-. Dessa forma, o mais conhecido ácido do íon sulfato é o ácido sulfúrico (H2SO4), sendo também utilizada a denominação de óxido sulfúrico para os sulfatos. Apresentam importância que vai desde o laboratório, passa pela indústria e chega aos sistemas vivos. A maioria dos sais de sulfatos é solúvel, exceções feitas ao sulfato de cálcio (CaSO4), sulfato de estrôncio (SrSO4) e sulfato de bário (BaSO4). Tal fato deve-se a elevada energia de ligação entre cátion e ânion, uma vez que o primeiro apresenta valência +2, e o segundo valência -2. Um importante conceito químico na averiguação da solubilidade de um composto está no equilíbrio das cargas elétricas, o que, quando ocorre, sugere insolubilidade do composto. Entretanto, este princípio apresenta um grande número de exceções, e somente pode ser usado para cátions e ânions de valência igual ou superior a dois. No processo de solubilidade do sal de um sulfato está envolvido a sua dissociação aquosa, ou seja, a ligação química, de natureza iônica, existente entre o(s) átomo(s) metálico(s) (cátions) e o sulfato (ânion), que é quebrada, e o composto então é dissociado em seus íons; solubilizado. Entretanto, as ligações covalentes existentes entre o átomo de enxofre e os quatro átomos de oxigênio não apresentam interação com a água, de modo que permanecem intactas. Abaixo pode ser compreendido o conceito da dissociação, no qual é apresentada a molécula de sulfato de sódio. Dissociação do sulfato de sódio. -Carbonatos: Carbonatos são sais inorgânicos formados pelo ânion CO32-. A principal característica desse grupo de compostos é a insolubilidade em água: todos são insolúveis, com exceção do carbonato de amônio (NH4)2CO3 e dos de metais alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs e Fr). Podem ser formados a partir da reação de ácido carbônico (H2CO3) com óxidos básicos. A reação de carbonatos com ácidos tem como produto o dióxido de carbono (CO2). Isso ocorre porque o contato com o íon H+ torna o carbonato mais instável e sujeito à decomposição, que produz o CO2. Esse processo consiste numa efervescência, que acontece, por exemplo, no estômago quando um antiácido é ingerido. Os carbonatos são muito frequentes na natureza. Veja alguns dos principais compostos: -Carbonato de cálcio Sal inorgânico representado pela fórmula química CaCO3, o carbonato de cálcio é muito encontrado na natureza, constituindo o mármore, o calcário, a argonita, a calcita, a casca do ovo, o esqueleto de conchas e corais. Utiliza-se o carbonato de cálcio na correção da acidez de solos e na fabricação do vidro (assim como os carbonatos em geral), cimento, aço, cremes dentais, medicamentos e outros. -Carbonato de sódio O carbonato de sódio também conhecido como soda ou barrilha, é um sal branco, cuja fórmula química é Na2CO3. Sua principal aplicação é na produção do vidro comum, especialmente aqueles utilizados em embalagens. Também é utilizado na fabricação de sabões, detergentes, corantes, papéis, medicamentos e no tratamento da água de piscina. 11 BARBOSA, Addson; Dicionário de Química, 2° Ed.; AB – Editora, Goiânia, 2000. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 72 -Carbonato de potássio Esse composto inorgânico de fórmula química K2CO3 é um sólido branco, muito conhecido também como potassa, cinza pérola ou sal de tártaro. O carbonato de potássio é usado na produção da porcelana, vidro, sabão, cerâmicas, esmaltes, lã, fertilizantes agrícolas, explosivos, etc. Ligação iônica Em uma ligação iônica ocorre transferência definitiva de elétrons, o que acarreta a formação de íons positivos (cátions) ou negativos (ânions), os quais originam compostos iônicos. Como todos os íons apresentam excesso de cargas elétricas positivas ou negativas, eles sempre terão polos. Podemos visualizar a formação de uma ligação iônica típica entre dois átomos hipotéticos, M (um metal) e X (um não-metal), da seguinte maneira: como M é um metal, sua energia de ionização é baixa, isto é, é necessária pouca energia para remover um elétron do átomo. A perda de um elétron por um átomo isolado (gasoso) M leva à formação de um íon positivo oi cátion. Por outro lado, como X é um átomo de um não-metal, o valor de sua afinidade eletrônica é negativo, portanto, possui uma grande tendência em ganhar elétron e formar um ânion. Regra para montar a fórmula de um composto iônico. No cloreto de magnésio existem dois íons, o cloreto (Cl) com número de oxidação -1 e o magnésio (Mg) com nº de oxidação +2. A fórmula será 1 átomo de Mg (nox +2) e 2 átomo de Cl (nox -1). 12Determinação da fórmula iônica A fórmula correta de um composto iônico nos mostra a mínima proporção entre os íons que se unem de modo a formar um sistema eletricamente neutro. Para que isso ocorra, é necessário que o número de elétrons cedidos seja igual ao número de elétrons recebidos. Uma maneira prática de determinar a quantidade necessária de cada íon para escrever a fórmula iônica é: Exemplo: -Formação do cloreto de sódio (sal de cozinha), a partir do sódio e do cloro. Vejamos: O Sódio: Na (Z = 11) = 1s2, 2s2, 2p6, 3 s1 ou 2 – 8 – 1 O Cloro: Cl (Z = 17) = 1s2, 2s2, 2p6, 3 s2 e 3p5 ou 2 – 8 – 7 Características e propriedades dos compostos iônicos: -Rígidos; -Duros e quebradiços 12 12 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. -Metais – 1 a 3 elétrons na última camada; tendência a perder elétrons e formar cátions. Elementosmais eletropositivos ou menos eletronegativos. -Não-Metais – 5 a 7 elétrons na última camada; tendência a ganhar elétrons e formar ânions. Elementos mais eletronegativos ou menos eletropositivos. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 73 -Solúveis em solventes polares; -Maus condutores de eletricidade no estado sólido; - Elevadas temperaturas de fusão e ebulição. Substâncias moleculares As substâncias moleculares são substâncias formadas basicamente por moléculas. Estas não apresentam cargas livres e por isso são incapazes de produzir corrente elétrica. São arranjos entre moléculas. Moléculas e, portanto a menor combinação de átomos que mantém a composição de matéria inalterada (os átomos se ligam por ligações químicas). Propriedades das substâncias moleculares: - Podem ser sólidas (pouco duras e muito quebradiças), líquidas ou gasosas à temperatura ambiente; - Forças de coesão das moléculas --> fracas e por isso, pontos de fusão e de ebulição baixos; - Más condutoras elétricas e térmicas porque as moléculas são partículas neutras; - Em solução aquosa: - Se as moléculas são apolares --> boas condutoras; - Se as moléculas são polares --> más condutoras. Substâncias moleculares -Hidrogênio (H2) O Hidrogênio é um gás inflamável, não tóxico, incolor, inodoro e insípido. Sendo o gás de densidade mais baixa conhecida, normalmente é transportado em cilindros de aço a pressões entre 150 e 200 bar. As moléculas de hidrogênio apresentam duas formas isoméricas. Uma forma é designada de orto- hidrogênio, onde os dois núcleos atômicos estão girando na mesma direção (rotação paralela); na outra forma, designada para-hidrogênio, as rotações nucleares são opostas (rotação não paralela). Na temperatura ambiente, o equilíbrio da composição é 75:25 orto-para, para fins deste trabalho chamaremos esta proporção de H2 normal. É obtido industrialmente: a) a partir do carvão b) processo Lane 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 c) eletrólise 2H2O → 2H2 + O2 2NaCI + 2H2O → 2NaOH + H2 + CI2 -Oxigênio (O2) O oxigênio é um gás incolor, inodoro e, no estado líquido, é azul pálido. É o elemento mais abundante na Terra, quer em porcentagem de átomos, ou em massa. Ocorre na atmosfera, combinado com hidrogênio na hidrosfera e combinado como silício, ferro, alumínio e outros elementos na crosta terrestre (litosfera). É usado como “comburente”, substância que alimenta as combustões. É obtido industrialmente por liquefação e posterior destilação fracionada do ar atmosférico. Inicialmente, o ar atmosférico é submetido a sucessivas compressões e resfriamentos até atingir uma temperatura de aproximadamente – 200 °C. O ar torna-se líquido e, então, faz-se a destilação fracionada. Inicialmente, destila o componente mais leve que é o nitrogênio (PE = –195 °C), depois argônio (PE –190 °C) e, por último, o oxigênio (PE –185 °C). É obtido também pela eletrólise da água: 2H2O → 2H2+O2 -Nitrogênio (N2) O nitrogênio é um gás, incolor, inodoro, insípido e inerte. Ocorre na Terra como o principal constituinte do ar atmosférico onde se encontra livre (N2). É difícil encontrar compostos inorgânicos do nitrogênio como minerais, pois a maioria é solúvel em água. O nitrogênio é encontrado em compostos orgânicos em todos os seres vivos, animais e plantas. Certas bactérias no solo e raízes de algumas plantas, especialmente os legumes, convertem o nitrogênio atmosférico em nitrogênio orgânico, que é, então, transformado por outras Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 74 bactérias em nitrato, a forma de nitrogênio mais usada pelas plantas na síntese de proteínas. O nitrogênio é obtido industrialmente por liquefação e posterior destilação fracionada do ar atmosférico. Em laboratório, é obtido pela decomposição do nitrito de amônio (NH4NO2): -Gás cloro (Cl2) O cloro é um elemento utilizado na indústria e encontrada em alguns produtos domésticos. O gás de cloro pode ser pressurizada e/ou aquecido para transformar-se num líquido, de modo que ele possa ser transportado e armazenado. Quando o cloro líquido é liberado, ele rapidamente se transforma em um gás que fica perto do chão e se espalha rapidamente. O gás de cloro pode ser reconhecido pelo seu odor picante, irritante, que é como o odor de alvejante. O cheiro forte pode fornecer um sinal adequado para as pessoas que foram expostas. O gás de cloro parece ser amarelo esverdeado na cor. O cloro em si não é inflamável, mas pode reagir explosivamente ou formar compostos explosivos com outros produtos químicos, tais como terebintina e amoníaco. -Gás Amoníaco ou Amônia (NH3) A amônia ou gás amoníaco (NH3) é uma composto formado por um átomo de nitrogênio ligado à três de hidrogênio. É um gás incolor (ponto de ebulição normal - 33,4 °C), com odor característico, sufocante, e sua inalação, em altas concentrações, causa problemas respiratórios. Este composto é obtido por um processo famoso chamado Haber-Bosch que consiste em reagir nitrogênio e hidrogênio em quantidades estequiométricas em elevada temperatura e pressão. É a maneira de obtenção de amônia mais utilizada hoje em dia. Esse processo leva o nome de seus desenvolvedores Fritz Haber e Carl Bosch. - Ácido Clorídrico (HCl) O ácido clorídrico é formado pelo gás cloreto de hidrogênio (HCl) dissolvido em água, numa proporção de cerca de 37% do gás. É um ácido inorgânico forte, líquido levemente amarelado, em que seus cátions H+ são facilmente ionizáveis na solução. A 18ºC o grau de ionização do ácido clorídrico, isto é, a porcentagem de hidrogênios que efetivamente sofrem ionização é de 92,5%. Este ácido é muito usado na limpeza e galvanização de metais, no curtimento de couros, na obtenção de vários produtos, como na produção de tintas, de corantes, na formação de haletos orgânicos, é usado também na hidrólise de amidos e proteínas pelas indústrias alimentícias e na extração do petróleo, dissolvendo as rochas e facilitando o seu fluxo até a superfície. Ele pode ser encontrado também no suco gástrico do estômago, cuja ação é ajudar na digestão dos alimentos. Ele é secretado pelo estômago num volume aproximado de 100 mL. Algumas pessoas sofrem de refluxo gastresofágico, que é o retorno do conteúdo do ácido clorídrico do estômago, como mostrado abaixo. Ele provoca queimação, rouquidão e dor torácica. -Gás Metano (CH4) O metano (CH4) é um gás que não possui cor (incolor) nem cheiro (inodoro). Considerado um dos mais simples hidrocarbonetos, possui pouca solubilidade na água e, quando adicionado ao ar, torna-se altamente explosivo. O gás metano é produzido pela decomposição da matéria orgânica. É abundante em aterros sanitários, lixões e reservatórios de hidrelétricas, e também pela criação de gado (a pecuária representa 16% das emissões mundiais de gases de efeito estufa) e cultivo de arroz. Também é resultado da produção e distribuição de combustíveis fósseis (gás, petróleo e carvão). Se comparado ao CO2, também é mais perigoso: o metano é mais eficiente na captura de radiação do que o CO2. O impacto comparativo de CH4 sobre a mudança climática é mais de 20 vezes maior do que o CO2, isto é, 1 unidade de metano equivale a 20 unidades de CO2. Ligação covalente ou molecular A ligação covalente ocorre entre átomos com tendência a receber elétrons. Entretanto, como não é possível que todos os átomos recebam elétrons, os átomos envolvidos na ligação apenas compartilhar um ou mais pares eletrônicos, sem que ocorra “perda” ou “ganho” definitivo de elétrons. A ligação covalente pode ser representada por: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 75 Átomos A B Tendência receber e- receber e- Classificação Hidrogênio Hidrogênio Ametal Ametal Hidrogênio Ametal Ametal Semimetal Par eletrônico x--------------------------------------------x Compartilhamento As substânciasformadas através das ligações covalentes apresentam-se como unidades de grandeza limitada, denominadas moléculas; por isso a ligação covalente é também denominada de ligação molecular. A ligação covalente pode ocorrer através de um ou mais partes de elétrons. Cada par eletrônico compartilhado entre dois átomos pode ser representado por um traço (-). Assim, podemos ter: Ligação simples: -Ligação dupla: -Ligação tripla: A ligação covalente e a tabela periódica A relação entre a posição na tabela e o número de ligações é indicada a seguir: -Família VIIA (família dos Halogênios) Os elementos da família VIIA apresentam 7e- na sua última camada (camada de valência). Assim, eles atingem a estabilidade ao compartilharem um único par eletrônico sendo assim denominados monovalentes. Exemplo: -Ligação entre dois átomos de cloro (Cl2): Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 76 (Uma ligação simples) -Família VIA (família dos Calcogênios) Os elementos da família dos calcogênios apresentam 6e- na sua camada de valência. Diante disso, eles devem adquirir dois pares eletrônicos para alcançar a estabilidade, sendo denominados bivalentes. (Duas ligações simples) -Família VA Estes elementos apresentam 5e- na sua camada de valência, assim devem adquirir a estabilidade ao compartilharem três partes eletrônicos (trivalentes) (Três ligações simples) -Família IVA Como estes elementos apresentam 4e- na camada de valência, eles alcançarão a estabilidades quando compartilharem quatro pares eletrônicos (tetravalentes). (Quatro ligações simples) -Hidrogênio O hidrogênio (1s1) para adquirir sua configuração eletrônica estável, ele deve ganhar um elétron e compartilhar um par eletrônico (Monovalente) Fórmulas químicas A representação do número e dos tipos de átomos que formam uma molécula é feita por uma fórmula química. Existem diferentes tipos de fórmulas: a molecular, a eletrônica e a estrutural plana. a) Molecular: é a representação mais simples e indica apenas quantos átomos de cada elemento químico formam a molécula. b) Eletrônica: também conhecida como fórmula de Lewis, esse tipo de fórmula mostra, além dos elementos e do número de átomos envolvidos, os elétrons da camada de valência de cada átomo e a formação dos pares eletrônicos. c) Estrutural plana: também conhecida como fórmula estrutural, ela mostra as ligações entre os elementos, sendo cada par de elétrons entre dois átomos representado por um traço. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 77 Perceba que mais de um par de elétrons pode ser compartilhado, formando-se, então, ligações simples, duplas e triplas. Veja as fórmulas de algumas moléculas simples: Casos particulares que contrariam a regra do octeto Vários compostos estáveis não apresentam oito elétrons em torno de um átomo da molécula. Veja alguns elementos que não seguem a regra do octeto: -Berílio (Be): embora classificado como metal alcalino-terroso, pelo fato de seus dois elétrons da camada de valência apresentarem elevadas energias de ionização, forma compostos moleculares com duas ligações simples. Assim, estabiliza-se com quatro elétrons na camada de valência. -Alumínio (Al): como seus elétrons de valência apresentam elevadas energias de ionização, o alumínio forma, em alguns casos, três ligações simples. Assim, estabiliza-se com seis elétrons na camada de valência. As explicações anteriores baseiam-se em fatos experimentais. Compostos como BF3, BeF2 e AlCl3 apresentam TF e TE baixas, quando comparados com compostos iônicos, o que evidencia que eles são moleculares. -Boro (B): forma compostos estáveis através de três ligações simples, estabilizando-se com seis elétrons na camada de valência. Ligação Covalente Normal Este tipo de ligação ocorre entre dois átomos que compartilham pares de elétrons. Os átomos participantes da ligação devem contribuir com um elétron cada, para a formação de cada par eletrônico. Exemplo: A molécula de Hidrogênio (H2), (distribuição eletrônica: 1H = 1s1) necessita de um elétron para cada átomo de Hidrogênio para ficar com a camada K completa (dois elétrons). Assim os dois átomos de Hidrogênio se unem formando um par eletrônico comum a eles (compartilhamento). Desta forma, cada átomo de Hidrogênio adquire a estrutura eletrônica do gás nobre Hélio (He) Ligação covalente dativa A ligação covalente dativa, também chamada de coordenada, ocorre quando um dos átomos envolvidos já atingiu a estabilidade e o outro átomo ainda precisa de dois elétrons para completar sua camada de valência. Essa ligação é semelhante à covalente comum, na medida em que existe um compartilhamento de um par eletrônico. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 78 (Ligação covalente dativa) Resumindo... A ligação covalente ocorre entre: – Hidrogênio – Hidrogênio – Hidrogênio – Não-metal – Não-metal – Não-metal Obs.: Os semimetais também podem ser incluídos. A Ligação covalente e suas variações alotrópicas A alotropia é a propriedade pela qual os átomos de um mesmo elemento químico pode originar uma ou mais substâncias simples e diferentes, através do compartilhamento de elétrons. As variedades alotrópicas dos átomos podem variar devido ao: (1) Número de átomos que forma cada molécula, isto é, sua atomicidade Exemplo: Oxigênio (O): O elemento oxigênio forma duas variedades alotrópicas: uma delas, mais abundante na atmosfera, é o gás oxigênio (O2) e a outra, o ozônio (O3) -O2: Cada molécula é formada por 2 átomos dando origem ao gás oxigênio -O3: cada molécula é formada por 3 átomos dando origem ao gás ozônio. OBS: A transformação de O2 (g) em O3 (g) pode ser feita utilizando descargas elétricas (2) Arranjo dos átomos no retículo cristalino: Exemplo: Carbono (C) O diamante, o fulereno e a grafita, são as formas alotrópicas do elemento químico carbono. Estas substâncias diferem entre si pela estrutura cristalina, isto é, pela forma de seus cristais. A maneira dos átomos de carbono se unirem é diferente em todos estes três compostos, ou seja, se diferem no retículo cristalino. Essas variedades alotrópicas apresentam propriedades físicas diferentes e suas propriedades químicas, na maioria das vezes, são semelhantes. Vejamos com mais detalhes os principais casos de alotropia do carbono: -Diamante: No diamante, cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos também de carbono não contidos num mesmo plano. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 79 -Grafita: A grafita é formada por uma estrutura composta de anéis hexagonais contidos num mesmo plano. Como os anéis estão em um mesmo plano, esse conjunto forma lâminas. Assim, a grafita é constituída por um grande número dessas lâminas sobrepostas, permitindo o deslizamento de um sobre a outra. -Fulereno: Os fulerenos são uma forma alotrópica do Carbono, a terceira mais estável após o diamante e o grafite. Tornaram-se populares entre os químicos, tanto pela sua beleza estrutural quanto pela sua versatilidade para a síntese de novos compostos químicos. Ligação metálica É o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de metais. Quando muitos destes átomos estão juntos num cristal metálico, estes perdem seus elétrons da última camada. Forma-se, então, uma rede ordenada de íons positivos mergulhada num mar de elétrons em movimento aleatório. Se aplicarmos um campo elétrico a um metal, orientamos o movimento dos elétrons numa direção preferencial, ou seja, geramos uma corrente elétrica Teoria do “mar de elétrons” ou teoria da “nuvem eletrônica” A principal característica dos metais é a eletropositividade (tendência de doar elétrons), assim os elétrons da camada de valência saem facilmentedo átomo e ficam “passeando” pelo metal, o átomo que perde elétrons se transforma num cátion, que, em seguida, pode recapturar esses elétrons, voltando a Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 80 ser átomo neutro. O metal seria um aglomerado de átomos neutros e cátions, imersos num “mar de elétrons livres” que estaria funcionando como ligação metálica, mantendo unidos os átomos e cátions de metais. Característica e propriedades dos metais: -Brilho metálico: o brilho será tanto mais intenso quanto mais polida for a superfície metálica, assim os metais refletem muito bem a luz. -Condutividades térmica e elétrica elevadas: os metais são bons condutores de calor e eletricidade pelo fato de possuírem elétrons livres. -Densidade elevada: os metais são geralmente muito densos, isto resulta das estruturas compactas devido à grande intensidade da força de união entre átomos e cátions (ligação metálica), o que faz com que, em igualdade de massa com qualquer outro material, os metais ocupem menor volume. -Resistência à tração: os metais resistem às forças de alongamentos de suas superfícies, o que ocorre também como consequência da “força” da ligação metálica. -Pontos de fusão e ebulição elevados: os metais apresentam elevadas temperaturas de fusão e ebulição, isto acontece porque a ligação metálica é muito forte. -Maleabilidade: a propriedade que permite a obtenção de lâminas de metais. -Ductilidade: a propriedade que permite a obtenção de fios de metal. As ligas metálicas As ligas metálicas são uniões de dois ou mais metais, podendo ainda incluir semimetais ou não metais, mas sempre com predominância dos elementos metálicos. Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção. Podemos dizer que as ligas metálicas têm maiores aplicações práticas que os próprios metais puros: -Aço: Formado pela mistura de aproximadamente 98,5% de ferro, 0,5 a 1,7% de carbono e traços de silício, enxofre e oxigênio. É usado em peças metálicas que sofrem elevada tração, pois é mais resistente à tração do que o ferro puro. O aço é uma liga usada para produzir outras ligas metálicas. -Aço Inox: Formado por 74% de aço, 18% de cromo e 8% de níquel. Por ser praticamente inoxidável, é usado em talheres, peças de carro, brocas, utensílios de cozinha e decoração. -Ouro 18 quilates: Liga formada por 75% de ouro, 13% de prata e 12% de cobre. Sua vantagem em relação ao ouro puro é que esse metal é macio e pode ser facilmente riscado. Além disso, a liga mantém as propriedades desejadas do ouro, como brilho, dureza adequada para a joia e durabilidade. -Bronze: Formado por 67% de cobre e 33% de estanho. Sua principal propriedade é resistência ao desgaste, sendo muito usado para produzir sinos, medalhas, moedas e estátuas. -Latão: Mistura de 95 a 55% de cobre e de 5 a 45% de zinco. Devido a sua alta flexibilidade, ele é usado para produzir instrumentos musicais de sopro, como trompete, flauta, saxofone etc., além de também ser aplicado em peças de máquinas, produção de tubos, armas e torneiras. -Amálgama: Muito usada em obturações nos dentes, a amalgama é formada pela mistura de 70% de prata, 18% de estanho, 10% de cobre e 2% de mercúrio. Ela é bastante resistente à oxidação (corrosão) e é bem maleável, podendo ser moldada no dente do paciente. -Solda: Formada por 67% de chumbo e 33% de estanho, ela é usada em solda de contatos elétricos porque possui baixo ponto de fusão. Propriedades características e propriedades das ligas metálicas: -Condução da energia elétrica – elétrons são promovidos a níveis energéticos mais elevados que estão disponíveis (vazios). -Condução de energia térmica: Elétrons “deslocalizados” interagem fracamente com os núcleos. -No aquecimento os elétrons adquirem grande quantidade de energia cinética e deslocam-se para as regiões mais frias. -Dissipação desta energia através de choque com outras partículas levando a aquecimento do retículo. -Vibração dos cátions em suas posições no retículo cristalino também contribui – razão pela qual a condutividade elétrica dos metais cai com o aumento da temperatura. Questões 01. O elemento “A” possui número atômico igual a 6, enquanto o elemento “B” possui número atômico igual a 8. A molécula que representa corretamente o composto formado por esses dois elementos é: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 81 (A) AB (B) BA (C) A2B (D) AB2 (E) B2A 02. Sabe-se que a interação entre átomos que se ligam, na formação de novas substâncias, é feita através de seus elétrons mais externos. Uma combinação possível entre o elemento A com a configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 e outro B (Z = 17) terá fórmula e ligação, respectivamente: (A) AB e ligação iônica. (B) A2B e ligação iônica. (C) A2B3 e ligação covalente. (D) AB2 e ligação iônica. (E) A2B e ligação covalente. 03. (UFU-MG) O fosgênio (COCl2), um gás, é preparado industrialmente por meio da reação entre o monóxido de carbono e o cloro. A fórmula estrutural da molécula do fosgênio apresenta: (A) uma ligação dupla e duas ligações simples. (B) uma ligação dupla e três ligações simples. (C) duas ligações duplas e duas ligações simples. (D) uma ligação tripla e duas ligações simples. (E) duas ligações duplas e uma ligação simples. 04. Os elementos H, O, Cl e Na (ver Tabela Periódica) podem formar compostos entre si. A) Que compostos podem-se formar entre: H e O, H e Cl, Na e Cl? B) Qual o tipo de ligação formada em cada caso? 05. Cite três características físicas que permitem identificar um elemento metálico. 06. Os átomos pertencentes à família dos metais alcalinos terrosos e dos halogênios adquirem configuração eletrônica de gases nobres quando, respectivamente, formam íons com números de carga: (A) + 1 e – 1. (B) – 1 e + 2. (C) + 2 e – 1. (D) – 2 e – 2. (D) + 1 e – 2 07. Considere o elemento cloro formando compostos com, respectivamente, Hidrogênio, carbono, sódio e cálcio. A) Com quais desses elementos o cloro forma compostos covalentes? B) Qual a fórmula de um dos compostos covalentes formados? 08. Os elementos químicos que apresentam a última camada eletrônica incompleta podem alcançar uma estrutura mais estável unindo-se uns aos outros. A) De que forma se podem ligar dois átomos que precisem ganhar elétrons? B) Dois elementos situam-se: um no segundo período e subgrupo 4A; e o outro, no terceiro período e subgrupo 7A da Tabela Periódica. Qual será a fórmula provável do composto por eles formado? Respostas 01. Resposta D. Pela da distribuição eletrônica de cada elemento, descobrimos a que família pertencem, quantos elétrons eles possuem na sua última camada (camada de valência) e, também, quantas ligações covalentes cada um realiza: 6A: 2 – 4 8B: 2 – 6 Assim, o elemento A é da família 14, possuindo 4 elétrons na camada de valência e precisando receber mais 4 elétrons para ficar estável. O elemento B da família 16 possui 6 elétrons na camada de valência e precisa realizar duas ligações para ficar estável. Diante disso, temos: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 82 Portanto, a fórmula molecular nesse caso é: AB2. Visto que o A é o átomo central ele vem primeiro. Se olharmos na Tabela Periódica, veremos que o elemento A é o carbono e o elemento B é o oxigênio. Então, a fórmula é: CO2. 