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ETEC DR. ADAIL NUNES DA SILVA Curso: Ensino Técnico em Química Apostila de Tecnologia dos Materiais Inorgânicos 1° Módulo Prof. Ms. Antonio A. Bertoldo Taquaritinga, julho de 2016 Sumário 1 13 15 24 26 29 33 41 1. SISTEMAS E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS AULA PRÁTICA 2 - SEPARAÇÃO DE MISTURAS 2. ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA 3. CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS 4. LIGAÇÕES QUÍMICAS 5. GEOMETRIA MOLECULAR 6. FUNÇÕES INORGÂNICAS 7. EQUAÇÕES QUÍMICAS 8. REAÇÕES REDOX 45 1 1. SISTEMAS E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Química é o ramo da ciência que estuda: • a matéria; • as transformações da matéria; • e a energia envolvida nessas transformações. Matéria é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço. Toda matéria possui massa e volume. Volume (V): é a quantidade de espaço ocupado por um corpo. No SI, a unidade-padrão de volume é o metro cúbico (m3). No entanto, a unidade mais usada em Química é o litro (L ou l). O volume pode ser expresso em litros, mililitros, centímetro cúbico, decímetro cúbico ou metro cúbico. Unidades de volume: 1 L = 1 000 mL 1 L = 1 000 cm3 1 L = 1 dm3 1 m3 = 1 000 L 1 mL = 1 cm3 Num laboratório, os volumes dos líquidos podem ser obtidos de várias maneiras, usando-se diferentes vidrarias, em função do volume de líquido a ser usado. Temperatura (T): relaciona-se com o estado de agitação das partículas que formam um corpo e com a capacidade desse corpo de transmitir ou receber calor. A temperatura é determinada por um termômetro, que consiste de um fino tubo de vidro graduado e parcialmente cheio de mercúrio ou álcool colorido. À medida que a temperatura aumenta, o líquido se expande e se move ao longo do tubo. A graduação (escala termométrica) do tubo indica a temperatura do líquido. A escala mais comum é a Celsius, porém no SI, a escala absoluta é a Kelvin. Unidades de massa: 1 kg = 1000 g 1 g = 1000 mg 1 t = 1000 kg 1 t = 1.000.000 g Massa (m): a quantidade de matéria que existe num corpo. A massa de um corpo é medida pela balança (balança moderna a direita, figura à direita). A massa pode ser expressa miligrama em grama, quilograma, ou tonelada. No Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão de massa é o quilograma (kg). A determinação da massa de um corpo é feita pela comparação da massa desconhecida desse corpo com outra massa conhecida, um padrão. 2 Pressão (P): a relação entre a força exercida na direção perpendicular, sobre uma dada superfície, e a área dessa superfície. No Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão é o pascal (Pa), que se relaciona com a unidade atmosfera na seguinte proporção: 1 atm = 101 . 325 Pa ou, aproximadamente, 100 kPa. Densidade (d): é a relação entre a massa de um material e o volume por ele ocupado. Para sólidos e líquidos, a densidade é expressa em g/mL ou g/cm3 e para gases é expressa em g/L. Ex. Considere dois cubos idênticos, um de alumínio, o outro de ferro, ambos com v = 10 cm3. Qual deles apresenta maior massa? Dados: dFe = 8,0 g/cm3 e dAl = 2,7 g/cm3. m Exercícios 1. Transforme 2. Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria para identificar as substâncias? A densidade (d) de cada um dos líquidos, à temperatura ambiente, é: d(água) = 1,0 g/cm3 d(clorofórmio) = 1,4 g/cm3 d(etanol) = 0,8 g/cm3 Nas regiões polares, é comum a presença de grandes blocos de gelo (água pura), os icebergs, flutuando na água do mar (água e outros materiais). Isso ocorre porque a densidade do gelo (0,92 g/cm3) é menor que a densidade da água do mar (1,03 g/cm3). Densidade de algumas substâncias em g/cm3 : Álcool etílico = 0,8 Água = 1,0 Clorofórmio = 1,4 Mercúrio = 13,6 Chumbo = 11,0 Alumínio = 2,7 Ferro = 8,0 𝐝 = 𝐦 𝐕 3 3. Observe a tabela: Esses três materiais foram colocados numa proveta, originando um sistema com o aspecto mostrado na figura. Relacione as substâncias A, B, C com aquelas mencionadas na tabela. Justifique. 1.1 Classificação da Matéria Sistema é uma parte do universo que nos cerca que é isolada para observação e estudo. Todo sistema é formado de matéria que, por sua vez, é formada de substâncias. Substância pura é um material único, isento de outros materiais e que apresenta propriedades físicas bem definidas. As substâncias puras podem ser classificadas em simples ou compostas. A substância formada por um ou mais átomos de um mesmo elemento químico é classificada como substância pura simples ou, simplesmente, substância simples. 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. Mistura: é formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo denominada componente. Como as misturas apresentam composição variável, têm propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas substâncias quando estudadas separadamente. Ex.: ar atmosférico sem poluentes [ (N2) = 78%; (O2) = 21%; (Ar) = 1%; (CO2) = 0,03%], álcool hidratado (92,8% de álcool e 7,2% de água), ouro 18 quilates (75% de Au de 25 de Cu e Ag), etc. Fase: cada porção que apresenta aspecto visual homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não, mesmo quando observado ao microscópio comum. 4 Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase. As misturas homogêneas são chamadas soluções. Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool hidratado, cachaça, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e algumas ligas metálicas. Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são sempre misturas homogêneas. Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases. Alguns exemplos de misturas heterogêneas: água e óleo, areia, granito, madeira, sangue, leite, água com gás. Sistema homogêneo: apresenta aspecto contínuo, ou seja, é constituído por uma única fase. Sistema heterogêneo: apresenta um aspecto descontínuo, ou seja, é constituído por mais de uma fase. Resumindo o que foi dito até agora, chega-se ao seguinte esquema: 1.3 Estados Físicos da Matéria Toda matéria é constituída de pequenas partículas e, dependendo do maior ou menor grau de agregação entre elas, pode ser encontrada em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Quando uma substância muda de estado, sofre alterações nas suas características macroscópicas (volume, forma etc.) e microscópicas (arranjo das partículas), não havendo, contudo, alteração em sua composição. 5 Mudanças de Estado Físico: o diagrama abaixo mostra as mudanças de estado, com os nomes particulares que cada uma delas recebe. 1.3.1 Diagramas de Mudança de Estado Físico Substância pura Quando se aquece uma substância pura do estado sólido até o estado de vapor, observa-se que as mudanças de estado ocorrem a temperaturas definidas. Ex.: aquecimento da água. Neste gráfico notamos dois trechos horizontais (dois patamares). O primeiro patamar do gráfico exprime o fato de que a fusão do gelo ocorre à temperatura constante de 0 C, que é a temperatura de fusão ou ponto de fusão (P.F.) do gelo. O segundo patamar indica que a ebulição da água ocorre à temperatura constante de 100 C, que é a temperatura de ebulição ou ponto de ebulição (P.E.) da água. No resfriamento da água, o gráfico será “invertido”. 6 Mistura (ou substância impura) Por exemplo, uma mistura de água e sal terá um intervalo (ou faixa) de fusão abaixo de0 C e um intervalo (ou faixa) de ebulição acima de 100 C, ao nível do mar. Gráfico de aquecimento da mistura de água e sal (abaixo). Mistura azeotrópica (ou, simplesmente, um azeótropo) é uma mistura que ferve/se condensa em temperatura constante (como ocorre com a mistura contendo, em volume, 96% de álcool comum e 4% de água, que ferve à temperatura constante de 78,1 °C). Observe o patamar no gráfico (Vaporização). Mistura eutética (ou, simplesmente, (eutético) é uma mistura que se funde/solidifica em temperatura constante (como no caso da liga metálica que contém, em massa, 62% de estanho e 38% de chumbo, que se funde à temperatura constante de 183 °C). Observe o patamar no gráfico (Fusão). 7 Exercícios 1. Uma substância A apresenta PF = 20° C e PE = 300°C à pressão de 1 atm. Uma outra substância B apresenta PF =-5°C e PE = 25° C à pressão de 1 atm. Identifique os estados físicos de A e B nas seguintes temperaturas: a) 0°C b} 120°C c) - 2°C d) 100°C e) 320°C 2. Classifique os sistemas a seguir em homogêneos ou heterogêneos. a) água + álcool b) água + areia +álcool c) água líquida + vapor d'água d} óleo + água + areia e) ar atmosférico filtrado. 3. Indique o número de fases e o número de componentes para cada mistura abaixo. a) água + acetona b} água líquida + gelo + sal dissolvido c) água + bicarbonato de sódio dissolvido + areia d} açúcar dissolvido + sal dissolvido + água. 4. O gráfico a seguir indica as mudanças de estado da substância pura chumbo quando submetida a um aquecimento: a) Qual o estado físico em que o chumbo se encontra após 15 minutos de aquecimento? b) Durante quanto tempo o chumbo permaneceu totalmente liquefeito? c) Em qual estado físico o chumbo se encontra a uma temperatura de 1760 °C? d) Em quais intervalos de tempo o chumbo coexiste em dois estados físicos? 1.4 Processos De Separação De Misturas Decantação - Processo utilizado para separar dois tipos de misturas heterogêneas. 