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APOSTILA DE QUÍMICA GERAL Curso Técnico em Química Professor Jorge A. N. Santos SETEC/MEC/2017, Pactuação Exclusiva MedioTec EaD 2017 Campus Inconfidentes 2017 1 SUMÁRIO AULA 1. CLASSIFICAÇÃO DA MATÉRIA.......................................................................................... 3 AULA 2. ALOTROPIA..................................................................................................................... 4 AULA 3. SEPARAÇÃO DE MISTURAS ENTRE SÓLIDOS.................................................................. 5 AULA 4. SEPARAÇÃO DE MISTURAS ENTRE SÓLIDOS E LÍQUIDOS.............................................. 5 AULA 5. DESTILAÇÃO SIMPLES..................................................................................................... 6 AULA 6. DESTILAÇÃO FRACIONADA............................................................................................. 7 AULA 7. MASSA E SUAS UNIDADES.............................................................................................. 8 AULA 8. VOLUME E SUAS UNIDADES........................................................................................... 8 AULA 9. PROPRIEDADES GERAIS DA MATÉRIA............................................................................. 9 AULA 10. PROPRIEDADES ESPECÍFICAS DA MATÉRIA................................................ .................. 9 AULA 11. CORPOS FLUTUANTES................................................................................................. 11 AULA 12. PONTOS DE FUSÃO E EBULIÇÃO................................................................................. 12 AULA 13. RELAÇÃO ENTRE ESTADO FÍSICO E TEMPERATURA.................................................... 12 AULA 14. MUDANÇA DE FASE PARA SUBSTÂNCIA PURA........................................................... 13 AULA 15. MUDANÇA DE FASE PARA MISTURA COMUM........................................................... 14 AULA 16. MISTURAS AZEOTRÓPICAS E EUTÉTICAS.................................................................... 15 AULA 17. TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS DA MATÉRIA.................................................................. 16 AULA 18. TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS DA MATÉRIA..............................................................18 AULA 19. LEI DE LAVOISIER.........................................................................................................19 AULA 20. LEI DE PROUST............................................................................................................20 AULA 21. MODELO ATÔMICO DE DALTON.................................................................................21 AULA 22. FÓRMULAS E SUBSTÂNCIAS........................................................................................22 AULA 23. EQUAÇÃO QUÍMICA....................................................................................................23 AULA 24. BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES QUÍMICAS.............................................................24 AULA 25. EXPLICAÇÃO PARA AS LEIS DE PROUS E LAVOISIER....................................................25 AULA 26. MODELO ATÔMICO DE THOMSON............................................................................26 AULA 27. EXPERIMENTO DE RUTHERFORD...............................................................................27 AULA 28. ESPECTROS ATÕMICOS..............................................................................................28 AULA 29. MODELO DE BOHR.....................................................................................................29 AULA 30. NÚMERO ATÔMICO E NÚMERO DE MASSA............................................................. 30 2 AULA 31. ELEMENTO QUÍMICO E ISÓTOPOS..........................................................................31 AULA 32. ISOBARIA E ISOTONIA.............................................................................................32 AULA 33. ÍONS........................................................................................................................33 AULA 34. MODELO DE SUBNÍVEIS DE ENERGIA..................................................................... 33 AULA 35. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA ÁTOMOS NEUTROS......................................... 34 AULA 36. DETERMINAÇÃO DOS ELÉTRONS DE VALÊNCIA.................................................... 34 AULA 37. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA CÁTIONS......................................................... 35 AULA 38. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA ÂNIONS.......................................................... 35 AULA 39. GEOMETRIA MOLECULAR.................................................................................... 36 AULA 40. POLARIDADE DAS LIGAÇÕES................................................................................ 37 AULA 41. VETOR MOMENTO DIPOLAR................................................................................ 37 AULA 42. INTERAÇÃO DIPOLO-DIPOLO................................................................................ 39 AULA 43. LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO.................................................................................... 39 AULA 44. FORÇAS DE VAN DER WAALS................................................................................40 AULA 45. INTERAÇÕES MOLECULARES E PONTOS DE EBULIÇÃO.........................................41 AULA 46. UNIDADE DE MASSA ATÔMICA............................................................................ 42 AULA 47. DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLECULAR........................................................... 43 AULA 48. QUANTIDADE DE MATÉRIA.................................................................................. 43 AULA 49. MASSA MOLAR.....................................................................................................44 AULA 50. RELAÇÃO ENTRE MOL E QUANTIDADE DE PARTÍCULAS...................................... 45 AULA 51. PORCENTAGEM EM MASSA DE UMA SUBSTÂNCIA............................................. 46 AULA 52. FÓRMULA MÍNIMA..............................................................................................46 AULA 53. FÓRMULA MOLECULAR.......................................................................................47 AULA 54. RELAÇÃO ENTRE MOLS...................................................................................... 48 AULA 55. RELAÇÃO ENTRE MOLÉCULAS.............................................................................48 AULA 56. RELAÇÃO ENTRE MASSAS...................................................................................49 AULA 57. RELAÇÃO ENTRE VOLUME DE GASES................................................................. 49 AULA 58. REAGENTE LIMITANTE....................................................................................... 50 AULA 59. RENDIMENTO DA REAÇÃO.................................................................................50 AULA 60. IMPUREZA DO REAGENTE..................................................................................51 3 AULA 1 CLASSIFICAÇÃO DA MATÉRIA Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa um lugar no espaço. A matéria pode ser dividida em substância pura (ou simplesmente substância) ou mistura. Uma substância pura pode simples, quando for formada por átomos de apenas um mesmo elemento químico, ou composta, quando for formada por átomos de elementos químicos diferentes. H2, I2, O3 são exemplos de substâncias simples, enquanto H2O, C6H12O6 e NaCl são exemplos de substâncias compostas. Dependendo do número de fases, as misturas podem ser classificadas como homogêneas ou heterogêneas. Fase é qualquer porção homogênea da matéria. Mistura homogênea apresenta uma única fase (água e álcool por exemplo) e mistura heterogênea sempre vai apresentar maisde uma fase (água e óleo por exemplo). Exercícios de fixação: 1) (UFAC) Com relação às substâncias O2, H2, H2O, Pb, CO2, O3, CaO, S8, podemos afirmar que: a) Todas as substâncias são simples. b) Somente O2, H2 e O3 são substâncias simples. c) Todas são substâncias compostas. d) Somente CO2, CaO, S8 são substâncias compostas. e) As substâncias O2, H2, Pb, O3 e S8 são simples. 4 2) (OSEC-SP) Em qual das sequências abaixo estão representados um elemento, uma substância simples e uma substância composta, respectivamente: a) H2, Cℓ2, O2 b) H2, Ne, H2O c) H2, HI, He d) H2O, O2, H2 e) Cℓ, N2, HI. AULA 2 ALOTROPIA Alotropia é o fenômeno pelo qual um elemento químico forma substâncias simples diferentes. O elemento oxigênio forma as substâncias simples O2 ( gás oxigênio) e O3 ( gás ozônio). Observe que o gás oxigênio possui 2 atómos na fórmula, enquanto que o gás ozônio possui 3 átomos. O elemento carbono forma as substâncias simples grafite e diamante. O enxofre aparece na forma as rômbica e monoclínica que possuem estruturas cristalinas diferentes. Exercício de fixação: (Uncisal-AL) 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. Os elementos que apresentam variedade alotrópica devido à atomicidade são, apenas: a) grafite, diamante e fulereno; oxigênio e ozônio; fósforo vermelho e fósforo branco b) oxigênio e ozônio; fósforo vermelho e fósforo branco c) grafite, diamante e fulereno; enxofre rômbico e monoclínico d) fósforo vermelho e fósforo branco e) oxigênio e ozônio 5 AULA 3 SEPARAÇÃO DE MISTURAS ENTRE SÓLIDOS Para separar misturas heterogêneas entre sólidos são utilizadas diversas técnicas: 1) Catação: método simples para misturas de sólidos. Ex: "catar feijão" é um exemplo. 