02. Resposta: D. A ⇒ 2 elétrons na camada de valência Tendência a doar 2 e– ⇒ A2+ B ⇒ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 7 elétrons na camada de valência Tendência a receber 1 e– ⇒ B1– A ligação é iônica, pois, ocorre entre átomos de um metal (A) e de um ametal (B). Teremos a transferência dos 2 elétrons do A. Porém, cada B só recebe um elétron. Precisaremos, portanto,de 2 átomos de B para receberem os 2 elétrons do A. Então, para 1A preciso de 2B: AB2 03. Resposta A. Como se pode ver na sua fórmula abaixo, o fosfagênio apresenta uma ligação dupla e duas ligações simples: Cl | C O Cl 04. Resolução: A) H2O, H2O2, HCl, NaCl. B) H2O, covalente; H2O2, covalente; HCl, covalente; NaCl, iônica. 05. Resolução: Condutividade elétrica, condutividade térmica, brilho, maleabilidade, ductilidade, tenacidade (resistência a tração). 06. Resposta C. Para adquirir a mesma configuração eletrônica de um gás nobre um elemento deve apresentar oito elétrons na última camada. Para tal, um elemento classificado como metal alcalino terroso deve doar dois elétrons e um halogênio receber um. 07. Resolução: A) com o Hidrogênio e o carbono B) H – Cl 08. Resolução: A) por ligação covalente B) CCl4 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 83 Acidez e Basicidade de Compostos Orgânicos Ácidos Carboxílicos são os ácidos orgânicos mais conhecidos; e esta classe de compostos possui o grupo funcional –COOH. As estruturas de ressonância acima explicam a maior acidez de um carboxilato comparado com uma hidroxila: Apesar de que é possível escrever duas estruturas de ressonância para o ácido não dissociado, a segunda estrutura tem menos importância ("contribui muito menos" para a estrutura "verdadeira") do que a primeira, devido à separação de cargas nesta estrutura. Com isso, a estabilização por ressonância no caso do ácido é muito baixa. Já no carboxilato (base conjugada), as duas estruturas de ressonância são idênticas; com isso, a estabilização por ressonância é máxima. O exposto acima significa que, por causa da estabilização por ressonância do carboxilato, a energia da base conjugada (carboxilato) é mais baixa do que a do ácido. Isto resulta no aumento da constante de equilíbrio. Álcoois (pKa ~ 16) são muito menos ácidos do que ácidos carboxílicos (pKa ~ 4), um fato que pode ser explicado facilmente pela ausência de uma estabilização por ressonância da base conjugada de álcoois (íon alcoxi). Tente escrever estruturas de ressonância de um íon alcoxi. Fenóis (pKa ~ 10) são mais ácidos de que álcoois devido às estruturas de ressonância mostradas a seguir: Bases Orgânicas As bases são compostos que possuem o radical OH- em suas composições e são classificadas levando em consideração suas estruturas. O pKb e pKa das Bases é análogo ao pKa de ácidos pode-se definir a constante de associação de uma base com um próton, o pKb. Porém a maioria dos livros apresenta os valores de dissociação dos ácidos correspondentes das bases, pKa (pKa de uma base significa pKa do ácido correspondente da base, ou seja, pKBH+), ao invés dos valores de pKb. 3.3.1.5 Ácidos e bases Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 84 A basicidade das aminas, heterocíclicas, aromáticas com anéis de 6 e 5 membros, piridina e o pirrol, é indicada abaixo em comparação com a trietilamina, a pirrolidina e a dietilamina: Ambos os compostos heterocíclicos são menos básicos do que as aminas alifáticas; sendo que o pirrol pode ser considerado não básico. Explicação: (i) pirrol: A baixa basicidade não pode ser causada pelo anel de 5, porque o composto análogo não aromático, a pirrolidina, possui um pKa parecido com o da dietilamina. Porém, o par de elétrons do nitrogênio no pirrol é deslocalizado no anel aromático fazendo parte do sistema aromático (aromático: 6 elétrons; 4 elétrons das duas C=C + 2 elétrons do par de elétrons do nitrogênio). Com isso, o par de elétrons não é disponível. (ii) piridina: O par de elétrons não participa do sistema aromático (6 elétrons das três C=C). A basicidade reduzida da piridina é devido à hibridização sp2 do nitrogênio: Hibridização do nitrogênio: Exemplos: alquilamina (pKa = 10); piridina (pKa = 5.21); acetonitrila; (pKa = - 4.3) A basicidade diminui com o aumento do caráter, já que o par de elétrons em sp está mais atraído pelo núcleo e, portanto, está menos disponível. Ácidos e bases de Brönsted-Lowry Ácido⇒ substância que pode doar um próton (H+ ). Base ⇒ substância que pode receber um próton (H+) Quanto mais forte o ácido, mais fraca é a base conjugada. Quanto mais forte a base, mais fraco é o ácido conjugado. Um fator que aumenta a força ácida de um composto é a deslocalização da carga negativa da base conjugada. Ka 10-18 10-16 10-10 10-5 composto álcool água fenol Ácido carboxílico Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 85 Quanto maior o Ka mais forte é o ácido e menor é o pKa. Deslocalização da carga negativa no ânion carboxilato: No ânion alcóxido de um álcool não existe deslocalização da carga negativa da base conjugada: Obs: Ácidos carboxílicos podem ser neutralizados por bases fortes, moderadas, fracas e sais de caráter básico como o NaHCO3. Fenóis são neutralizados somente por bases fortes. Relação entre efeitos eletrônicos e acidez e basicidade 1) Fenóis A presença de grupos no anel aromático do fenol pode aumentar ou diminuir a acidez do fenol. X⇒ Efeito eletrônico positivo ⇒diminui a acidez⇒principalmente em orto e para. X⇒ Efeito eletrônico negativo ⇒aumenta a acidez⇒principalmente em orto e para 2) Ácidos carboxílicos Quanto maior a cadeia de carbonos (R), menor é a acidez. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 86 3) Aminas Ordem decrescente de basicidade: Aminas secundárias >Aminas primárias >Aminas terciárias >NH3>Aminas aromáticas. Quanto maior o Kb mais forte é a base e menor é o pKb. Dimetilamina Kb = 5,2.10- 4 Metilamina Kb = 4,4.10- 4 Trimetilamina Kb = 0,62.10- 4 Amônia Kb = 1,8.10- 5 Fenilamina Kb = 3,8.10- 10 As aminas secundárias possuem dois grupos alquilas doadores de elétrons (efeito indutivo positivo), sendo, portanto, mais básicas que as aminas primárias. Considerando-se apenas o efeito indutivo dos grupos alquilas, era de se esperar que as aminas terciárias fossem mais básicas. Entretanto a presença de três grupos alquilas em torno do nitrogênio dificulta a aproximação do cátion H + (impedimento espacial ou estérico). Já as aminas aromáticas são menos básicas que amônia por que o par de elétrons não ligante do nitrogênio pode deslocalizar-se sobre o anel aromático, tornando-se dessa forma menos disponível para se ligar ao H +. Questões 01. Abaixo encontram-se representadas as estruturas de alguns compostos orgânicos. Considerando que a acidez desses compostos pode ser avaliada pela habilidade dos mesmos em ceder um próton (H+) para uma base, responda: a) Qual desses compostos é o menos ácido? Justifique a sua escolha. b) Qual desses compostos é o mais ácido? c) Indique a fórmula estrutural da base conjugada do composto I. 2. (UFU MG) As aminas caracterizam-se por sua basicidade e natureza nucleofílica. Em relação às aminas, responda: a) Qual é a origem da basicidade das aminas? b) Quais são as fórmulas estruturais da trimetilamina e do ácido etanóico? c) Qual é a equação química balanceada representativa da reação da trimetilamina com ácido etanóico? 3. (UFF) O nitrogênio ocorre em diversas classes de compostos orgânicos, dentre as quais uma das mais importantes é a classe das aminas, substâncias orgânicas que reagem com ácidos formando sais. a) Explique, com base em efeitos eletrônicos , porque a dimetilamina é mais básica do que a etilamina b) Dê as fórmulas estruturais das amina, trifenilamina, difenilamina e fenilamina, colocando-as em ordem crescente de basicidade. 04. A etilamina e a dimetilamina são substâncias orgânicas isômeras, de fórmula molecular C2H7N, que apresentam caráter básico acentuado. Quando dissolvidas na água, em condições reacionais idênticas, elas se ionizame possuem constantes de basicidade representadas, respectivamente, por K1 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 87 e K2. Indique a ordem decrescente das constantes K1 e K2 e escreva a equação química que representa a ionização da etilamina em meio aquoso. 05. (Unifesp) Usam-se aditivos para melhorar o aspecto e a preservação dos alimentos industrializados. O aditivo A.I é um agente antimicrobiano utilizado em alimentos como suco de frutas cítricas. O aditivo A.V é um agente antioxidante utilizado em alimentos como as margarinas. a) Dê os nomes dos grupos funcionais que contêm átomos de H encontrados nas duas estruturas. Qual dos dois aditivos pode apresentar maior solubilidade num solvente apolar? Justifique. b) Dentre os aditivos, qual seria o mais indicado para ser utilizado em alimentos de baixos valores de pH? Justifique. Dê o nome do aditivo A.I. 06. Cesgranrio O vinagre é uma mistura de vários ingredientes, sendo o ácido etanóico o principal componente. A única substância que tem um caráter ácido maior do que o ácido etanóico é: 07. (UFF-RJ) Uma das propriedades importantes relacionadas às substâncias orgânicas é a sua acidez e basicidade, uma vez que com base nessa propriedade, purificam-se os compostos orgânicos. Considerando as estruturas apresentadas, pede-se: a) o nome oficial (IUPAC) das substâncias A e B; b) a equação balanceada da reação de A e B com quantidade estequiométrica de NaOH; c) a substância mais ácida dentre A e B. Justifique sua resposta; d) o volume em mL de uma solução de NaOH 0,1 M que é necessário para reagir completamente com 10 g da substância B. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 88 08. (UEG-GO) As propriedades químicas e físicas das moléculas orgânicas são decorrentes da natureza dos grupos funcionais em suas estruturas. Nesse contexto, considere a molécula orgânica abaixo e responda ao que se pede: a) preencha os quadros abaixo com as respectivas funções orgânicas; b) identifique o hidrogênio mais ácido, justificando a sua resposta. 09. (UFPA-PA) Um produto comercial, utilizado para realçar o sabor dos alimentos, é derivado da seguinte substância: Considerando a estrutura acima, responda às questões abaixo. a) Quais as funções químicas presentes? b) Qual o tipo de isomeria que nela ocorre? c) Qual o grupo funcional presente que tem maior caráter básico e qual o que tem maior caráter ácido? 10. (PUC-SP) Os frascos A, B, C e D apresentam soluções aquosas das seguintes substâncias: Assinale a alternativa que apresenta corretamente o pH dessas soluções. Frasco A Frasco B Frasco C Frasco D a) pH=7 pH=7 pH=7 pH=7 b) pH 7 pH 7 pH< 7 pH> 7 c) pH 7 pH 7 pH 7 pH=7 d) pH< 7 pH= 7 pH<7 pH>7 e) pH< 7 pH< 7 pH< 7 pH< 7 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 89 Respostas 01. Resposta a) IV – A ligação N-H é a menos polarizada ou N é o menos eletronegativo. b) III c) 02. Resposta a) As aminas são bases de Lewis: apresentam um par de elétrons que pode ser doado em um processo ácido/base de Lewis; b) c) N (CH3)3 + CH3COOH → [(CH3)3NH]+ [OOCCH3] - 03. Resposta a) Os grupos alquilas apresentam efeito indutivo + I. A dimetilamina é mais básica já que o efeito é mais acentuado, pela maior proximidade dos radicais metilas ao nitrogênio b) 5H6C–N – C6H5 5H6C – NH – C6H5 C6H5 5H6C – NH2 04. Resposta A basicidade da dimetilamina é maior do que a da etilamina, portanto K2 > K1. C2H5NH2 + HOH → C2H5NH3+ + OH- 05. Resposta a) Os grupos funcionais são ácido carboxílico e fenol, observe a figura 1. Num solvente apolar o aditivo que apresenta maior solubilidade é aquele predominantemente apolar. Este aditivo é o A.V., pois os dois átomos de oxigênio estão em posição oposta (para) um em relação ao outro e isto diminui o momento dipolo elétrico, além disso, este aditivo possui maior número de carbonos. b) Alimentos de baixos valores de pH são alimentos ácidos, como as frutas cítricas citadas no texto. O aditivo mais indicado também deve apresentar caráter ácido. Neste caso o aditivo A.I. apresenta o caráter ácido mais acentuado, pois o ácido carboxílico é um ácido mais forte do que o fenol, logo este é o aditivo mais indicado. Observe a fórmula estrutural do aditivo A.I. na figura 2: 06. Resposta :E Função ácido carboxílico caracteriza maior acidez Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 90 07. Resposta: a) Ácido p-nitrobenzóico (ácido 4-nitrobenzóico) e p-metilbenzóico (ácido 4-metilbenzóico). b) a) O Ácido p-nitrobenzóico (substância A). Porque o grupo NO2 apresenta efeito indutivo (- I): atrai elétrons, diminuindo a atração do hidrogênio à carboxila, facilitando a sua ionização, aumentando a força do ácido. 08. Resposta a) b) Ácido carboxílico, pois possui maior constante de ionização quando comparado com o fenol, enol e álcool. 09. Resposta a) Ácido carboxílico e amina. b) Isomeria óptica c) Caráter básico: grupo amino (- NH2) Caráter ácido: carboxila 10. Resposta :D Frasco A: o fenol é um composto que apresenta caráter ácido, portanto o pH da solução aquosa de fenol, a 25 °C, será menor que 7. Frasco B: o etanol apresenta um caráter neutro, portanto o pH da solução será igual a 7, a 25 °C. Frasco C: o ácido acético apresenta um caráter ácido, portanto o pH da solução será menor que 7, a 25 °C. H3C - COOH + H2O ⇌ H3O + + H3C – COO Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 91 Frasco D: a metilamina é um composto de caráter básico, portanto o pH da solução será maior que 7, a 25 °C. H3C - NH2 + H2O ⇌ (H3C – NH3) + + OH- Compostos Inorgânicos Propriedades funcionais são propriedades comuns a determinados grupos de matérias, identificados pela função que desempenham, e são tais grupos denominados de funções químicas. As funções químicas são um conjunto de substâncias com propriedades químicas semelhantes, que podem ser divididas em orgânicas e inorgânicas. As funções orgânicas são aquelas constituídas pelo elemento carbono, constituída de grupos de compostos orgânicos que possuem propriedades químicas semelhantes em razão da presença do mesmo grupo funcional em sua estrutura. As funções inorgânicas são aquelas constituídas por todos os demais elementos químicos que constituem os ácidos, bases, sais e óxidos, estudados pela Química Inorgânica. ÁCIDOS Antes da teoria de Svante August Arrhenius, os ácidos eram conceituados por uma série de propriedades comuns, como: - Apresentar sabor azedo - Tornar róseo o papel de tornassol azul - Produzir efervescência liberando gás carbônico, quando adicionados ao mármores e a outros carbonatos. Entretanto, depois de Arrhenius, pode-se entender que essas propriedades comuns são consequência do fato de todos os ácidos apresentarem o mesmo íons positivo, H+. Antes de se dissolverem em água, os ácidos são compostos moleculares. Exemplo: HCl, HNO3 e H2SO4 puros (na ausência de água) não formam íons. A ionização ocorre quando são dissolvidos em água. Assim, verifica-se que todos os ácidos conduzem corrente elétrica. Nomenclatura dos ácidos Para efeito de nomenclatura, os ácidos são divididos em dois grupos: - Hidrácidos; - Oxiácidos. Resumindo: Ácidos são todas substâncias que em solução aquosa libera como íons positivos somente H+. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 92 1. Hidrácidos (HxE): Ácidos sem oxigênio. Seus nomes são dados da seguinte maneira: Exemplos: - HF — ácido fluorídrico - HBr — ácido bromídrico - H2S — ácido sulfídrico - HCl — ácido clorídrico - HI — ácido iodídrico - HCN — ácido cianídrico 2. Oxiácidos: ácidos com oxigênio.Uma das maneiras mais simples de dar nome a esses ácidos é a partir do nome e da fórmula dos ácidos-padrão de cada família. Com base nessas fórmulas e com a variação do número de átomos de oxigênio, determinam-se as fórmulas e os nomes de outros ácidos, com o uso de prefixos e sufixos. Observe: Assim, teremos: Família 14/IVA (C) - H2CO3 — ácido carbônico Família 15/VA (N, P, As) - HNO3 — ácido nítrico - H3PO4 — ácido fosfórico - HNO2 — ácido nitroso Família 16/VIA (S, Se) - H2SO4 — ácido sulfúrico - H2SO3 — ácido sulfuroso Família 17/VIIA (Cl, Br, I) - HClO4 — ácido perclórico - HClO3 — ácido clórico - HClO2 — ácido cloroso - HClO — ácido hipocloroso Obs.: não existem ácidos oxigenados do flúor. Alguns ácidos de um mesmo elemento têm os prefixos de seus nomes atribuídos em função de seu grau de hidratação: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 93 Grau de hidratação: Orto > Piro > Meta O prefixo orto é dispensável. Exemplo: (H3PO4): - 2H3PO4 – 1 H2O: H4P2O7 (ácido pirofosfórico) - 1H3PO4 – 1 H2O: HPO3 (ácido metafosfórico) Classificação dos ácidos Os ácidos podem ser classificados a partir de vários critérios diferentes, tais como: - QUANTO AO NÚMERO DE HIDROGÊNIOS IONIZÁVEIS: Hidrogênio ionizável é aquele que está ligado a um átomo da molécula com eletronegatividade significativamente maior que a sua, formando, assim, um polo positivo e um negativo dentro da molécula. Ao serem adicionados na água, sofrerão força eletrostática pelos respectivos polos negativos e positivos da água, sendo, então, separados por ela. Com isso, há a formação de cátions H+, ou seja, houve a ionização de hidrogênios. Exemplos: - Monoácido: apresenta apenas um hidrogênio ionizável; - Diácido: apresenta dois hidrogênios ionizáveis; - Triácido: apresenta três hidrogênios ionizáveis; - Tetrácido: apresenta quatro hidrogênios ionizáveis; Importante: Nos hidrácidos todos os hidrogênios são ionizáveis, já nos oxiácidos, apenas aqueles que estão ligados a átomos de oxigênio é que serão ionizáveis, por exemplo: - Hidrácidos: -Oxiácidos: Assim, em soluções aquosas, os ácidos podem liberar um ou mais íons H+ para cada molécula de ácido ionizado, e cada íon H+ liberado corresponde a uma etapa de ionização. Exemplo: a ionização do H2SO4: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 94 - GRAU DE IONIZAÇÃO O Grau de ionização de um ácido (α) consiste na relação entre o número de moléculas ionizadas e o número total de moléculas dissolvidas. Para realizar o cálculo dessa relação, usamos a seguinte equação: Comparando os graus de ionização temos: - Ácidos fortes: aqueles que possuem um grau de ionização igual ou maior que 50%. Exemplos a 18°C: HCl (α = 92,5%), H2SO4 (α = 61%); - Ácidos moderados ou semifortes: seu grau de ionização é maior que 5% e menor que 50%. Exemplos a 18°C: HF (α = 8,5%), H3PO4(α = 27%); - Ácidos fracos: possui grau de ionização igual ou menor que 5%. Exemplos a 18°C: HCN (α = 0,008%), H2CO3 (α = 0,18%). Exemplo: De cada 100 moléculas de HCl dissolvidas, 92 moléculas sofrem ionização: α = 92 100 𝛂 =0,92% Ácido forte - VOLATILIDADE Volatilidade é a capacidade das substâncias passarem do estado líquido para o gasoso em temperatura ambiente. Desse modo, para classificar os ácidos quanto à volatilidade é preciso considerar os pontos de ebulição dos ácidos: -Ácidos voláteis: a grande maioria dos ácidos: HF, HCl, HCN, H2S, HNO3 etc. O ácido acético, componente do vinagre, é o ácido volátil mais comum no nosso dia-a-dia. Ao abrirmos um frasco com vinagre, logo percebemos seu cheiro característico. -Ácidos fixos: Os dois ácidos pouco voláteis mais comuns são o H2SO4 e o H3PO4. Propriedades dos ácidos O sabor azedo é uma das características comuns aos ácidos, os quais, assim como todas as substâncias azedas, estimulam a salivação. Vamos abordar agora outras propriedades apresentadas por eles e que nos permitem identificá-los: - Causam mudanças de cor nos corantes vegetais (por exemplo: alteram a cor da tintura azul de tornesol, de azul para vermelho). - Reagem com certos metais (como o zinco, o magnésio e o ferro) produzindo hidrogénio gasoso. - Reagem com carbonatos e bicarbonatos, para produzir dióxido de carbono gasoso. - As suas soluções aquosas conduzem a eletricidade Principais ácidos e suas aplicações no cotidiano - Ácido fluorídrico — HF Nas condições ambientes, é um gás incolor que tem a característica de corroer o vidro, quando em solução aquosa. Por esse motivo, em laboratórios, deve ser guardado em frascos plásticos. É usado para fazer gravações em cristais e vidros. - Ácido sulfídrico — H2S O ácido sulfídrico é um gás venenoso, incolor, formado na putrefação de substâncias orgânicas naturais que contenham enxofre, sendo responsável em grande parte pelo cheiro de ovo podre. Alguns animais como o gambá e a maritaca, liberam uma mistura de substâncias de odor desagradável, entre as quais o H2S. Ácido Sulfúrico (H2SO4) É o ácido mais importante na indústria e no laboratório. É utilizado nas baterias de automóvel, é consumido em enormes quantidades em inúmeros processos industriais, como processos da indústria petroquímica, na fabricação de corantes, tintas, explosivos e papel. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 95 É também usado na indústria de fertilizantes agrícolas, permitindo a fabricação de produtos como os fosfatos e o sulfato de amónio. O ácido sulfúrico concentrado é um dos desidratantes mais enérgicos. Assim, ele carboniza os hidratos de carbono como os açúcares, amido e celulose; a carbonização é devido à desidratação desses materiais; O ácido sulfúrico "destrói" o papel, o tecido de algodão, a madeira, o açúcar e outros materiais devido à sua enérgica ação desidratante. O ácido sulfúrico concentrado tem ação corrosiva sobre os tecidos dos organismos vivos também devido à sua ação desidratante. Produz sérias queimaduras na pele. Por isso, é necessário extremo cuidado ao manusear esse ácido; As chuvas ácidas em ambiente poluídos com dióxido de enxofre contêm H2SO4 e causam grande impacto ambiental. - Ácido clorídrico (HCl) O ácido clorídrico consiste no gás cloreto de hidrogênio dissolvido em água. Quando impuro, é vendido com o nome de ácido muriático, sendo usado principalmente na limpeza de pisos e de superfícies metálicas antes do processo de soldagem. O ácido clorídrico também pode ser encontrado em nosso próprio organismo, estando presente no suco gástrico do estômago, produzido pelas células parietais, cuja ação é ajudar na digestão dos alimentos. - Ácido cianídrico (HCN) É um ácido extremamente tóxico. Este gás foi utilizado contra os judeus durante a segunda guerra mundial para a execução da pena de morte. - Ácido acético (CH3-COOH) É o ácido do vinagre, produto indispensável na cozinha no preparo de saladas e maioneses. - Ácido Nítrico (HNO3) Depois do ácido sulfúrico, é o ácido mais fabricado e mais consumido na indústria. É usado na fabricação de explosivos como o trinitrotolueno (TNT) e a nitroglicerina (dinamite); é muito útil para a indústria de fertilizantes agrícolas, permitindo a obtenção do salitre. O ácido nítrico concentrado é um líquido muito volátil; seus vapores são muito tóxicos. É um ácido muito corrosivo e, assim como o ácido sulfúrico, é necessário muito cuidado para manuseá-lo. - Ácido fosfórico (H3PO4) - Os seus sais (fosfatos) têm grande aplicação como fertilizantes na agricultura; - É usado como aditivo em alguns refrigerantes. BASES Antes da teoria de Arrhenius, as bases eram determinadas por uma série de propriedades comuns, como: -Sabor adstringente, isto é, “amarras na boca”; -Tornar a pele lisa e escorregadia; -Tornar azul o papel de tornassol róseo; -Conduzir corrente elétrica.Após as contribuições de Arrhenius, foi possível entender que essas propriedades comuns se devem ao íon negativo OH- (hidroxila ou hidróxido), presente em todas as bases. Os hidróxidos metálicos são compostos iônicos, e por isso, quando se dissolvem em água, há dissociação iônica. Na época de Arrhenius acreditava-se que esses hidróxidos eram formados por moléculas e que a água separava-se em íons. Por ser iônica, essa dissociação pode ser esquematizada como: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 96 Resumindo: Segundo Arrhenius, base é toda substância que, em solução aquosa, sofre dissociação, liberando como único tipo de ânion o OH–. Nomenclatura das bases O nome das bases é obtido a partir da seguinte regra: Exemplos: - NaOH: Cátion: Na+ (sódio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de sódio - Ca (OH)2 Cátion: Ca2+ (cálcio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de cálcio - Al (OH)3 Cátion: Al3+ (alumínio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de alumínio Importante: Quando um mesmo elemento forma cátions com diferentes eletrovalências (cargas), acrescenta-se ao final do nome, em algarismos romanos, o número da carga do íon. Outra maneira de dar nome é acrescentar o sufixo -oso ao íon de menor carga, e -ico ao íon de maior carga. Exemplos: - Ferro: Fe2+ Fe(OH)2 = Hidróxido de ferro (II) ou hidróxido ferroso. Fe3+: Fe(OH)3 = Hidróxido de ferro (III) ou hidróxido férrico. - Cobre: Cu (OH): Hidróxido de cobre (I) Cu (OH)2: Hidróxido de cobre (II) Classificação das bases - Quanto ao número de hidroxilas (OH-) Classificação Número de hidroxilas (OH-) Exemplos Monobase 1 OH- NaOH, LiOH, NH4OH Dibase 2 OH- Ca(OH)2, Fe(OH)2 Tribase 3 OH- Al(OH)3, Fe(OH)3 Tetrabase 4 OH- Sn(OH)4, Pb(OH)4 - Classificação quanto à força Fracas: possui grau de dissociação iônica inferior a 5%, é o caso do NH4 e dos metais em geral (desde que estes não sejam alcalinos ou alcalinos terrosos) Fortes: possui grau de dissociação iônica de praticamente 100%, é o caso das bases de metais alcalinos e metais alcalinos terrosos, exceto os hidróxidos de berílio e magnésio. Hidróxido de + nome do cátion Hidróxido de + nome do cátion + carga do cátion Ou Hidróxido de + nome do cátion + ICO (carga maior) Hidróxido de + nome do cátion + OSO (carga menor) Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 97 Tipo de base Força básica De metais alcalinos Fortes e solúveis De metais alcalino terrosos Fortes e parcialmente solúveis, Exceto a de magnésio, que é fraca Demais bases Fracas e praticamente insolúveis - Quanto à Solubilidade em água O esquema a seguir mostra a variação genérica da solubilidade das bases em água. Solúveis: NH4OH e as bases de metais alcalinos (da família 1ª) Pouco solúveis: as bases de metais alcalinos terrosos (da família 2ª) Praticamente insolúveis: as demais Propriedades das bases -Reações com ácidos Como já sabemos: Assim, se misturarmos um ácido e uma base, os íons H+ e OH– interagem, produzindo água (H2O). Essa reação é denominada neutralização. O cátion da base e o ânion do ácido darão origem a um sal, num processo chamado salificação. -Ação sobre indicadores Tanto os ácidos como as bases alteram a cor de um indicador, e a maioria deles podem ser encontrados na natureza como o repolho roxo, na beterraba, nas pétalas de rosas vermelhas, no chá- mate, nas amoras etc., sendo sua extração bastante fácil. Principais bases e suas aplicações no cotidiano - Hidróxido de sódio – NaOH O hidróxido de sódio é popularmente conhecido como soda cáustica, cujo termo cáustica significa que pode corroer ou, de qualquer modo, destruir os tecidos vivos. É um sólido branco, cristalino e higroscópico, ou seja, tem a propriedade de absorver água. Por isso, quando exposto ao meio ambiente, ele se transforma, após certo tempo, em um líquido incolor. As substâncias que têm essa propriedade são denominadas deliquescentes. Quando preparamos soluções concentradas dessa base, elas devem ser conservadas em frascos plásticos, pois lentamente reagem com o vidro. Tais soluções também reagem com óleos e gorduras e, por isso, são muito utilizadas na fabricação de sabão e de produtos para desentupir pias e ralos. -Hidróxido de cálcio – Ca(OH)2 É popularmente conhecido como cal hidratada ou cal extinta ou cal apagada; - É utilizado na construção civil no preparo da argamassa, usada na alvenaria, e na caiação (pintura a cal) o que fazem os pedreiros ao preparar a argamassa. -Hidróxido de magnésio — Mg(OH)2 O hidróxido de magnésio é um sólido branco, pouco solúvel em água. Quando dissolvido em água, a uma concentração de aproximadamente 7% em massa, o hidróxido de magnésio origina um líquido branco e espesso que contém partículas sólidas misturadas à água. A esse líquido damos o nome de Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 98 suspensão, sendo conhecido também por leite de magnésia, cuja principal aplicação consiste no uso como antiácido e laxante. - Hidróxido de amônio (NH4OH) É obtido ao se borbulhar amônia (NH3) em água, conforme a reação abaixo: NH3 + H2O ↔ NH4+ (aq) + OH- (aq) Assim, não existe uma substância hidróxido de amônio, mas sim soluções aquosas de amônia interagindo com a água, originando os íons amônio (NH4+) e hidróxido (OH-). O hidróxido de amônio é conhecido comercialmente por amoníaco, sendo muito utilizado na produção de ácido nítrico para a produção de fertilizantes e explosivos. Ele também é usado em limpeza doméstica, na produção de compostos orgânicos e como gás de refrigeração. Teoria moderna de Ácido e Base (Brönsted-Lowry) Foi proposta de forma independente por G. Lewis, por T. Lowry e por J. Brönsted. Mas foi Brönsted um dos que mais contribuiu para o seu desenvolvimento. Essa teoria é chamada de teoria protônica porque se baseia na transferência de prótons, iguais ao íon H+, o núcleo do hidrogênio, mas que ao ser chamado de próton, ajuda a diferenciar da teoria de Arrhenius. Além disso, nessa teoria não há necessidade da presença de água. Segundo esses cientistas: “Ácido é toda espécie química, íon ou molécula capaz de doar um próton, enquanto a base é capaz de receber um próton” Exemplos de ácidos e bases segundo a teoria de Brönsted e Lowry: NH3+ HCℓ → NH4+ + Cℓ- base ácido ácido base forte forte fraco fraca Observe que a amônia (NH3) é base porque ela recebe um próton (H+) do ácido clorídrico (HCℓ). Nessa teoria, a reação de neutralização seria uma transferência de prótons entre um ácido e uma base, como a reação explica acima. Apesar de ser uma teoria que também permitiu o estudo e desenvolvimento de várias áreas e de ser uma definição bastante utilizada e atual, ela também tinha uma limitação: não permitia prever o caráter ácido ou o caráter básico de espécies químicas sem a presença de hidrogênio. Indicadores Ácido-Base Existe uma escala da medida da acidez e basicidade das substâncias, denominada escala de pH, que é numerada do 0 ao 14. Quando menor o valor do pH, mais ácida é a substância. Quando maior for o pH, mais básica é a substância. O valor 7, exatamente na metade da escala, indica as substâncias neutras ou seja, nem ácidas nem básicas. Algumas substâncias naturais ou sintéticas que adquirem coloração diferente em solução ácida e em solução básica. São os indicadores ácido-base, utilizados para reconhecer o caráter de uma solução. Como exemplo de indicadores sintéticos, temos: -Fenolftaleína: é um indicador líquido que fica incolor em meio ácido e rosa escuro em meio básico: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 99 -Papel de tornassol: Fica com cor azul na presença de bases e adquire corvermelha na presença de ácidos. -Alaranjado de metila: O alaranjado de metila fica vermelho em contato com ácido, amarelo-laranja em base e quando neutro. -Azul de bromotimol: O azul de bromotimol fica amarelo em ácido, e azul em base e quando neutro Alguns indicadores naturais também podem ser utilizados, como o repolho roxo e a flor hortência e o hibisco. -Repolho-roxo: O repolho roxo, meio aquoso, fica vermelho em contato com ácido, verde em contato com base e vermelho quando neutro. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 100 -Flor-hortência: Uma hortênsia azul pode se tornar, com o tempo, rosa e vice-versa. Isso ocorre em razão do pH do solo. Em solo ácido a hortênsia produz flores azuis, já em solos básicos, suas flores são cor-de-rosa. A intensidade dessas cores depende do teor de acidez ou alcalinidade do solo; quanto mais ácido, mais azul-escuro ficará; e quanto mais básico, mais claro será. Como funciona um indicador ácido-base? O sistema de funcionamento dos indicadores é o seguinte: geralmente eles são um ácido fraco ou uma base fraca que entra em equilíbrio com a sua base ou ácido conjugado, respectivamente, que apresenta coloração diferente. Veja um exemplo: Indicador ácido + H2O ↔ H3O+ + Base conjugada (cor A) (cor B) Quando esse indicador genérico entra em contato com um meio ácido, segundo o Princípio de Le Chatelier, o equilíbrio é deslocado no sentido de formação do ácido fraco, ficando com a cor A. Por outro lado, se o indicador entrar em contato com um meio básico, os íons OH- da solução básica irão reagir com os íons H3O+ do indicador. Desse modo, o equilíbrio será deslocado no sentido de repor os íons H3O+, ou seja, para a direita, que é também o sentido de formação da base conjugada, e o sistema adquire a cor B. SAL Sal é um composto resultante da reação de neutralização mutua entre um ácido e uma base. Assim, o cátion da base e o ânion do ácido formam o sal. Conceito teórico segundo Arrhenius: É todo o composto iônico que possui, pelo menos, um cátion diferente do H+ e um ânion diferente do OH- Exemplo: NaCl ou Na+Cl- Exemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O Ácido Base Sal Água Formulação de um sal Os sais são substâncias neutras formadas a partir da ligação entre o ânion de um ácido e o cátion de uma base. Assim, para que ocorra a igualdade de cargas positivas e negativas, basta inverter as cargas dos íons pelos seus índices no sal. O índice é, na fórmula unitária, o número que vem subscrito (no canto inferior direito) do elemento ou do grupo de elementos, conforme mostrado na fórmula a seguir: Ácido + Base Sal + H2O Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 101 Observe que o valor da carga do cátion torna-se o índice do ânion, enquanto a carga do ânion torna- se o índice do cátion. Observe também que é somente o valor da carga que é invertido, os sinais negativos e positivos não vão para o índice. Exemplos: -Nitrato de potássio: K+ + NO3-: KNO3 (Observe que tanto o índice quanto a carga são iguais a “1”, logo, não precisam ser escritos); -Perclorato de potássio: K1+ + ClO41-: KClO4; -Sulfato de cálcio: Ca2+ + SO42-: CaSO4 (veja que, quando as cargas são iguais, podemos simplificar os índices. É por isso que a fórmula não é escrita assim: Ca2(SO4)2. -Dicromato de alumínio: Al3+ + Cr2O72-: Al2(Cr2O7)3; -Fosfato de bário: Ba2+ + PO43-: Ba3(PO4)2; -Nitrito de ferro III: Fe3+ + NO2-: Fe(NO2)3. Formulação do sal a partir de seu nome Para se determinar a fórmula do sal a partir do seu nome, segue-se os seguintes passos: Exemplos: Sulfato de ferro-III 1º Passo: determinar a fórmula do ácido e da base que originaram o sal. Ânion sulfato ác. sulfúrico = H2SO4 Cátion ferro-II hidróxido de ferro-III = Fe(OH)3 2º Passo: a partir das fórmulas do ácido e da base, determina-se a carga do cátion base e do ânion do ácido. H2SO4 = SO42- Ânion sulfato Fe(OH)3 = Fe3+ Cátion ferro-III 3º Passo: juntar o cátion da base com o ânion do ácido. 4º Passo: inverter as cargas dos íons para que a soma das cargas se anule. Reações de neutralização Quando misturamos um ácido e uma base, ocorrem as reações de neutralização de modo que o pH do meio é neutralizado através da produção de água e um sal. Nessa reação o ácido libera cátions H+ que se juntam aos ânions OH- liberados pela base e, assim, formam-se as moléculas de água. O sal é então formado pela união do ânion do ácido com o cátion da base. Assim, temos: HA + BOH → H2O + BA Ácido Base Água Sal -Neutralização total Ocorre quando a quantidade de cátions H+ provenientes do ácido é igual à quantidade de ânions OH- provenientes da base. Nesse tipo de reação são sempre formados sais neutros. Dessa forma, a reação ocorre entre ácidos e bases em que ambos são fracos ou, então, ambos são fortes. Exemplos: -Reações entre ácidos e bases fortes: HCl + NaOH → NaCl + H2O Observe que cada molécula do ácido produziu 1 íon H+ e cada molécula da base produziu também apenas 1 íon OH-. 3 HCl + Al(OH)3 → Al(Cl)3 + 3H2O Fe3+ SO4 2- Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 102 Cada molécula do ácido produziu 3 íons H+ e cada molécula da base produziu também apenas 3 íons OH-. -Reações entre ácido e base fracos: 2 HNO3 + Mg(OH) 2 → Mg(NO3)2 + 2 H2O Cada molécula do ácido produziu 2 íons H+ e cada molécula da base produziu também apenas 2 íons OH-. HCN + NH4OH → NH4CN+ H2O Observe que cada molécula do ácido produziu 1 íon H+ e cada molécula da base produziu também apenas 1 íon OH-.13 -Neutralização parcial Ocorre quando a quantidade de cátions H+ s do ácido não é a mesma quantidade de ânions OH- da base. Assim, a neutralização não ocorre por completo e, dependendo de quais íons estão em maior quantidade no meio, o sal formado pode ser básico ou ácido. Exemplos: HCl + Mg(OH)2 → Mg(OH)Cl + H2O No exemplo acima, o ácido libera apenas um cátion H+ e a base libera dois ânions OH-. Assim, os ânions OH- não são neutralizados totalmente e é formado um sal básico, que também é chamado de hidroxissal. H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O Nesse exemplo, o ácido liberou mais íons (3) que a base (1). Portanto, os cátions H+ não foram totalmente neutralizados e um sal ácido foi originado, que também é denominado de hidrogenossal. Os sais ácidos também podem ser formados através de reações de neutralização entre um ácido forte (HCl, HNO3, HClO4 etc.) e uma base fraca (NH3, C6H5NH2 - anilina - etc.). Por outro lado, os sais básicos podem ser formados em reações de neutralização entre um ácido fraco (CH3COOH, HF, HCN etc.) e uma base forte (NaOH, LiOH, KOH etc.). - Reação entre ácido forte e base fraca→ Sal de caráter ácido: HNO3 + AgOH → AgNO3 + H2O - Reação entre ácido fraco e base forte→ Sal de caráter básico: 2H3BO3 + 3 Ca(OH)2 → Ca3(BO3)2 + 6 H2O Nomenclatura dos sais A nomenclatura dos sais é obtida a partir da nomenclatura do ácido que originou o ânion participante do sal, pela mudança de sufixos. Assim, temos: Sufixo do ácido -ídrico -ico -oso Sufixo do ânion -eto -ato -ito Para determinar os nomes dos sais, pode-se utilizar o seguinte esquema: Exemplos: 13 http://manualdaquimica.uol.com.br/ Nome do sal ⇒ nome do ânion de nome do cátion Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 103 Uma outra forma de dar nomes aos sais é consultando as tabelas de cátions e ânions. Nas tabelas a seguir, apresentamos alguns deles: Cátions +1 Li+, Na+, K+, Ag+, NH4+, Cu+ +2 Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ +3 Al3+, Fe3+ Exemplosde como utilizar as tabelas: 1. Determinação da fórmula a partir do nome do sal. Exemplo: carbonato de cálcio Ânion: carbonato — CO2–3 Cátion: sódio — Na+ Determinação do nome a partir da fórmula do sal. Exemplo: Fe2(SO4)3 Cátion: Fe3+ Ânion: SO2– Assim, o nome do sal é sulfato de ferro III ou sulfato férrico. Classificação dos Sais A classificação dos sais é realizada de acordo com a natureza ou tipo de íons que os constituem. Dessa forma, os sais inorgânicos são classificados em neutros (normais), ácidos (hidrogeno sal) e básicos (hidroxissal). 1) A natureza dos íons Sal neutro (normais) É o sal resultante de uma reação entre uma base e um ácido fortes ou entre uma base e um ácido fracos. Este é o sal cujo ânion não possui H ionizável e não é o ânion OH-. Resulta de uma reação de neutralização total. Exemplos: -NaCl: cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); ânion → Cl- (vem do ácido clorídrico, HCl, um ácido forte). -Na2SO4: cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); ânion → SO42- (vem do ácido sulfúrico, H2SO4, um ácido forte). -NH4CN: cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → CO3-2 (vem do ácido cianídrico, HCN, um ácido fraco). Ânions Acetato: H3CCOO- Bicarbonato: HCO3- Bissulfato: HSO4- Brometo: Br- Carbonato: CO32- Cianeto: CN- Cloreto: Cl- Floreto: F- Fosfato: PO43- Hipocloreto: ClO- Iodeto: I- Nitratp: NO3- Nitrito: NO2- Permanganato: MnO4- Pirofosfato: P2O74- Sulfato: SO2-4 Sulfeto: S2- Sulfito: S2- Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 104 Esses sais são considerados neutros porque, quando eles são adicionados à água, o pH do meio não sofre nenhuma alteração. Além disso, eles não liberam em solução aquosa cátion H+, que indica acidez, e nem ânion OH-, que indica basicidade. Hidrogenossal (Sal ácido) É o sal cujo ânion tem um ou mais H ionizáveis e não apresenta o ânion OH- Resulta de uma neutralização parcial do ácido. Exemplos: -NH4Cl(s): cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → Cl- (vem do ácido clorídrico, HCl, um ácido forte). -Al2(SO4)3: cátion → Al3+ (vem do hidróxido de alumínio, Al(OH)3, uma base fraca); ânion → SO42- (vem do ácido sulfúrico, H2SO4, um ácido forte). -NH4NO3: cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → NO3- (vem do ácido nítrico, HNO3, um ácido forte). Hidroxissal (Sal básico) É o sal cujo ânion não apresenta H ionizável e no qual, além desse ânion há o OH-. Resulta da neutralização parcial da base. Exemplo: -NaOOCCH3: Cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); Ânion → CH3COO– (vem do ácido etanoico, CH3COOH, H2CO3, um ácido fraco). No exemplo acima, o ânion acetato (CH3COO–) hidrolisa-se em meio aquoso e forma o ácido acético e íons hidroxila (OH–), o que torna a solução básica. 2) Solubilidade dos sais O estudo da solubilidade dos sais determina se um sal se dissolverá ou não em água. Assim, um sal pode ser classificado em solúvel ou praticamente insolúvel. - Sal solúvel (sal que apresenta boa solubilidade em água): - Sal praticamente insolúvel (sal que se dissolve em quantidade extremamente desprezível em água, mas ocorre algum tipo de dissolução, por menor que seja): Para determinar a solubilidade dos sais em água, basta conhecer o ânion presente no sal. Veja as regras que se dirigem aos tipos de ânions: - Nitrato (NO3-) e Nitrito (NO2-): todo sal que apresenta esses ânions são solúveis; - Carbonato (CO3-2), Fosfato (PO4-3) e Sulfeto (S-2): solúvel apenas com elementos da família IA e com o NH4+; - Halogenetos (F-, Cl-, Br-, I-): com os cátions Ag+ Cu+, Hg2+2 e Pb+2 são insolúveis; - Acetato (H3C2O2-): com os cátions Ag+ e Hg2+2 são insolúveis; - Sulfato (SO4-2): com os cátions Ag+, metais alcalino terrosos (IIA, com exceção do magnésio), Hg2+2 e Pb+2 são insolúveis; Qualquer outro ânion: solúvel apenas com elementos da família IA e com o NH4-. Aplicações dos sais no cotidiano Cloreto de sódio — NaCl Sal obtido pela evaporação da água do mar. É o principal componente do sal de cozinha, usado na nossa alimentação. No sal de cozinha, além do NaCl, existem outros sais, como os iodetos ou iodatos de sódio e potássio (NaI, NaIO3; KI, KIO3), cuja presença é obrigatória por lei. Sua falta pode acarretar a doença denominada bócio, vulgarmente conhecida como papo. O sal de cozinha pode ser utilizado na conservação de carnes, de pescados e de peles. Na Medicina, é utilizado na fabricação do soro fisiológico, que consiste numa solução aquosa com 0,92% de NaCl. Bicarbonato de sódio – NaHCO3 (hidrogenocarbonato de sódio) É um sal branco é usado principalmente em antiácidos estomacais, pois ele reage com o ácido clorídrico (HCl) presente no suco gástrico e neutraliza o meio: NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 105 Ele também é muito usado como fermento de bolos, pães e biscoitos, pois sua decomposição libera o CO2 que faz a massa crescer. Além disso, é usado em extintores de incêndios, em cremes dentais para clareamento dos dentes, em balas e gomas de mascar que “explodem” na boca e em talcos e desodorantes. Fluoreto de sódio – NaF Anticárie que entra na composição do creme dental e também na fluoretação da água potável, pois inibe o processo de desmineralização dos dentes, conferindo proteção contra a ação das cáries. Sulfato de cálcio — CaSO4 Este sal pode ser encontrado na forma de sal anidro, ou seja, sem água (CaSO4), ou de sal hidratado, isto é, com água (CaSO4.2 H2O), sendo essa forma conhecida por gipsita. Sulfato de magnésio – MgSO4 É conhecido como Sal amargo ou Sal de Epsom. Utilizado em Medicina como purgativo ou laxante. Sulfato de bário – BaSO4 É conhecido como contraste, pois atua como meio opaco na radiografia gastrointestinal - Carbonato de sódio – Na2CO3 Este sal é popularmente conhecido como soda ou barrilha. Sua principal aplicação é na produção de vidro, segundo a seguinte reação: barrilha + calcário + areia → vidro comum + gás carbônico Na2CO3 + CaCO3 + SiO2 → silicatos de sódio e cálcio + gás carbônico x Na2CO3 + y CaCO3 + z SiO2 → (Na2O)x . (CaCO)y . (SiO2)z + (x + y) CO2 Outras aplicações desse sal são: na produção de corantes, no tratamento de piscinas, na produção de sabão e detergentes, de papel e celulose, nas indústrias têxteis e siderúrgicas. - Nitrato de sódio – NaNO3 Também conhecido como salitre do Chile é encontrado em abundância em grandes depósitos naturais nos desertos chilenos. É muito empregado para produzir fertilizantes e na fabricação de pólvora negra. É também usado como conservante de carnes enlatadas e defumadas. - Sulfato de cálcio – CaSO4 Na forma anidra (sem água) é usado como matéria-prima do giz; já na forma hidratada é conhecido como gesso, usado na construção civil e em imobilização ortopédica. ÓXIDOS Os óxidos são substâncias presentes no nosso dia-a-dia. Um bom exemplo de óxido é o gás carbônico, expelido na respiração, principal responsável pelo efeito estufa. Definição :Óxido é todo composto binário que contém oxigênio e no qual ele é o elemento mais eletronegativo. Exemplos: Cl2O; SO2; CO2; NO; P2O; K2O; CaO; Fe2O3 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 106 O único elemento mais eletronegativo que o oxigênio é o flúor; por isso o OF2, não é um óxido, mas sim, um fluoreto de oxigênio Nomenclatura Regra geral: 1) Para um óxido ExOy: Os prefixos mono, di, tri, etc. Indicam os valores de x e y na fórmula do óxido. O prefixo mono diante do nome E é comumente omitido. Fórmula molecular Nome do óxido CO Monóxido de monocarbono ou monóxido de carbono CO2 Dióxido de monocarbono ou dióxido de carbonoN2O3 Trióxido de dinotrogênio Fe3O4 Tetróxido de triferro 2) Para óxidos do tipo: EXOY, onde o elemento E é um metal com a carga fixa. Metais com carga fixa: - Metais alcalinos (1A) e Ag = +1 - Metais alcalinos terrosos (2A) e Zn = +2 - Alumínio = +3 Exemplo: Na2O → óxido de sódio Al2O3 → óxido de alumínio Para montar a fórmula do óxido a partir do nome, é só lembrar a carga do metal, a carga do oxigênio - 2 e fazer com que a soma das cargas se anule. Exemplos: Óxido de lítio → Li1+O2- invertendo as cargas: Li2O Óxido de prata → Ag1+O2-, invertendo as cargas: Ag2O 3) Para óxidos do tipo: EXOY, onde o elemento E é um metal com a carga variável. Metais com carga variável: - Ouro (Au1+ e Au3+) - Cobre (Cu1+ e Cu2+) - Ferro (Fe2+ e Fe3+) - Chumbo (Pb2+ e Pb4+) Exemplos: Au2O3 → óxido de ouro-III ou áurico Cu2O → óxido de cobre-I ou cuproso PbO2 → óxido de chumbo-IV ou plúmbico Classificação dos óxidos Os óxidos são classificados em função do seu comportamento na presença de água, bases e ácidos. - Óxidos Básicos São óxidos com caráter básico. São iônicos e o ânion é O2-. As reações dos óxidos básicos com água e ácidos podem ser esquematizados da seguinte maneira: Mono Di Tri Etc.. Óxido de Mono Di Tri Etc.. Nome de E Óxido de + nome do metal + carga do metal Ou Óxido de+ nome do metal + ICO (carga maior) Óxido de + nome do metal + OSO (carga menor) Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 107 Exemplo 1: Óxido Água Base Na2O (g) + 1 H2O(l) 2 NaOH (aq) Òxido de sódio Àgua Hidróxido de sódio Exemplo 2: Óxido Ácido Sal Água 1 Na2O (g) + 1 H2SO4 (aq) 1 Na2SO4 (aq) + 1 H2O Òxido de sódio ácido sulfúrico sulfato de sódio água - Óxidos Ácidos Óxidos ácidos apresentam caráter covalente e geralmente são formados por ametais. Estes óxidos também chamados de anidridos e reagem com a água formando um ácido ou reagem com uma base e dando origem a água e sal. Exemplo1: SO2+ H2O H2SO3 Óxido Água Ácido Exemplo 2: SO2+2 NaOH Na2SO3 + H2O Óxido Base Sal Água - Óxidos Neutros São óxidos que não reagem com água, base ou ácido. São basicamente três óxidos: CO, NO, N2O. - Óxidos Anfóteros São óxidos que podem se comportar tanto óxido básico quanto óxido ácido. Exemplos: ZnO, Al2O3, SnO, SnO2, PbO e PbO2. ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O - Óxidos Duplos ou Mistos Óxidos que se comportam como se fossem formados por dois outros óxidos, do mesmo elemento químico. Exemplos: Fe3O4 → FeO + Fe2O3 Pb3O4 → 2PbO + PbO2 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 108 - Peróxidos Os peróxidos apresentam em sua estrutura o grupo (O2)2–. Os peróxidos mais comuns são formados por hidrogênio, metais alcalinos e metais alcalino-terrosos. Exemplo: - Peróxido de hidrogênio: H2O2 É líquido e molecular. Quando dissolvido em água, origina uma solução conhecida como água oxigenada, muito comum em nosso cotidiano. Aplicações dos óxidos no cotidiano Dióxido de carbono (CO2) Também conhecido como gás carbônico, é um gás incolor, inodoro, mais denso que o ar. Não é combustível e nem comburente, por isso, é usado como extintor de incêndio. O CO2 é o gás usado nos refrigerantes e nas águas minerais gaseificadas. O gás carbônico é um óxido de característica ácida, pois ao reagir com a água produz ácido carbônico. CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Óxido de alumínio (Al2O3) O óxido de alumínio constitui o minério conhecido como bauxita (Al2O3.2H2O) ou alumina (Al2O3). É também empregado na obtenção do alumínio e como pedras preciosas em joalherias (rubi, safira, esmeralda, topázio, turquesa, etc.). Óxido de silício – (SiO2) Este óxido é conhecido comercialmente como sílica. É o constituinte químico da areia, considerado o óxido mais abundante da crosta terrestre. Apresenta-se nas variedades de quartzo, ametista, ágata, ônix, opala, etc; Utilizado na fabricação do vidro, porcelana, tijolos refratários para fornos, argamassa, lixas, fósforos, saponáceos. -Óxido de cálcio (CaO) Na preparação da argamassa, a cal viva ou virgem (CaO) é misturada à água, ocorrendo uma reação que libera grande quantidade de calor: CaO + H2O Ca(OH) 2 + calor Cal extinta ou apagada A cal virgem é obtida pelo aquecimento do CaCO3, que é encontrado na natureza como constituinte do mármore, do calcário e da calcita: CaCO+ CaO + CO2 Em onde o solo é ácido, a cal viva é empregada para diminuir sua acidez. Questões 01. (UFPB) Os ácidos são substâncias químicas sempre presentes no cotidiano do homem. Por exemplo, durante a amamentação, era comum usar-se água boricada (solução aquosa que contém ácido bórico) para fazer a assepsia do seio da mãe; para limpezas mais fortes da casa, emprega-se ácido muriático (solução aquosa de ácido clorídrico); nos refrigerantes, encontra-se o ácido carbônico; e, no ovo podre, o mau cheiro é devido à presença do ácido sulfídrico. Esses ácidos podem ser representados, respectivamente, pelas seguintes fórmulas moleculares: (A) H3BO3, HCl, H2CO2 e H2SO4 (B) H2BO3, HCl, H2CO3 e H2S (C) H3BO3, HClO3, H2SO3 e H2CO2 (D) H2BO3, HClO4, H2S e H2CO3 (E) H3BO3, HCl, H2CO3 e H2S 02. (Mack-SP) Certo informe publicitário alerta para o fato de que, se o indivíduo tem azia ou pirose com grande frequência, deve procurar um médico, pois pode estar ocorrendo refluxo gastroesofágico, isto é, o retorno do conteúdo ácido do estômago. A fórmula e o nome do ácido que, nesse caso, provoca queimação no estômago, a rouquidão e mesmo dor torácica são: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 109 (A) HCl e ácido clórico. (B) HClO2 e ácido cloroso. (C) HClO3 e ácido clórico. (D) HClO3 e ácido clorídrico. (E) HCl e ácido clorídrico 03. Dentre os óxidos abaixo, qual deles reage com ácido formando sal e água, ou seja, que pode ser classificado como óxido básico? (A) N2O (B) CaO (C) CO2 (D) SO2 (E) N2O5 04. As funções básicas de nosso organismo necessitam de espécies iônicas para o seu adequado funcionamento. Os íons Na+, por exemplo, encontram-se presentes nos fluidos externos das células e o íon K+, presente no fluido interno das células. Juntos são responsáveis por manter a pressão osmótica cargas. Outro cátion de importância fundamental é o Ca2+, principal integrante dos ossos e dos dentes, que se encontra normalmente na forma de fosfato ou carbonato. Escreva as fórmulas químicas dos compostos formados pelos pares de íons (cátion e ânion) associados no texto, e dê os nomes deles. 05.PUC-PR Muitos produtos químicos estão presentes no nosso cotidiano, como por exemplo, o leite de magnésio, vinagre, calcáreo, a soda cáustica, entre outros. Estas substâncias citadas pertencem, respectivamente, às funções químicas: (A) ácido, base, sal e base; (B) base, sal, ácido e base; (C) base, ácido, sal e base; (D) ácido, base, base e sal; (E) sal, ácido, sal e base; 06.UFSE A respeito das funções inorgânicas coloque (V) verdadeiro ou (F) falso. ( ) Cal viva é um óxido que possui propriedades básicas. ( ) Metano, CH4, constituinte do gás natural, pode ser considerado um ácido de Arrhenius. ( ) No vinagre, o ácido acético está totalmente ionizado. ( ) Sulfato de amônio é um sal, fertilizante. A amônia é uma das matérias-primas necessárias a sua produção. ( ) Ácido nítrico é utilizado na produção de explosivos. 07.UnB-DF O elemento químico iodo foi descoberto em 1812 pela análise química de algas marinhas. Esse elemento é encontrado naturalmente na composição desais de iodeto e de sais de iodato. Ele é parte essencial dos hormônios tireoidianos, que desempenham um papel vital na produção de energia nos seres humanos. No mundo, a deficiência de iodo ainda é a principal causa de hipotireoidismo, enfermidade que retarda o metabolismo humano. Entre outros problemas associados a essa deficiência, está o aumento da glândula tireoide (bócio, popularmente chamado de papo). O diagnóstico das doenças relacionadas à tireoide pode ser feito por meio do uso de radioisótopos de iodo. Recentemente, a imprensa noticiou que a maioria das marcas de sal comercializadas no Brasil contém uma quantidade de iodo aquém daquela recomendada pela legislação, que é de 40 mg de iodo por quilograma de sal. Átomos desse elemento químico podem ser fornecidos à dieta alimentar, por exemplo, pela adição de iodato de potássio (KIO3) ao sal de cozinha. Com relação ao sal de cozinha e à sua composição, julgue os itens a seguir. ( ) O sal de cozinha é geralmente obtido nas salinas por meio de reações em tanques de ácidos e bases. ( ) O sal de cozinha é uma mistura que contém diversos sais. ( ) Soluções aquosas de sal de cozinha não conduzem eletricidade. ( ) O iodo adicionado ao sal de cozinha, conforme mencionado no texto III, o é na forma de substância simples. 08. Relacione as fórmulas dos compostos inorgânicos com os seus respectivos nomes: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 110 Coluna I: a) Ácido sulfuroso b) Óxido de magnésio c) Hipoclorito de sódio d) Dióxido de manganês e) Hidróxido de alumínio f) Óxido de alumínio g) Sulfito de cobre (II) Coluna II: I.MgO II.CuSO3. III.Al(OH)3. IV.H2SO3. V.MnO2. VI.NaClO. VII. AlO3. 09. A experiência a seguir é largamente utilizada para diferenciar soluções eletrolíticas de soluções não eletrolíticas. O teste está baseado na condutividade elétrica e tem como consequência o acendimento da lâmpada. A lâmpada acenderá quando no recipiente estiver presente a seguinte solução: (A) O2(g) (B) H2O(g) (C) HCℓ(aq) (D) C6H12O6(aq) 10. VUNESP Os compostos NO2, NaNO2, HNO2 e NH4OH, quanto às funções químicas, podem ser classificadas, respectivamente, como (A) óxido, ácido, sal e base. (B) óxido, sal, ácido e base. (C) ácido, óxido, sal e base. (D) óxido, ácido, base e sal. (E) ácido, sal, base e óxido. Respostas 01. Resposta E H3BO3: ácido bórico; HCl: ácido clorídrico; H2CO3: ácido carbônico; H2S: ácido sulfídrico. 02. Resposta E. 03. Resposta B. Veja como esse óxido reage com ácido formando sal e água: CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O (devem ser óxidos de metais alcalinos e alcalinos terrosos). 