8 a) Líquido e sólido b) Líquido e líquido 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. O líquido mais denso permanece na parte inferior do funil e é escoado controlando-se a abertura da torneira. 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. 9 Filtração - É utilizada para separar substâncias presentes em misturas heterogêneas envolvendo sólidos e líquidos. A filtração que envolve mistura de gás e sólido pode ser feita mediante o uso de aspirador de pó. Destilação - É utilizada para separar cada uma das substâncias presentes em misturas homogêneas envolvendo sólidos dissolvidos em líquidos e líquidos miscíveis entre si. 10 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. Ex.: água e sal. Torres de destilação industrial Colunas de destilação fracionada industrial 1.5 Transformações Da Matéria Qualquer modificação que ocorra com a matéria é considerada um fenômeno: água em ebulição, massa do pão "crescendo", explosão de uma bomba, etc. Os fenômenos podem ser classificados em físicos ou químicos. Fenômenos físicos: não alteram a natureza da matéria, isto é, a sua composição. Na destilação fracionada, são separados líquidos miscíveis com pontos de ebulição (PE) não muito próximos. Durante o aquecimento da mistura, é separado, inicialmente, o líquido de menor PE; depois, o líquido com PE intermediário, e assim sucessivamente, até o líquido de maior PE. À aparelhagem da destilação simples é acoplada uma coluna de fracionamento. Conhecendo-se o PE de cada líquido, pode-se saber, pela temperatura indicada no termômetro, qual deles está sendo destilado. Ex.: água (PE: 100°C) e acetona (PE: 56°C). 11 A forma, o tamanho, a aparência e o estado físico podem mudar, porém a constituição da substância não sofre alterações. Os principais fenômenos físicos são as mudanças de estado físico. Fenômenos químicos: alteram a natureza da matéria, ou seja, a sua composição. Quando ocorre um fenômeno químico, uma ou mais substâncias se transformam e dão origem a novas substâncias. Então, dizemos que ocorreu uma reação química. Quando queima-se um pedaço de papel, constituído de celulose, ocorrem a formação de uma substância de cor preta (carvão) e, simultaneamente, a formação de fumaça, constituída principalmente de vapor d’água e gás carbônico. Essas novas substâncias foram formadas pela reação química entre a celulose e o oxigênio do ar. Uma maneira bem simples de se reconhecer a ocorrência de um fenômeno químico é a observação visual de alterações que ocorrem no sistema. A formação de uma nova substância está associada à: 1. Mudança de cor. Exemplos: queima de papel; cândida ou água de lavadeira em tecido colorido; queima de fogos de artifício. 2. Liberação de um gás (efervescência). Exemplos: antiácido estomacal em água; bicarbonato de sódio (fermento de bolo) em vinagre. 3. Formação de um sólido. Exemplos: líquido de bateria de automóvel + cal de pedreiro dissolvida em água; água de cal + ar expirado pelo pulmão (gás carbônico). 4. Aparecimento de chama ou luminosidade. Exemplos: álcool queimando, luz emitida pelos vaga-lumes. Porém, algumas reações ocorrem sem essas evidências visuais. A formação de novas substâncias é constatada pela mudança das propriedades físico-químicas. 1.6 Equações Químicas As substâncias são representadas por fórmulas, que indicam os elementos constituintes através de símbolos, e as quantidades de átomos através de índices. As reações químicas são representadas por equações químicas, que mostram as fórmulas das substâncias participantes, em proporções adequadas. Esquematicamente: reagentes produtos. Como uma reação é um rearranjo dos átomos, é necessário que: Nº total de átomos dos reagentes = Nº total de átomos dos produtos Sempre que o número total de átomos dos reagentes for igual ao dos produtos, diz-se que a equação está balanceada. Exemplo de uma equação química balanceada: Os números colocados na frente das fórmulas, denominados coeficientes, indicam a quantidade de partículas que participam da reação. 12 Exercícios 1. Classifique os fenômenos em físicos ou químicos: a) secagem de roupa pendurada no varal; b) desaparecimento de bolinhas de naftalina colocadas em armários; c) produção do álcool a partir da cana-de-açúcar; d) produção de vinho a partir da uva; e) queima de um fósforo; f) batida de carros; g) explosão após uma batida de carros; h) produção da gasolina a partir do petróleo; i) queima da gasolina. 2. Comparando as situações inicial e final nos sistemas I, II e III, i n d i q u e onde observam-se os seguintes fenômenos: a) a ocorrência de um fenômeno químico; b) a formação de uma mistura; c) uma mudança de estado. 3. Indique as etapas para separar os componentes de uma mistura formada por gasolina, água, serragem e sal de cozinha. 4. Uma mistura sólida é constituída de cloreto de prata (AgCl), cloreto de sódio (NaCl) e cloreto de chumbo (PbCl2).Com base na solubilidade desses sais em água (tabela abaixo), esquematize uma separação dos 3 sais que constituem a mistura. 13 Aula Prática 2 - Separação de Misturas 1. OBJETIVO Separar os componentes de misturas homogêneas e heterogêneas. Análise dos processos: filtração, decantação, centrifugação, destilação simples e fracionada. 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Mistura é a associação de duas ou mais substâncias diferentes cujas estruturas permanecem inalteradas, isto é, não ocorre reação química entre elas. Existem 2 tipos de misturas: a) Mistura homogênea não é possível distinguir superfícies de separação entre seus componentes, nem mesmo com os mais aperfeiçoados aparelhos, como ultramicroscópio ou microscópio eletrônico. b) Mistura heterogênea é possível distinguir superfícies de separação entre seus componentes, em alguns casos a olho nu, em outros com microscópio comum. É comum as substâncias aparecerem misturadas na natureza. Portanto, é necessário separar as substâncias existentes na mistura até ficar com cada substância totalmente isolada das demais (substância pura). Esta separação chama-se desdobramento, fracionamento ou análise imediata. Os processos empregados na análise imediata enquadram-se em dois tipos, conforme a mistura seja homogênea ou heterogênea: Nas misturas heterogêneas usam-se os processos mecânicos, que têm por finalidade separar as diferentes fases, obtendo-se deste modo misturas homogêneas ou substâncias puras. Nas misturas homogêneas recorre-se a processos mais enérgicos, empregando-se processos físicos ou de fracionamento, pois a mistura homogênea fraciona-se em duas ou mais substâncias puras, isto é, seus componentes. 3. MATERIAIS E REAGENTES Tripé Funil de Büchner Acetona Tela de amianto Bastão de vidro Acetato de etila Papel de filtro Gral e pistilo Sal de cozinha Espátula Termômetro 2 Funil Pérolas de vidro Pinça metálica Balão de destilação Funil de decantação Condensador 6 Béquer de 100 ml Garras Centrífuga Erlenmeyer de 100 ou 250 ml Tubos de centrífuga Proveta de 50 ml Suporte universal Rolhas Argola giz Bomba de vácuo óleo vegetal 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1) Filtração simples Dobrar o papel de filtro, colocar o papel no funil, umedecê-lo com água destilada para facilitar a aderência. Transferir uma pequena quantidade de giz, previamente pulverizado em gral, para um bécher contendo 30 ml de água, medidos no próprio bécher. Agitar a mistura com auxílio de um bastão de vidro. Filtrar a suspensão preparada, tendo o cuidado de manter a mistura numa distância de 0,5 cm da borda do papel de filtro. Observar e anotar as cores: do resíduo.................. do filtrado......................... 2) Filtração a vácuo O papel de filtro é colocado sobre a placa perfurada do funil de Büchner de modo que se adapte perfeitamente, sem dobras, a um ou dois milímetros do diâmetro interno do funil. Umedecer o papel de filtro com água destilada para facilitar a aderência. 14 Transferir uma pequena quantidade de giz, previamente pulverizado em gral, para um bécher contendo 30 ml de agua (meça o volume no próprio bécher). Ligar a bomba de vácuo e filtrar a suspensão formada fazendo com que o liquido escorra até o papel de filtro, com auxílio de um bastão de vidro (adicionar no centro do papel). Observar e anotar as cores: do resíduo..................................... do filtrado......................... 3) Centrifugação Transferir uma pequena quantidade de giz, previamente pulverizado em gral, para um bécher contendo 30 ml de agua (meça o volume no próprio bécher). Adicionar 2 ml de suspensão em um tubo de centrífuga e o mesmo volume de água em outro tubo de centrífuga. Colocar os tubos na centrifuga e deixar centrifugando por 2 minutos. Retirar os tubos. Observar e anotar as cores: do corpo de fundo............................ do sobrenadante.................................... 4) Decantação Prender um funil de decantação a um suporte universal com uma argola. Adicionar 20 ml de óleo em um bécher de 50 ml (medir no próprio bécher); em seguida, adicionar, com auxílio de um bastão e um funil, 20 ml de agua (medidos em outro bécher de 50 ml). Verifique se a torneira do funil de decantação está fechada. Transferir o óleo e a água para o funil de decantação, com auxílio de um bastão de vidro e um funil. Agitar o funil de decantação, recolocá-lo na argola e aguardar a decantação. Após algum tempo, abrir a torneira, deixando escoar a fase mais densa para o interior do bécher original. Recolher a interface (região limite entre as duas fases) em um pequeno bécher, desprezando-a. Deixar escoar a fase menos densa, recolhendo-a no outro bécher. 