2) Peneiração: peneirar a areia para preparar um reboco é um exemplo clássico desse processo. 3) Separaração magnética: separar a limalha de ferro da areia através de um imã é um exemplo dessa técnica. 4) Ventilação: um exemplo dessa técnica é a separação de cascas em beneficiamento de cereais 5) Levigação: processo para separar componentes sólidos que possuem diferentes densidades. No garimpo essa técnica é muito utilizada para separar o cascalho do ouro na batéia. Exercício de fixação: Na colheita de café para separar as folhas secas dos grãos de café é utilizada a técnica: a) peneiração b) levigação c) ventilação d) catação e) separação magnética AULA 4 SEPARAÇÃO DE MISTURAS ENTRE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Diversas técnicas são utilizadas para separar misturas heterogêneas entre sólidos e líquidos: 1) Filtração simples: técnica muito utilizada em laboratórios, mas também é muito utilizada no nosso cotidiano na preparação do café por exemplo. 2) Filtração à vácuo: processo para acelerar a filtração. Os equipamentos necessários para realização da filtração à vácuo podem ser visualizados na figura abaixo: 6 3) Decantação: separação entre sólidos e líquidos por ação da gravidade. Processo muito utilizado em tratamento da água. 4) Centrifugação: processo para acelerar a decantação por ação de um equipamento chamado centrífuga. A separação entre o soro e a gordura do leite é um exemplo da utilização desse processo. Exercício de fixação: Para separar o plasma do sangue (fase líquida) das plaquetas (fase sólida) pode ser utilizada a técnica: a) catação b) filtração c) filtração à vácuo d) sedimentação e) centrifugação. AULA 5 DESTILAÇÃO SIMPLES Técnica utilizada para fracionar misturas homogêneas entre sólidos e líquidos. É necessário que exista diferença de pontos de ebulição (P.E.) entre os componentes a serem separados. A mistura é aquecida em um balão de destilação e formam-se vapores do componente de menor ponto de ebulição. Os vapores aquecidos passam para o estado líquido ao encontrarem a superfície fria do condensador que está acoplado ao balão. Sendo assim, o sólido fica retido no fundo do balão e o líquido destilado pode ser recolhido em um frasco de vidro qualquer (figura abaixo): Exercício de fixação: Na destilação simples, o componente da mistura homogênea que entra em ebulição dentro do balão de destilação é o: 7 a) de maior T.E. b) sólido c) gás d) líquido e) nenhum das alternativas anteriores AULA 6 DESTILAÇÃO FRACIONADA Técnica utilizada para separar componentes de uma mistura homogênea (líquido e líquido). Geralmente, os líquidos separados por essa técnica possuem pontos de ebulição muito próximos e não podem ser separados por destilação simples. Para facilitar a separação dos componentes da mistura uma coluna de fracionamento é acoplada entre o balão de destilação e o condensador. Colunas de fracionamento contém em seu interior bolinhas de vidro ou cerâmica que dificultam a passagem dos vapores formados. Somente o vapor do líquido mais volátil (menor T.E.) consegue vencer a barreira imposta pela coluna de fracionamento e se tornar líquido na superfície fria do condensador (figura abaixo): Exercício de fixação: UFMS) Quando chega às refinarias, o petróleo passa por processo que resulta na separação de seus diversos hidrocarbonetos, como gasolina, querosene e óleo diesel. Assinale a alternativa que apresenta o nome do processo utilizado nas refinarias. a) Flotação b) Filtração c) Destilação fracionada d) Extração por solvente e) Extração com água 8 AULA 7 MASSA E SUAS UNIDADES Massa de um determinado corpo é uma grandeza associada à inércia (capacidade de colocar um objeto em movimento) desse corpo. A unidade mais utilizada para se medir a massa da matéria é o quilograma (Kg), mas outras unidades também são utilizadas: Exercícios de fixação: 1) Qual é a massa, em gramas, de uma pedra de 6,9 Kg ? 2) Um carro possui massa de 3,5 t. Qual é a sua massa em Kg ? 3) Qual é a massa, em Kg, de uma barata de 3,6 g? AULA 8 VOLUME E SUAS UNIDADES Volume é uma grandeza associada ao espaço tridimensional que um determinado corpo ocupa. A unidade de volume mais utilizada é o litro (L), mas outras unidades são muito utilizadas: Exercícios de fixação: 1 1 tonelada = 1 t = 1000 Kg 1 1 grama = 1 g = 0,001 Kg 1 1 decímetro cúbico = 1 dm3 = 1 L ; 1 mililitro = 1 ml; 1 centímetro cúbico = 1 cm3 1 1 ml = 1 cm3 ; 1000 ml = 1 L ; 1000 cm3 = 1 L ; 1 metro cúbico = 1 m3 = 1000 L 9 1) Uma garrada de refrigerante contém 3, 5 L. A quantos ml corresponde esse volume? 