04. Respostas a) cátions: Na+; Ca 2+ ânions: Cl-; PO43-; CO32-. Formulas e nomes: NaCl cloreto de sódio Na3PO4 fosfato de sódio Na2CO3 carbonato de sódio CaCl2 cloreto de cálcio Ca3(PO4)2 fosfato de cálcio CaCO3 carbonato de cálcio Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 111 05. Resposta: C 06. Resposta V – F – F – V – V 07. Resposta E – C – E – E 08. Resposta a) Ácido sulfuroso: IV. H2SO3. b) Óxido de magnésio: I. MgO. c) Hipoclorito de sódio: VI. NaClO. d) Dióxido de manganês: V. MnO2. e) Hidróxido de alumínio: III. Al(OH)3. f) Óxido de alumínio: VII. AlO3. g) Sulfito de cobre (II): II. CuSO3. 09. Resposta Essa é uma solução aquosa de ácido clorídrico, isto é, cloreto de hidrogênio dissolvido em água, liberando os íons a seguir: HCl → H3O+ + Cl- ou HCl → H+ + Cl- Esses íons conduzem corrente elétrica. As demais substâncias são moleculares, sendo que o oxigênio e a água estão no estado gasoso, e a glicose (C6H12O6(aq)) está dissolvida na água, mas não forma íons, ela não pertence a nenhuma função inorgânica, mas é um composto inorgânico. 10. Resposta B NO2,( óxido Composto binário com a presença de Oxigênio) NaNO2 (sal cátion e ânion) HNO2 (ácido devido à ´presença de H) NH4OH (base devido à ´presença de OH) Estequiometria A estequiometria ou cálculo estequiométrico é de grande importância em nosso cotidiano. Toda a reação química que ocorre seja na cozinha de nossas casas, em laboratórios ou nas indústrias segue uma “receita” nas condições preestabelecidas. Assim, esse cálculo, permite determinar a quantidade de compostos que reagem (em mols, massa, volume, etc.) e as quantidades de novos compostos produzidos (em mols, massa, volume, etc.). Nesse estudo explicaremos como as reações são dependentes dos compostos envolvidos e quanto de cada composto é necessário e formado. E para facilitar sua compreensão iniciaremos com as fórmulas químicas, em seguida as reações e pôr fim a aplicação de vários tipos de cálculos estequiométricos. Determinação de fórmulas químicas - Fórmula percentual (centesimal) A fórmula percentual indica a porcentagem, em massa, de cada elemento que constitui a substância. Uma forma de determinar a fórmula percentual é partir da fórmula molecular da substância, aplicando os conceitos de massa atômica e massa molecular. Exemplo: sabendo que a fórmula molecular do metano é CH4 e que as massas atômicas do carbono e do hidrogênio são, respectivamente, 12 e 1, temos: 3.3.1.6 Estequiometria química Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 112 Assim, na massa molecular igual a 16, o carbono participa com 12 e o hidrogênio com 4. Logo: Desse modo, temos: C75% H25% - Fórmula mínima ou empírica A fórmula mínima indica a menor proporção, em números inteiros de mol, dos átomos dos elementos que constituem uma substância. Para calcular a fórmula mínima, é necessário: a) Calcular o número de mol de átomos de cada elemento; b) Dividir os resultados pelo menor valor encontrado. Exemplo: Uma amostra apresenta 2,4 g de carbono e 0,6 g de hidrogênio (Dados: massas atômicas: C = 12, H = 1). Para determinar a fórmula mínima do composto, devemos inicialmente calcular o número de mol (n) de átomos de cada elemento. Posteriormente devemos determinar as menores proporções possíveis, em números inteiros: Assim, a fórmula mínima é CH3. - Fórmula molecular A fórmula molecular indica o número real de átomos de cada elemento na molécula. Exemplo: A fórmula molecular da água é H2O, o que significa que em cada molécula de água há dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio. Já no caso do benzeno, a sua fórmula molecular é C6H6, ou seja, para cada seis átomos de carbono há exatamente seis átomos de hidrogênio ligados. Citamos esses dois exemplos para mostrar que algumas vezes a fórmula molecular é igual à fórmula mínima ou empírica, como acontece no caso da água. Mas, isso nem sempre é verdade, como indica o exemplo do benzeno, que possui fórmula mínima igual a CH, pois a proporção entre esses elementos é de 1: 1. Assim, a fórmula molecular é um múltiplo inteiro da fórmula mínima, sendo que no caso do benzeno esse múltiplo é igual a 6: Em algumas situações, a fórmula molecular é igual à fórmula mínima; em outros, porém, é um múltiplo inteiro da fórmula mínima. Fórmula molecular = (fórmula mínima) n Onde n é sempre um número inteiro Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 113 Para determinarmos a fórmula molecular de qualquer composto é necessário sabermos primeiro a sua massa molecular. Com esse dado podemos calcular a fórmula molecular de várias maneiras. Vejamos algumas delas: 1. Por meio da fórmula mínima; 2. Por meio da fórmula percentual; 3. Relacionando a porcentagem em massa com a massa molecular. 1º método: A partir da porcentagem em massa, calculando a fórmula mínima. Exemplo: Vitamina C (massa molecular = 176) Para que os valores encontrados sejam inteiros, deve-se multiplicá-los por um mesmo número que permita obter a menor proporção de números inteiros. Nesse exemplo, o número adequadoé 3. Assim: Fórmula mínima: C3H4O3 A relação entre a fórmula mínima e a molecular pode ser feita da seguinte maneira: Logo, temos que: n = 2 ⇒ (C3H4O3)2 ⇒ fórmula molecular : C6H8O6 2º método: Relacionando as porcentagens em massa com a massa molecular do composto. C = 40,9% H = 4,55% O = 54,6% MM = 176 Considerando que sua fórmula molecular seja: CxHyOz, Agora iremos relacionar as porcentagens em massa com as massas atômicas e a massa molecular: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 114 Fórmula molecular: C6H8O6 A relação entre a fórmula mínima e a molecular pode ser feita da seguinte maneira: n = 2 ⇒ (C3H4O3)2 ⇒ fórmula molecular : C6H8O6 Para a prática das atividades laboratoriais e industriais é necessário que seja realizado um cálculo prévio das quantidades de reagentes que devemos usar para obter a quantidade desejada de produtos. Entretanto, a previsão das quantidades só é possível através de cálculos das massas e dos volumes das substâncias envolvidas nas reações químicas. Assim, muitas vezes é necessário determinar também o número de átomos ou de moléculas das substâncias que reagem ou são produzidas. Para tal é preciso conhecer a massa dos átomos. Uma vez que os átomos ou moléculas são muito pequenos para serem “pesados” isoladamente, foi estabelecido um padrão para comparar suas massas. Unidade de massa atômica A massa atômica é a massa de um átomo medida em unidade de massa atômica, sendo simbolizada por “u”. 1 u equivale a um doze avos (1/12) da massa de um átomo de carbono-12 (isótopo natural do carbono mais abundante que possui seis prótons e seis nêutrons, ou seja, um total de número de massa igual a 12). Sabe-se que 1 u é igual a 1,66054 . 10-24 g. Massa atômica (MA): A massa atômica de um átomo é sua massa determinada em u, ou seja, é a massa comparada com 1/12 da massa do 12C. As massas atômicas dos diferentes átomos podem ser determinadas experimentalmente com grande precisão, usando um aparelho denominado espectrômetro de massa. Para facilitar os cálculos não necessário utilizar os valores exatos, assim faremos um “arredondamento” para o número inteiro mais próximo: Exemplos: Massa atômica do He2 4 4,0030u 4u Massa atômica do F9 19 18,9984u 19u Massa atômica do A𝑙13 27 26,9815u 27u Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 115 Massa atômica de um elemento Massa atômica de um elemento é a média ponderada das massas atômicas dos átomos de seus isótopos constituintes. Assim, o cloro é formado pelos isótopos 35Cl e 37C, na proporção: 35Cl = 75,4% MA = 34,997u 37Cl = 24,6% MA = 36,975u MA do elemento Cl = 34,997 x 75,4+36,975x24,6 100 = 35,453u Como a massa atômica de um isótopo é aproximadamente igual ao seu número de massa, a massa atômica de um elemento é aproximadamente igual à média ponderada dos números de massa de seus isótopos constituintes. Assim, a massa atômica aproximada do cloro será: MA do elemento Cl ≅ ≅ 35x75,4 + 37 + 24,6 100 = 35,5u Sabendo que a massa atômica do elemento cloro é igual a 35,5u podemos afirmar que: Massa média do átomo de Cl = 35,5u Massa média do átomo de Cl = 35,5 x massa de 1/12 do átomo de 12C. Massa média do átomo de C𝑙 = 35,5 12 x massa do átomo de 12C, Observe que não existe átomo de Cl com massa igual a 35,5 u; esse é o valor médio da massa do átomo de 12C. A maioria dos elementos é formada por mistura de diferentes isótopos, em proporção constante. Essa proporção varia de um elemento para outro, mas para um elemento é constante. Dessa maneira, a massa atômica dos elementos é também constante. Nos elementos formados por um único isótopo, a massa atômica do seu único isótopo será também a massa atômica do elemento. Exemplo: Elemento químico flúor 19F⇒ MA=19u Veja no quadro abaixo o resumo das informações importantes adquiridas até o momento: Massa molecular (MM) A massa molecular de uma substância é a massa da molécula dessa substância expressa em unidades de massa atômica (u). Numericamente, a massa molecular é igual à soma das massas atômicas de todos os átomos constituintes da molécula. Exemplos: H2 ⇒ H = 1u , como são dois hidrogênios = 2u - O = 16u - H2O = 2u (H2) + 16u (O) = 18u Mol e Constante de Avogadro Com base na resolução recente da IUPAC, definimos que: - Mol é a unidade de quantidade de matéria - Mol é a quantidade de matéria que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos de 12C com tidos em 0,12Kg de 12C. 1) Massa atômica (MA) = massa de um átomo em unidades u. 2) Unidade de massa atômica (u): ½ massa do 12C, que possui 12,0 u. 3) mpróton≅ mnêutron≅1u 4) Número de massa (A) e Massa atômica, para um dado isótopo, são valores praticamente iguais. 5) A massa atômica de um elemento químico é a média ponderada das massas atômicas dos seus isótopos. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 116 - Constante de Avogadro é o número de átomo de 12C contidos em 0,012Kg de 12C. Seu valor é 6,02x1023 mol-1. Exemplos: Um mol de átomos são 6,02x1023 átomos. Um mol de moléculas são 6,02x1023 moléculas. Um mol de elétrons são 6,02x1023 elétrons. Um mol de prótons são 6,02x1023 prótons. Um mol de íons são 6,02x1023 íons. Um mol de fórmulas são 6,02x1023 fórmulas. Exemplos 1: - Um mol de oxigênio (O) significa um mol de átomos de O, isto é, 6,02x1023 átomos de C. - Um mol de cloro (Cl2) significa um mol de moléculas de Cl2, isto é, 6,02x1023 moléculas de Cl2. Massa Molar (M) A massa molar de um elemento é a massa de um mol de átomos, ou seja, 6,02x1023 átomos desse elemento. A unidade mais usada para a massa molar é g.mol-1. Numericamente, a massa molar de um elemento é igual à sua massa atômica. Exemplos: 1) Massa atômica do Cl=35,453u Massa molar do Cl= 35,453 g.mol-1. Interpretação: Um mol de átomos do elemento Cl (mistura dos isótopos 35Cl e 37Cl), ou seja, 6,02x1023 átomos do elemento Cl pesam 35,453 gramas. 2) Massa atômica da água, H2O = 18u Massa molar: um mol de moléculas, ou seja, 6,02x1023 moléculas de H2O pesam 18,0 gramas. Volume molar Conforme o próprio nome indica, o volume molar corresponde ao volume ocupado por um mol da espécie química. Exemplo: Água no estado líquido (d=g/ml) a 25°C Massa molar=18g/mol O cálculo do volume molar poderá ser realizado através da proporção: d=1,0g/mL 1,0 mL---------1g V----------------18g V=18mL Para Gases Ideais nas CNTP, o volume molar vale 22,4L/mol. 1mol Gás Ideal (CNTP) V=22,4L Cálculos estequiométricos O cálculo das quantidades das substâncias envolvidas numa reação química é chamado de cálculo estequiométricos - palavra derivada do grego stoicheia = partes mais simples e metreim = medida. São cálculos que envolvem proporções de átomos em uma sustância ou que relacionam-se com proporções de coeficientes de uma equação química. Importante: MM = massa molecular (unidades u) M = Massa molar (g/mol) Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 117 As bases para o estudo da estequiometria das reações químicas foram lançadas por cientistas que conseguiram expressar matematicamente as regularidades que ocorrem nas reações químicas, através das Leis das Combinações Químicas. Essas leis foram divididas em dois grupos: - Leis ponderais: relacionam as massas dos participantes de uma reação. - Lei volumétrica: relaciona os volumes dos participantes de uma reação. Leis ponderais As Leis Ponderais das Reações Químicas são um conjunto de postulados que regem a lógica das reações químicas, relacionando a massa dos produtos e reagentes e também fazendo menção à quantidade de matéria dos mesmos. - Lei de Lavoisier A Lei da Conservação das Massas ou conservação das matérias, postulada por Lavoisier no finaldo século XVIII, é uma das leis ponderais e diz o seguinte: numa reação química, a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos. Ou seja, a massa é sempre conservada em qualquer reação química. A partir disso, lembra-se da célebre frase dita por Lavoisier: "Nada se cria, nada se perde; tudo se transforma". Deve-se ressaltar, a título de observação, que numa reação atômica (que não é reação química), a massa dos produtos é diferente da massa dos reagentes apenas se não se considerar prótons e nêutrons como produtos ou reagentes. Exemplos: Conclusão: De acordo com os postulados de Lavoisier, a massa total das substâncias, antes da transformação química, é igual à massa total após a transformação ou na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma. - Lei de Proust A Lei de Proust é conhecida como Lei das proporções constantes ou lei das proporções definidas. Esta lei foi inserida pelo químico francês Joseph Louis Proust (1754-1826), que realizou experimentos com substâncias puras e concluiu que independentemente do processo usado para obtê-las, a composição em massa dessas substâncias era constante. A Lei de Proust é definida da seguinte maneira: As massas dos reagentes e produtos participantes de uma reação mantêm uma proporção constante. Através de análises de inúmeras substâncias adquiridas por diferentes processos foi possível verificar que uma mesma substância tem sempre a mesma composição qualitativa e quantitativa. Exemplo: No caso da água, temos: 90 g de água fornece 10 g de Hidrogênio e 80 g de oxigênio. x = 11,11% de hidrogênio Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 118 x = 88,88% de oxigênio Outra consequência da lei de Proust é o cálculo estequiométrico. Hidrogênio + oxigênio → água Para 10 g de Hidrogênio é necessário de 80 g de oxigênio para que ocorra a reação, em 30g de Hidrogênio precisamos de 240 g de oxigênio. Assim, a proporção, em massa, com que o Hidrogênio reage com o oxigênio é a mesma nas duas reações. Lei Volumétrica O físico e químico Gay-Lussac, teve suas contribuições na Química, e uma delas é a lei da combinação de volumes, que é também conhecida como Lei volumétrica, que define o princípio de que nas mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos gases participantes de uma reação têm entre si uma relação de números inteiros e pequenos. Conduta de Resolução Conforme observado nos itens acima, na estequiometria, os cálculos serão estabelecidos em função da lei de Proust e Gay-Lussac, neste caso para reações envolvendo gases e desde que estejam todos nas mesmas condições de pressão e temperatura. Assim, devemos tomar os coeficientes da reação devidamente balanceados, e, a partir deles, estabelecer a proporção em mols dos elementos ou substâncias da reação. Exemplo: reação de combustão do álcool etílico: C2H6O + O2 → CO2 + H2O Após balancear a equação, ficamos com: Após o balanceamento da equação, pode-se realizar os cálculos, envolvendo os reagentes e/ou produtos dessa reação, combinando as relações de várias maneiras: Tipo de relação 1 C2H6O (l) + 3O2 (g) 2CO2(g) + 3H2O (l) Proporção em mols 1 mol 3 mols 2 mols 3 mols Em massa 1.46 g 3.32g 2.44 g 3.18g Em moléculas 6,0.1023 3. 6,0.1023 2. 6,0.1023 3. 6,0.1023 Em volume (CNTP) é liquido 3.22,4 L 2.22,4 L é liquido Lei de Gay-Lussac: Nas mesmas condições de pressão e temperatura, os volumes dos gases participantes de uma reação química têm entre si uma relação de números inteiros e pequenos. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 119 Importante: - Uma equação química só estará corretamente escrita após o acerto dos coeficientes, sendo que, após o acerto, ela apresenta significado quantitativo. - Relacionar os coeficientes com mols. Teremos assim uma proporção inicial em mols; - Estabelecer entre o dado e a pergunta do problema uma regra de três. Esta regra de três deve obedecer aos coeficientes da equação química e poderá ser estabelecida, a partir da proporção em mols, em função da massa, em volume, número de moléculas, entre outros, conforme dados do problema. Tipos de Cálculos Estequiométricos Relação quantidade em Mols Relação entre quantidade em Mols e Massa Relação entre Massa e Massa Relação Entre Massa e Volume Os dados do problema e as quantidades incógnitas pedidas são expressos em termos de quantidade em mols. Os dados do problema são expressos em termos de quantidade em mols (ou massa) e a quantidade incógnita é pedida em massa (ou quantidade em mols). Os dados do problema e as quantidades incógnitas pedidas são expressos em termos de massa. Os dados do problema são expressos em termos de massa e a quantidade incógnita é pedida em volume** **Caso o sistema não se encontre nas CNTP, deve-se calcular a quantidade em mols do gás e, a seguir, através da equação de estado, determinar o volume correspondente. A resolução de problemas que envolvem a estequiometria será facilitada se obedecer, inicialmente à seguinte sequência: 1º) Escreva a equação envolvida; 2º) Acerte os coeficientes da equação (ou equações); Lembre-se: equação balanceada: coeficiente = número de mols 3º) Destaque, na equação química, a(s) substância(s) envolvida(s) nos dados e a(s) pergunta(s) do problema; 4º) Abaixo das fórmulas, escreva a relação molar e transforme-a segundo os dados do exercício (mol, gramas, número de átomos ou moléculas, volume molar); RELAÇÃO EM MASSA Os dados do problema e as quantidades de incógnitas pedidas são expressos em termos de massa. Exemplo: Na reação N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) qual a massa de NH3 obtida quando se reagem totalmente 3g de H2? Resolução: a) Proporção de quantidade de matérias 3 mol de H2 –––––––– 2 mol de NH3 b) Regra de três 3 . 2g de H2 –––––––– 2 . 17g de NH3 3g de H2 –––––––– x x = 102/6 = 17g de NH3 RELAÇÃO MASSA VOLUME Basta lembrar que 1 mol de qualquer gás, a 0ºC e 1 atm, ocupa o volume de 22,4 litros. Exemplo: Na reação N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) qual o volume de N2, a 0ºC e 1 atm, obtido quando se reagem totalmente 3g de H2? Resolução: a) Proporção em mol 1 mol de N2 –––––––– 3 mol de H2 b) Regra de três 22,4L de N2 –––––––– 3 . 2g de H2 x –––––––– 3 de H2 x = 22,4/2 = 11,2L Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 120 RELAÇÃO MASSA - Nº MOLÉCULAS Na reação gasosa N2 + H2 --------- NH3, qual o número de moléculas de NH3 obtido, quando se reagem totalmente 18g de H2? Acerte os coeficientes da equação: 1N2 +3H2 --------2NH3. Veja os dados informados (18g de H2) e o que está sendo solicitado (número de moléculas de NH3) e estabeleça uma regra de três. 3H2 -------------- 2NH3 3x2g --------------2x6,02x1023 18g -------------- x x= 36,12x1023 ou x= 3,612x1024 moléculas CÁLCULOS ENVOLVENDO EXCESSO DE REAGENTE Quando o enunciado do exercício fornecer quantidades de 2 reagente, precisamos verificar qual deles estará em excesso, após terminada a reação. As quantidades de substâncias que participam da reação química são sempre proporcionais aos coeficientes da equação. Se a quantidade de reagente estiver fora da proporção indicada pelos coeficientes da equação, reagirá somente a parte que se encontra de acordo com a proporção; a parte que estiver a mais não reage e é considerada excesso. Por outro lado, o reagente que for totalmente consumido (o que não estiver em excesso) pode ser denominado de reagente limitante porque ele determina o final da reação química no momento em que for totalmente consumido.Exemplo: Consideremos o caso da combustão do álcool: Uma massa de 138 g álcool etílico (C2H6O) foi posta para queimar com 320g de oxigênio (O2), em condições normais de temperatura e pressão. Qual é a massa de gás carbônico liberado e o excesso de reagente, se houver? Resolução: A reação balanceada é dada por: 1 C2H6O(V) + 3 O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(v) 1 mol 3 mol 2 mol 46 g 96g 88g 138g 320g Só de analisarmos os dados, vemos que a massa de oxigênio é proporcionalmente maior que a do álcool, assim o oxigênio é o reagente em excesso e o álcool etílico é o reagente limitante. Calculando a massa de gás carbônico formado a partir da quantidade do reagente limitante: 46g de C2H6O ------------88g de CO2 138g de C2H6O ------------x x = 264 g de CO2 Obs.: A massa de oxigênio em excesso é determinada de forma análoga: 46g de C2H6O ------------ 96 O2 138g de C2H6O ------------x x = 288 g de O2 A massa em excesso é a diferença da massa que foi colocada para reagir e a que efetivamente reagiu: 320g - 288g = 32 g CÁLCULOS ENVOLVENDO REAGENTE LIMITANTE O reagente que é totalmente consumido é chamado reagente limitante. Assim que ele é consumido, não se forma mais produto, ou seja, a reação termina. Os demais reagentes são chamados reagentes em excesso. Após o término da reação, sobra uma certa quantidade dos reagentes em excesso: é a quantidade inicial menos a quantidade que reagiu. Para descobrir qual é o reagente limitante: imagine a reação hipotética a seguir: A + B → produtos, onde A e B são os reagentes. Se a questão fornece quantidades de A e B usadas na reação, como descobrir qual deles é totalmente consumido? Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 121 - escolher um dos reagentes (A, por exemplo) e supor que ele é o limitante; - calcular, usando regra de três, a quantidade de B necessária para consumir completamente o reagente A; - se essa quantidade encontrada de B for suficiente (menor do que a quantidade de B dada no enunciado), então o reagente A é o limitante. Caso contrário, a suposição inicial estava errada e o outro reagente (B) é o limitante. Veja a resolução do exercício de revisão para ficar mais claro. Assim que for encontrado qual é o reagente limitante, os cálculos estequiométricos devem ser feitos usando apenas a quantidade do limitante, pois é ele que é totalmente consumido. Além disso, problemas de reagente limitante são mais fáceis de se resolver com as quantidades em mol, em vez de massa ou volume gasoso. Na dúvida, passe as quantidades para mol e trabalhe com elas. Exemplos: 1) Zinco e enxofre reagem para formar sulfeto de zinco de acordo com a seguinte reação: Reagiu 30g de zinco e 36g de enxofre. Qual é o regente em excesso? Balancear a reação química: Dados: Zn = 30gS = 36g Transformar a massa em gramas para mol: Pela proporção da reação 1mol de Zn reage com 1mol de S. Então 0,46mol de Zn reage com quantos mols de S? Pode ser feita uma regra de três para verificar qual regente está em excesso: x = 0,46mol de S Então 1mol de Zn precisa de 1mol de S para reagir. Se temos 0,46mol de Zn, precisamos de 0,46mol de S, mas temos 1,12mol 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. x = 44,68g de ZnS Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 122 CÁLCULO DE RENDIMENTO É comum, nas reações químicas, a quantidade de produto ser inferior ao valor esperado. Neste caso, o rendimento não foi total. Isto pode acontecer por várias razões, como por exemplo, má qualidade dos aparelhos ou dos reagentes, falta de preparo do operador, etc. O cálculo de rendimento de uma reação química é feito a partir da quantidade obtida de produto e a quantidade teórica (que deveria ser obtida). Quando não houver referência ao rendimento de reação envolvida, supõe-se que ele tenha sido de 100%. Exemplo: Num processo de obtenção de ferro a partir do minério hematita (Fe2O3), considere a equação química não-balanceada: Utilizando–se 480g do minério e admitindo-se um rendimento de 80% na reação, a quantidade de ferro produzida será de: Equação Balanceada: Dados: 1Fe2O3 = 480g 2Fe = x (m) com 80% de rendimento MM Fe2O3 = 160g/mol MM Fe = 56g/mol x = 336g de Fe Cálculo de Rendimento: x = 268,8g de Fe CÁLCULOS ENVOLVENDO PUREZA Com frequência as substâncias envolvidas no processo químico não são puras. Assim, podemos esquematicamente dividir uma amostra em duas partes: a parte útil e as impurezas. - Parte útil ou parte pura: reage no problema p% - Impurezas: não reagem no processo do problema i% Diante disso, é importante calcularmos a massa referente à parte pura, supondo que as impurezas não participam da reação. Grau de pureza (p) é o quociente entre a massa da substância pura e a massa total da amostra (substância impura). Exemplo: Considerando a reação balanceada: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 123 Qual a massa de cloreto ferroso obtida quando 1100g de sulfeto ferroso, com 80% de pureza, reagem com excesso de ácido clorídrico? (Fe = 56u; S = 32u; H = 1u; Cl = 35,5u). A informação sobre o ácido clorídrico é desnecessária, pois não vamos utilizá-lo em nossos cálculos, já que temos apenas a massa de sulfeto ferroso posta para reagir. Por outro lado, sabemos que o sulfeto ferroso está com impurezas. Vamos então calcular qual a massa deste reagente puro. 1100g de FeS ________ 100% x _____________ 80% x = 880g de FeS puro. Agora sim podemos utilizar as proporções molares para encontrar a massa de cloreto ferroso formada na reação. 1 mol de FeS _______ 1 mol de FeCl2 88g de FeS ____________ 127g de FeCl2 880g de FeS _______________ y y = 111760/88 y = 1270g de FeCl2 Sistema em que o rendimento não é total Quando uma reação química não produz as quantidades de produto esperadas, de acordo com a proporção da reação química, dizemos que o rendimento não foi total. Rendimento de uma reação é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida e a quantidade esperada, de acordo com a proporção da equação química. Mediante aos exemplos acima, foi possível observar que os procedimentos para resolver exercícios de Cálculo Estequiométrico, devem seguir os seguintes passos: A) Escrever a equação da reação química; B) Acertar os coeficientes (fazer o balanceamento = igualar o número de átomos); C) Obter a PROPORÇÃO EM MOLS através dos coeficientes estequiométricos. Questões 01. (UNICAMP) Em uma pessoa adulta com massa de 70,0 Kg, há 1,6kg de Cálcio. Qual seria a massa desta pessoa, em Kg, se a Natureza houvesse, ao longo do processo evolutivo, escolhido o Bário em lugar do Cálcio? Dados: massas atômicas relativas: Ca = 40, Ba = 137. 02. Determine o volume de gás hidrogênio, obtido nas CNTP, na reação de 40g de uma amostra de sódio, com 46% desse metal. (Na=23). Na + H2O NaOH + 1 2 H2 03. Qual massa de uma amostra de Fe2O3, com 80% de pureza em relação ao óxido, produzirá 44,8g de ferro? 04. No processo 2SO2 + O2 2SO3 determine a massa de SO3 obtida a partir de 320g de SO2, sabendo que o rendimento do processo é 75%. (S=32; O=16). 05 UnB-DF A utilização sistemática da balança em laboratório, especialmente no estudo da variação de massa em reações químicas, é considerada um marco para o surgimento da Química Moderna. Um dos responsáveis por esse significativo momento da história da Química foi AntoineLaurent Lavoisier (1743-1794), cujas contribuições são até hoje utilizadas para o estudo de reações químicas, como a que é representada pela equação abaixo. 2HCl(aq) + CaCO3(s) → CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g) A partir do texto, das contribuições de Lavoisier e dos conceitos da Química a elas relacionados, julgue os itens que se seguem. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 124 ( ) De acordo com Lavoisier, se a reação química representada no texto for realizada em um recipiente aberto, a massa total dos reagentes será diferente da massa dos produtos contidos no recipiente após o término da reação. ( ) Lavoisier contribuiu para consolidar a Alquimia como uma ciência. ( ) Tanto a massa inercial quanto a massa gravitacional se conservam durante a reação citada no texto. ( ) Na reação representada no texto, a fórmula da água indica que existem duas unidades de massa de hidrogênio para cada unidade de massa de oxigênio. 