5) Destilação Simples Colocar em um bécher cerca de 50 mL de solução para destilação. Montar a aparelhagem. Usando um funil, transfira, com auxílio de um bastão, a solução para o balão de destilação. Colocar pérolas de vidro no balão de destilação (evitam o superaquecimento). Ligar a água, para que ocorra a refrigeração no condensador, verificando se todas as conexões estão em ordem e se o fluxo de água não está muito intenso. Aquecer o balão. Verificar que, quando a solução atinge seu ponto de ebulição, a água passa para o estado gasoso, indo para o condensador, onde volta ao estado líquido. O aquecimento deverá cessar pouco antes de levar o balão à secura. Observar e anotar: temperatura.................. e cor do destilado....................... 6) Destilação Fracionada Colocar 20 mL de água e 20 mL de acetona em um balão de destilação. Montar a aparelhagem. Colocar um termômetro na saída da coluna de fracionamento para controle de temperatura e aquecer. Quando o primeiro líquido começar a sair como destilado, observe que a temperatura varia muito lentamente; quando a temperatura começar a subir, sairá o segundo líquido. Colete as frações separadamente. Antes de secar o balão, desligue a fonte de calor. Dados: acetona - PE = 56°C, água - PE = 100°C (P = 101.325 Pa = 1,01325 bar = 1 atm = 760 mmHg). Identifique: 1ª fração:.....................................; 2ª fração:..................................... Responda 1. Como ocorre a separação de fases numa centrífuga? 2. Quais são as fases superior e inferior na mistura água e óleo? Justifique. 3. Quando se emprega a filtração a vácuo? 4. Que cor possui o destilado da solução aquosa? Justifique. 5. O aspirador de pó pode ser considerado um filtro? Por quê? 15 2. ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Atualmente não há dúvidas de que toda matéria seja formada por minúsculas partículas, denominadas átomos. Essa ideia, como já vimos, foi proposta pelos filósofos gregos Leucipo e Demócrito (400 a.C.). 2.1 Modelo atômico de Dalton Em 1808, baseado em fatos experimentais, o cientista britânico John Dalton (1766- 1844) formula uma teoria atômica para explicar a constituição da matéria. 1. A matéria é constituída de pequenas partículas esféricas maciças e indivisíveis denominadas átomos. 2. Um conjunto de átomos com as mesmas massas e tamanhos apresenta as mesmas propriedades e constitui um elemento químico. 3. Elementos químicos diferentes apresentam átomos com massas, tamanhos e propriedades diferentes. 4. A combinação de átomos de elementos diferentes, numa proporção de números inteiros, origina substâncias diferentes. 5. Os átomos não são criados nem destruídos: são simplesmente rearranjados, originando novas substâncias. 2.2 Modelo atômico de Thomson Em 1897, Joseph John Thomson (1856-1940) conseguiu demonstrar que o átomo não é indivisível, utilizando uma aparelhagem denominada tubo de raios catódicos. Dentro do tubo de vidro havia, além de uma pequena quantidade de gás, dois eletrodos ligados a uma fonte elétrica externa. Quando o circuito era ligado, aparecia um feixe de raios provenientes do cátodo (eletrodo negativo), que se dirigia para o ânodo (eletrodo positivo). Esses raios eram desviados na direção do polo positivo de um campoelétrico. Com base nesse experimento, Thomson concluiu que: a) os raios eram partículas (corpúsculos) menores que os átomos; b) os raios apresentavam carga elétrica negativa. Essas partículas foram denominadas elétrons (e). Thomson propôs então um novo modelo, denominado pudim de passas: “O átomo é maciço e constituído por um fluido com carga elétrica positiva, no qual estão dispersos os elétrons”. Como um todo, o átomo seria eletricamente neutro. Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein, usando uma aparelhagem semelhante à de Thomson, observou o aparecimento de um feixe luminoso no sentido oposto ao dos elétrons. Concluiu que os componentes desse feixe deveriam apresentar carga elétrica positiva. + + + + 16 Posteriormente, em 1904, Ernest Rutherford, ao realizar o mesmo experimento com o gás hidrogênio, detectou a presença de partículas com carga elétrica positiva ainda menores, as quais ele denominou prótons (p). A massa de um próton é aproximadamente 1.836 vezes maior que a de um elétron. 2.3 Modelo atômico de Rutherford Para verificar se os átomos eram maciços, Rutherford bombardeou uma finíssima lâmina de ouro (de aproximadamente 0,0001 cm) com pequenas partículas de carga elétrica positiva, denominadas partículas alfa (α), emitidas por um material radioativo, o polônio. As observações feitas durante o experimento levaram Rutherford a tirar uma série de conclusões: Observação Conclusão a) A maior parte das partículas atravessa- va a lâmina sem sofrer desvios. A maior parte do átomo deve ser vazio. Nesse espaço (eletrosfera) devem estar localizados os elétrons. b) Poucas partículas (1 em 20.000) não atravessavam a lâmina e voltavam. Deve existir no átomo uma pequena região onde está concentrada sua massa (o núcleo). c) Algumas partículas sofriam desvios de trajetória ao atravessar a lâmina. O núcleo do átomo deve ser positivo, o que provoca uma repulsão nas partículas (positivas). A comparação do número de partículas α que atravessavam a lâmina com o número de partículas α que voltavam levou Rutherford a concluir que o raio do átomo é 10 mil vezes maior que o raio do núcleo. A partir dessas conclusões, Rutherford propôs um novo modelo atômico, semelhante ao sistema solar. Em 1932, Chadwick, durante experiências com material radioativo, descobriu partículas e as denominou nêutrons. Os nêutrons estão localizados no núcleo e apresentam massa muito próxima à dos prótons, mas não têm carga elétrica. Portanto, o modelo atômico clássico é constituído de um núcleo, onde se encontram os prótons e nêutrons, e de uma eletrosfera, onde estão os elétrons orbitando em torno do núcleo. Partícula Massa (gramas) Massa relativa Carga elétrica Carga relativa (Coulomb) Próton (p+) 1,7.10-24 1 +1,6.10-19 +1 Nêutron (n0) 1,7.10-24 1 0 0 Elétron (e-) 9,1.10-28 1/1840 -1,6.10-19 -1 17 Leitura Complementar Teoria dos quarks Hoje considera-se que as únicas partículas elementares constituintes da matéria são os quarks e os léptons. Os quarks interagem fortemente entre si formando outras partículas mais complexas: os hardrons (prótons e nêutrons). Existem somente três tipos de quarks estáveis e somente dois entram na composição da matéria. Tipos de quarks Carga (uce) up +2/3 down - 1/3 strange -1/3 Um próton seria formado por: 2 up (+2/3) = +4/3 1 down (-1/3) = -1/3 +1 e um nêutron seria formado por: 1 up (+2/3) = +2/3 2 down (-1/3) = -2/3 0 Os léptons são partículas pequenas e leves em comparação com os quarks, e suas interações são fracas. Existem quatro tipos de léptons (elétron, muon, tauon, com carga -1, e pósitron, com carga +1). 2.4 Conceitos Fundamentais Número atômico (Z): o número que indica a quantidade de prótons existentes no núcleo de um átomo. É o número que identifica o átomo. Como os átomos são sistemas eletricamente neutros, o número de prótons é igual ao de elétrons. Exemplos: cloro (Cl) Z = 17 prótons = 17, elétrons = 17. sódio (Na) Z = 11 prótons = 11, elétrons = 11. Número de massa (A): a soma do número de prótons (Z) com o número de nêutrons (N) presentes no núcleo de um átomo. A = Z + N Ca: Z = 20, A = 40, N = ? => A = Z + N => 40 = 20 + N => N = 40 – 20 = 20 Elemento químico: é o conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z). A cada elemento químico corresponde um número atômico (Z) que o identifica. De acordo com a IUPAC (sigla em inglês da União Internacional de Química Pura e Aplicada), ao representar um elemento químico, devem-se indicar, junto ao seu símbolo, seu número atômico e seu número de massa. Representações: ou ; Exemplo: ou . Íon: espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons, portanto carregado eletricamente. Se um átomo perde elétrons, ele se torna um íon positivo, chamado cátion. Exemplo: Mg Mg2+ + 2e- Mg: Z = 12 => +12 e- = 12 => –12 carga elétrica total = 0 Mg2+: Z = 12 => +12 e- = 12 => –10 carga elétrica total = +2 18 Se um átomo ganha elétrons, ele se torna um íon negativo, chamado ânion. 