Introdução à Química dos Materiais

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Química
Aula 1: Introdução à Química dos Materiais
Apresentação
Nesta aula, veri�caremos a importância da Química em nosso cotidiano. Tudo que cerca a existência humana, como o ar,
as árvores, os objetos de metal e suas mudanças, como a corrosão de um metal, a explosão controlada de um edifício
pelo uso de explosivos ou um alvejante à base de cloro que retira manchas de roupas, faz parte das áreas de estudo da
Química.
Por ser uma ciência experimental, a Química tem seu desenvolvimento diretamente ligado à aplicação de métodos
cientí�cos por meio de pesquisas.
Objetivo
Distinguir os conceitos de energia e matéria e suas formas;
Reconhecer as partículas fundamentais de um átomo, número e massa atômica;
Relacionar as diferentes propriedades e a classi�cação dos materiais de acordo com a tabela periódica moderna.
Energia e matéria
Uma pessoa, ao observar o conteúdo de um copo com água, vê um simples líquido incolor. Já um químico, ao ver o
mesmo copo, pode imaginar que, dentro do copo, há um composto químico: a água. Na verdade, o líquido é uma
mistura homogênea composta pela água e por diversas substâncias que se encontram dissolvidas na própria água.
Entretanto, caso a água não esteja tão limpa, ela poderia ser considerada uma mistura heterogênea, pois teria sólidos
em suspensão. Esses exemplos podem representar algumas formas de classi�cação da matéria.
Uma propriedade da matéria que pode ser facilmente observada é o seu estado físico:
1
Possui a forma rígida e volume �xo
2
Também possui líquido, porém sem a rigidez dos sólidos
3
Têm seu volume determinado pelo recipiente que os
contêm, apesar de ter �uidez.
A ebulição da água produzindo vapor é um exemplo de uma
transformação física. Ao mudar de líquido para vapor, a água não se
transforma em uma matéria diferente.
Exemplo
O cloreto de sódio quando se dissolve na água, parece desaparecer, mas se encontra dissolvido na água. Se a água for evaporada,
o sal será visualizado novamente.
Uma reação química envolve a conversão de um tipo de matéria em outro. Uma nova substância é formada. Após uma reação
química, não há nenhuma variação da massa total, inicialmente presente. Trata-se da Lei de conservação da massa.
Um exemplo de transformação química está relacionado com os processos de oxirredução de materiais ferrosos,
popularmente conhecido como ferrugem. Observe, a seguir, o processo de oxirredução do ferro causado pela umidade do ar.
Oxidação do ferro Fe  Fe + 2e
Redução do oxigênio O + 2H O + 4e  4 OH
Reação global
2 Fe + O + 2H O  2Fe(OH)
4 Fe(OH) + O + 2 H O  4Fe(OH)
(s)
+2
(aq)
2(g) 2 (l)
-
(aq)
(s) 2(g) 2 (l) 2 (aq)
2 (aq) 2 (g) 2 (l) 3 (aq)
A Lei da conservação da energia diz que a energia não pode ser criada nem
perdida, apenas transformada. Essa transformação tem relação com outras
formas de energia.
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Exemplo
• Energia térmica: É liberada quando um combustível queima. 
• Energia elétrica: Aciona equipamentos elétricos.
• Energia luminosa: É emitida por uma fonte luminosa, como o sol.
A energia potencial gravitacional é convertida em energia cinética quando se deixa cair o peso. A energia cinética é convertida
principalmente em energia térmica quando o peso atinge o solo.
 Fonte: Tro (2017).
O átomo
Todos os átomos são constituídos das mesmas partículas
subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons.
Uma unidade mais comum para expressar essas massas é
a unidade de massa atômica (u), de�nida como 1/12 da
massa de um átomo de carbono, que contém seis prótons e
seis nêutrons.
A massa de um próton ou nêutron é aproximadamente
1 u.
Os elétrons têm uma massa quase desprezível de
0,00091 × 10–27 kg ou 0,00055 u.
A matéria geralmente é neutra em carga (não tem nenhuma carga
global), porque prótons e elétrons normalmente estão presentes em
números iguais.
Quando o equilíbrio de carga normal da matéria é perturbado, como acontece durante uma tempestade de raios, ele
rapidamente se equaliza, com frequência, de forma dramática.
 Fonte: Tro (2017).
O número mais importante para a identidade de um átomo é o número de
prótons em seu núcleo. O número de prótons de�ne o elemento.