06. Nos garimpos, utiliza-se o mercúrio para separar o ouro das impurezas. Quando o mercúrio entra em contato com a água dos rios, causa uma séria contaminação: é absorvido por micro-organismos, que são ingeridos pelos peixes pequenos, os quais são devorados pelos peixes grandes usados na alimentação humana. Uma das formas de medir o grau de intoxicação por mercúrio nos seres humanos é a determinação da sua presença nos cabelos. A OMS (Organização Mundial da Saúde) estabeleceu que o nível máximo permissível, sem risco para a saúde, é de 50 x l0–6 g de mercúrio, por grama de cabelo. Nesse sentido, pode-se afirmar que essa quantidade de mercúrio corresponde a: (Massa atômica: Hg = 200) (nº de Avogadro = 6,0 x l0–23) (A) 1,5 x 1017 átomos de Hg (B) 1,5 x 1023 átomos de Hg (C) 2,5 x 106 átomos de Hg (D) 150 bilhões de átomos de Hg (E) 200 milhões de átomos de Hg 07. UNICAMP-SP Já na pré-história, o homem descobriu como trabalhar metais. Inicialmente o cobre, depois o estanho, o bronze e o ouro. Por volta de 1500 a.C., ele já trabalhava com o ferro. É bem provável que este metal tenha sido encontrado nas cinzas de uma fogueira feita sobre algum minério de ferro, possivelmente óxidos de ferro (II) e ferro (III). Estes óxidos teriam sido quimicamente reduzidos a ferro metálico pelo monóxido de carbono originado na combustão parcial do carvão na chama da fogueira. Esse é um processo bastante semelhante ao que hoje se usa nos fornos das mais modernas indústrias siderúrgicas. a) Cite uma propriedade que possa ter levado o homem daquela época a pensar que “aquilo diferente” junto às cinzas da fogueira era um metal. b) Suponha duas amostras de rochas, de mesma massa, reagindo com monóxido de carbono, uma contendo exclusivamente óxido de ferro (II) e outra contendo exclusivamente óxido de ferro (III). Qual delas possibilitaria a obtenção de mais ferro metálico ao final do processo? Justifique. c) No caso do item b, escreva a fórmula estrutural do principal subproduto do processo de produção do ferro metálico. 08. U.F. Juiz de Fora-MG A nitroglicerina é uma substância explosiva, sendo a reação química que representa sua explosão dada a seguir. C3H5(NO3)3(1) 3/2 N2(g) + 3 CO2(g) + 5/2 H2O(g) + 1/4 O2(g) Dados: • Volume molar: 22,4 L/mol • Massa molar: C3H5(NO3)3 = 227 g/mol; N2 = 28 g/mol A explosão de 2 mols de nitroglicerina produz: (A) 12 mols de gases. (B) 42 g de gás nitrogênio. (C) 67,2 L de dióxido de carbono, nas CNTP (P = 1 atm e t = 0ºC). (D) 3 × 1023 moléculas de O2(g). 09. UFF-RJ Alguns óxidos de nitrogênio, dentre os quais N2O, NO, NO2, N2O3 e N2O5, podem ser detectados na emissão de gases produzidos por veículos e, também, por alguns processos para fabricação de fertilizantes. Tais óxidos contribuem para tornar o ar muito mais poluído nos grandes centros, tornando-o nocivo à saúde. Dentre os óxidos citados, o que apresenta maior percentual de N é: (A) NO (B) NO2 (C) N2O (D) N2O3 (E) N2O5 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 125 10. Como o dióxido de carbono, o metano exerce também um efeito estufa na atmosfera. Uma das principais fontes desse gás provém do cultivo de arroz irrigado por inundação. Segundo a Embrapa, estima-se que esse tipo de cultura, no Brasil, seja responsável pela emissão de cerca de 288 Gg (1Gg = 1 × 109 gramas) de metano por ano. Calcule o número de moléculas de metano correspondente. Massas molares, g/mol: H=1 e C=12. Constante de Avogadro = 6,0 ×1023 mol-1. Respostas 01. Resposta: 73,88 kg 02. Resolução: Vamos calcular a parte da amostra. 40g-------------100% x-----------------46% Essa é a massa real de sódio existente na amostra. É a massa que deve participar do cálculo estequiométrico. Na + H2O NaOH + H2 1mol ½ mol 23g --------------------- 1 2 (22,4L) 18,4g--------------------V V = 18,4g. 11,2L 23 g V= 8,96L Resposta: 8,96 L de gás hidrogênio. 03. Resolução: Vamos calcular a parte pura da amostra. Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 1mol 2 mols 160g ----------------------2 (56g) x---------------------------44,8g x= 64g Fe2O3 (parte pura) Amostra=? 80% Perceba que 64g de Fe2O3 correspondem a 80% da amostra. 64g----------------80% m------------------100% mtotal= 80g 04. Resolução: 2SO2 + O2 2SO3 2mols 0,75 [2mols] r=75%=0,75 64g Fe2O3 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 126 2(64g)-----------0,75[2(80g)] 320g-------------x X=300g de SO3 05. Resposta: C – E – C – E 06. Resposta: A 200 g------------------6,0 x1023-átomos de Hg 50.10-6 g----------------x X=1,5 x 1017 átomos de Hg 07. Resposta: a) Os metais apresentam-se, em geral, brilhantes, densos, maleáveis, etc… b) 1 FeO(s) + 1 CO(g) 1 Fe(s) + 1 CO2(g) 72 g 56 g 1 mol de FeO(s) (72 g) produz 56 g de Fe(s), como as amostras devem conter a mesma massa, então: 1 Fe2O3 + 3 CO(g) 2 Fe(s) + 3 CO2(g) 160 112 72 x X = 50,4g de Fe(s) c) o principal subproduto da produção do ferro metálico é CO2 08. Resposta: D C3H5(NO3)3(L) 3\2 N2(g) + 3CO2(g) + 5\2 H2O(g) + 1\4 O2(g) 1mol ----------------------------------------------------------- 1/4 mol 2mol ------------------------------------------------------------x x = 0,5 mol de O2 Como: 1 mol ------------- 6.10²³ moléculas 0,5 ------------------x x = 3.10²³ moléculas de O2 09. Resposta: C Massas molares NO=30g NO2=46g N2O=44g N2O3=76g N2O5=108g Porcentagem de N NO 30g-------100% 14g--------x x=46.6% NO2 46g--------100% 14g----------x x=30.4% N2O 44g---------100% 28g-----------x x=63.6% N2O3 76g---------100% 28g-----------x x=36.8% Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 127 N2O5 108g-------100% 28g-----------x x=25.9% Logo o óxido que possui mais N é o N2O 10. Resposta 16 g -------------------- 6 × 1023 moléculas (CH4) 228 × 109 g ------------ n n = 1,08 . 1034 moléculas CH4. UNIDADE DE MEDIDAS: Para realizarmos qualquer experimento é preciso conhecer algumas unidades de medida. A medida de uma grandeza é um número que expressa uma quantidade, comparada com um padrão previamente estabelecido. O volume, comprimento, massa, temperatura, tempo, volume, força, quantidade de matéria , a densidade e a pressão são unidades de medida. Essas grandezas são avaliadas pelas unidades de medida adotadas por convenção e cada unidade tem seu símbolo. Por exemplo, o m o símbolo do metro. O valor de uma grandeza pode ser expresso por um número e uma unidade de medida. Exemplo: 25ºC, 100m. As observações científicas, feitas por meio de experiências controladas e que levam ao desenvolvimento de teorias e leis, necessitam de medições específicas, principalmente paraque, além de serem exatas, possam também ser repetidas quantas vezes for necessário e por qualquer pessoa no mundo. Essas medições podem ser feitas da massa, do volume, da temperatura etc. Tudo aquilo que pode ser medido é chamado de grandeza. Cada grandeza é expressa em números e possui uma unidade padrão que é escolhida previamente para servir de comparação para outras medidas dessa mesma natureza. Por exemplo, a massa dos corpos é uma grandeza que pode ser medida em gramas, quilogramas, miligramas, toneladas e assim por diante. Mas a unidade padrão, que é a unidade internacional de massa, é o quilograma (kg). Assim, quando se diz que a massa de determinado corpo é 50 kg, isso significa que, em comparação com o padrão escolhido, que é o kg, a massa desse corpo é 50 vezes maior. As demais unidades são múltiplos e submúltiplos, por exemplo, a tonelada é um múltiplo (1 tonelada = 1 000 kg) e o grama é um submúltiplo do quilograma (1 grama = 10-3 kg). As unidades padrões são diferentes para cada tipo de grandeza e são estabelecidas pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), e a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada) os adota. Veja a seguir quais são as unidades de medida mais importantes para um estudo inicial da Química: Massa (m): indica a quantidade de matéria que existe num corpo, sendo que sua medida é feita numa balança. Se a grandeza for massa: 1kg = 10³g 1g = 10-3 kg 1g = 10³ mg 1mg = 10-3g 1g = 106µg 1 µg = 10-6 3.3.1.7 Unidades e grandezas em Química Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 128 SISTEMAS DE UNIDADES DE MEDIDA Um grupo de unidade é conhecido como sistema de unidades de medida. O mais utilizado é o SI (Sistema Internacional de Unidades). GRANDEZA NOME DA UNIDADE SÍMBOLO massa quilograma Kg comprimento metro m tempo segundo S Quantidade de matéria mol mol Temperatura termodinâmica Kelvin K área metro quadrado m² pressão Pascal Pa Às vezes é necessário usar unidades maiores oi menores do que as do SI. Conforme já mencionado, a unidade padrão de massa do SI é o quilograma (kg). Observação: É importante ressaltar que massa é uma grandeza diferente de peso (P), sendo que este último é dado pela multiplicação da massa do corpo pela aceleração da gravidade local (P = m.g). Sua unidade é o Newton (1 N = 1 kg . m/s2). Todo corpo tem massa, mesmo que esteja isolado, mas o peso só terá aquele corpo que estiver próximo de outro corpo que o atraia. Por exemplo, o nosso peso, na verdade, não é o valor dado na balança; isso é a nossa massa. O peso é a força com que a Terra nos atrai para a sua superfície. Volume (V): é a extensão do espaço ocupado por um corpo. Sua medida é feita por meio de recipientes apropriados, como os mostrados abaixo, que possuem graduações em suas paredes. Se a grandeza comprimento, onde a unidade no SI é o metro, tiver que ser expressa em unidades maiores usamos os seus múltiplos (quilômetro, hectômetro, decâmetro, etc.) e para utilizar unidades menores, usamos os submúltiplos (centímetro, decímetro, milímetro, etc.). Para a grandeza volume, utilize-se muito a unidade de l (litro) e mL (mililitro), onde: 1l = 1dm³ 1mL = 1cm³ O volume é derivado das unidades de comprimento, sendo que para um cubo ele pode ser determinado pela fórmula: Volume = comprimento . altura . largura Visto que a unidade padrão de comprimento é o metro (m), a unidade de volume no SI é metro cúbico (m3). No entanto, outras unidades acabam sendo mais utilizadas no cotidiano, tais como o litro (L) e o mililitro (mL). Veja as correspondências abaixo: 1 m3 = 1000 L ou 1000 dm3 1 dm3 = 1 L 1 cm3 = 1 mL 1 cm3 ou 1 mL = 10-3 dm3 ou 10-3 L Temperatura (T): é a medida do nível de energia térmica de um material. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 129 Sua medida é feita por meio de termômetros, um fino tubo graduado que contém mercúrio em seu interior. À medida que fica mais quente, o mercúrio se expande e mostra na graduação ao longo do tubo qual é a temperatura. A unidade padrão no SI para a temperatura é o Kelvin (K), que é reconhecido como escala absoluta. Mas, no Brasil, costuma-se usar a escala Celsius (ºC). Para entender como realizar conversões entre essas escalas termométricas leia o texto abaixo: As escalas termométricas. Escalas Termométricas Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. Escala Celsius: é a escala usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0°C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100°C). Escala Fahrenheit: outra escala bastante utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0°F) e a temperatura do corpo humano (212°F). Escala Kelvin: também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Por convenção, não se usa “grau” para esta escala, ou seja, 0K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Conversões entre escalas Para que seja possível expressar temperaturas dadas em certa escala para outra qualquer deve-se estabelecer uma convenção geométrica de semelhança. Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit para escala Celsius: Pelo princípio de semelhança geométrica: 𝜃𝑐 5 = 𝜃𝐹 − 32 9 Exemplo: Qual a temperatura correspondente em escala Celsius para a temperatura 100°F? 𝜃𝑐 5 = 𝜃𝐹 − 32 9 𝜃𝑐 5 = 100 − 32 9 9𝜃𝑐 = 5 ∙ 68 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 130 𝜃𝑐 = 37,7°𝐶 E para escala Kelvin: 𝑇 = 𝜃𝑐 + 273 E de Kelvin para Fahrenheit 𝐾 − 273 5 = 𝜃𝐹 − 32 9 Densidade (d) ou massa específica: é a relação entre a massa (m) e o volume (V) de um material. d = m (g)/ V (cm3 ou L) O objeto que tiver maior densidade afunda em relação a outro com menor densidade e vice-versa. Por exemplo, os icebergs são gigantescos blocos de gelo, no entanto, eles flutuam sobre a água do mar. Isso ocorre porque como são apenas água pura solidificada, a sua densidade é de 0,92 g/cm3, enquanto a densidade da água do mar, que contém sais, é maior (1,03 g/cm3). Para sólidos e líquidos, a unidade usada para a densidade costuma ser o gramas por centímetros cúbicos (g/cm3), já para gases, usa-se o gramas por litro (g/L). Pressão (p): é a força aplicada sobre um corpo dividida pela área sobre a qual a força (F) é exercida. p = F/A A unidade padrão de pressão no SI é o pascal (Pa), que é 1 Newton sobre 1 metro quadrado (1 Pa = 1 N/m2), mas outras unidades costumam ser utilizadas, tais como o milímetro de mercúrio (mmHg) e o atmosfera (atm). A pressão atmosférica ao nível do mar é igual a 1 atm ou 760 mmHg, que correspondem a 1,01325 . 105 Pa. Observe a formação dos múltiplos e submúltiplos das unidades de medida mediante o emprego dos prefixos SI Em uma tabela mais simplificada: km hm damm dm cm mm 10³ 10² 10 1 10-1 10-2 10-3 Então: 1km = 1.10³ 1µm = 1.10-6 1cm = 1.10-2 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 131 1nm = 1.10-9 1mm = 1.10-3 Outras unidades: Alguns países não utilizam unidades métricas. São as unidades do sistema inglês (milha, jarda, polegada, pé, libra e onça). 1milha = 1609m 1polegada = 25,40mm = 2,540cm 1jarda = 0,914m 1onça= 28,35g 1pé = 0,3048m 1libra = 453,6g Questões 01(PM/SP – OFICIAL ADMINISTRATIVO – VUNESP) Em 25 de maio de 2014, o jornal Folha de S. Paulo publicou a seguinte informação sobre a capacidade de retirada de água dos sistemas de abastecimento, em metros cúbicos por segundo (m3/s): De acordo com essas informações, o número de segundos necessários para que o sistema Rio Grande retire a mesma quantidade de água que o sistema Cantareira retira em um segundo é: (A) 5,4. (B) 5,8. (C) 6,3. (D) 6,6. (E) 6,9. 02(SAAE/SP – AUXILIAR DE MANUTENÇÃO GERAL – VUNESP) Um consumidor introduziu um objeto dentro da caixa acoplada de uma descarga, o que provocou uma economia de 600 mL de água a cada descarga. Supondo que 1 000 000 de consumidores façam o mesmo, num dia em que cada um desses consumidores der 3 descargas, a economia de água será de (A) 600000 L. (B) 1200000 L. (C) 1800000 L. (D) 2400000 L. (E) 3000000 L. 03(MP/SP – AUXILIAR DE PROMOTORIA I – ADMINISTRATIVO – VUNESP) O suco existente em uma jarra preenchia 3 4 da sua capacidade total. Após o consumo de 495 ml, a quantidade de suco restante na jarra passou a preencher 1 5 da sua capacidade total. Em seguida, foi adicionada certa quantidade de suco na jarra, que ficou completamente cheia. Nessas condições, é correto afirmar que a quantidade de suco adicionada foi igual, em mililitros, a (A) 580. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 132 (B) 720. (C) 900. (D) 660. (E) 840. 04(SABESP/SP – AGENTE DE SANEAMENTO AMBIENTAL – FCC) Uma piscina está vazia e tem capacidade de 65,4m³ de água. A vazão da torneira que irá encher continuamente essa piscina é de 250mL por segundo. Nessas condições, o tempo necessário e suficiente para encher essa piscina é de Dado: 1m³ equivale a 1000dm³ (A) 73 horas e 40 minutos. (B) 72 horas e 10 minutos. (C) 73 horas e 06 minutos. (D) 72 horas e 20 minutos. (E) 72 horas e 40 minutos. 05(SABESP – CONTROLADOR DE SISTEMAS DE SANEAMENTO 01 – FCC) Uma piscina de forma quadrada tem 25 m² na superfície, quando está cheia. O dono da piscina quer cobrir toda a superfície com placas de isopor quadradas, cujo lado mede 25 cm. Encaixando as placas sobre a água o número de placas necessárias para realizar esse intento é igual a (A) 250. (B) 4000. (C) 2000. (D) 200. (E) 400. 06.Na leitura do hidrômetro de uma casa, verificou-se que o consumo do último mês foi de 36 m3. Quantos litros de água foram consumidos? (A) 3,6 litros (B) 0,036 litros (C) 3600 litros (D) 36000litros (E) 36000000000 litros Respostas 01.Resposta: D m3 seg 33 ------- 1 5 ------- x 5.x = 33 . 1 x = 33 / 5 = 6,6 seg 02. Resposta: C 3 . 1 000 000 = 3 000 000 descargas 3 000 000 . 600 = 1800000000 mL = 1 800 000 L (: 1000) 03.Resposta: B Para facilitar os cálculos vamos chamar de x a capacidade total da jarra. Assim: 3 4 . 𝑥 − 495 = 1 5 . 𝑥 3 4 . 𝑥 − 1 5 . 𝑥 = 495 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 133 5.3.𝑥 − 4.𝑥=20.495 20 15x – 4x = 9900 11x = 9900 x = 9900 / 11 x = 900 mL (capacidade total) Como havia 1/5 do total (1/5 . 900 = 180 mL), a quantidade adicionada foi de 900 – 180 = 720 mL 04.Resposta: E 1m³------1000dm³ 65,4------x X=65400 dm³ 1dm³----1000ml 65400----y Y=65400000ml Vazão da torneira 250ml por segundo 250 ml-----1s 65400000—z Z=261600s 1 hora-----3600s x---------261600 x=72,67 h 1hora---60 minutos 0,67-----y Y=40 minutos O tempo necessário para encher o tanque é de 72 horas e 40 minutos. 05 Resposta: E * Piscina: 25 m² = 250000 cm² * Placas: 25 cm . 25 cm = 625 cm² 250000 / 625 = 400 placas 06 Resposta: D Solução: 36 m3 = 36 000 dm3 = 36 000 litros Soluções Solução é uma mistura homogênea constituída por duas ou mais substâncias numa só fase. As soluções são formadas por um solvente (geralmente o componente em maior quantidade) e um ou mais solutos (geralmente componente em menor quantidade). Suas propriedades físicas e químicas podem não estar relacionadas com aquelas das substâncias originais, diferentemente das propriedades de 3.3.1.8 Soluções, propriedades coligativas e forças intermoleculares Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 134 misturas heterogêneas que são combinações das propriedades das substâncias individuais. As soluções incluem diversas combinações em que um sólido, um líquido ou um gás atua como dissolvente (solvente) ou soluto. Componentes de um solução Uma solução verdadeira é constituída, no mínimo, por dois componentes: -Solvente: substância presente em maior quantidade em uma solução, por meio da qual as partículas do(s) soluto(s) são preferencialmente dispersas. É muito comum a utilização da água como solvente, originando soluções aquosas. -Soluto: substância(s) presente(s) em menor quantidade em uma solução. Por exemplo, ao se preparar uma xícara de café solúvel, temos como soluto o café e o açúcar e como solvente a água quente. Exemplos: -Ao misturarmos 1g de cloreto de sódio (NaCl) em 1 litro de H2O, teremos uma solução, na qual o NaCl é o soluto e a água é o solvente -O álcool comercial comprado em supermercados trata-se de uma mistura homogênea entre álcool e água, geralmente constituída de 92% de álcool e 8% de água. Nesse caso, o álcool é o solvente e a água é o soluto. Solução – sempre formada pelo soluto e pelo solvente. Soluto – substância que será dissolvida. Solvente – substância que dissolve. As soluções podem ser formadas por qualquer combinação envolvendo os três estados físicos da matéria: sólido, líquido e gasoso. Exemplos de soluções no nosso dia-a-dia: - álcool hidratado - acetona - água minera - soro fisiológico Coeficiente de solubilidade Ao adicionar sal a um copo com água, dependendo da quantidade colocada neste copo, o sal se dissolverá ou não. O mesmo acontece quando colocamos muito açúcar no café preto. Nem todo o açúcar se dissolverá no café. A quantidade que não se dissolver ficará depositada no fundo. O Coeficiente de Solubilidade é a quantidade necessária de uma substância para saturar uma quantidade padrão de solvente, em determinada temperatura e pressão. Assim, a solubilidade é definida como a concentração de uma substância em solução, que está em equilíbrio com o soluto puro a uma dada temperatura. Exemplos: AgNO3 – 330g/100mL de H2O a 25°C NaCl – 357g/L de H2O a 0°C AgCl – 0,00035g/100mL de H2O a 25°C Veja que o AgCl é muito insolúvel. Quando o coeficiente de solubilidade é quase nulo, a substância é insolúvel naquele solvente. Quando dois líquidos não se misturam chamamos de líquidos imiscíveis (água e óleo, por exemplo). Quando dois líquidos se misturam em qualquer proporção, ou seja, o coeficiente de solubilidade é infinito, os líquidos são miscíveis (água e álcool, por exemplo). Classificação das soluções Uma solução pode ser classificada a partir de várias de suas propriedades, sendo estas: 1. Quanto ao estado físico: Poderemos ter uma solução em qualquer estado físico da matéria sendo assim: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 135 -Soluções Sólidas: recebem o nome de ligas, e geralmente tratam-se de uma mistura homogênea entre metais. Por exemplo, o ouro 18 quilates é uma mistura constituída por ouro, cobre e prata. Já o bronze é uma mistura dosmetais zinco e estanho.14 -Soluções Líquidas: podem ser de três naturezas distintas: Sólidos dissolvidos em líquidos: por exemplo, água do mar é uma solução que apresenta vários solutos, entre eles, cloreto de sódio, cloreto de magnésio (MgCl2) e bicarbonatos (HCO3-). Líquidos dissolvidos em líquidos: por exemplo, temos o combustível denominado gasolina, que é uma mistura de hidrocarbonetos derivados do petróleo, e álcool, em uma proporção aproximada de 80% para 20%. Gases dissolvidos em líquidos: por exemplo, em um aquário deve-se diluir gás oxigênio (O2) na água, sendo este gás o responsável pela respiração dos peixes. Sendo assim, caso o aquário não permaneça aberto, é necessário injetar-se regularmente este gás por meio de um cilindro. -Soluções Gasosas: são aquelas constituídas apenas por gases, sendo que toda mistura entre gases apresenta uma única fase, sendo, portanto, uma solução. Por exemplo, o ar atmosférico é uma mistura constituída por 78% de gás nitrogênio (N2), 21% gás oxigênio e 1% de outros gases. 2. Quanto à natureza das partículas dispersas: De acordo com a natureza do soluto, podemos ter dois tipos de soluções: -Soluções Iônicas: são aquelas que apresentam íons dissolvidos. São chamadas também de soluções eletrolíticas, pois conduzem corrente elétricas. Por exemplo, ao diluirmos 1g de sal de cozinha (NaCl) em água, teremos uma solução que apresenta os íons Na+ e Cl- dissolvidos. -Soluções moleculares: são aquelas formadas por moléculas dissolvidas. São também chamadas de não eletrolíticas, pois não conduzem corrente elétrica. Por exemplo, ao repetirmos o procedimento anterior, mas desta vez utilizando o açúcar (C12H22O11) ao invés do sal, perceberemos (de acordo com a equação abaixo) que não há separação do soluto, portanto, trata-se de uma solução constituída por moléculas dissolvidas, molecular. 3.Quanto à proporção entre soluto e solvente: Em relação as quantidades em massa de soluto e solvente presente na solução, poderemos ter algumas possibilidades de classificação. Para compreendê-las, precisamos conhecer o conceito de coeficiente de solubilidade (CS). O CS representa a quantidade máxima de determinado soluto que poderemos dissolver em 100 g de água, em temperatura ambiente. Assim, afirmar que CS NaCl = 37g/100g de H2O, significa que a cada 100g de água poderemos dissolver em temperatura ambiente, o máximo de 37g de NaCl. Agora, poderemos compreender as classificações mais simples possíveis para uma solução quanto à proporção entre soluto e solvente. -Solução diluída: Pouco soluto dissolvido em relação ao solvente. Exemplo: Suco de uva -Solução insaturada: é aquela que tem uma concentração de soluto menor do que a de uma solução saturada, podendo ainda dissolver soluto adicional até se tornar uma solução saturada. Exemplo: uma solução formada por 1g de NaCl para 100g de água. -Solução saturada: é aquela que, ao se ir adicionando um soluto sólido a um solvente, atinge o ponto de equilíbrio que é quando não há mais condições de dissolução desse soluto. Exemplo: uma solução constituída por 37g de NaCl em 100g H2O. -Solução supersaturada: é aquela que tem uma concentração de soluto maior do que a de uma solução saturada. É uma solução instável, não havendo equilíbrio de solubilidade e seu soluto tende a cristalizar- se. Esta situação é possível quando uma solução saturada sob certas condições é colocada em condições 14 PERUZZO, Francisco Miragaia (Tito); CANTO, Eduardo Leite; Química na Abordagem do Cotidiano, Ed. Moderna, vol.1, São Paulo/SP- 1998. MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J.; Química: um curso universitário, Ed. Edgard Blucher LTDA, São Paulo/SP – 2002. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 136 diferentes de temperatura nas quais o soluto é menos solúvel, retendo assim mais soluto do que reteria na temperatura original. Exemplo: uma solução constituída por mais de 37g de NaCl em 100g H2O. Esquematicamente essas regras se resumem no esquema abaixo: Solubilidade de Gases em Líquidos Normalmente, os gases são pouco solúveis nos líquidos. Dois fatores alteram consideravelmente a solubilidade: -Temperatura Todo aumento de temperatura diminui a solubilidade do gás no líquido. Por exemplo, para eliminar gases dissolvidos na água, é feito o aquecimento por um certo período de tempo. Sendo assim, a diminuição da temperatura facilita a solubilidade de um gás num líquido. -Pressão Quando não ocorre reação do gás com o líquido, a influência da pressão é estabelecida pela lei de Henry: "Em temperatura constante, a solubilidade de um gás num líquido é diretamente proporcional à pressão". Exemplo: Os refrigerantes apresentam grande quantidade de CO2 dissolvido sob pressão. Quando o refrigerante é aberto, a pressão diminui, fazendo com que o excesso de CO2 dissolvido no refrigerante escape. Curvas de Solubilidade São diagramas que mostram a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. Analisando o gráfico ao lado, observamos que regiões abaixo da curva representam solução não saturada, sobre a curva, região saturada e acima da curva, desde que as quantidades permaneçam em solução, região supersaturada. O gráfico abaixo representa a solubilidade de várias substâncias em função da temperatura. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 137 A maioria das substâncias aumenta a solubilidade com o aumento da temperatura. Podemos dizer, então, que se trata de uma dissolução endotérmica. Para uma substância como Ce2(SO4)3, a solubilidade diminui com o aumento da temperatura; portanto, trata-se de uma dissolução exotérmica. O gráfico do coeficiente de solubilidade em função da temperatura é utilizado principalmente para informar a solubilidade de uma ou várias substâncias em função da temperatura. Exemplo: Interpretando o gráfico: - na temperatura de 50°C, a quantidade máxima de KNO3 que se dissolve em 100 g de água são 80 g. A solução em questão é saturada; - para obtermos uma solução saturada KNO3 a 40°C, basta dissolver 60 g de KNO3 em 100 g de água; - se resfriarmos uma solução saturada de 50°C para 40°C, teremos um corpo de fundo igual a 20 g de KNO3; - 200 g de água a 40°C dissolvem no máximo 120 g de KNO3. Dispersões são sistemas em que o soluto sólido está espalhado uniformemente em toda a mistura. Uma dispersão é formada por pelo menos um disperso (soluto) e um dispergente (solvente). A classificação das dispersões é feita de acordo com o tamanho das partículas (dimensões) das partículas dispersas (soluto). Observe o resumo abaixo: Tipos de Dispersão Tamanho do disperso Soluções verdadeiras Até 1nm Dispersão coloidal ou coloide Entre 1nm até 100 nm Suspensões Acima de 10nm Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 138 Dispersões Coloidais As dispersões são misturas em que as partículas dispersas têm um diâmetro compreendido entre 1 nanômetro e 1 micrometro, partículas estas que podem ser átomos, íons ou moléculas. O nome coloide vem do grego “kolas”, que significa “que cola” e foi criado pelo químico escocês Thomas Graham, descobridor desse tipo de mistura. Nesse sistema, as partículas dispersas são significativamente menores do que aquelas que podem ser percebidas a olho nu, porém, bem maiores do que as moléculas individuais. Tais partículas recebem o nome de partículas coloidais. Devido ao seu tamanho, as partículas coloidais são capazes de perpassar por um filtro, mas não por uma membrana semipermeável. Elas são grandes o bastante para refletir e dispersar a luz, dispersão esta conhecida como efeito Tyndall. Tipos de dispersões -Sol: é uma dispersão coloidal na qual o dispersante é o líquido e o disperso é o sólido (um pouco de amido de milho com água) -Gel: é uma dispersãocoloidal na qual o dispersante é o sólido e o disperso é o líquido (gelatina pronta e geleia) -Emulsão: é uma dispersão coloidal no qual o dispersante é o líquido e o disperso é o líquido (cremes hidratantes a base de óleo e água – onde para facilitar a interação, são usados emulsificantes (que funcionam como um "sabão" unindo água e óleo) -Espuma líquida: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o líquido e o disperso é gasoso, como por exemplo espuma de sabão e creme chantilly. -Espuma sólida: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o sólido e o disperso é gasoso, como a pedra-pomes (usadas nos salões de beleza). -Aerossol sólido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é gasoso e o disperso é sólido (fumaça). -Aerossol líquido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o gasoso e o disperso é o líquido (neblina). -Sol sólido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é sólido e o disperso é sólido (o rubi e a safira). Suspensões ou agregados É um caso de disperso onde as partículas apresentam diâmetro superior a 10 nm. Neste caso as partículas já podem ser vistas a olho nu ou em microscópio óptico. Exemplos: H2O mais areia é uma suspensão. Terra suspensa em água. Alguns antibióticos são exemplos de suspensões. O granito é um material heterogêneo, sendo visível a existência de partículas disseminadas na rocha. Coeficiente de solubilidade É a quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em determinada quantidade de solvente, a uma dada temperatura. O coeficiente de solubilidade é útil quando se analisa que haverá excesso de soluto quando suas moléculas não conseguirem mais realizar ligações, já que não haverá moléculas de solvente suficientes para a interação com as moléculas de soluto e colocarmos, por exemplo, 50 g de NH4Cl em 100 g de água e começarmos a aquecer o sistema, veremos que o sal que não tinha se dissolvido em 20ºC começará a dissolver-se. Isso acontece porque o coeficiente de solubilidade do NH4Cl em água aumenta com o aumento da temperatura, conforme o gráfico a seguir indica. Temperatura (ºC) Coeficiente de solubilidade do NH4Cl em g/100g de água 20 37,2 40 45,8 60 55,2 80 65,6 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 139 Exemplo: Foram misturados e agitados 200g de sulfato de amônio com 250g de água, resultando num sistema heterogêneo que, por filtração, forneceu 5g de resíduo. Calcule o coeficiente de solubilidade do sal na temperatura em que a experiência foi realizada. Solução: Como foram utilizados 200g do sal para cada 250g de água e após filtração restou uma massa de 5g do sal, então na realidade, conseguiu-se dissolver apenas 195g do sal. Podemos usar uma regra de três simples e achar a massa do sal que foi dissolvida em 100g de água. 195g sal_____250g água xg sal_______100g água x = 78 g do sal para cada 100 g de água naquela temperatura. Esse é o chamado coeficiente de solubilidade da substância em questão, ou seja, a massa máxima que se consegue dissolver em 100g do solvente a uma dada temperatura. CURVAS DE SOLUBILIDADE São diagramas que indicam a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. O gráfico do coeficiente de solubilidade em função da temperatura é utilizado principalmente para informar a solubilidade de uma ou várias substâncias em função da temperatura. Por exemplo Interpretando o gráfico: – na temperatura de 50 °C, a quantidade máxima de KNO3 que se dissolve em 100 g de água são 80 g. A solução em questão é saturada. – para obtermos uma solução saturada KNO3 a 40 °C, basta dissolver 60 g de KNO3 em 100 g de água. – se resfriarmos uma solução saturada de 50 °C para 40 °C, teremos um corpo de fundo igual a 20 g de KNO3. – 200 g de água a 40 °C dissolvem no máximo 120 g de KNO3. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 140 CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES É o termo que utilizamos para fazer a relação entre a quantidade de soluto e a quantidade de solvente em uma solução. As concentrações podem ser: 1. Concentração Comum 2. Molaridade 3. Título 4. Fração Molar 5. Normalidade Concentração Comum (C) É a relação entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros. Onde: C = concentração comum (g/L) m1= massa do soluto(g) V = volume da solução (L) Exemplo: Qual a concentração comum em g/L de uma solução de 3L com 60g de NaCl? ATENÇÃO: Concentração comum é diferente de densidade, apesar da fórmula ser parecida. Veja a diferença: A densidade é sempre da solução, então: Na concentração comum, calcula-se apenas a massa do soluto, ou seja, m1. Densidade (d): A densidade de uma solução representa a relação entre a massa da solução e o volume da solução. 𝒅 = 𝒎 𝑽 Onde, - msolução = msoluto + msolvente - V = volume da solução Exemplo: Se uma solução apresenta d = 1,2g/mL, isso significa que em casa mililitro da solução existe uma massa total de 1,2 g. Importante: A relação massa da solução/volume da solução poderá ser expressa em: g/L; g/mL; g/cm³ e etc. Molaridade (M) A molaridade de uma solução é a concentração em número de mols de soluto e o volume de 1L de solução. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 141 Onde: M = molaridade (mol/L) n1= número de mols do soluto (mol) V = volume da solução (L) O cálculo da molaridade é feito através da fórmula acima ou por regra de três. Outra fórmula que utilizamos é para achar o número de mols de um soluto: Onde: n = número de mols (mol) m1 = massa do soluto (g) MM = massa molar (g/mol) Exemplo: Qual a molaridade de uma solução de 3L com 87,75g de NaCl? 𝑛 = 87,75 58,5 𝑛=87,75 58,5 M=1,5/3 M=0,5 mol/L n=1,5mol Portanto M=0,5 mol/L Podemos utilizar uma única fórmula unindo a molaridade e o número de mols: Onde: M = molaridade (mol/L) m1 = massa do soluto (g) MM1= massa molar do soluto (g/mol) V = volume da solução (L) Título ( ) e Percentual (%) Título em massa de uma solução é relação entre as massas de soluto e da solução: = 𝑚1 𝑚 Título em massa, também chamada de fração de massa, é um número puro adimensional. m1 massa do soluto m massa total da solução ou seja massa do soluto mais massa do solvente m= m1+m2 Título em porcentagem de uma solução é relação entre as massas de soluto e da solução dada em porcentagem: = 𝑚1. 𝑚 100% Título em porcentagem, também chamada de porcentagem em massa de soluto, e é dado em %. m1 massa do soluto m massa total da solução ou seja massa do soluto mais massa do solvente m= m1+m2 Título em volume de uma solução é relação entre o volume de soluto e da solução, pode ser dada em porcentagem: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 142 𝑣 = 𝑉1 𝑉 𝑣 = 𝑉1 𝑉 .100% Título em volume V1 volume do soluto V volume total da solução ou seja volume do soluto mais volume do solvente V= V1+V2 Fração molar É a relação entre o número de mols do soluto (ou do solvente) pelo número de mols da solução: 𝑋1=𝑛1 𝑛 , 𝑋2=𝑛2 𝑛 , X1+X2=1 X1fração molar do soluto X2fração molar do solvente n1 número de mols do soluto n2 número de mols do solvente n número de mols da solução Exemplo: Adicionando-se 52,0g de sacarose, C12H22O11 a 48,0g de água para formar uma solução, calcule para a fração molar da sacarose nesta solução: Para o cálculo do n1(soluto) 1 mol sacarose--------342g X (g) 52g x=0,15 mol Para o cálculo do n2(solvente)1 mol água--------18g x(g)----------------------48 g x=2,66 mol Para achar a fração molar do soluto (sacarose): Relações entre a concentração, o título, a densidade e a molaridade: C= d.=M. M1 M1 massa molar do soluto Exemplo: No rótulo de um frasco de HCl há a seguinte informação: Título: percentual em massa = 36,5% Densidade = 1,18g/mL Qual a molaridade desse ácido? Transformar o percentual em título: 36,5/100=0,365 Depois aplicar a fórmula: C= 1000 d. C= 1000.1,18.0,365 C= 430,7 g/L Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 143 Para achar a molaridade: C= M.MM 430,7=M.36,5 M= 11,8 mol/L Normalidade É a relação entre o número de equivalentes-gramas do soluto e o volume da solução em litros.” A normalidade é simbolizada por N. Exemplo: Determinar a normalidade da solução que contém 98g de H2SO4 dissolvidos em 1 litro da solução. massa molar do H2SO4 = 98g/mol Equivalente-grama do H2SO4 = 49g/eq. g Diluição Consiste em adicionar mais solvente puro a uma determinada solução. A massa de uma solução após ser diluída permanece a mesma, não é alterada, porém a sua concentração e o volume se alteram. Enquanto o volume aumenta, a concentração diminui Quando adiciona-se água numa solução. Usamos a seguinte fórmula: M1.V1=M2.V2 A molaridade (M) pode ser substituída por concentração comum (C). Dica: no lado esquerdo da fórmula, colocamos os dados da solução inicial, mais concentrada e no lado direito colocamos a solução que foi adicionada água, a mais diluída. Mistura de solução de mesmo soluto C1V1 + C2.V2= Cf.Vf ou M1V1 + M2.V2= Mf.Vf Exemplo: A concentração inicial possui concentração maior (196 g/L) do que a solução de que o químico precisa (98 g/L). Dessa forma, ele precisa pegar um determinado volume da solução inicial e diluir até atingir a concentração desejada. Mas que volume seria esse? Para descobrir basta usar a expressão: Ci . Vi = Cf . Vf. 196 g/L . Vi = 98 g/L . 2 L Vi = 196 g 196 g/L Vi = 1 L Portanto, é preciso pegar 1 L da solução inicial e diluí-lo até completar dois litros, obtendo-se, dessa forma, uma solução a 98 g/L. Mistura de solução de soluto diferente Neste caso, as solução são de ácido e base, portanto reações de neutralização. O ácido e a base reagem e formam um novo produto. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 144 Deve-se levar em conta a reação química e o coeficiente estequiométrico. Ma.Va.Xa=Mb.Vb.Xb Exemplo: Juntando-se 300mL de HCl 0,4mol/L com 200mL de NaOH 0,6mol/L, pergunta-se quais serão as molaridades da solução final com respeito: a) ao ácido: b) à base: c) ao sal formado: Montar a reação química: 1 HCl + 1NaOH 1 NaCl + 1 H2O 300 mL 200mL 0,4 mol/L 0,6 mol/L Calcular n (número de mol) do ácido e da base: HCl: 0,4 mol—1000mL X(mol)—300 mL X= 0,12 mol NaOH 0,6 mol—1000mL X(mol)—200 mL X= 0,12 mol Se forma 0,12mol de ácido e também de base e a proporção estequiométrica é 1:1, então a molaridade final de ácido e de base é zero porque reagiu todo o soluto. Calcular a molaridade do sal: Antes achar o volume final: Vf=300+200 Vf=500 mL = 0,5 L Questões 01. (Unicamp-SP) Observe o diagrama de fases do dióxido de carbono, ao lado. Considere uma amostra de dióxido de carbono a 1atm de pressão e temperatura de –50 ºC e descreva o que se observa quando, mantendo a temperatura constante, a pressão é aumentada lentamente até 10 atm. 02. Preparou-se uma solução dissolvendo-se 40g de Na2SO4 em 100g de água a uma temperatura de 60ºC. A seguir a solução foi resfriada a 20ºC, havendo formação de um sólido branco. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 145 A) Qual o sólido que se formou? B) Qual a concentração da solução final (20ºc). 03. Calcule a concentração em g/L de uma solução com 40 g de soluto em 500 cm3 de solução. 04. Num exame laboratorial, foi recolhida uma amostra de sangue, sendo o plasma separado dos eritrócitos, ou seja, deles isolado antes que qualquer modificação fosse feita na concentração de gás carbônico. Sabendo-se que a concentração de CO2. Neste plasma foi de 0,025 mol/L, essa mesma concentração em g/L é de: 05. Uma solução foi preparada dissolvendo-se 4,0 g de cloreto de sódio (NaCl) em 2,0 litros de água. Considerando que o volume da solução permaneceu 2,0 L, qual é a concentração da solução final? (A) 2g/L (B) 4g/L (C) 6 g/L (D) 8 g/L (E) 10 g/L 06. Em uma solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH), calcule: a) A concentração em g/L de uma solução que contém 4,0 g de NaOH dissolvidos em 500 mL de solução. b) Para preparar 300 mL de uma solução dessa base com concentração de 5 g/L será preciso quanto de soluto? c) Qual será o volume em mL de uma solução aquosa de hidróxido de sódio que possui exatamente 1 mol dessa substância (NaOH = 40 g/mol), sendo que sua concentração é igual a 240 g/L? 07 UFMS Um único cristal de um sólido é adicionado a um béquer contendo uma solução daquele mesmo sólido. Considerando as situações abaixo, é correto afirmar que: 01. A situação B aconteceria caso a solução inicial fosse insaturada; 02. A situação B aconteceria caso a solução inicial fosse saturada; 04. A situação A ocorreria caso a solução inicial fosse saturada; 08. Ocorreria o demonstrado em C caso a solução inicial estivesse supersaturada; 16. caso a solução inicial estivesse insaturada, poderíamos observar a situação A após a adição do cristal. Dê, como resposta, a soma das alternativas corretas. 08.UFR-RJ Observe o gráfico abaixo e responda às questões que se seguem. a) Qual a menor quantidade de água necessária para dissolver completamente, a 60ºC, 120 g de B? b) Qual a massa de A necessária para preparar, a 0ºC, com 100 g de água, uma solução saturada (I) e outra solução insaturada (II) ? Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 146 09.U. Alfenas-MG Adicionou-se 1,360 g de sulfato de cálcio a 200 mL de água, obtendo-se uma solução X. O sólido não dissolvido foi separado por filtração e, depois de seco, pesado. Quantos gramas de sulfato de cálcio são recuperados depois da filtração? (A) 1,224 g (B) 1,360 g (C) 5,10 g (D) 0,136 g (E) 1,088 g Massa molar (g/mol): CaSO4 = 136; solubilidade do CaSO4 = 5.10–3 mol/L de água 10. (UFBA) Sobre soluções, pode-se afirmar: (01) O latão, mistura de cobre e zinco, é uma solução sólida. (02) Soluções saturadas apresentam soluto em quantidade menor do que o limite estabelecido pelo coeficiente de solubilidade. (04) A variação da pressão altera a solubilidade dos gases nos líquidos. (08) O etanol é separado do álcool hidratado por destilação simples. (16) Dissolvendo-se 30 g de NaCl em água, de tal forma que o volume total seja 500 mL, a concentração da solução obtida é igual a 0,513 mol/L. (32) Adicionando-se 0,30 L de água a 0,70 L de uma solução 2 mol/L de HCl, a concentração da solução resultante é igual a 1,4 mol/L. (64) A solubilidade de qualquer substância química, em água, aumenta com o aumento da temperatura. Respostas 01. Resolução: Observando o gráfico, temos: A –50 ºC e 1 atm, o dióxido de carbono encontra-se no estado gasoso. Mantendo-se a temperatura constante e elevando-se a pressão, temos que: • ao redor de 5 atm, ele passa para o estado líquido; • ao redor de 7 atm, ele passa para o estado sólido. Portanto, a –50 ºC e 10 atm ele está no estado sólido Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 147 02. Resolução: A) Na2SO4.10H2O Observando-se o gráfico dá para perceber que a 60º C é possível dissolver uma massa maior do que 40g. Logo, termos uma solução insaturada. Porém, ao se resfriara solução para 20ºC observamos que a solubilidade do sal diminui para uns 20g. Logo, termos a formação do precipitado a que corresponde à curva, nesta temperatura: Na2SO4.10H2O. B) 0,2 g de sal/g H2O. Se temos dissolvidas 20g de sal em 100g de água, teremos, então, 0,2g de sal para cada grama de água. 03. Resolução: Massa do soluto = 40 g Volume da solução = 500 cm3 = 0,5 L Concentração da solução = ? (g/L) 40 g de soluto ------------------ 0,5 L de solução X ------------------------------ 1,0 L de solução X = 80 g de soluto Desta forma ficamos com: C = 80 g/L 04. Resolução: C = 1,1g/L 05. Resposta A. C = m1 →C = 4,0 g →C = 2,0 g/L V 2,0 L 06. Resolução a) 1 L ---------- 1000 mL X ------------500 mL X = 500/1000 X = 0,5 L C = m1 →C = 4,0 g /0,5L →C = 8,0 g/L V b) 1 L ---------- 1000 mL X ------------300 mL X = 300/1000 X = 0,3 L C = m1 →5 g/L = m1/0,3L→ m1 = 1,5 g V c) 240 g--------------- 1000 mL (1 L) 40 g --------------- x X = (40 g). (1000 mL)/240 g X = 166, 7 mL 07. Resposta 01 + 04 + 08 = 13 08. Resposta a) Pelo gráfico, a 60ºC, 40 g de B se dissolve em 100 g de H2O. Então: 40 g → 100 g H2O 120 g → x Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 148 x = 300 g H2O b) Para a solução saturada, a 0°C, 100 g de água dissolve, no máximo, 10 g de A. Para a solução insaturada, a 0°C, 100 g de água dissolve uma massa de A inferior a 10 g. 09. Resposta A. Inicialmente calcula-se a massa de CaSO4 dissolvida em 1 L = 1000 mL de água: 136 g ------------- 1 mol m ------------------ 5.10-3 mol m = 0,68 g de CaSO4 em 1000 mL de água Em segundo lugar, calcula-se a massa de CaSO4 em 200 mL de água: 1000 mL de água --------------- 0,68 g de CaSO4 200 mL de água ----------------- Y Y = 200 x 0,68 / 1000 Y = 0,136 g de CaSO4 em 200 mL de água Como foram adicionados 1,360 g de CaSO4 e só dissolveram-se 0,136 g desse sal, então o sólido não dissolvido é: M = 1,360 - 0,136 M = 1,224 g de CaSO4 10. Resposta: Soma (37) São verdadeiras: 01, 04 e 32. (01) Verdadeiro. O latão, mistura de cobre e zinco, é uma solução sólida. (02) Falso. Soluções saturadas apresentam soluto dissolvido em quantidade igual ao coeficiente de solubilidade. (04) Verdadeiro. A variação da pressão altera a solubilidade dos gases nos líquidos. Aumentando a pressão, a solubilidade aumenta (Lei de Henry). (08) Falso. O etanol é separado do álcool hidratado por destilação fracionada. (16) Falso. Dissolvendo-se 30 g de NaCl em água, de tal forma que o volume total seja 500 mL, a concentração da solução obtida é igual a 1,26 mol/L. Observe os cálculos: 1 mol de NaCl ----------- 58,5 g de NaCl x-------------- 30 g de NaCl x ≈ 0,513 mol de NaCl 0,513 mol de NaCl -------- 0,5 L de solução y --------------- 1 L de solução y = 1,026 mol/L de NaCl (32) Verdadeiro. Adicionando-se 0,30 L de água a 0,70 L de uma solução 2 mol/L de HCl, a concentração da solução resultante é igual a 1,4 mol/L. Veja os cálculos: 1 L de solução ----------- 2 mol de HCl 0,70 L de solução -------------- z Z = 1,40 mol de HCl (64) Falso. Existem substâncias que têm a solubilidade em água diminuída com aumento da temperatura, é o caso, por exemplo, dos gases. Propriedades Coligativas Propriedades coligativas das soluções são propriedades que dependem apenas do número de partículas dispersas na solução, independentemente da natureza dessas partículas, podendo ser moléculas ou íons. As propriedades coligativas incluem pressão máxima de vapor, ebulição, ponto de fusão e pressão osmótica. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 149 Efeitos coligativos A água em seu estado puro à pressão de 1 atm possui ponto de fusão de 0°C e ponto de ebulição de 100°C. Porém, quando adicionamos um soluto à água, o soluto modifica as propriedades físicas da água. Agora a água congela abaixo de 0°C e ferve acima de 100°C. Estas alterações das propriedades físicas da água devido à adição do soluto são denominadas de efeitos coligativos. Para cada propriedade física que modifica temos uma propriedade coligativa que estuda este efeito: Efeito coligativo Propriedade coligativa Diminuição da pressão de vapor Tonoscopia Aumento do Ponto de Ebulição Ebulioscopia Diminuição do Ponto de Congelamento Crioscopia Aumento da Pressão Osmótica Osmoscopia - Pressão Máxima de Vapor (PMV) A pressão máxima de vapor é pressão exercida pelo vapor quando está em equilíbrio dinâmico com o liquido correspondente. A PMV depende da temperatura e da natureza do líquido. Observa-se experimentalmente que, numa mesma temperatura, cada líquido apresenta sua pressão de vapor, pois esta está relacionada com a volatilidade do líquido. Fatores que Influenciam A pressão máxima de vapor depende de alguns fatores: - Natureza do Líquido - Líquidos mais voláteis como éter, acetona etc. evaporam-se mais intensamente, o que acarreta uma pressão de vapor maior. Quanto maior a pressão de vapor de um líquido, ou melhor, quanto mais volátil ele for, mais rapidamente entrará em ebulição. - Temperatura - Aumentando a temperatura, qualquer líquido irá evaporar mais intensamente, acarretando maior pressão de vapor. Tonoscopia (ou Tonometria) A tonoscopia estuda os efeitos do abaixamento da pressão de vapor máxima de certo líquido, cujo responsável é uma solução não-volátil adicionada à solução. Em uma solução, quanto maior for o número de mols do soluto, menor será a pressão máxima de vapor dessa solução. Ebulioscopia A ebulioscopia é uma propriedade coligativa que ocasiona a elevação da temperatura de um líquido quando a ele se adiciona um soluto não-volátil e não-iônico. A temperatura em que se inicia a ebulição do solvente em uma solução de soluto não-volátil é sempre maior que o ponto de ebulição do solvente puro (sob mesma pressão). Isso acontece porque a água, por exemplo, só entrará em ebulição novamente se receber energia suficiente para que sua pressão de vapor volte a se igualar à pressão externa (atmosférica), o que irá acontecer numa temperatura superior a 100°C. Exemplo: Água pura: P.E. = 100°C Água com açúcar: P.E. maior que 100°C Quanto maior a quantidade de partículas em uma solução, maior será o seu P.E. Diagrama de Fases e o Ponto Triplo A transformação de cada estado físico possui um nome. Observe: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 150 Existe um gráfico que representa as curvas de variação da temperatura de ebulição e da variação da temperatura de solidificação de uma substância qualquer em função da pressão de vapor. Essas curvas coincidem num ponto específico de cada substância. Fonte: http://estadofisico.blogspot.com/2007/08/as-substncias-podem-mudar-de-estado.html As curvas de variação das temperaturas de ebulição e de solidificação da água em função da pressão de vapor coincidem no ponto em que a pressão é igual a 4,579mmHg e a temperatura é 0,0098°C. Esta coordenada representa o Ponto Triplo da água e o equilíbrio das fases. Isto quer dizer que a substância pode ser encontrada, neste ponto exato da curva, nos três estados físicos ao mesmo tempo: sólido, líquido e gasoso. Equilíbrio das fases: Crioscopia É uma propriedade coligativa que ocasiona a diminuição na temperatura de congelamento do solvente. É provocado pela adição de um soluto não-volátil em um solvente. Está relacionado com o ponto de solidificação (PS) das substâncias. Esta propriedade pode ser chamada também de criometria. Quando se compara um solvente puro e uma solução de soluto não-volátil, é possível afirmar que o ponto de congelamento da solução sempre será menorque o ponto de congelamento do solvente puro. Quanto maior o número de partículas dissolvidas em uma solução, menor será o seu ponto de congelamento. Em países onde o inverno é muito rigoroso, adiciona-se sal nas estradas para provocar a diminuição da temperatura de congelamento da água, evitando que se forme gelo. Esta propriedade também explica porque grande parte da água do mar não congela a 0°C. A imensa quantidade de sal dissolvida nos mares e oceanos faz com que o seu ponto de congelamento diminua. Exemplo: a água poluída possui ponto de solidificação menor que o da água limpa. Isso acontece pelo fato de a primeira opção possuir partículas não-voláteis que a segunda não possui. Isso dificulta ainda mais o seu congelamento. Nos carros, é comum adicionar um anticongelante nos radiadores, o etilenoglicol. Esta substância em solução com a água diminui a temperatura de congelamento para -37°C. Osmometria A osmose está relacionada à passagem espontânea de um solvente por uma membrana semipermeável, por causa da diferença de concentração entre dois meios. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 151 Um exemplo comum é evidenciado ao se temperar verduras com sal de cozinha. Nota-se que as verduras murcham após certo tempo de exposição ao tempero. Isso ocorre em função da saída do líquido (solvente) do ve-getal, que é um meio menos concentrado em relação ao sal. A osmometria mede a pressão máxima de vapor: o líquido com maior pressão máxima de vapor tende a atra-vessar uma membrana semipermeável com maior facili-dade e intensidade que aquele que possui baixa pressão máxima de vapor. A pressão osmótica equivale à pressão que deve ser aplicada sobre a solução mais concentrada do sistema para bloquear a entrada de água nela (osmose), por meio de uma membrana semipermeável. O sistema a seguir mostra a pressão aplicada n sobre a solução, para bloquear o fluxo osmótico. Para o cálculo da pressão osmótica, usa-se a seguinte expressão: Para as soluções iônicas: Onde: = pressão osmótica (atm) V= volume (L) n= número de mol (n) T= temperatura (K) M= molaridade (mol/L) R= Constante de Clapeyron=0,082 atm.L/mol.K I= fator de correção Van´t Hoff As soluções podem ser classificadas quanto às suas pressões osmóticas. Sendo duas soluções A e B com mesma temperatura: Hipertônica, isotônica e hipotônica refere-se à solução A em relação à solução B. Verifique a figura abaixo: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 152 Resumo das Propriedades Coligativas PROPRIEDADE COLIGATIVA CAUSA Tonoscopia Diminuição da pressão de vapor do solvente Ebulioscopia Aumento da temperatura de ebulição Crioscopia Diminuição da temperatura de congelamento Osmometria Aumento da pressão osmótica Questões 01. (PETROBRAS- TÉCNICO DE QUÍMICA JÚNIOR-CESGRANRIO-2015) 02. O procedimento descrito acima faz as latas de refrigerante gelarem mais rápido do que quando colocadas na geladeira. Isso se justifica porque a dissolução do álcool em água (A) forma uma mistura exotérmica, permitindo a diminuição de temperatura de congelamento, enquanto o sal aumenta a velocidade do processo. (B) forma uma mistura homogênea, e a adição do sal aumenta a temperatura dessa mistura, tornando- a refrigerante. (C) forma uma mistura homogênea, e a adição do sal diminui a temperatura dessa mistura, tornando- a exotérmica. (D) é uma mistura homogênea, e sua pressão de vapor aumenta com a dissolução do sal. (E) é um processo endotérmico, e a adição de sal diminui a pressão de vapor da água e do álcool, diminuindo a temperatura de congelamento da mistura. 02. (IF-RN-TÉCNICO EM QUÍMICA-FUCERN-2015) Com relação às propriedades coligativas, (A) a osmoscopia estuda o abaixamento do ponto de solidificação do solvente, causado pela adição de um soluto não volátil. (B) a ebulioscopia estuda a passagem espontânea de solvente de uma solução mais diluída para outra mais concentrada através de membranas semipermeáveis. (C) a tonoscopia estuda o abaixamento da pressão máxima de vapor de um solvente, causado pela adição de um soluto não volátil. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 153 (D) a crioscopia estuda o aumento do ponto de ebulição do solvente, causado pela adição de um soluto não volátil. 03. (UFPE) O gráfico abaixo representa a pressão de vapor (eixo das ordenadas), em atm, em função da temperatura (eixo das abcissas), em °C, de três amostras, I, II e III. Se uma destas amostras for de água pura e as outras duas de água salgada, podemos afirmar que: (A) a amostra I é a amostra de água salgada; (B) a amostra I é a mais volátil; (C) a amostra II é mais concentrada que a amostra III; (D) a amostra I é a menos volátil; (E) na temperatura TIII e 1 atm a amostra II ainda não entrou em ebulição. 