17Cl + 1e– Cl- Isótopos: são átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z), por pertencerem ao mesmo elemento químico, mas diferentes números de massa (A). Exemplos: Representação Nomes Abundância (%) 17 Cl 35 cloro 75 17 Cl 37 cloro 25 1 1H hidrogênio leve, comum; prótio 99,985 2 1H deutério 0,015 3 1H trítio; tricério; tritério 10-7 Isóbaros: são átomos que apresentam diferentes números atômicos (Z), mas mesmo número de massa (A). Exemplos: ; Isótonos: são átomos que apresentam o mesmo número de nêutrons (n), mas diferentes números atômicos (Z) e de massa (A). Exemplos: ; Isoeletrônicos: átomos e íons que apresentam a mesma quantidade de elétrons. Exemplos: 2.5 Modelo atômico de Bohr No início do século XX, sabia-se que a luz branca (luz solar, por exemplo) podia ser decomposta em diversas cores. Isso é possível fazendo com que a luz, passe por um prisma. Na decomposição da luz solar obtém-se um espectro chamado espectro contínuo. Ele é formado por ondas eletromagnéticas visíveis e invisíveis (radiação, ultravioleta e infravermelho). Na parte visível desse espectro não ocorre distinção entre as diferentes cores, mas uma gradual passagem de uma para outra. O arco-íris é um exemplo de espectro contínuo onde a luz solar é decomposta pelas gotas de água presentes na atmosfera. Como a cada onda eletromagnética está associada certa quantidade de energia, a decomposição da luz branca produz ondas eletromagnéticas com toda quantidade de energia. Depois de Rutherford ter proposto seu modelo, os cientistas direcionaram seus estudos para a distribuição dos elétrons na elestrofera. Há muito tempo, os químicos já sabiam que os compostos de sódio emitem uma luz amarela quando submetidos a uma chama. Cl: Z = 17 => +17 e- = 17 => –17 carga elétrica total = 0 Cl-: Z = 17 => +17 e- = 17 => –18 carga elétrica total = -1 19 Em 1855, Robert Bunsen verificou que diferentes elementos, submetidos a uma chama, produziam cores diferentes. As cores brilhantes dos fogos de artifício são produzidas pela queima de diferentes elementos químicos. Assim, o estudo da luz permitiu a obtenção dos chamados espectros descontínuos, característicos de cada elemento. A cada cor desses espectros foi associada certa quantidade de energia. Sódio Hidrogênio Cálcio Em 1913, Niels Böhr (1885-1962) propôs um novo modelo atômico, relacionando a distribuição dos elétrons na eletrosferacom sua quantidade de energia. Esse modelo apresenta os postulados a seguir. 1. Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo. 2. 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. 3. 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. O modelo de Böhr permite relacionar as órbitas (níveis de energia) com os espectros descontínuos dos elementos. 2.6 Modelo atômico atual A teoria de Bohr explicava muito bem o que ocorria com o átomo de hidrogênio, mas apresentou- se inadequada para esclarecer os espectros atômicos de outros átomos com dois ou mais elétrons. Até 1900, tinha-se a idéia de que a luz possuía caráter de onda. A partir dos trabalhos realizados por Planck e Einstein, este último propôs que a luz seria formada por partículas-onda, ou seja, segundo a mecânica quântica, as ondas eletromagnéticas podem mostrar algumas das propriedades características de partículas e vice-versa. A dualidade partícula- onda passou a ser aceita universalmente. Em 1924, Louis de Broglie sugeriu que os elétrons, até então considerados como partículas típicas, possuiriam propriedades semelhantes às ondas. A todo elétron em movimento está associada uma onda característica (Princípio da Dualidade). Se um elétron se comporta como onda, como é possível especificar a posição de uma onda em um dado instante? Pode-se determinar seu comprimento de onda, sua energia e sua amplitude, porém não há possibilidade de dizer exatamente onde está o elétron. Além disso, considerando-se o elétron uma partícula, é tão pequena que, se tentássemos determinar sua posição e velocidade num determinado instante, os próprios instrumentos de medição iriam alterar essas determinações. Assim, Heisenberg enunciou o chamado Princípio da Incerteza. Não é possível determinar a posição e a velocidade de um elétron, simultaneamente, num mesmo instante. 20 Em 1927, Erwin Schrödinger, devido à impossibilidade de calcular a posição exata de um elétron na eletrosfera, desenvolveu uma equação de onda que relaciona a natureza corpuscular (partícula), a energia, a carga e a massa do elétron. Essa equação (muito complexa, envolvendo cálculos avançados), permitia determinar a probabilidade de encontrarmos o elétron numa dada região do espaço. A região do espaço onde é máxima a probabilidade de encontrarmos o elétron é chamada de orbital. As soluções numéricas para a equação de ondas, denominadas números quânticos, permitem que cada elétron seja caracterizado pela sua quantidade de energia. 2.6.1 Números Quânticos Schrödinger propôs que cada elétron em um átomo tem um conjunto de quatro números quânticos que determinam sua energia e o formato da sua nuvem eletrônica: principal, secundário (ou azimutal), magnético e spin. Num mesmo átomo não existem dois elétrons com os mesmos números quânticos. 1) Número Quântico Principal (n) Indica o nível de energia do elétron. n = 1, 2, 3, … 7. Quando n aumenta, a energia do elétron aumenta e, na média, ele se afasta do núcleo. 2) Número Quântico Secundário (l) 3) Número Quântico Magnético (m) Está associado à região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron, denominada orbital. Cada orbital comporta no máximo 2 elétrons e é representado graficamente por um quadrado ou círculo. Os orbitais estão relacionados com os subníveis; por esse motivo, os valores de m variam de: – l a + l. Espacialmente, os orbitais s e p apresentam o seguinte aspecto: 4) Número Quântico de Spin (s ou ms) Está relacionado à rotação do elétron. Esse número quântico é utilizado para distinguir os elétrons de um mesmo orbital. A um deles atribui-se arbitrariamente o valor +1/2 e ao outro, o valor –1/2. A representação gráfica dos elétrons num mesmo orbital pode ser feita de duas maneiras: Está associado ao subnível de energia do elétron. subnível s p d f valores de ( l ) 0 1 2 3 21 Pode-se adotar como convenção particular que o primeiro elétron de um orbital será representado por uma seta para cima (↑), e o valor de seu spin será +1/2. 2.7 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA Estudos específicos para determinar a energia dos subníveis mostraram que: • existe uma ordem crescente de energia nos subníveis: s < p < d < f. • 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 distribuição eletrônica descreve o arranjo dos elétrons em um átomo, fornecendo o número de elétrons em cada nível principal e subnível. Os elétrons preenchem os subníveis em ordem crescente de energia. Um subnível deve estar totalmente preenchido para depois iniciar-se o preenchimento do subnível seguinte. O cientista Linus Pauling formulou um diagrama que possibilita distribuir os elétrons em ordem crescente de energia dos níveis e subníveis. O preenchimento da eletrosfera pelos elétrons em subníveis obedece à ordem crescente de energia definida pelo diagrama de Pauling: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p. Cada um desses subníveis pode acomodar um número máximo de elétrons. Subnível s p d f Nº máximo de e– 2 6 10 14 22 Exemplos: A distribuição eletrônica pode ser representada em ordem crescente de energia ou por camadas. Exemplos: 1) Níquel (Z = 28) 2) Escândio (Z = 21) 21Sc: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 Perceba que o subnível 4s2 aparece antes do subnível 3d1, de acordo com a ordem crescente de energia. No entanto, pode-se escrever essa configuração eletrônica ordenando os subníveis pelo número quântico principal. Assim, obteremos a chamada ordem geométrica ou ordem de distância: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2. 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: para o 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: K = 2, L = 8, M = 9, N = 2. Distribuição Eletrônica De Íons A distribuição eletrônica de íons é semelhante à dos átomos neutros. Lembrando que um íon é formado a partir da perda ou ganho de elétrons que ocorre com um átomo e que os elétrons serão retirados ou recebidos sempre na camada eletrônica mais externa (camada de valência) e não do subnível mais energético. Exemplos: 23 1) 2) Obs.: Para a distribuição do íon Fe3+, é necessária a retirada de um elétron do subnível d. 3) Distribuição Eletrônica Em Orbitais Essa distribuição deve ser feita de acordo com os conceitos de Pauli e Hund. Princípio da exclusão de Pauli “Num orbital existem no máximo 2 elétrons com spins opostos.” Regra de Hund “Os orbitais de um mesmo subnível são preenchidos de modo que se obtenha o maior número possível de elétrons isolados (desemparelhados).” Exemplos de distribuição com a atribuição dos quatro números quânticos ao elétron de maior energia: Exercícios 1. Identifique isótopos, isóbaros e isótonos nos átomos abaixo: 2. Faça a distribuição eletrônica em subníveis de energia: a) 18Ar; b) 35Br; c) 16S2-; d) 13Al3+; 3. Considere o ânion 15P3-: a) Faça a distribuição eletrônica em orbitais; b) Indique o subnível mais energético e identifique seus valores de: n, l, m. 24 3. CLASSIFICAÇÃOPERIÓDICA DOS ELEMENTOS A tabela periódica atual é constituída por: - Sete Períodos (linhas horizontais): onde o período indica o número de camadas ou níveis de energia que o átomo do elemento apresenta em sua configuração eletrônica. - Dezoito Grupos ou Famílias (colunas verticais): para os grupos A, 1B e 2B, o número do grupo indica o número de elétrons da última camada. Elementos representativos: são os elementos mais importantes da tabela (grupos lA a VlllA). Grupo lA = família dos metais alcalinos: Li (Lítio), Na (Sódio), K (Potássio), Rb (Rubídio), Cs (Césio), Fr (Frâncio); Grupo llA = família