Exemplo
• Um átomo com 2 prótons em seu núcleo é um átomo de hélio;
• Um átomo com 6 prótons em seu núcleo é um átomo de carbono;
• Um átomo com 92 prótons em seu núcleo é um átomo de urânio.
O número de prótons no núcleo
de um átomo é seu número
atômico que é representado pelo
símbolo Z.
O número de massa, A,
corresponde à soma do número
de prótons e nêutrons no átomo.
A massa de um átomo está, portanto, concentrada no seu núcleo.
Todos os átomos de um elemento têm o mesmo número de prótons; contudo, eles não têm, necessariamente, o mesmo
número de nêutrons.
Exemplo
Todos os átomos de neônio contêm 10 prótons, mas eles podem conter 10, 11 ou 12 nêutrons. Todos os três tipos de átomos de
neônio existem, e cada um tem massa ligeiramente diferente.
Átomos com o mesmo número de prótons, mas diferentes números de
nêutrons, são chamados de isótopos.
Usando a mecânica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros conhecidos como números
quânticos.
O tamanho, a forma e a orientação espacial da densidade de probabilidade de um elétron são especi�cados por três desses
números quânticos. Além disso, os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas, e os números
quânticos de�nem o número de estados em cada subcamada.
As camadas são especi�cadas por um número quântico principal, n, que pode assumir valores inteiros a partir da unidade;
algumas vezes essas camadas são designadas pelas letras K, L, M, N, O, e assim por diante, que correspondem,
respectivamente, a n = 1, 2, 3, 4, 5, ….
 Fonte: Santos; Carvalho; Lima (2015).
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O número de orbitais eletrônicos para cada subcamada é determinado pelo terceiro número quântico (ou magnético), m; m
pode assumir valores inteiros entre –l e +l, incluindo 0.
Quando l = 0, m pode ter apenas um valor de 0, pois +0 e –0 são os mesmos. Isso corresponde a uma subcamada s, que pode
ter apenas um orbital.
Além disso, para l = 1, m pode assumir os valores de –1, 0, e +1, e são possíveis três orbitais p.
De maneira semelhante, pode-se mostrar que as subcamadas d têm cinco orbitais, e as subcamadas f têm sete.
Na ausência de um campo magnético externo, todos os orbitais dentro de cada subcamada são idênticos em termos de
energia. Contudo, quando se aplica um campo magnético, esses estados das subcamadas se dividem, e cada orbital assume
uma energia ligeiramente diferente.
Associado a cada elétron há um momento de spin (momento de rotação), que deve estar orientado para cima ou para baixo. O
quarto número quântico, s, está relacionado com esse momento de spin, para o qual existem dois valores possíveis:
• +1/2 (para o spin para cima);
• –1/2 (para o spin para baixo).
 Relações entre os números quânticos e os números de elétrons 
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Relações entre os números quânticos e os números de elétrons
A ordem de preenchimento dos níveis de energia é: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d e 7p.
São conhecidos elementos químicos com preenchimento dos orbitais até o 7p.
O preenchimento dos orbitais tem relação direta com os o posicionamento dos
elementos na tabela periódica.
• Os elementos do Grupo 1 e do Grupo 2 frequentemente são chamados de elementos do bloco s porque eles têm
elétrons no orbital s na camada mais externa dos seus átomos.
• Os elementos dos Grupos 13 a 18 são chamados de elementos do bloco p porque têm elétrons no orbital p na
camada mais externa dos seus átomos.
• Os elementos entre os Grupos 2 e 13 são conhecidos como os elementos do bloco d porque os elétrons d
geralmente desempenham um papel importante na determinação da sua Química.
Para que a Tabela Periódica caiba em uma única página, as séries dos lantanídeos (elementos57-70) e dos actinídeos
(elementos 89-102) geralmente são escritas embaixo, na tabela.
Con�guração por nível mais energético segundo diagrama de Pauling
 Fonte: Santos; Carvalho; Lima (2015).
 Fonte: Santos; Carvalho; Lima (2015).
Propriedades periódicas
O químico russo Dimitri Mendeleev fez uma contribuição
fundamental à Química quando apresentou sua tabela
periódica em 1869.
A disposição dos elementos naquela tabela periódica surgiu
da observação de que certos grupos de elementos exibiam
propriedades semelhantes.
 Dimitri Mendeleev. / Fonte: Wikipedia.
A tabela periódica atual, tem os átomos dos elementos listados em
ordem de número atômico crescente.