04. (VUNESP) Considerando o gráfico abaixo, que representa as variações das pressões máximas de vapor de um solvente puro e duas soluções com diferentes concentrações de um mesmo soluto nesse solvente em função da temperatura, pode-se concluir que a curva (A) X corresponde à solução mais concentrada. (B) Y corresponde à solução mais concentrada. (C) Z corresponde à solução mais diluída. (D) X corresponde ao solvente puro. (E) Z corresponde ao solvente puro. 05. (Unisinos) Considere as afirmativas abaixo: I. Quando se compara éter etílico líquido com água líquida, à mesma temperatura e pressão, verifica- se que a água líquida apresenta menor pressão de vapor. II. Quando se coloca para congelar, ao mesmo tempo, uma forma de gelo contendo 50 mL de água pura líquida e outra forma contendo 50 mL de limonada (mistura de suco de limão, açúcar e água), que estão inicialmente à mesma temperatura, observa-se que a forma com água congela primeiro. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 154 III. Quando colocamos para cozinhar certa quantidade de batatas em água pura, observamos que ela cozinha mais lentamente do que as batatas em água com sal, iniciando-se o processo de cozimento com os dois líquidos à mesma temperatura. Isso ocorre porque a adição de sal provoca um aumento da pressão de vapor da água. Das afirmações acima, (A) Somente I está correta. (B) Somente II e III estão corretas. (C) Somente I e II estão corretas. (D) Somente I e III estão corretas. (E) I, II e III estão corretas. 06. (Mackenzie) Sob pressão atmosférica, têm-se dois sistemas contendo, respectivamente, (l) H2O e (II) solução aquosa de NaCl. Comparando-se as temperaturas de ebulição (TE) e de congelação (TC) iniciais entre os sistemas, temos: TE TC (A) II > I e I > II (B) I > II e I > II (C) II > I e II > I (D) II = I e II = I (E) II > I e II = I 07. (FUVEST) Numa mesma temperatura, foram medidas as pressões de vapor dos três sistemas abaixo: x 100 g de benzeno y 5,00 g de naftaleno dissolvidos em 100 g de benzeno. (Massa molar do naftaleno = 128 g/mol) z 5,00 g de naftaceno dissolvidos em 100 g de benzeno. (Massa molar do naftaceno = 228 g/mol) Os resultados para esses três sistemas foram: 105, 106,4 e 108,2 mmHg, não necessariamente nessa ordem. Tais valores são, respectivamente, as pressões de vapor dos sistemas: 08. (FATEC–SP) Considere as seguintes soluções aquosas: A: 0,10 mol/L de NaCl. B: 0,10 mol/L de CaCl2. C: 0,20 mol/L de C6H12O6 (glicose). Com relação a essas soluções, afirma-se: I. As três soluções são boas condutoras de corrente elétrica. II. A solução B apresenta maior temperatura de ebulição. III. A solução C tem menor pressão máxima de vapor. IV. As soluções A e C começam a se solidificar na mesma temperatura. Estão corretas somente as afirmações: (A) II e IV (B). II, III e IV (C). I e IV (D) I, II e III (E). I e III 09. Na aparelhagem ao lado, um químico conseguiuimobilizar o anteparo ao aplicar uma pressão de 5 atm. Nessas condições, conclui-se que: I. A água passará da solução para o lado que contém solvente puro. II. A água tende a atravessar a membrana com pressão de 5 atm. III. A pressão osmótica da solução vale 5 atm. IV. A solução empurrará o anteparo com pressão de 5 atm. Está(ão) correta(s) somente a(s) conclusão(ões): Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 155 (A) I. (B) II. (C) III. (D) II, III e IV. (E) II e IV. 10. (INATEL–MG) A pressão osmótica de uma solução preparada pela adição de 29,25 g de cloreto de sódio (massa molar = 58,5 g/mol) em 4,1 litros de solução a 27ºC é, considerando R = 0,082 atm.L/K.mol: (A) 0,5 atm. (B) 2 atm. (C) 3 atm. (D) 5 atm. (E) 6 atm. Respostas: 01. Resposta E A adição de sal reduz o ponto de congelamento da mistura, esse tipo de alteração denomina-se crioscopia. Além disso, uma reação exotérmica é caracterizada pelo aumento da temperatura durante a reação. Isso ocorre pelo fato da mistura liberar energia. Por outro lado, uma reação endotérmica é caracterizado pela diminuição da temperatura. Nesse caso, a mistura absorve o calor do ambiente. Quando encostamos a mão e sentimos "frio" na verdade aquela mistura está "tomando" a energia do nosso corpo. 02. Resposta C Por definição, as propriedades coligativas são alteradas pela adição de soluto, portanto: Osmoscopia: é a difusão de um liquido para outro através de membranas Ebulioscopia: ocorre o aumento do ponto de ebulição Crioscopia: ocorre um abaixamento do ponto de fusão Tonoscopia: ocorre o abaixamento da pressão máxima de vapor de um solvente. 03. Resposta A A amostra I, é a água salgada, pois, o aumento na quantidade de soluto eleva o ponto de ebulição, conforme apresentado no gráfico. 04. Resposta D Em uma temperatura (25 ºC), quanto mais concentrada for a solução, menor sua pressão de vapor, ou, em uma mesma pressão externa (760 mmHg), quanto mais concentrada for a solução, maior o seu ponto de ebulição. Isso ocorre devido à presença de partículas que interagem fortemente com o solvente, exigindo maior quantidade de energia para que este passe mude de estado. Portanto, em ordem crescente de concentração: x < y < z. 05. Resposta C I. V. O éter é mais volátil que a água, portanto apresenta maior pressão de vapor. II. V. Quanto mais partículas dispersas, menor a temperatura de congelamento. III. F. Quanto mais partículas dispersas (água com sal), menor a pressão de vapor. 06. Resposta A A solução aquosa de NaCl, em relação à água pura, apresenta maior TE e menor TC. Isso ocorre devido à presença de partículas que interagem fortemente com o solvente, exigindo maior quantidade de energia para que este passe mude de estado. 07. Resposta C O efeito coligativo é diretamente proporcional ao número de partículas dispersas por unidade de volume. Quanto maior o número de partículas dispersas, menor a pressão de vapor. Sistema x: somente solvente, portanto não apresenta partículas dispersas (maior pressão de vapor). Sistema y: quantidade em mol de partículas dispersas: 1 mol _________ 128 g Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 156 ny __________ 5 g ny = 0,04 mol Sistema z: quantidade em mol de partículas dispersas: 1 mol _________ 228 g nz ___________ 5 g nz = 0,02 mol Portanto: Px > Pz > Py 08. Resposta A A solução de glicose não apresenta íons, portanto, não é boa condutora de corrente elétrica. Quanto mais partículas dispersas (solução B), menor a pressão de vapor, maior a temperatura de ebulição e menor a temperatura de congelamento. 09. Resposta D I – Errada. A quantidade de água que entra na solução é igual a quantidade que sai da solução. A água passará da solução para o lado que contém solvente puro quando a pressão aplicada é maior que 5 atm (osmose reversa). II, III e IV corretas. 10. Resposta E NaCl → Na+ + Cl- i = 2 1 mol NaCl ------- 58,5 g x mol ------------- 29,25g x = 0,5 mol 0,5 mol ---------- 4,1 L y mol ------------ 1L y = 0,5/4,1 π = [ ] . R . T . π =0,5/4,1. 0,082.300. π =300.82.10-3/41.10-1 π =300.2.10-2 π = 6 atm Interações Intermoleculares -Forças dipolo induzido-dipolo induzido: Essas forças ocorrem em todos os tipos de moléculas, mas são as únicas que acontecem entre as moléculas apolares. Quando essas moléculas estão no estado sólido ou líquido, devido à proximidade existente entre elas, ocorre uma deformação momentânea das nuvens eletrônicas, originando pólos (-) e (+). Alguns exemplos de substâncias formadas por moléculas apolares que interagem por forças intermoleculares dipolo induzido-dipolo induzido: H2, O2, F2, Cl2, CO2, CH4, C2H6 Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 157 -Forças dipolo permanente-dipolo permanente ou dipolo-dipolo: Esse tipo de força intermolecular é característico de moléculas polares. Veja, como exemplo, a interação que existe no HCl sólido: Esse tipo de interação é o mesmo que ocorre entre os íons Na+ e Cl– no retículo do NaCl (ligação iônica), porém com menor intensidade. Alguns exemplos de substâncias polares em que suas moléculas interagem por dipolo- dipolo: HCl, HBr, H2S, CO, HCCl3, SO2 -Pontes de hidrogênio A ponte de hidrogênio, por ser muito mais intensa, é um exemplo extremo da interação dipolo-dipolo e ocorre mais comumente em moléculas que apresentam átomos de hidrogênio ligados a átomos de flúor, oxigênio e nitrogênio, os quais são altamente eletronegativos e, que, por isso, originam dipolos muito acentuados. Veja, por exemplo, as pontes de hidrogênio existentes entre as moléculas de H2O: Outros exemplos clássicos em que se verifica a existência das pontes de hidrogênio são o HF e o NH3 quando encontrados nos estados sólido e líquido. Forças intermoleculares e temperaturas de fusão e ebulição Dois fatores influem nas TE: a) o tipo de força intermolecular: quanto mais intensas as atrações intermoleculares, maior a sua TE. b) o tamanho das moléculas: quanto maior o tamanho de uma molécula, maior será sua superfície, o que propicia um maior número de interações com outras moléculas vizinhas, acarretando TE maior. Para comparar as temperaturas de ebulição de diferentes substâncias, devemos considerar esses dois fatores da seguinte maneira: -Em moléculas com tamanhos aproximadamente iguais: Quanto maior a intensidade de interação, maior a sua TE. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 158 -Em moléculas com mesmo tipo de interação: Polaridade, forças intermoleculares e solubilidade Uma maneira de explicar o fato de o óleo não se dissolver na água é considerarmos que os processos de dissolução estão associados às interações moleculares. O tipo de força intermolecular existente na água deve ser diferente da existente no óleo. Como sabemos que a água é uma substância polar, podemos concluir que as moléculas do óleo devem ser apolares, mesmo sem conhecer sua estrutura. Baseados nesse fato, podemos afirmar que: Termoquímica A termoquímica é uma parte da termodinâmica que estuda as trocas de calor desenvolvidas durante uma reação química entre o sistema e o meio ambiente, além do possível aproveitamento desse calor na realização de trabalho. Vamos agora definir alguns conceitos importantes na termoquímica: -Caloria Uma caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer um grama de água de 14,5°C a 15,5°C. Seu múltiplo é a quilocaloria, (kcal) -Calor Calor é a energia que se transfere entre dois corpos com diferentes temperaturas. -Temperatura Temperatura é uma grandeza do calor. você não tira a temperatura corporal, verifica. Se tirar a temperatura do seu corpo, morre. -Calor de reação Calor de reação representaà variação de entalpia (calor absorvido) observada em uma reação, e sua classificação depende do tipo de reação decorrente. Esse calor de reação recebe, conforme a reação, as seguintes denominações: calor de formação, calor de combustão, calor de neutralização etc. - Calor de Formação É a quantidade de calor liberada ou absorvida durante a formação de 1 mol de um composto, a partir de substâncias simples, no estado padrão. Por exemplo: a 25 °C e 1 atm, temos: H2(g) + 1/2 O2(g) → 1 H2O(l) ΔH = –68,4 kcal / mol, Interpretação: para formar um mol de água líquida, a partir de substâncias simples, H2(g) e O2(g), no estado padrão (25 °C, e 1 atm, estado físico e alotrópico mais estável) há a liberação de 68,4 kcal. Os valores das entalpias de formação são muito importantes, pois representam a própria entalpia de 1 mol da substância que está sendo formada, já que, nas reações de formação, Hi é sempre zero. 3.3.1.9 Termoquímica Quanto maior o tamanho da molécula, maior a sua TE. Substâncias polares tendem a se dissolver em solventes polares. Substâncias apolares tendem a se dissolver em solventes apolares Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 159 - Calor de Combustão A reação entre uma substância e o oxigênio chama-se reação de combustão. A energia liberada na combustão completa de 1 mol de uma substância no estado padrão é chamada de entalpia de combustão. É a variação de entalpia (ΔH) na combustão de 1 mol de uma substância a 25°C e 1 atm. Exemplo: C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ΔHc = – 673 kcal/mol Assim, a combustão de 1 mol de glicose libera 673 kcal. O ΔH nesse caso é sempre negativo, pois as combustões são sempre exotérmicas. Entalpia (ΔH) Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante. Não é possível fazer a medida absoluta da entalpia de um sistema, mas podemos medir (com calorímetros), a variação de entalpia, ΔH, que ocorre numa reação. Esta variação é entendida como a diferença entre a entalpia final (dos produtos da reação) e a entalpia inicial (dos reagentes da reação), conforme observado abaixo: Estado inicial → Estado final H1 → H2 ∆H = H2 – H1 ou ∆H = HP – HR Tipos de entalpia a) Entalpia de Formação É a quantidade de energia absorvida ou liberada quando um mol de substâncias simples reage e o produto final é uma única substância composta. Exemplo: H2 + 1/2 O2 → H2O b) Entalpia de combustão É quantidade de energia envolvida na queima de 1 mol de uma determinada substância na presença de gás oxigênio. Nesse caso, todas as substâncias envolvidas estão no estado padrão. Exemplo: CH4 + O2 → CO2 + H2O c) Entalpia de neutralização É a quantidade de energia liberada ou absorvida quando um mol de hidrônio (H+) reage com um mol de hidróxido (OH-), estando ambos presentes em soluções diluídas. De uma forma geral, teremos uma entalpia de neutralização sempre que uma solução ácida for misturada com uma solução básica. Exemplo: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O d) Entalpia de decomposição É a quantidade de energia absorvida ou liberada quando um mol de uma substância composta decompõe-se e o produto final são várias substâncias simples. Tipos de reações Vamos estudar as trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas e nas mudanças de estado físico das substâncias. Esse estudo é denominado termoquímica. São dois os processos em que há troca de energia na forma de calor: o reações exotérmicas e o endotérmicas. Reações exotérmicas É aquele que ocorre com liberação de calor ambiente e sua entalpia diminui. Essas reações possuem um balanço negativo de energia quando se compara a entalpia total dos reagentes com a dos produtos. Assim, a variação na entalpia final é negativa (produtos menos energéticos do que os reagentes) e indica Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 160 que houve mais liberação de energia, na forma de calor, para o meio externo que absorção – também sob forma de calor. Exemplos de Reações Exotérmicas -½ O2(g) + H2(g) -> H2O(l) (ΔH = -68,3 Kcal/mol ou -285,49 KJ/mol) -½ H2(g) + ½ Cl2(g) -> HCl(g) (ΔH = -22,0 Kcal/mol ou -91,96 KJ/mol) -½ H2(g) + ½ Br2(g) -> HBr(g) (ΔH = -8,6 Kcal/mol ou -35,95 KJ/mol) -C(s) + ½ O2(g) -> CO(g) (ΔH = -26,4 Kcal/mol ou -110,35 KJ/mol) Diagrama de Entalpia das reações exotérmicas No diagrama de entalpia, relacionamos num eixo vertical os valores de Hp e Hr e podemos, portanto, calcular o valor de ΔH. Reações endotérmicas É aquela que ocorre com absorção de calor e sua entalpia aumenta. Assim, a variação dessa energia (variação de entalpia) possui sinal positivo (+ΔH) e indica que houve mais absorção de energia do meio externo que liberação. Ambas em forma de calor. Exemplos de Reações Endotérmicas -½ H2(g) + ½ I2 (g) -> HI(g) (ΔH = +6,2 Kcal/mol ou +25,92 KJ/mol) -2C(s) + H2(g) -> C2H2(g) (ΔH = +53,5 Kcal/mol ou +223,63 KJ/mol) Diagrama de Entalpia das reações endotérmicas Equações termoquímicas As equações termoquímicas servem para representar as reações ou processos que envolvem trocas de calor, cujo valor é mostrado na variação da entalpia simbolizada pelo ΔH. Nessas equações aparecem os mesmos símbolos (como as fórmulas e os estados físicos das substâncias) e números (como índices e coeficientes) que aparecem em uma equação química normal. S(rômbico) + 1 O2(g) → 1SO2(g) ΔH = –70,92Kcal (a 25ºC e 1atm) Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 161 Interpretação: 1 mol de enxofre rômbico reage com 1 mol de oxigênio gasoso, liberando 70,92 kcal para formar 1 mol de dióxido de enxofre gasoso. 1C(gr) + 2S(R) → 1CS2(l) ΔH = 18Kcal ( a 25ºC e 1atm) Interpretação: 1 mol de carbono grafite reage com 2 mols de enxofre rômbico ocorrendo a absorção de 18 kcal para formar 1 mol de dissulfeto de carbono líquido. Lei de Hess Germain Herman Hess, ao estudar os calores de reação, constatou que: "A variação de entalpia (ΔH) de uma reação química depende apenas dos estados final e inicial, não importando o caminho da reação". Esta importante lei experimental foi chamada de lei dos estados final ou inicial, lei de adição de calores ou Lei de Hess. Seja uma reação genérica A → B da qual se quer determinar o ΔH. Esta reação pode ser realizada por diversos caminhos, onde, para cada um deles, os estados inicial e final são os mesmos. Para que A se transforme em B temos 3 caminhos: A → B A → C → D → B A → E → B Sendo que: ΔHx = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 ou ΔHx = ΔH4 + ΔH5 Diante disso, não importa o número de etapas que o processo apresenta, o ΔH da reação total será a soma dos ΔH das diversas etapas, e em consequência a equação termoquímica pode ser tratada como uma equação matemática. Assim, quando usamos a Lei de Hess no cálculo do ΔH de uma reação, devemos arrumar as equações fornecidas de modo que a soma delas seja a equação cujo ΔH estamos procurando. Para isso, usamos os seguintes procedimentos: - Somando várias equações, somamos também os respectivos ΔH; - Invertendo a equação, invertemos também o sinal do ΔH; - Multiplicando uma equação por um número qualquer (diferente de zero), multiplicamos também o ΔH, pelo mesmo número. Cálculo do ∆H de uma reação, usando a lei de Hess Podemos calcular o ∆H de uma reação trabalhando algebricamente as equações termoquímicas. Considere as reações abaixo, a 25°C e 1 atm 1) C(grafita) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94,1 kcal 2) H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O (l) ∆H = - 68,3 kcal 3) CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O (ι) ∆H = - 212,8 kcal Vamos determinar o ∆H da reação: C(grafita) + 2H2(g) → CH4(g) ∆H = ? Siga os passos abaixo: a) escreva a equação 1. b) escreva a equação 2 multiplicada por 2. c) escreva a equação inversa de 3. Assim, basta soma-lasC(grafita) + O2(g) → CO2(g); ∆H = - 94,1 kcal 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l); ∆H = - 136,6 kcal CO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g); ∆H = + 212,8 kcal C(grafita) + 2H2(g) → CH4(g); ∆H = - 17,9 kcal Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 162 Através da lei de Hess, as equações termoquímicas podem ser somadas como se fossem equações matemáticas ou algébricas. A reação espontânea e não-espontânea A reação espontânea é aquela que percorre por si mesma. Toda reação espontânea libera energia livre, enquanto a energia não-espontânea absorve energia livre. Questões 01. Quantidades diferentes de entalpia são envolvidas na combustão de etanol, C2H5OH, e etileno, C2H4, como mostram as equações I e II: I) C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O (l) ΔH = – 1368 kJ/mol de etanol II) C 2 H 4 (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (l) ΔH = – 1410 kJ/mol de etileno Sob condições adequadas, é possível obter etanol a partir da reação representada pela equação III) C 2 H4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) A) Qual é a variação de entalpia envolvida por mol de C 2 H 4 consumido na reação (III)? B) Esta reação absorve ou libera calor? Explique. C) Sabendo-se que a entalpia de formação de H 2 O (l) é – 286 kj/mol e que a do C 2 H 4 (g) é 52 kj/mol, calcule a entalpia de formação por mol de C 2 H 5 OH (l). 02. Escreva as equações correspondentes à entalpia de formação de: A) C 3 H 8 (g) B) C 2 H 6 O (l) 03. Represente por equação termoquímica as seguintes equações: (A) 2 NH4NO3(s) - 411,2 kJ → 2 N2(g) + O2(g) + 4 H2O(ℓ) (B) HgO(s) + 90 kJ → Hg(ℓ) + ½ O2(g) (C) 2 Na(s) + 2 H2O(ℓ) → 2 NaOH + H2(g) + 281,8 kJ (D) CO2(g) + H2(g) + 122,8 kJ → CO(g) + 6 H2O(g) (E) C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(ℓ) + 2,9 kJ (F) HCℓ(g) + H2O(ℓ) → HCℓ(aq) + 18 kcal 04. (PUC-MG-adaptado/2015) Sejam dadas as equações termoquímicas, todas a 25 ºC e 1 atm: I- H2(g)+ ½ O2(g) →H2O(l) ∆H = -68,3 Kcal/mol II- 2Fe(s)+ 3/2 O2(g)→Fe2O3(s) ∆H = -196,5 Kcal/mol III- 2Al(s)+ 3/2 O2(g)→Al2O3(s) ∆H = -399,1 Kcal/mol IV - C(grafite)+ O2(g)→ CO2(g) ∆H = -94,0 Kcal/mol V- CH4(g) + O2(g) → CO2(g)+ H2O(l) ∆H = -17,9 Kcal/mol Exclusivamente sob o ponto de vista energético, das reações acima, a que você escolheria como fonte de energia é: (A)I (B)II (C) III (D) IV (E) V 05 UFR-RJ A decomposição da água oxigenada sem catalisador exige uma energia de ativação de 18,0 Kcal/mol. Entretanto, na presença de platina (catálise heterogênea) e de catalase (catálise homogênea) a energia de ativação cai para 12,0 e 5,0 Kcal/mol, respectivamente, como pode ser observado no gráfico abaixo. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 163 A reação de decomposição é endo ou exotérmica? Justifique. 06.UFRJ De acordo com a Coordenadoria Municipal de Agricultura, o consumo médio carioca de coco verde é de 8 milhões de frutos por ano, mas a produção do Rio de Janeiro é de apenas 2 milhões de frutos. Dentre as várias qualidades nutricionais da água-de-coco, destaca-se ser ela um isotônico natural. A tabela acima apresenta resultados médios de informações nutricionais de uma bebida isotônica comercial e da água-de-coco. a) Uma função importante das bebidas isotônicas é a reposição de potássio após atividades físicas de longa duração; a quantidade de água de um coco verde (300 mL) repõe o potássio perdido em duas horas de corrida. Calcule o volume, em litros, de isotônico comercial necessário para repor o potássio perdido em 2 h de corrida. b) A tabela a seguir apresenta o consumo energético médio (em kcal/min) de diferentes atividades físicas. Calcule o volume, em litros, de água-de-coco necessário para repor a energia gasta após 17 minutos de natação 07.. UNICAMP-SP Considere uma gasolina constituída apenas de etanol e de n-octano, com frações molares iguais. As entalpias de combustão do etanol e do n-octano são –1368 e – 5471 kJ/mol, respectivamente. A densidade dessa gasolina é 0,72 g/cm3 e a sua massa molar aparente, 80,1 g/mol. a) Escreva a equação química que representa a combustão de um dos componentes dessa gasolina. b) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 mol dessa gasolina? c) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 litro dessa gasolina? 08.U.E. Ponta Grossa-PR Considere a representação gráfica da variação de entalpia ao lado. Entre os processos que ela pode representar figuram: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 164 01. A fusão da água; 02. A vaporização da água; 04. A oxidação da gordura; 08. A combustão da gasolina; 16. o preparo de uma solução aquosa de NaOH, com aquecimento espontâneo do frasco. Dê, como resposta, a soma das afirmativas corretas. 09.U. Católica-DF Numa sauna a vapor, o calor envolvido na condensação do vapor d’água é, em parte, responsável pelo aquecimento da superfície da pele das pessoas que estão em seu interior, de acordo com o diagrama abaixo: De acordo com as informações fornecidas, o que ocorrerá na transformação de 1 mol de água vaporizada em 1 mol de água líquida? (A) liberação de 44 kJ; (B) absorção de 44 kJ; (C) liberação de 527,6 kJ; (D) absorção de 527,6 kJ; (E) nenhuma das respostas anteriores. 10.UFPI Uma das informações que as embalagens de alimentos contêm é o teor de calorias. Analise as afirmativas abaixo e marque a opção correta: I. o teor calórico é uma determinação experimental através do calor de combustão; II. quanto maior o número de calorias, maior o tempo de degradação do alimento; III. a medida das calorias de um alimento é feita através do calor neutralização. (A) apenas I; (B) apenas II; (C) I e II; (D) apenas III; (E) I, II e III. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 165 Respostas 01. Resolução: A) Para calcular o ΔH da reação III, devemos inverter a equação I e manter a equação II. 2 CO 2 (g) + 3 H2O (l) → C2H5OH (l) + 3 O2 (g) ΔH = + 1368 kJ C 2 H 4 (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (l) ΔH = – 1410 kJ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– C 2 H 4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) ΔH = – 42 kJ/mol B) Libera calor, pois ΔH é negativo. C) Cálculo da entalpia de formação do C 2 H 5 OH (l): C 2 H 4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) ΔH = – 42 kJ/mol + 52 kJ – 286 kJ x HR HP ΔH = HP – HR ∴ – 42 = x – (+ 52 – 286) ∴ x = – 276 kJ/mol 02. Resolução A) 3 Cgraf. + 4 H2(g) → C 3 H 8(g) B) C 2 H 6 O (l) Resolução: 2 Cgraf. + 3 H2(g) + 1/2 O2(g) → C2H6O(l) C) Na 2 SO 4 (s) Resolução: 2 Na(s) + Srômb. + 2 O2(g) → Na2SO4(s) 03. Resolução (A) 2 NH4NO3(s) → 2 N2(g) + O2(g) + 4 H2O(ℓ) ∆H = - 205,6 kJ/mol de NH4NO3(s) (B) HgO(s) → Hg(ℓ) + ½ O2(g) ∆H = + 90 kJ/mol (C) 2 Na(s) + 2 H2O(ℓ) → 2 NaOH + H2(g) ∆H = - 140,9 kJ/mol de Na(s) (D) CO2(g) + H2(g) → CO(g) + 6 H2O(g) ∆H = + 122,8 kJ/mol (E) C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(ℓ) ∆H = - 2,9 kJ/mol (E) HCℓ(g) + H2O(ℓ) → HCℓ(aq) +∆H = - 18 kcal/mol 04. Resposta C. Todas as reações são exotérmicas, liberando calor, pois os valores de ∆H são todos negativos. Mas o que libera mais energia é a reação III. 05. Resposta A reação de decomposição demonstra ser exotérmica, ou seja, a entalpia dos produtos é menor que a entalpia do reagente, portanto houve liberação de calor. 06. Resposta a) 100 ml — 200 mg 100 ml – 10 mg 300 ml — x y — 600 mg x = 600 mg y = 6.000 ml ⇒ 6 L b) 1 min — 10 kcal 100 ml — 68 kcal 17 min — x y — 170 kcal Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 166 x = 170 kcal y = 250 ml ⇒ 0,25 L 07. Resposta a) C8H18(l) + 25 O2(g) → 8 CO2(g) + 9 H2O(g) n-octano ou C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) etanol b) ΔHgasolina = — 3419,5 kJ/mol gasolina Como essa gasolina é constituída apenas de etanole n-octano e eles têm frações molares iguais, então as proporções molares deles também são iguais. A "receita" dessa gasolina pode ser encarada assim: 0,5 mol de etanol ⇒ 1368 × 0,5 = 684 kJ liberados 0,5 mol de octano ⇒ 5471 × 0,5 = 2736 kJ liberados Total = 3420 kJ liberados c) ΔHgasolina = 3,07 . 104 kJ 1 litro corresponde a 720 g de gasolina ⇒ 720 / 80,1 ≅ 9 mols 1 mol ⇒ 3420 kJ 9 moles ⇒ × × = 30742 kJ liberados 08. Resposta 04 + 08 + 16 = 28 09. Resposta: A 10. Resposta: D Equilíbrio Químico Algumas reações ocorrem somente enquanto existe reagentes. Por exemplo, digamos que você acenda um palito de fósforo, ele começa a reagir com o ar proporcionando a queima total do mesmo. Sabemos também que essa reação irá cessar depois que todo o regente for consumido. Outro ponto é que não conseguimos regenerar o fósforo queimando. Portanto, esse tipo de reação é chamada de irreversível.15 Consideremos uma reação representada pela equação geral: Sejam v1 e v2 as velocidades das reações direta e inversa, respectivamente. Suponha que essas reações sejam elementares, temos: v1= K1[A] [B] e v2=K2[C] [D] No momento em que misturamos a mols de A e b mols de B, v1 assume o seu valor máximo, porque [A] e [B] têm seus valores máximos. Com o decorrer do tempo, [A] e [B] vão diminuindo, pois A e B vão sendo consumidos na reação direta e, consequentemente, v1(direta) vai diminuindo. Conforme C e D vão se formando na reação, suas concentrações vão aumentando e, consequentemente, v2 (inversa) aumenta com o passar do tempo. 15 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. 