dos metais alcalino-terrosos: Be (Berílio), Mg (Magnésio), Ca (Cálcio), Sr (Estrôncio), Ba (Bário), Ra (Rádio); Grupo lllA = família do boro: B (Boro), Al (Alumínio), Ga (Gálio), In (Índio), Tl (Tálio); Grupo lVA = família do carbono: C (Carbono), Si (Silício), Ge (Germânio), Sn (Estanho), Pb (Chumbo); Grupo VA = família do nitrogênio: N (Nitrogênio), P (Fósforo), As (Arsênio), Sb (Antimônio), Bi (Bismuto); Grupo VlA = família dos calcogênios: O (Oxigênio), S (Enxofre), Se (Selênio), Te (Telúrio), Po (Polônio); Grupo VllA = família dos halogênios: F (Flúor), Cl (Cloro), Br (Bromo), I (Iodo), At (Astato); Grupo VlllA = família dos gases nobres: He (Hélio), Ne (Neônio), Ar (Argônio), Kr (Kriptônio), Xe (Xenônio), Rn (Radônio). Elementos de transição: são os elementos das colunas 1B a 8B. Observações: O hidrogênio (H), embora apareça na coluna 1A, não é um metal alcalino. Os metais são elementos sólidos (exceto o mercúrio que é liquido), em geral duros, com brilho característico, de pontos de fusão e de ebulição altos, bons condutores de calor e de eletricidade, maleáveis (podem ser transformados em lâminas finas), dúcteis (podem ser transformados em fios finos) e que formam íons positivos (cátions). Os não-metais têm propriedades completamente opostas. Os semi-metais têm propriedades intermediárias entre os metais e os não-metais. Os gases nobres ou raros têm comportamento químico específico. Camada de valência é a camada eletrônica mais externa de um átomo que contém os elétrons que participam geralmente nas ligações químicas. Configurações eletrônicas dos elementos na tabela. Elementos representativos: seus elétrons mais energéticos estão situados em subníveis s ou p. 25 Elementos de transição: apresentam o elétron mais energético em subníveis d. Séries dos lantanídeos e dos actinídeos: o elétron mais energético está contido em subnível f (f1 a f14). A distribuição eletrônica do átomo de um dado elemento químico permite que determinemos sua localização na tabela. Ex.: 35Br - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 camadas (níveis): são 4; K = 2 ; L = 8; M = 18; N = 7 localização e classificação: 4º período; família VIIA (halogênios); bloco p (elemento representativo); 7 elétrons na camada de valência (4s2 4p5) elétron de maior energia situado no subnível p (4p5). Propriedades Periódicas As propriedades periódicas são aquelas que, à medida que o número atômico aumenta, aumentam ou diminuem, ou seja, repetem-se periodicamente. Raio atômico O raio atômico é usado para comparar o tamanho dos átomos, devemos levar em conta dois • num mesmo grupo: o tamanho do átomo aumenta de cima para baixo na tabela, devido ao aumento do número de níveis (camadas); o átomo que apresenta maior número de prótons exerce uma maior atração sobre seus elétrons, o que ocasiona uma redução no seu tamanho; Eletronegatividade Eletronegatividade é a força de atração exercida sobre os elétrons de uma ligação. Quanto menor o tamanho do átomo, maior será a força de atração núcleo-elétron, pois a distância da ligação é menor e, portanto, maior será a eletronegatividade. A eletronegatividade não é definida para os • num mesmo período: o tamanho do átomo aumenta da direita para a esquerda na tabela, devido à diminuição do número de prótons nesse sentido, o que diminui a força de atração sobre os elétrons. 26 gases nobres. Na tabela periódica, a eletronegatividade cresce de baixo para cima e da esquerda para a direita. Exercícios 1. Os elementos que constituem uma certa família da tabela periódica têm números atômicos iguais a 7, 15, X e Y. Determine os números atômicos de X e Y. 2. Quais os elementos de maior raio: a) Li ou K; b) Na ou Cl 3. Quais os elementos de maior eletronegatividade: a) Ca ou Br; b) F ou I 4. Considere o 14Si e determine: a) localização e classificação; b) número de elétrons da camada de valência; c) elétron de maior energia. 4. LIGAÇÕES QUÍMICAS Na natureza, somente os gases nobres estão no estado atômico isolado, a partir disso, concluíram que suas configurações eletrônicas lhes asseguravam estabilidade. Teoria do Octeto: os átomos se ligam com a finalidade de adquirir uma configuração estável, ou seja, 2 ou 8 elétrons na última camada (configurações de gases nobres). Assim, átomos com menos de 4 elétrons na última camada (metais: 1A, 2A e 3A) têm tendência de perder elétrons e átomos com mais de 4 elétrons na última camada (não-metais: 7A e parte dos subgrupos 6A e 5A) têm tendência de ganhar elétrons. Ligação Iônica ou Eletrovalente Ligação entre íons por forças eletrostáticas fortes em que um metal doa elétrons para um não- metal, formando cátion (íon positivo) e ânion (íon negativo), respectivamente. Os compostos iônicos (aqueles que apresentam ligação iônica) são eletricamente neutros. Exemplo: ligação entre sódio e cloro. O sódio possui 1 elétron na última camada (M = 1). Se o átomo de sódio perde o elétron de seu nível mais externo, ele atinge uma configuração eletrônica estável e adquire uma carga positiva + 1, sendo denominado cátion sódio, Na+. A carga positiva surge porque o núcleo contém 11 prótons, cada qual com uma carga positiva, mas restam apenas 10 elétrons. (+) 11 prótons (-) 10 elétrons = carga (+1) O cloro possui 7 elétrons na última camada (M = 7). Se o átomo de cloro recebe 1 elétron, ele atinge uma configuração eletrônica estável e adquire uma carga negativa - 1, sendo denominado ânion cloreto, Cl-. A carga negativa surge porque o núcleo contém 17 prótons e a eletrosfera um total de 18 elétrons. (+) 17 prótons (-) 18 elétrons = carga (-1) 11Na: 2 - 8 - 1 K - L - M Na Na+ + e- átomo cátion de sódio sódio 17Cl: 2 - 8 - 7 K - L - M Cl + e- Cl- átomo ânion de cloro cloreto 27 28 Fórmula de Lewis: representa os elementos pelos elétrons da última camada (elétrons da camada de valência). Fórmula mínima: mostra a menor proporção, em números inteiros, de cátions e ânions. Importante: o símbolo do cátion é sempre escrito antes do símbolo do ânion. Importante: o número de átomos do metal pode ser diferente do não-metal, pois o total das cargas dos cátions deve ser igual a dos ânions. Exemplo: ligação entre alumínio e oxigênio. O alumínio pertence ao grupo 3A (perde os 3 elétrons) e o oxigênio pertence ao 6A (ganha 2 elétrons). Al Al3+ + 3e- átomo cátion O + 2e- O2- átomo ânion Al2O3 é o composto iônico formado por Al e O, onde o índice indica o número de átomos do elemento no composto. Características dos Compostos iônicos: em condições ambientes, são sólidos, cristalinos, duros, com elevados pontos de fusão e ebulição. No estado sólido, não conduzem eletricidade, mas quando fundidos ou em solução aquosa, são bons condutores, pois os íons ficam livres para se moverem. Ligação Covalente Normal Há um compartilhamento de elétrons entre os átomos que possuem tendência de ganhar elétrons. Cada ligação covalente normal é constituída por um par de elétrons, sendo um elétron de cadaátomo. Fórmula estrutural: representa as ligações covalentes através de um traço. Fórmula molecular: indica o número de átomos de um elemento em um composto através de um índice (o índice deve vir escrito à direita e abaixo do símbolo). Exemplo: as ligações da água 1H: 1 o H precisa ganhar 1 elétron K 8O: 2 - 6 o O precisa ganhar 2 elétrons K - L Ligação Covalente Coordenada ou Dativa Há um compartilhamento de elétrons entre os átomos que possuem tendência de ganhar elétrons. Cada ligação covalente dativa é constituída por um par de elétrons, ambos de um único átomo. Ocorre entre um átomo que já atingiu a estabilidade eletrônica e outro ou outros que necessitem de dois elétrons para completar sua camada de valência. Exemplo: as ligações do dióxido de enxofre. 16S: 2 - 8 - 6 o S precisa ganhar K - L – M 2 elétrons 8O: 2 - 6 o O precisa ganhar K - L 2 elétrons Fórmula mínima: Al2O3 Nome: óxido de alumínio Fórmula mínima: NaCl Nome: cloreto de sódio 29 Características dos Compostos covalentes ou moleculares: podem ser sólidos, gasosos ou líquidos; de uma forma geral, encontramos baixos pontos de fusão e ebulição, baixa condução de corrente elétrica (exceto grafite) quando puras. No entanto, quando em solução aquosa, se houver formação de íons (ionização), passam a conduzir corrente elétrica. É importante diferenciar uma substância covalente de uma substância molecular. 1) Substância covalente – Sólido cristalino formado somente por ligações covalentes. Formam macromoléculas. Exemplo: diamante C(n) e grafite C(n). 