As colunas verticais numeradas são denominadas grupos (ou famílias) e elementos no mesmo grupo têm, com frequência,
propriedades semelhantes. Alguns grupos têm nomes especiais:
1. Metais alcalinos: elementos do Grupo 1 (Li, Na, K, Rb, Cs e Fr);
2. Metais alcalinos terrosos: elementos do Grupo 2 (Be, Mg, Ca, Sr, Ba e Ra) são chamados.
3. Calcogênios: elementos do Grupo 16 (O, S, Se, Te e Po);
4. Halogênios: elementos do Grupo 17 (F, Cl, Br, I e At)
5. Gases nobres: elementos do Grupo 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rn)
 Tabela periódica dos elementos. / Fonte: IUPAC
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Características dos elementos grupos:
Grupo 1
Têm um elétron na camada mais externa dos seus átomos; sua química é dominada pela tendência a perder esse elétron e eles
são bons agentes redutores. Portanto, a maioria dos compostos dos metais alcalinos é iônica, e os metais alcalinos têm um
estado de oxidação de +1 em seus compostos.
Grupo 2 (exceto o Be) 
É dominada por sua tendência em perder dois elétrons, e seus compostos geralmente são iônicos. Os metais tendem a ser
menos reativos do que os metais alcalinos correspondentes porque a remoção de dois elétrons requer mais energia. Os metais
alcalinos terrosos também têm maiores massas especí�cas e pontos de fusão mais altos do que os metais alcalinos. A
reatividade dos metais do Grupo 2 aumenta, à medida que se desce no grupo.
Grupo 14
Têm quatro elétrons na camada mais externa dos seus átomos. Os elementos formam compostos com fórmulas semelhantes,
mas apresentam marcantes variações nas propriedades, à medida que se desce no grupo, do carbono até o chumbo. O
elemento carbono existe principalmente em duas formas alotrópicas, diamante e gra�ta, e tem um ramo muito extenso da
Química, a Química Orgânica. O silício e o germânio são metaloides, enquanto o estanho e o chumbo são metais. O silício e o
germânio têm estruturas semelhantes a do diamante, o estanho existe em formas alotrópicas, mas o chumbo existe apenas
em uma forma metálica.
Grupo 17
Também conhecidos como halogênios, têm sete elétrons na camada mais externa dos seus átomos e ganham a con�guração
eletrônica estável de um gás nobre, pela aceitação de um elétron para formar um íon de carga negativa ou pelo
compartilhamento de um elétron para formar uma ligação covalente.
Grupo 18
Com exceção do hélio, possuem um octeto estável de elétrons nas camadas externas dos seus átomos.
À medida que se desce em qualquer grupo na tabela periódica, as tendências gerais são as seguintes:
Clique nos botões para ver as informações.
Na descida em um grupo, os átomos �cam maiores e os elétrons externos �cam mais distantes e mais blindados contra a
carga positiva do núcleo que os liga ao átomo. Portanto, as energias de ionização dos elétrons externos diminuem. Os
metais reagem perdendo elétrons para formar íons positivos. A facilidade dessa reação está relacionada à energia
necessária para remover os elétrons da camada externa. Dessa maneira, à medida que as energias de ionização dos
elementos diminuem, o caráter metálico torna-se mais pronunciado. Essa tendência pode ser difícil de ver nos Grupos 1
ou 2, porque os elementos são todos metálicos, mas a tendência é muito aparente no Grupo 14.
Os elementos �cam mais metálicos 
Na �gura a seguir são mostrados exemplos da variação dos átomos e de seus raios.
Tamanho dos átomos e seus íons em picnômetros
Os raios atômico e iônico aumentam 
A capacidade de um átomo de uma molécula atrair densidade eletrônica para ele mesmo está relacionada ao tamanho do
átomo. Quanto mais distantes os elétrons na ligação estão do núcleo, mais fracamente eles são atraídos para o átomo.
Portanto, no Grupo 17, o �úor é o elemento mais eletronegativo e o iodo é o menos eletronegativo.
Os elementos �cam menos eletronegativos 
Eletronegatividade dos elementos
 Fonte: Neil (2017).
Os gases nobres possuem uma camada de valência completa e não costumam atrair elétrons. Os lantanídeos e actinídeos
possuem uma química mais complexa, e geralmente não seguem todas as tendências. Portanto, gases nobres, lantanídeos e
actinídeos não têm valores de eletronegatividade.