3.3.1.10 Equilíbrio químico Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 167 Uma vez que v1 diminui e v2 aumenta, após algum tempo v1=v2. A partir desse instante, [A], [B], [C] e [D] permanecem constantes, porque, em um mesmo intervalo de tempo, o número de mols de cada substância consumidos numa reação é igual ao número de mols formados na reação de sentido contrário. Quando v1=v2, dizemos que o sistema alcançou o equilíbrio. A partir desse instante, o sistema constitui um equilíbrio químico. v1=v2 [A], [B], [C] ,[D] Equilíbrio químico Um exemplo de processo reversível é o que ocorre com a água líquida contida num frasco fechado. Nesse sistema, temos moléculas de água passando continuamente do estado líquido para o de vapor e do de vapor para o líquido. O fato de as duas velocidades serem iguais na situação de equilíbrio gera uma consequência que é a constância nas quantidades dos participantes, embora não seja obrigatoriamente iguais. Nas reações reversíveis, a velocidade inicial (t = 0) da reação direta é máxima, pois a concentração em mol/L do reagente também é máxima. Com o decorrer do tempo, a velocidade da reação direta diminui ao passo que a velocidade da inversa aumenta. Ao atingir o equilíbrio, essas velocidades se igualam. Condições para que ocorra o equilíbrio químico: - Sistema fechado. - Reação reversível. - Velocidade da reação direta igual a velocidade da reação inversa. - Concentrações ou pressões parciais (no caso gases) constantes com o tempo. Tipos de equilíbrio Os equilíbrios químicos são atingidos, no caso de reações reversíveis, quando a taxa de desenvolvimento da reação direta é igual à taxa de desenvolvimento da reação inversa, em temperatura constante. Mas existem equilíbrios químicos homogêneos e equilíbrios químicos heterogêneos. Veja o que os diferencia: - Equilíbrio químico homogêneo: São aqueles em que todos os participantes da reação (reagentes e produtos) encontram-se em um mesmo estado físico e, dessa forma, o sistema fica com uma única fase. Exemplo: O Equilíbrio Químico é uma reação reversível que atingiu o ponto em que as reações direta e inversa ocorrem com a mesma velocidade. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 168 - Equilíbrio químicos heterogêneo: ocorre quando os constituem do sistema (reagentes e produtos) se encontram em fases diferentes, Exemplo: Constante de Equilíbrio em Termos das Concentrações Molares (Kc) Considerando o equilíbrio dado por uma equação geral qualquer: aA + bB cC + dD Aplicando-se a lei da ação das massas de Guldberg-Waage, temos: - Para a reação direta: v1 = K1 · [A]a · [B]b - Para a reação inversa: v2 = K2 · [C]c · [D]d No equilíbrio: v1 = v2 K1 · [A]a · [B]b = K2 · [C]c · [D]d A relação é constante e denomina-se constante de equilíbrio em termos de concentração molar (Kc): A constante de equilíbrio Kc é, portanto, a razão das concentrações dos produtos da reação e das concentrações dos reagentes da reação, todas elevadas a expoentes que correspondem aos coeficientes da reação. Importante: a) A constante de equilíbrio Kc varia com a temperatura b) Quanto maior o valor de Kc , maior o rendimento da reação, uma vez que no numerador temos os produtos e no denominador os reagentes. Portanto, comparando valores de Kc em duas temperaturas diferentes, podemos saber em qual destas a reação direta apresenta maior rendimento; c) O valor numérico de Kc depende de como é escrita a equação química. Diante disso, devemos escrever sempre a equação química junto com o valor de Kc. Quociente de equilíbrio (Qc) O quociente de equilíbrio (Qc) é a relação entre as concentrações em mol/L dos participantes em qualquer situação, mesmo que o equilíbrio ainda não esteja estabelecido. É expresso da mesma maneira que a constante de equilíbrio (Kc) Se estabelecermos uma relação entre Qc e Kc, podemos ter: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 169 Qc Kc = 1 : Sistema em equilíbrio Qc K ≠ 1: O sistema não está em equilíbrio Deslocamento do equilíbrio Um sistema está em equilíbrio, se a velocidade da reação direta é igual à velocidade da inversa, e as concentrações em mol/L de todos os participantes permanecem constantes. Se, sobre esse equilíbrio, não ocorrer a ação de nenhum agente externo, ele tende a permanecer nessa situação indefinidamente. Porém, se for exercida uma ação externa sobre esse equilíbrio, ele tende a reagir de maneira a minimizar os efeitos dessa ação. Os fatores que podem modificar a condição de equilíbrio de um sistema são: concentração, pressão, temperatura. O Princípio de Le Chatelier é fácil de ser entendido quando se considera que a constante de equilíbrio depende somente da temperatura. Agora vamos analisar cada um dos fatores que podem afetar o equilíbrio. - Concentração Considere o seguinte equilíbrio: C(s) + CO2(g) 2 CO(g) 1) Ao adicionar CO2(g) ao equilíbrio, imediatamente ocorre um aumento na concentração do composto, que irá acarretar aumento do número de choques entre o C(s) e o CO2(g). Isso favorece a formação de CO(g), ou seja, o equilíbrio se desloca para o lado direito. 2) Ao adicionar CO(g) ao equilíbrio, ocorre um aumento na concentração do composto, transformando- o parcialmente em CO2(g) e em C(s). Nesse caso, o equilíbrio se desloca para a esquerda. Princípio de Le Chatelier: “Quando se aplica uma força em um sistema em equilíbrio, ele tende a se reajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa força”. 3) Ao retirar parte do CO(g) presente no equilíbrio, imediatamente ocorre uma diminuição na concentração do composto e, como consequência, a velocidade da reação inversa diminui. Logo, a velocidade da reação direta será maior, favorecendo a formação de CO(g), ou seja, o equilíbrio se desloca para a direita. - Pressão Ao aumentar a pressão sobre um equilíbrio gasoso, à temperatura constante, ele se desloca no sentido da reação capaz de diminuir esse aumento da pressão e vice-versa. Para averiguar os efeitos da variação de pressão em um equilíbrio, vamos avaliar o equilíbrio seguinte, a uma temperatura constante:Quando aumentamos a pressão, o equilíbrio se desloca para a direita, favorecendo a formação do SO3(g), já que nesse sentido há uma diminuição do número de mol de gás e, consequentemente, uma redução da pressão. Pode-se analisar o efeito produzido pela variação de pressão em pela associação do número de mol ao volume. Assim, nas mesmas condições, temos: Resumindo... Princípio de Le Chatelier: “Quando se aplica uma força em um sistema em equilíbrio, ele tende a se reajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa força”. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 170 Exemplo: Aumento de Pressão: desloca o equilíbrio para a direita (menor volume). Diminuição de Pressão: desloca o equilíbrio para a esquerda (maior volume). - Temperatura A temperatura, além de provocar deslocamento do equilíbrio, é o único fator responsável por alterações na constante de equilíbrio (Kc). Num sistema em equilíbrio, sempre temos duas reações: a endotérmica, que absorve calor, e a exotérmica, que libera calor. Quando aumentamos a temperatura, favorecemos a reação que absorve calor. Por outro lado, quando há diminuição da temperatura, favorecemos a reação que libera calor. Exemplo: - Aumento da temperatura: desloca o equilíbrio no sentido da reação endotérmica (para a esquerda); - Diminuição da temperatura: desloca o equilíbrio no sentido da reação exotérmica (para a direita). Se também desejamos relacionar a variação da temperatura com a constante de equilíbrio (Kc), devemos considerar que uma elevação da temperatura favorece a reação endotérmica. Então, [N2] e [H2] aumentam e [NH3] diminui: Kc diminui Lei de Van’t Hoof: “A cada aumento de 10°C na temperatura de uma reação química, a velocidade da reação duplica ou até mesmo triplica.” Observação: Van’t Hoof não considerou que cada reação tem um ótimo de temperatura para ocorrer (temperatura ideal) e após atingido esse ótimo, o aumento da temperatura pode não mais influenciar a velocidade da reação ou até mesmo prejudicá-la. Exemplo: Reações Enzimáticas. Concentração do Equilíbrio Um aumento na concentração de qualquer substância (reagentes ou produtos) desloca o equilíbrio no sentido de consumir a substância adicionada. O aumento na concentração provoca aumento na velocidade, fazendo com que a reação ocorra em maior escala no sentido direto ou inverso. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 171 Diminuindo a concentração de qualquer substância (reagentes ou produtos) desloca-se o equilíbrio no sentido de refazer a substância retirada. A diminuição na concentração provoca uma queda na velocidade da reação direta ou inversa, fazendo com que a reação ocorra em menor escala nesse sentido. Exemplos: 1o) 2 CO(g) + O2(g) 2 CO(g) O aumento na concentração de CO ou O2 provoca aumento em v1, fazendo com que v1 > v2; portanto, o equilíbrio desloca-se para a direita. A diminuição na concentração de CO ou O2 provoca queda em v1, fazendo com que v1 < v2; portanto, o equilíbrio desloca-se para a esquerda. 2o) C(s) + CO2(g) 2 CO(g) Para equilíbrio em sistema heterogêneo, a adição de sólido (C(s)) não altera o estado de equilíbrio, pois a concentração do sólido é constante e não depende da quantidade. Observações: - Aumento na pressão parcial de H2 ou I2, o equilíbrio desloca-se para a direita. - Diminuindo a pressão parcial de H2 ou I2, o equilíbrio desloca-se para a esquerda. Importante: 1. Substância sólida não desloca um equilíbrio químico, pois a concentração de um sólido em termos de velocidade é considerada constante, porque a reação se dá na superfície do sólido. 2. Alterando-se a concentração de uma substância presente no equilíbrio, o equilíbrio se desloca, porém, sua constante de equilíbrio permanece inalterada (a constante permanece sem ter seu valor modificado porque a temperatura não variou). Grau de equilíbrio Grau de equilíbrio (α) representa a relação entre o número de mols consumidos de um reagente e o número de mols inicial desse reagente. 𝐠𝐫𝐚𝐮 𝐝𝐞 𝐞𝐪𝐮𝐢𝐥í𝐛𝐫𝐢𝐨 = n° de mols consumidos de um reagente n° de mols inicial desse reagente No caso de um equilíbrio de dissociação, temos o grau de dissociação: 𝐠𝐫𝐚𝐮 𝐝𝐞 𝐝𝐢𝐬𝐬𝐨𝐜𝐢𝐚çã𝐨 = n° de mols dissociados de um reagente n° de mols inicial desse reagente O grau de dissociação é um número puro, sem unidade, e sempre menor que 1 (α<1). É comumente expresso em %. É importante que não haja confusão entre grau de equilíbrio e constante de equilíbrio. O grau de equilíbrio varia com a temperatura e com as concentrações das substâncias participantes. No caso de um equilíbrio do qual participam gases, o grau de equilíbrio varia também com a pressão. Constante de equilíbrio Grau de equilíbrio (α) Varia com a temperatura Varia com a temperatura Não varia com as concentrações das substâncias Varia com as concentrações das substâncias Não varia com a pressão, mesmo que no equilíbrio haja substancias gasosas Varia com a pressão, quando pelo menos uma das substâncias for gasosa. Produto iônico da água e pH Equilíbrio iônico da água Medidas experimentais de condutibilidade elétrica e outras evidências mostram que a água, quando pura ou quando usada como solvente, se ioniza numa extensão muito pequena, originando a condição de equilíbrio: H2O(l) + H2O(l) H3O+ (aq) + OH–(aq) Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 172 As concentrações de íons H+ e OH– presentes no equilíbrio variam com a temperatura, mas serão sempre iguais entre si: Água pura ⇒ [H+] = [OH–] A 25 ºC, as concentrações em mol/L de H+ e OH– na água pura são iguais entre si e apresentam o valor 10–7 mol L–1. Água pura a 25 ºC ⇒ [H+] = [OH–] = 10–7 mol L–1 Produto iônico da água (Kw) Considerando o equilíbrio da água: H2O(l) H+(aq) + OH–(aq) A constante de ionização corresponde ao Kw e é expressa por: Kw = [H+]. [OH–] a 25 ºC; Kw = (10–7). (10–7) ⇒ Kw = 10–14 Na água, as concentrações de H+ e OH– são sempre iguais, independentemente da temperatura; por esse motivo, a água é neutra. Quaisquer soluções aquosas em que [H+] = [OH–] também serão neutras. Em soluções ácidas ou básicas notamos que: - Quanto maior a [H+] ⇒ mais ácida é a solução. - Quanto maior a [OH–] ⇒ mais básica (alcalina) é a solução. Escala de pH O termo pH (potencial hidrogeniônico) foi introduzido, em 1909, pelo bioquímico dinamarquês Soren Peter Lauritz Sorensen (1868-1939), com o objetivo de facilitar seus trabalhos no controle de qualidade de cervejas. O cálculo do pH pode ser feito por meio das expressões: pH = colog [H+] ou pH = – log [H+] ou pH = log 1 H+ De maneira semelhante, podemos determinar o pOH (potencial hidroxiliônico) de uma solução: pOH = colog [OH–] ou pOH = – log [OH–] ou pOH = log log 1 H+ Exemplos: Na água e nas soluções neutras, a 25 ºC, temos: [H+] = [OH–] = 10–7 mol L–1 pH = pOH = 7 e pH + pOH = 14 A escala de pH normalmente apresenta valores que variam de zero a 14. O esquema a seguir mostra uma relação ente os valores de pH e as concentrações de H+ e OH–em água, a 25 ºC. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 173 pH e o grau de ionização Considere um ácido fraco genérico HkA. Ao dissolver M mols desse ácido em água, de maneira que forme 1 litro de solução, a concentração em mol/L e a normalidade serão: Concentração em mol/L = nsoluto Vssolução = M mol 1L = M mol/L Normalidade: N = nesoluto Vsolução = K. M O grau de ionização do ácido é: 𝛂 = quantidade de mols de ioniza quantidade de mols dissolvida (M) Logo, a quantidade em mols que ioniza = α . M. Considere o equilíbrio da ionização: A concentração hidrogeniônica no equilíbrio final é: [H +] n v = K. α. M 1 = α. K. M = α. N Assim: [H+]= α . N ou [H+] = α . k . M Sendo que k é o número de hidrogênios ionizáveis. pH e constante de ionização (ki) Tendo conhecimento da concentração da solução e a constante de ionização, podemos calcular o pH. Com os valores da concentração e do pH, calcula-se o valor de Ki. Exemplo: Vamos calcular a constante de ionização do ácido cianídrico, tendo conhecimento de que o pH de uma solução 0,04M de HCN é 5. Nesse caso, temos: pH = 5 ⇒ [H+] = 1 . 10-5 mol/L Analisemos atentamente o equilíbrio: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 174 Efeito do íon comum -Quando adicionado a um ácido (HA), um sal com o mesmo ânion (A-) produz: Diminuição do grau de ionização de HA ou enfraquecimento de HA; Diminuição da [H+], portanto aumento do pH da solução. O íon comum não altera a constante de ionização do ácido. -Quando adicionado a uma base (BOH), um sal com o mesmo cátion (B+) produz: Diminuição do grau de ionização de BOH ou enfraquecimento de BOH; Diminuição da [OH-], portanto diminuição do pH da solução. O íon comum não altera a constante de ionização da base. Acidez e basicidade das soluções aquosas dos sais Chamamos hidrólise salina a reação entre um sal e a água, produzindo o ácido e a base correspondentes. A hidrólise do sal é, portanto, a reação inversa da neutralização. Para simplificar a análise dos fenômenos da hidrólise salina, os sais são divididos em 4 tipos, a saber: 1) Sal de ácido forte e base fraca; 2) Sal de ácido fraco e base forte; 3) Sal de ácido fraco e base fraca; 4) Sal de ácido forte e base forte. 1) Sal de Ácido Forte e Base Fraca Assim ficamos com: Podemos então observar que quem sofre a hidrólise não é o sal, mas sim o íon NH4+ (da base fraca), liberando íons H+, que conferem à solução caráter ácido com pH menor que 7. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 175 2) Sal de Ácido Fraco e Base Forte então ficamos com: Observamos, então, que quem sofre a hidrólise, neste caso, é o íon CN– (do ácido fraco), liberando íons OH– que conferem à solução caráter básico com pH maior que 7. 3) Sal de Ácido Fraco e Base Fraca então ficamos com: Como tanto o ácido quanto a base são fracos, ocorre realmente a hidrólise do sal e não apenas de um dos íons (como nos dois casos anteriores). Podemos concluir que quem sofre hidrólise são os íons correspondentes ao ácido e/ou base fracos. Neste caso, o meio pode ficar ácido, básico ou neutro. - O meio será ligeiramente ácido se a ionização do ácido for maior que a da base (Ka > Kb); - O meio será ligeiramente básico se a ionização do ácido for menor que a da base (Ka < Kb). - O meio será neutro se a ionização do ácido apresentar mesma intensidade que a da base (Ka Kb). 4) Sal de Ácido Forte e Base Forte então ficamos com: Sendo o NaOH uma base forte, os íons Na+ não captam os íons OH– da água. Do mesmo modo, sendo o HBr um ácido forte, os íons Br– não captam os íons H+ da água. Portanto, neste caso, não há hidrólise. A solução terá caráter neutro, com pH igual a 7. Concluímos que, na solução salina, predomina sempre o caráter do mais forte. Quando o sal é formado por ácido/base de mesma força (2 fortes), a solução final é neutra. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 176 Grau de Hidrólise (αh) - Define-se o grau de hidrólise ( ) de um sal como: 𝛂𝐡 = número de mols hidrolisados número de mols dissolvidos A variação de αh é: 0 < αh < 1 ou 0% < αh < 100% Constante de Hidrólise (Kh) - Para os equilíbrios químicos das reações de hidrólise, define-se uma constante de equilíbrio chamada constante de hidrólise (Kh). Dado o equilíbrio de hidrólise: A constante de hidrólise será: Observação: A água não entra na expressão porque é o solvente e sua concentração molar é praticamente constante. Assim: Onde p e r são os coeficientes da equação. Lembre-se: a água não entra na expressão e a Kh é obtida sempre a partir da equação iônica de hidrólise. Relação entre Kh e Ka e/ou Kb Considerando a expressão da constante de hidrólise dada anteriormente como exemplo: Se multiplicarmos simultaneamente o numerador e o denominador da fração por [H3O+] · [OH–], teremos: Como: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 177 Com isso ficamos com: De modo análogo, obteremos: a) para sal de ácido fraco e base forte: b) para sal de ácido forte e base fraca: Equilíbrios heterogêneos Produto de Solubilidade (PS ou KPS) O equilíbrio químico pode ocorrer em sistemas contendo mais de uma fase, ou seja, em sistemas heterogêneos. Esta situação pode ser encontrada em sistemas onde ocorre a dissolução ou precipitação de sólidos. Um exemplo é a solução contendo água e sal Cloreto de prata AgCl(s) mencionado anteriormente, onde a fase sólida é formada por AgCl e a fase aquosa pelos íons Ag+ e Cl-. Quando adicionamos sal à uma solução contendo água como solvente, as moléculas de água inevitavelmente interagem com as moléculas do sal. Estas interações envolvem determinada quantia de energia. Quando temos bastante água e pouco sal, a energia envolvida nas interações entre a água e o sal é maior que as interações que mantém os íons Ag+ e Cl- juntos. Por causa disso, o sal é quebrado em íons e dilui-se na solução. Se adicionarmos o sal AgCl em um copo de água, veremos que o sal é solubilizado (o sal dilui-se). No entanto, se adicionarmos lentamente mais sal, veremos que a partir de uma certa quantia adicionada não ocorre mais a solubilização e o sal fica no fundo do copo. O fato do sal ficar no fundo do copo mostra que a solução está supersaturada e portanto houve a precipitação do sal AgCl. A precipitação ocorreu porque a concentração de íons Ag+ e Cl- tornou-se alta com a adição de mais sal. Todo sal que era adicionado ionizava-se formando Ag+ e Cl-. Como consequência a concentração desses íons aumentou. Quando a concentração desses íons aumenta até certo ponto, as colisões entre eles tornam-se mais frequentes na solução e isso gera a formação do precipitado AgCl. Atualmente há maneiras de saber quanto sal irá diluir e quanto permanecerá no estado sólido em soluções aquosas. O produto solubilidade de um sal é um valor constante específico para cada sal e permite o cálculo desses dados. Existem substâncias pouco solúveis em água como, por exemplo, BaSO4. Adicionando certa quantidade de sulfato de bário à água, notamos que grande parte vai ao fundo, formando um precipitado constituído de BaSO4 que não se dissolve. Entretanto, sabemos que a dissolução do sal não terminou. Na verdade, o sal continua a se dissolver, bem como a precipitar, estabelecendo um equilíbrio dinâmico. Este equilíbrio é chamado heterogêneo ou polifásico porque é o equilíbrio que se estabelece em um sistema heterogêneo. Resumindo... Equilíbrios heterogêneos são aqueles nos quais os reagente e os produtos formam um sistema heterogêneo. Constante do Produto de Solubilidade (PS ou KPS ou KS) Suponha uma solução do eletrólito A2B3, pouco solúvel, em presença de seu corpo de chão (parte insolúvel). A parte que se dissolveu está sob a forma de íons A+++ e B=, enquanto a parte não-solúvel está na forma não-ionizada A2B3. Existe, assim, um equilíbrio dinâmico entre A2B3 e seus íons na solução, que pode ser representada pela equação: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 178 Como todo equilíbrio, este também deve obedecer à lei: Como a concentração de um sólido tem valor constante, o produto Ki . [A2B3] da fórmula acima também é constante e é chamado de produto de solubilidade. KPS = [A3+]2 . [B2-]3 Portanto, o produto de solubilidade (Kps ou PS) é o produto das concentrações molares dos íons existentes em umasolução saturada, onde cada concentração é elevada a um expoente igual ao respectivo coeficiente do íon na correspondente equação de dissociação. Exemplos: A expressão do Kps é utilizada somente para soluções saturadas de eletrólitos considerados insolúveis, porque a concentração de íons em solução é pequena, resultando soluções diluídas. O Kps é uma grandeza que só depende da temperatura. Quanto mais solúvel o eletrólito, maior a concentração de íons em solução, maior o valor de Kps; quanto menos solúvel o eletrólito, menor a concentração de íons em solução, menor o valor de Kps, desde que as substâncias comparadas apresentem a mesma proporção entre os íons. Exemplo: Como apresentam a mesma proporção em íons (1 : 1), o CaCO3 é mais solúvel que o BaCO3, porque possui maior valor de Kps. Quando as substâncias comparadas possuem proporção em íons diferentes, a mais solúvel é aquela que apresenta maior solubilidade. Exemplo: Kps = [Ag+]2 · [CrO42-] 4·10 –12 = (2x)2 · x 4·10 –12 = 4x3 X = 1,0.10-4 mol/L Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 179 Avaliando a solubilidade do Ag2CrO4, portanto, em 1 L de solução é possível dissolver até 10–4 mol de Ag2CrO4. BaSO4(s) Ba2+(aq) + SO42-(aq) KPS=1,0 . 10-10 Y mol/L Y mol/L Y mol/L KPS=[Ba2+].[SO42-] 10-10=(Y).(Y) Y=1,0.10-5 mol/L A solubilidade do BaSO4 portanto, em 1 L de solução: é possível dissolver até 10–5 mol de BaSO4. Com isso concluímos que Ag2CrO4 é mais solúvel que o BaSO4. Observação: - Os valores do Kps permanecem constantes somente em soluções saturadas de eletrólitos pouco solúveis. - Se a dissociação iônica for endotérmica, e se aumentarmos a temperatura, este aumento acarretará em um aumento de solubilidade, portanto, o valor do Kps aumentará. Se a dissolução for exotérmica acontecerá o contrário do citado anteriormente. Podemos então concluir que a temperatura altera o valor do Kps. SOLUÇÃO TAMPÃO Considere as seguintes situações: Perceba que a adição de uma pequena quantidade de um ácido forte ou de uma base forte à água pura provoca uma alteração brusca no pH do meio. Verifique, também, que a adição da mesma quantidade do ácido ou da base à solução formada pelo ácido acético e acetato de sódio provoca uma alteração muito pequena no pH desta solução (variação de 0,1 unidade). A solução formada por ácido acético e acetato de sódio recebe o nome de solução tampão. Portanto temos: Solução tampão ou solução tamponada é aquela que, ao adicionarmos uma pequena quantidade de ácido ou base, mesmo que fortes, mantém o seu pH praticamente invariável. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 180 É provável que a observação destes fatos levem ao seguinte questionamento: Como as soluções tampão conseguem manter o seu pH praticamente constante? Vamos imaginar uma solução tampão constituída por uma base fraca (BOH) e um sal (BA) derivado desta base. Nesta solução, ocorrem os seguintes fenômenos: - Pequena dissociação da base: (Na solução predominam fórmulas da base BOH) - Dissociação total do sal: BA → B+ + A- (Na solução predominam íons B+ e A-) Observação: Note que o íon B+ é comum à base e ao sal. Ao juntarmos a esta solução uma base forte, esta irá liberar íons OH-, que serão consumidos pelo equilíbrio: Como consequência, este equilíbrio desloca-se para a esquerda, e com isso a basicidade da solução não aumenta e o pH não sofre variação significativa. Perceba que não irá faltar o íon B+ para que o equilíbrio acima se desloque para a esquerda, uma vez que a dissociação do sal BA → B+ + A- fornece uma boa reserva deste íon. Se juntarmos à solução tampão um ácido qualquer, este irá se ionizar colocando íons H+ em solução. Estes íons H+ serão consumidos pelos íons OH- resultantes da dissociação da base e, desta forma, a acidez não aumenta e o pH praticamente não varia. H+ + OH- → H2O Perceba que não irão faltar íons OH- para reagir com o H+ do ácido, pois a base BOH é fraca, e o estoque de fórmulas BOH que continuará se dissociando e fornecendo OH- é muito grande. Desta forma, conseguimos compreender que a solução tampão só resistirá às variações de pH até que toda base BOH ou todo sal BA sejam consumidos. A resistência que uma solução tampão oferece às variações de pH recebe o nome de efeito tampão. Caso a solução tampão fosse constituída por um ácido fraco e um sal derivado deste ácido, a explicação para o comportamento desta solução seria semelhante à anterior. Concluímos, então, que uma solução tampão é usada sempre que se necessita de um meio com pH praticamente constante e, preparada, dissolvendo-se em água: - um ácido fraco e um sal derivado deste ácido OU - uma base fraca e um sal derivado desta base. Cálculo do pH de uma solução tampão Vamos supor uma solução tampão constituída por um ácido fraco (HA) e um sal (BA) derivado deste ácido. Neste caso, teremos: Deduzindo a expressão da constante do equilíbrio para o ácido fraco, temos: Como o ácido é fraco, a sua concentração praticamente não varia durante a ionização, e a quantidade de íon A- produzida é muito pequena. Por outro lado, o sal se dissocia totalmente, produzindo quase todo íon A-, presente na solução. Portanto, a expressão da constante de equilíbrio ficará: Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 181 Aplicando logaritmo aos dois membros da equação, teremos: Como pH + pOH = 14 (temperatura de 25ºC), neste caso ficamos com: pH = 14 - pOH Com isso teremos: Hidrólise salina Soluções ácidas ou básicas podem ser obtidas pela dissolução de sais em água. Nesses sistemas, os sais estão dissociados em cátions e ânions, que podem interagir com a água por meio de um processo denominado hidrólise salina, produzindo soluções com diferentes valores de pH. A reação de hidrólise de um cátion genérico (C+) com a água pode ser representada pela equação a seguir: Note que ocorreu a formação de íons H+, o que caracteriza as soluções ácidas. Hidrólise de cátions: produz íons H+. A reação de hidrólise de um ânion genérico (A–) com a água pode ser representada pela equação a seguir: Note que ocorreu a formação de OH–, o que caracteriza as soluções básicas. Hidrólise de ânions: produz íons OH–. Questões 01. A cinética da reação de consumo de 1mol de ácido acético e formação de 1 mol de acetato de etila em função do tempo está representada no gráfico a seguir. A reação que representa este equilíbrio é dada por: Hidrólise salina é o processo em que o(s) íon(s) proveniente(s) de um sal reage(m) com a água. Apostila gerada especialmente para: Walter Mello Mazzini 054.594.089-38 182 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Q u a n ti d a d e e m m o le s Tempo (s)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Acetato de etila Ácido acético CH COOH + C H OH CH COOC H + H O3 2 3 2 25 5(L) (L) (L) (L) ácido acético álcool etílico acetato de etila água Pergunta-se: a) quantos mols de ácido acético restam e quantos de acetato de etila se formaram em 120 segundos de reação? b) após quanto tempo de reação a quantidade de produtos passa a ser maior que a de regentes? c) quantos mols de acetato de etila são obtidos no equilíbrio? 02. 0,40 mol de NH3 é aquecido num tudo fechado a uma dada temperatura. Estabelecido o equilíbrio, verifica-se que há 0,30 mol de H2 no sistema. Qual é o grau de dissociação do NH3, nas condições da experiência. 03. Considere que em um recipiente fechado de 15 litros foram introduzidos 6 mol de gás nitrogênio e 12 mol de gás hidrogênio a uma determinada temperatura. Depois de uma hora, verificou-se que o sistema atingiu o equilíbrio químico e que foram formados 4,5 mol de gás amônia. Qual é o valor da constante de equilíbrio Kc, com a mesma temperatura inicial?