2) Substância molecular – São compostos que só apresentam ligações covalentes entre seus átomos. Exemplo: H2O, H2SO4 e NO2. Molécula: 2 ou mais átomos unidos por ligação covalente. Num composto iônico não existem moléculas, mas aglomerados iônicos. A regra do octeto não é absoluta. Vários compostos estáveis não apresentam oito elétrons em torno de um átomo da molécula. Ex.: Alotropia é a propriedade pela qual um mesmo elemento químico pode formar duas ou mais substâncias simples diferentes, que são denominadas variedades alotrópicas do elemento. Ex.: - gás oxigênio (O2) e ozônio (O3); - carbono (C): diamante, grafita e fulerenos; - enxofre (S): rômbico e monoclínico, moléculas com a fórmula S8; - fósforo (P): tem diversos alótropos, sendo os mais comuns o branco e vermelho. Ligação Metálica A ligação metálica ocorre entre átomos de um mesmo metal ou entre átomos de metais diferentes (ligas). Segundo a chamada Teoria da Nuvem Eletrônica, alguns átomos “perdem” elétrons de suas últimas camadas tornando-se cátions. Esses elétrons transitam livremente entre os átomos e cátions, criando uma forte força de atração, unindo-os. Ligas metálicas são uniões de 2 ou mais metais, podendo ainda incluir semi-metais ou não-metais. Exemplos de ligas metálicas são: o aço comum (ferro + carbono), aço inoxidável (ferro + carbono + cromo + níquel), bronze (cobre + estanho), ouro 18 quilates: mistura formada por 75% de ouro e 25% de cobre, etc. Características dos metais: possuem brilho metálico, PF e PE elevados, são bons condutores de calor e eletricidade, sólidos (com exceção do mercúrio que é líquido), maleáveis (lâminas) e dúcteis (fios). 5. GEOMETRIA MOLECULAR As moléculas são formadas por átomos unidos por ligações covalentes e a disposição espacial dos núcleos destes átomos irá determinar as diferentes formas geométricas para as moléculas. 30 Assim, toda molécula formada por dois átomos (diatômicas) será sempre linear, pois seus núcleos estarão obrigatoriamente alinhados. Uma das maneiras mais simples e mais usada atualmente para prever a geometria de moléculas que apresentam mais de dois átomos consiste na utilização da teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência. Essa teoria está baseada na ideia de que os pares eletrônicos ao redor de um átomo central, quer estejam ou não participando das ligações, comportam-se como nuvens eletrônicas que se repelem entre si, de forma a ficarem orientadas no espaço com a maior distância angular possível. 5.1 Polaridade das Ligações O acúmulo de cargas elétricas em determinada região é denominado polo, que pode ser de dois tipos: polo negativo (-) ou - e polo positivo (+) ou +. Ligação iônica: toda ligação iônica é polar. Ligações covalentes apolares: ocorre entre átomos de mesma eletronegatividade, ou seja, não há formação de polos. Ex.: H2, Cl2, O2, etc. Ligações covalentes polares: ocorre entre átomos de eletronegatividades diferentes, ou seja, há formação de polos. Quanto maior for a diferença de eletronegatividade, maior será a polarização da ligação. A polaridade de uma ligação é caracterizada por uma grandeza denominada momento dipolar (µ), ou dipolo elétrico, que normalmente e representada por um vetor orientado no sentido do elemento menos eletronegativo para o elemento mais eletronegativo. Assim, o vetor é orientado do polo positivo para o polo negativo. Exemplos: Polaridade de Moléculas As moléculas podem ser classificadas quanto à sua polaridade em dois grupos: polares ou apolares. 31 Experimentalmente, uma molécula é considerada polar quando se orienta na presença de um campo elétrico externo, e apolar quando não se orienta. O polo negativo da molécula é atraído pela placa positiva do campo elétrico externo e vice-versa. Teoricamente, pode-se determinar a polaridade de uma molécula pelo vetor momento dipolar resultante ( ), isto é, pela soma dos vetores de cada ligação polar da molécula. Para determinar o vetor momento dipolar resultante devem-se considerar dois fatores: a) a escala de eletronegatividade, que permite determinar a orientação dos vetores de cada ligação polar; b) a geometria da molécula, que permite determinar a disposição espacial desses vetores. Ex.: 5.2 Forças Intermoleculares Quanto menos intensas forem as forças intermoleculares, mais volátil será a substância e menor será a sua temperatura de ebulição. Forças dipolo-dipolo Quando uma molécula é polar, como, por exemplo, HCl, ela apresenta uma extremidade mais eletropositiva e outra mais eletronegativa, ou seja, um dipolo elétrico permanente. A “parte positiva” de uma molécula passa a atrair a “parte negativa” da molécula vizinha, e assim sucessivamente. Essas forças de coesão recebem o nome de forças (ou ligações) dipolo-dipolo. 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. Ex.: pontes de hidrogênio existentes entre as moléculas de H2O. 32 Forças dipolo induzido-dipolo induzido Pode acontecer, num dado instante, de uma molécula apolar estar com mais elétrons de um lado que do outro e originar polos positivo e negativo; essa molécula estará, então, momentaneamente polarizada e, por indução elétrica, irá provocar a polarização de uma molécula vizinha (dipolo induzido), resultando uma atração fraca entre ambas chamada de forças de Van der Waals ou forças de dispersão de London. Ex.: H2, O2, F2, Cl2, CO2, CH4, C2H6. Ordem crescente de intensidade de interação: dipolo induzido-dipolo induzido < dipolo-dipolo < pontes de H. Ponto de ebulição (PE) Quanto mais intensas as atrações intermoleculares, maior o PE da substância. Quanto maior o tamanho de uma molécula, maior será sua superfície de contato, o que propicia um maior número de interações com outras moléculas vizinhas, aumentando o PE. Solubilidade Substâncias polarestendem a se dissolver em solventes polares. Substâncias apolares tendem a se dissolver em solventes apolares. Os derivados do petróleo, como o querosene, a gasolina, o óleo diesel e o óleo lubrificante, são formados por moléculas constituídas somente de carbono e hidrogênio, denominadas hidrocarbonetos. Todos eles são apolares, miscíveis entre si e imiscíveis com a água. Exercícios 1. Sabendo-se que no HClO4 o H acha-se ligado ao O e que todos os átomos do O se ligam ao Cl, escreva a sua fórmula de Lewis e fórmula estrutural plana. 2. Considere os compostos: CCl4, CS2 e N2; dê a fórmula estrutural plana, indique a geometria e a polaridade de cada um. 3. Dadas as substâncias abaixo, qual o tipo de força intermolecular em cada uma e a ordem crescente de temperatura de ebulição? a) H2O b) C3H8 c) HI Outros exemplos: pontes de hidrogênio em HF e NH3 quando encontrados nos estados sólido e líquido. 6. FUNÇÕES INORGÂNICAS ÁCIDOS Segundo Arrhenius: ácidos são compostos moleculares que em água sofrem ionização*1 produzindo como íon positivo apenas cátion hidrogênio H+ (H3O +). * 1 Ionização: quebra das moléculas de compostos moleculares com a formação de íons em água. Exemplos: HCl H+ + Cl- H2SO4 2H + + SO4 2- ac. clorídrico cloreto ac. sulfúrico sulfato HNO2 H + + NO2 – ac. nitroso nitrito Classificação dos ácidos 1) Número de hidrogênios ionizáveis • Monoácidos: na ionização, a molécula produz apenas 1 H + (HCl, HNO3 etc.). • Diácidos: na ionização, a molécula produz 2 H + (H2SO4, H2CO3 etc.). • Triácidos: na ionização, a molécula produz 3 H + (H3PO4, H3BO3 etc.). • Tetrácidos: na ionização, a molécula produz 4 H + (H4P2O7, H4SiO4 etc.). Os ácidos com 2 ou mais hidrogênios ionizáveis são denominados poliácidos. 2) Presença ou não de oxigênio Hidrácidos: não contém oxigênio. Exemplos: HCl, HBr, H2S, etc. Oxiácidos: contém oxigênio. Exemplos: HNO3, H2SO4, H3PO4, etc. Nomenclatura dos Ácidos Hidrácidos - O nome dos hidrácidos é feito com a terminação ídrico: Ácido ....................................... ídrico (nome do elemento) Nos hidrácidos é muito comum usar-se: um nome para indicar a substância pura e outro para indicar sua solução aquosa. Por exemplo, HCl puro é um gás chamado de gás clorídrico, cloreto de hidrogênio ou cloridreto; sua solução aquosa é que, na verdade, recebe o nome de ácido clorídrico. Oxiácidos – A forma mais simples de dar nome a esses ácidos é a partir do nome e da fórmula dos ácidos-padrão de cada família. A partir dessas fórmulas e de acordo 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. HCl = Ácido Clorídrico HI = Ácido Iodídrico H2S = Ácido Sulfídrico 33 Prefixos orto, meta e piro - Alguns ácidos de um mesmo elemento têm os prefixos de seus nomes atribuídos em função de seu grau de hidratação Ex.: oxiácidos do fósforo H3PO4, HPO3 e H4P2O7. O H3PO4, chama-se ortofosfórico, pois é o mais hidratado dos três (o prefixo orto é optativo); o HPO3 chama-se ácido metafosfórico (retirada de uma molécula de água de uma molécula do ácido H3PO4) e o H4P2O7 chama-se ácido pirofosfórico (retirada de uma molécula de água de duas moléculas do ácido H3PO4). Ionização dos Ácidos A ionização é a formação de íons a partir de moléculas de um ácido que reage com a água. Em função do número de íons H+ ou H3O + liberados por molécula ionizada, os ácidos podem ser classificados em: monoácidos, diácidos, triácidos e tetrácidos. Para ácidos com mais de 1 hidrogênio ionizável, a ionização ocorre em etapas. Ex.1: HF + H2O H3O + + F- (1 etapa apenas) Ex.2: H2SO4 + H2O H3O + + HSO4 - (1ª etapa) HSO4 - + H2O H3O + + SO4 2- (2ª etapa) ---------------------------------------------------------------------------------------------- H2SO4 + 2H2O 2H3O + + SO4 2- (equação global) Grau de ionização de um ácido (α) é a relação entre o número de moléculas ionizadas e o número total de moléculas dissolvidas e que pode ser calculado pela expressão: Ex.: de cada 100 moléculas de HCl dissolvidas, 92 moléculas sofrem ionização. Para comparar os graus de ionização (α), devemos medir a condutibilidade das soluções aquosas dos ácidos. H3PO4 - H2O ----------- HPO3 2 x H3PO4 = H6P2O8 H6P2O8 - H2O ----------- H4P2O7 34 Fortes Semifortes ou moderados Fracos α ≥ 50% 5% < α < 50% α ≤ 5% Força dos hidrácidos mais conhecidos: Fortes