Atividade
1) Muitos cientistas acreditam que toda matéria foi criada em uma explosão chamada Big Bang, que produziu muito calor e
energia. Sobre matéria é incorreto a�rmar:
a) Toda matéria é constituída de pequenas partículas chamadas átomos.
b) O meio onde há ausência de matéria é conhecido como vácuo.
c) A matéria é apenas uma coisa que você pode tocar.
d) Os seres vivos e inanimados são feitos de matéria.
e) A Química envolve o estudo da matéria e do que ela é feita.
2) Considere os átomos a seguir:
I. Um átomo com 17 prótons e 18 nêutrons.
II. Um átomo com um número atômico 16 e uma massa atômica 32. 
III. Um átomo com um número atômico16 e 18 nêutrons. 
IV. Um átomo com 16 prótons e 18 nêutrons. 
V. Um átomo com 17 prótons e 20 nêutrons. 
VI. Um átomo com um número atômico 16 e uma massa atômica 33. 
VII. Um átomo com 15 prótons e 16 nêutrons.
Indique, entre as alternativas a seguir aquela que indica o(s) par(es) isotópico(s).
a) II e VI.
b) II e VII.
c) II e III; II e IV.
d) I e III; I e IV; II e VII.
e) I e V; II e III; II e IV; II e VI; III e VI; IV e VI.
3) No começo do século XIX, um número representativo de elementos químicos foi descoberto e observou-se que os eles
apresentavam semelhanças em suas propriedades. Com a evolução da Química, ocorreu a necessidade de organizar os
elementos utilizando esse quesito. Com isso, surge a elaboração da tabela periódica. Considerando a tabela periódica atual e
as propriedades periódicas e aperiódicas, assinale a alternativa correta.
a) A Lei periódica considera que as propriedades dos elementos químicos são funções periódicas de suas massas atômicas.
b) As propriedades físicas, como densidade e ponto de fusão, ilustram as propriedades aperiódicas, devido ao fato da complexa relação
dessas propriedades com a estrutura.
c) Os grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 e 18 são chamados de elementos representativos e os grupos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10 são considerados
elementos de transição interna.
d) Ao longo de um mesmo período ocorre decréscimo do raio atômico. Isso se justifica pelo fato de que os átomos vão aumentando sua
carga nuclear.
e) A energia de ionização é definida como a quantidade de energia envolvida no processo em que um átomo isolado gasoso, no estado
fundamental, recebe um elétron, formando um íon negativo.
4) Com relação à distribuição dos elementos químicos na tabela periódica, assinale a opção correta.
a) As propriedades químicas dos elementos são organizadas em tríades, de acordo com seu posicionamento na tabela periódica.
b) Na tabela periódica existem elementos químicos que apresentam mesmo número atômico.
c) Para a inclusão de novos elementos químicos na tabela periódica, devem ser criados novos períodos e grupos, pois a capacidade de
agrupamento da atual tabela periódica é limitada e não há mais disponibilidade de espaço em sua distribuição.
d) Há elementos isótopos na tabela periódica, porém eles são representados de forma diferenciada.
e) Na tabela periódica, a semelhança das propriedades químicas dos elementos é observada pelas redes de relações vertical, horizontal e
diagonal.
5) O elemento com número atômico 53está classi�cado na tabela periódica como:
a) Halogênio.
b) Metal alcalino terroso.
c) Calcogênio.
d) Gás nobre.
e) Elemento de transição.
Referências
CESAR, E. T. REIS, R. C. ALIANE, C. S. M. Tabela periódica interativa. Disponível em: //qnesc.sbq.org.br/online/qnesc37_3/05-
EQM-68-14.pdf <//qnesc.sbq.org.br/online/qnesc37_3/05-EQM-68-14.pdf> . Acesso em: 10 jan. 2019.
IUPAC. Periodic Table of Elements. Disponível em: https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/
<https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/> . Acesso em: 10 mar. 2019;
NEIL, D. J. Química: a natureza molecular da matéria, v. 1. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017;
NEIL, D. J. Química: a natureza molecular da matéria. v 2. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017.
SANTOS, C. M. C.; CARVALHO, M. N.; LIMA, N. S. Química geral. 1. ed. Rio de Janeiro: Lexikon, 2015.
TRO, N. J. Química, uma abordagem molecular. v. 1. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017.
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Leia o artigo Tabela periódica interativa <//qnesc.sbq.org.br/online/qnesc37_3/05-EQM-68-14.pdf> .
http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc37_3/05-EQM-68-14.pdf