Semifortes ou moderados Fracos HCl, HBr, HI HF H2S, HCN A força dos oxiácidos pode ser determinada pela diferença (x) entre o número de átomos de oxigênio e o número de átomos de hidrogênio ionizáveis: x = O – H. Fortes Semifortes ou moderados Fracos Valor de x 3 ou 2 1 0 Exemplos HBrO4 , H2SO4 H3PO4 , HNO2 HClO, H4SiO4 Observação: o ácido carbônico (H2CO3), por ser um ácido instável, decompõe-se mais facilmente do que se ioniza, apresentando um pequeno grau de ionização. Assim, é considerado um ácido fraco, não seguindo a regra. H2CO3 H2O + CO2 Volatilidade Volatilidade: indica a facilidade com que uma substância passa do estado líquido para o gasoso. Quanto maior for a pressão de vapor de um líquido, mais volátil ele será e menor será seu ponto de ebulição. • Voláteis: a grande maioria dos ácidos: HF, HCl, HCN, H2S, HNO3, etc. O ácido acético, presente no vinagre, é um ácido volátil e fraco comum no nosso cotidiano. Ao se abrir um frasco com vinagre, logo percebe-se seu cheiro característico. • Fixos: os dois ácidos pouco voláteis mais comuns são o H2SO4 e o H3PO4. Fórmula geral HxA onde A é o ânion e x é o número de átomos de hidrogênio. BASES Segundo Arrhenius: bases ou hidróxidos são compostos iônicos que em água sofrem dissociação*2 produzindo, como íon negativo, apenas o ânion hidróxido, OH- (radical funcional das bases), também chamado de hidroxila ou oxidrila. As bases têm larga aplicação na fabricação de sabão, de papel, na refinação de óleo, na agricultura para corrigir a acidez do solo, etc. * 2 Dissociação: separação de íons de compostos iônicos em água. Ex.: NaOH Na+ + OH- Ca(OH)2 Ca 2+ + 2OH- Classificações das bases 1) De acordo com o número de hidroxilas (OH-) • Monobases: possuem apenas uma hidroxila (OH-). Ex.: NaOH, NH4OH, etc. • Dibases: possuem duas OH-. Ex.: Ca(OH)2, Fe(OH)2, etc. • Tribases: possuem três OH-. Exemplos: Al(OH)3, Fe(OH)3, etc. • Tetrabases: possuem quatro OH-. Exemplos: Sn(OH)4, Pb(OH)4, etc. 35 2) De acordo com o grau de dissociação • Bases fortes: são aquelas cujo grau de dissociação é praticamente 100%. É o caso dos hidróxidos dos metais alcalinos, como NaOH, KOH etc., e dos metais alcalino-terrosos, como Ca(OH)2, Ba(OH)2 etc., que já são iônicos por natureza. O Mg(OH)2 é uma exceção à regra, pois constitui uma base fraca. • Bases fracas: possuem grau de dissociação, em geral, inferior a 5%. É o caso do hidróxido de amônio (NH4OH) e dos hidróxidos dos metais em geral (excluídos os metais alcalinos e alcalino-terrosos). 3) De acordo com a solubilidade em água • Solúveis: hidróxidos dos metais alcalinos como NaOH, KOH etc., e NH4OH. • Pouco solúveis: hidróxidos dos metais alcalino-terrosos, como Ca(OH)2, Ba(OH)2, etc. • Praticamente insolúveis: todos os demais. Nomenclatura das Bases O nome das bases é formado pela palavra hidróxido seguida do nome do cátion. Quando um mesmo elemento forma cátions com cargas diferentes, sua carga é indicada no final do nome por meio de algarismos romanos. Outra maneira é acrescentar o sufixo -oso ao íon de carga menor e -ico ao íon de carga maior. Quando o elemento forma apenas uma Base Hidróxido de ........................................ (nome do elemento) NaOH = Hidróxido de sódio Ca(OH)2 = Hidróxido de cálcio Quando o elemento forma duasBases Hidróxido .......................................... ico (carga maior) (nome do elemento) Hidróxido .......................................... oso (carga menor) (nome do elemento) Em lugar das terminações ico e oso, podemos usar, também, algarismos romanos indicando o número de oxidação do elemento. Ex.: De um modo geral, as bases são formadas por um metal, que constitui o cátion, ligado ao ânion OH-. A única base não-metálica importante é o hidróxido de amônio, NH4OH. Fórmula Geral: B(OH)y onde B é um cátion (metal ou NH4 +) e y é o número de hidroxilas. SAIS São compostos iônicos formados a partir da reação de ácido com uma base de Arrhenius. Numa reação ácido – base ocorre a formação de moléculas de água além do sal (Reação de Neutralização ou Salificação). Os sais são substâncias que em água sofrem dissociação produzindo pelo menos um cátion diferente de H+ e pelo menos um ânion diferente de OH-. NaCl + H2O Na + + Cl- Fe(OH)3 = Hidróxido de ferro III Fe(OH)2 = Hidróxido de ferro II Sn(OH)4 = Hidróxido de estanho IV Sn(OH)2 = Hidróxido de estanho II Fe(OH)3 = Hidróxido férrico Fe(OH)2 = Hidróxido ferroso Sn(OH)4 = Hidróxido estânico Sn(OH)2 = Hidróxido estanoso ou 36 Nomenclatura dos Sais Na nomenclatura dos sais usa-se o nome do ânion (do ácido) seguido do nome do cátion (da base). Quando necessário, sua valência é indicada por meio dos algarismos romanos ou dos sufixos -oso e -ico. Observe as reações de neutralização abaixo: Ácido / Ânion ICO / ATO IDRICO / ETO OSO / ITO ........................................................................................... (nome do ânion do ácido) de (nome do cátion da base) 1) HCl + NaOH NaCl + H2O ác. clorídrico hidróxido de sódio cloreto de sódio água 2) H2SO4 + Fe(OH)2 FeSO4 + H2O ác. sulfúrico hidróxido de ferro II sulfato de ferro II água 3) HNO2 + Fe(OH)3 Fe(NO2)3 + H2O ác. nitroso hidróxido de ferro III nitrito de ferro III água 4) H2CO3 + NaOH NaHCO3 + H2O ác. carbônico hidróxido de sódio hidrogeno-carbonato de sódio ou bicarbonato de sódio ou carbonato ácido de sódio 5) H3PO4 + NaOH NaH2PO4 + H2O ác. fosfórico hidróxido de sódio dihidrogeno-fosfato de sódio água ou fosfato diácido de sódio Classificações dos Sais • Sal neutro: é um sal cujo ânion não possui hidrogênio ionizável (H+) e também não apresenta o ânion OH–. Ex.: NaCl, BaSO4. • Hidrogeno-sal ou sal ácido: é um sal que apresenta hidrogênio ionizável na sua estrutura. Ex.: - NaHCO3: carbonato monossódico ou carbonato (mono) ácido de sódio ou (mono) hidrogeno- carbonato de sódio ou, simplesmente, bicarbonato de sódio, usado na fabricação de fermento; - Na2HPO4: ortofosfato dissódico ou ortofosfato (mono) ácido de sódio ou (mono) hidrogeno- ortofosfato de sódio. Esses sais são provenientes da neutralização parcial de seus ácidos de origem. • Hidróxi-sal ou sal básico: é um sal que apresenta hidroxila na sua estrutura. Ex.: Al(OH)2Cl: cloreto dibásico de alumínio ou dihidróxi-cloreto de alumínio. Esses sais são provenientes da neutralização parcial de suas bases de origem. Ex.: Al(OH)3 + HCl Al(OH)2Cl + H2O • Sal duplo ou misto: é um sal derivado de dois ácidos (ou duas bases) diferentes. Ex.: - KNaSO4: sulfato duplo de sódio e potássio; - CaClBr: cloreto-brometo de cálcio. • Sal hidratado ou hidrato: apresenta, no retículo cristalino, moléculas de água em proporção definida. A água presente em sais desse tipo é chamada de água de cristalização ou água de hidratação. Ex.: - CuSO4 · 5H2O – sulfato cúprico penta-hidratado; - CaCl2 · 2H2O – cloreto de cálcio di-hidratado. 37 Solubilidade dos Sais A tabela a seguir dá a solubilidade em água das principais ―famílias‖ de sais normais, onde é possível observar os casos de grande solubilidade. Fórmula Geral dos Sais Normais ÓXIDOS São compostos binários onde o oxigênio é o elemento mais eletronegativo entre eles. Apenas os compostos oxigenados do flúor (como por exemplo, OF2 e O2F2) não são considerados óxidos; mas sim fluoretos de oxigênio, pois, o flúor é mais eletronegativo que o oxigênio. Nomenclatura 1) Os óxidos formados por ametais ligados a oxigênio são óxidos moleculares e têm seu nome baseado no uso dos prefixos mono, di, tri, tetra, pent para indicar tanto o número de átomos de oxigênio como o número de átomos de outro elemento, presentes em uma fórmula do óxido. Obs.: o prefixo mono antes do nome do elemento pode ser omitido. prefixo + óxido de prefixo + elemento 2) Os óxidos formados por metais geralmente são óxidos iônicos e neles o oxigênio apresenta carga –2. Seu nome é formado da seguinte maneira: óxido de ................................... (nome do elemento) Quando necessário, sua valência é indicada por meio dos algarismos romanos ou dos sufixos -oso e -ico. Ex.: CaO: óxido de cálcio FeO : óxido ferroso ou óxido de ferro (II) Al2O3: óxido de alumínio Fe2O3: óxido férrico ou óxido de ferro (III) Ex.: CO: monóxido de (mono) carbono CO2: dióxido de (mono) carbono SO3: trióxido de (mono) enxofre Cl2O: monóxido de dicloro N2O3: trióxido de dinitrogênio Um sal normal é formado por um cátion B, da base, e um ânion A, do ácido. 38 Fórmula Geral dos Óxidos: E2OZ Classificação dos Óxidos Os óxidos são classificados em função do seu comportamento na presença de água, bases e ácidos. 1) Óxidos básicos são óxidos que reagem com a água, produzindo uma base ou reagem com um ácido, produzindo sal e água. Os óxidos básicos são formados por metais com cargas +1, +2 ou +3 e oxigênio com carga -2. São compostos sólidos, iônicos e apresentam pontos de fusão e de ebulição elevados. Ex.: • óxido básico + água = base Na2O + H2O → 2NaOH • óxido básico + ácido = sal + água CaO + H2SO4 → CaSO4 + H2O 2) Óxidos ácidos ou anidridos são óxidos que reagem com a água, produzindo um ácido, ou reagem com uma base, produzindo sal e água. Os óxidos ácidos ou são formados por ametais (nesse caso, são compostos geralmente gasosos) ou por metais com cargas elevadas, como, por exemplo, CrO3, MnO3, Mn2O7, etc. Os óxidos ácidos são compostos moleculares e, em geral, solúveis em água. Ex.: • óxido ácido + água = ácido SO3 + H2O → H2SO4 • óxido ácido + base = sal + água SO2 + 2KOH → K2SO3 + H2O Os óxidos ácidos também são chamados de anidridos de ácidos porque podem ser obtidos pela eliminação total da água dos ácidos. H2CO3 – H2O → CO2 3) Óxidos neutros são óxidos que não reagem com água, nem com ácidos, nem com bases, porém, não significa que esses óxidos não possam participar de outras reações. Assim, os óxidos neutros não apresentam nem caráter ácido nem caráter básico. São compostos gasosos, moleculares, formados por ametais. Ex.: CO — monóxido de carbono N2O — óxido nitroso NO — óxido nítrico 4) Óxidos anfóteros comportam-se como óxidos básicos na presença de um ácido, e como óxidos ácidos na presença de uma base. Ex.: ZnO, Al2O3, etc. ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O ZnO + 2KOH → K2ZnO2 + H2O 39 5) Óxidos duplos ou mistos são óxidos que se comportam como se fossem formados por dois outros óxidos, do mesmo elemento químico. Quando se reage um óxido duplo com um ácido, o produto formado é composto de dois sais de mesmo cátion com cargas diferentes e água. Ex.: Fe3O4, Pb3O4, Mn3O4. Fe3O4 + 8HCl → 2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O 6) Peróxidos são óxidos que reagem com a água ou com ácidos diluídos produzindo H2O2 (água oxigenada). Apresentam o grupo peroxo (O-O ou O2 2-). Ex.: H2O2: peróxido de hidrogênio Na2O2: peróxido de sódio BaO2: peróxido de bário O peróxido de hidrogênio (água oxigenada) é um forte agente oxidante que sofre decomposição: 2H2O2 2H2O + O2 Osperóxidos reagem com a água, produzindo uma base e água oxigenada, e reagem com os ácidos, produzindo um sal e água oxigenada. K2O2 + H2O 2KOH + H2O2 40 41 7. EQUAÇÕES QUÍMICAS O tempo todo ocorrem reações químicas, tais como, formação de ferrugem, efervescência produzida por um antiácido em água, combustão de um palito de fósforo, etc. Essas reações podem ser representadas por equações químicas, as quais envolvem reagentes e produtos, que, por sua vez, são representados por fórmulas. Ex.: Nas equações químicas, tem-se: • fórmulas (H2, O2, H2O), que indicam quais são as substâncias participantes da reação química. No primeiro membro, aparecem os reagentes, isto é, as substâncias que entram em reação; no segundo membro, aparecem os produtos, isto é, as substâncias que são formadas pela reação. • coeficientes estequiométricos ou simplesmente coeficientes (2, 1, 2), que indicam a proporção de moléculas que participam da reação (não é costume escrever o coeficiente 1, que fica, então, subentendido); o objetivo dos coeficientes é igualar o número total de átomos de cada elemento no primeiro e no segundo membros da equação. As equações químicas podem fornecer outras informações, tais como: • gás (g), vapor (v), líquido (l), sólido (s) , cristal (c) • presença de moléculas ou íons em solução aquosa (aq) • desprendimento de gás ( ) • formação de precipitado ( ) • aquecimento ( ) • presença de luz ( ) • ocorrência de reações reversíveis ( ). É importante destacar que tais equações precisam estar devidamente balanceadas, ou seja, o número total de átomos dos reagentes deve ser igual ao número total de átomos dos produtos. 7.1 Balanceamento de Equações Químicas Acertar os coeficientes ou balancear uma equação química é igualar o número total de átomos de cada elemento, no 1º e no 2º membro da equação. O método de balanceamento de uma equação química mais simples é o chamado método por tentativas. Ex. 1: CH4 (g) + O2 (g ) → CO2(g )+ H2O(g ) Escrever a quantidade de átomos de cada elemento, segundo mostrado nos respectivos índices: Observe que essa equação não está balanceada, pois as quantidades de átomos de hidrogênio e de oxigênio não estão iguais. Uma dica é escolher elementos (ou radicais) que aparece apenas uma vez no 1° e no 2° membros da equação e que possuam índices maiores. O elemento O aparece 2 vezes no 2º membro (deixa-se ele de lado), enquanto C e H aparecem apenas uma vez no 1° e no 2° membros. Escolhe-se o H, pois tem índices maiores que o C. Multiplica-se o lado de menor índice do H (2° membro) por 2 para igualar ao 1° membro que tem 4. Reagentes: C = 1 H = 4 O = 2 Produtos: C = 1 H = 2 O = 3 42 Por fim, multiplica-se o lado de menor índice do O (1° membro) por 2 para igualar ao 2° membro que tem 4. CH4 (g) + 2 O2 (g ) → CO2(g )+ 2 H2O(g ) Ex. 2: Al(OH)3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O Pode-se escolher elementos Al, S ou o radical SO4 2- (menos H e O, que aparecem várias vezes). Escolhe-se o SO4 2- que apresenta índices maiores (1 e 3). Al(OH)3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O Em seguida, prossegue-se com o Al. 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O Finalmente, o coeficiente da água pode ser acertado pela contagem de H ou O. 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 6 H2O 7.2 Tipos De Reações Químicas As reações químicas são classificadas em quatro tipos: - síntese ou adição; - análise ou decomposição; - simples troca ou deslocamento; - dupla troca. Reação de síntese ou adição: quando duas ou mais substâncias reagem, produzindo uma única substância mais complexa. A + B → C Exemplo: quando o magnésio reage com o oxigênio do ar, produzindo óxido de magnésio. Essa reação se faz presente em flashes fotográficos descartáveis e foguetes sinalizadores. 2Mg(s) + 1 O2(g) → 2MgO(s) Reação de análise ou decomposição: quando uma substância se divide em duas ou mais substâncias de estruturas mais simples. A → B + C Algumas reações recebem nomes especiais: Eletrólise: as substâncias se decompõem pela passagem de corrente elétrica. Fotólise: decomposição da substância química pela luz. Pirólise: decomposição pela ação do calor e do fogo. Exemplo: Os airbags são dispositivos de segurança presentes em vários automóveis. Quando aciona-se esse dispositivo, a rápida decomposição do composto de sódio NaN3(s) origina N2(g) que faz inflar os airbags. 2 NaN3(s) → 3 N2(g) + 2 Na(s) Reação de simples troca ou deslocamento: quando uma substância simples reage com uma substância composta e “desloca” desta última uma nova substância simples. CH4 (g) + O2 (g ) → CO2(g )+ 2 H2O(g ) Reagentes: C = 1 H = 4 O = 2 Produtos: C = 1 H = 4 O = 4 43 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. Observe que o Zinco deslocou o Hidrogênio, daí o nome “reação de deslocamento”. Zn (s) + 2 HCl (aq) → ZnCl2(aq) + H2 (g) Reação de dupla troca: quando dois compostos reagem, trocando entre si dois elementos ou radicais e dando origem a dois novos compostos. AB + XY → AY + XB Exemplo: a reação entre o ácido sulfúrico com hidróxido de bário produz água e sulfato de bário. O produto sulfato de bário: BaSO4(s) é um sal branco insolúvel. H2SO4 (aq) + Ba(OH)2(aq) → 2 H2O(l) + BaSO4(s) 7.3 Condições Para A Ocorrência De Reações Químicas Reações de simples troca ou deslocamento: para que essas reações ocorram, é necessário que as substâncias simples sejam mais reativas do que o elemento da substância composta que será deslocado. A é mais reativo que X; X foi deslocado por A. Essa substância simples, genericamente chamada A, pode ser um metal ou um ametal. A + XY AY + X Reatividade dos metais Ao se introduzir uma lâmina de zinco numa solução aquosa de sulfato de cobre, verifica-se que a solução descolore e que surge um depósito avermelhado de cobre sobre a lâmina de zinco. Isso indica que o zinco é mais reativo que o cobre. Zn(s) + CuSO4(aq) ZnSO4(aq) + Cu(s) Fila de reatividade dos metais: indica quais são os metais que têm maior tendência para ceder elétrons. K > Na > Li > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au Reatividade dos ametais Ao se misturar uma solução aquosa de Cl2 (água de cloro) a outra solução aquosa de KI, verifica-se o aparecimento de uma coloração castanha devido à formação do I2. Como o cloro (Cl) deslocou o iodo (I), pode-se concluir que ele é mais reativo que o iodo. Cl2(aq) + 2 I–(aq) 2 Cl–(aq) + I2(aq) Fila de reatividade dos não-metais: indica quais são os não-metais que têm maior tendência para receber elétrons. F > O > Cl > Br > I > S > C Reações de dupla troca Para que essas reações ocorram, é necessário que pelo menos um dos produtos, quando comparado com os reagentes, apresente no mínimo uma das características a seguir: • seja mais fraco (menos ionizado ou dissociado); metais alcalinos e metais alcalino-terrosos > Outros metais > H > metais nobres Ou 44 • seja mais volátil (passa com maior facilidade para o estado gasoso ou produz um gás); • seja menos solúvel (ocorre a formação de um precipitado). Formação de um produto mais fraco HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l) ácido muito base muito substância ionizado dissociada pouco ionizada 6 NaOH(aq) + 1 Al2(SO4)3(aq) 2 Al(OH)3(s) + 3 Na2SO4(aq) base forte base fraca Essa reação é facilmente perceptível a olho nu, pois ocorre a formação de hidróxido de alumínio, uma base insolúvel e, portanto, fraca, que se apresenta na solução na forma de flóculos, sendo este fenômeno denominado floculação. Formação de um produto mais volátil Esse tipo de reação ocorre, por exemplo, quando se usa o bicarbonato
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