2) Uma piscina possui 25 m3 de água. Esse volume corresponde a quantos L ? AULA 9 PROPRIEDADES GERAIS DA MATÉRIA Propriedades gerais da matéria são aquelas observadas em qualquer corpo e que não podem ser utilizadas para se identificar uma determinada substância específica. Exemplos: - Massa: inerente de qualquer material; - Extensão: propriedade de ocupar um lugar no espaço; - Impenetrabilidade: dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço; - Divisibilidade: a matéria pode ser dividida em partes menores; - Compressibilidade: um material pode diminuir o volume sob ação de forças externas; - Elasticidade: os corpos podem se deformar sob ação de forças externas; Exercícios de Fixação: 1) (UFMG) Uma amostra de uma substância pura X teve algumas de suas propriedades determinadas. Todas as alternativas apresentam propriedades que são úteis para identificar essa substância, exceto: a) densidade. b) massa da amostra. c) solubilidade em água. d) temperatura de ebulição. e) temperatura de fusão. 2) (Fuvest-SP) Quais propriedades a seguir são as mais indicadas para verificar se é purauma certa amostra sólida de uma substância conhecida? a) Cor e densidade b) Cor e dureza c) Ponto de fusão e densidade d) Cor e ponto de fusão e) Densidade e dureza. AULA 10 PROPRIEDADES ESPECÍFICAS DA MATÉRIA Propriedades específicas são aquelas que são particulares de uma determinada substância e que podem ser utilizadas para diferenciá-las. São exemplos de propriedades específicas da matéria densidade, pontos de fusão e ebulição,coeficiente de solubilidade, calor específico, etc. 10 Densidade absoluta (d) ou massa específica é a razão entre a massa (m) do corpo e o volume (V) dessa substância: d = m / V Usualmente, medimos a densidade em g/ml ou g/cm3, como mostram os exemplos da tabela abaixo: Substância Densidade (g/cm3) Água (4o C) 1,00 Ferro 7,86 Chumbo 11,4 Ouro 19,3 Exercícios de fixação: 1) UFPI) Em uma cena de um filme, um indivíduo corre carregando uma maleta tipo 007 (volume de 20 dm 3 ) cheia de barras de um certo metal. Considerando que um adulto de peso médio (70 kg) pode deslocar com uma certa velocidade, no máximo, o equivalente ao seu próprio peso, indique qual o metal, contido na maleta, observando os dados da tabela a seguir. (Dado: 1 dm 3 = 1L = 1 000 cm 3 .) a) Alumínio b) Zinco c) Prata d) Chumbo e) Ouro 2) (FESP) O volume de álcool etílico que devemos misturar com 80cm 3 de água destilada para obtermos uma solução alcoólica de densidade 0,93 g/cm 3 é (despreze a contração de volume que acompanha a mistura de álcool com água): (Dados: d H2O = 1 g/cm 3 ; d C2H2OH = 0,79 g/cm 3 ) a) 4 cm 3 b) 40 cm 3 c) 60 cm 3 d) 70 cm 3 e) 65 cm 3 . 11 AULA 11 CORPOS FLUTUANTES Para saber se um corpo pode ou não flutuar em um determinado líquido é necessário analisar suas respectivas densidades. Na figura abaixo a madeira (d = 0,15 g/cm3) flutua na água ( d = 1g/cm3) porque possui densidade menor. Já um prego de ferro irá afundar na água pois a densidade do ferro (d= 7,8 g/cm3) é maior que a da água. Exercício de fixação: (Fuvest-SP) Em uma indústria, um operário misturou, inadvertidamente, polietileno (PE), policloreto de vinila (PVC) e poliestireno (PS), limpos e moídos. Para recuperar cada um destes polímeros, utilizou o seguinte método de separação: jogou a mistura em um tanque contendo água (densidade = 1,00 g/cm3), separando, então, a fração que flutuou (fração A) daquela que foi ao fundo (fração B). Depois, recolheu a fração B, secou-a e jogou-a em outro tanque contendo solução salina (densidade = 1,10g/cm3), separando o material que flutuou (fração C) daquele que afundou (fração D). (Dados: densidade na temperatura de trabalho em g/cm3: polietileno = 0,91 a 0,98; poliestireno = 1,04 a 1,06; policloreto de vinila = 1,5 a 1,42) As frações A, C e D eram, respectivamente: a) PE, PS e PVC b) PS, PE e PVC c) PVC, PS e PE d) PS, PVC e PE e) PE, PVC e PS 12 AULA 12 PONTOS DE FUSÃO E EBULIÇÃO Pontos de fusão (PF) e de ebulição (PE) são as temperaturas, sob pressão constante, em que uma substância passa do estado sólido para o estado líquido e do estado líquido para o estado gasoso, respectivamente. Exemplos de PF e PE são apresentados na tabela abaixo: Substância Ponto de fusão ( oC) Ponto de ebulição ( oC) Ferro 1535 3000 Ouro 1063 2600 Etanol -112 78,4 Oxigênio -218,4 -183 Água 0 100 Tungstênio 3410 5930 Ácido nítrico -42 86 Exercícios de fixação: 1) Possui temperatura de fusão e de ebulição menor do que a água: a) ferro b) ouro c) tungstênio d) etanol e ) alumínio 2) Faça uma pesquisa sobre o ponto de fusão do alumínio e sobre o seu processo de reciclagem. AULA 13 RELAÇÃO ENTRE ESTADO FÍSICO E TEMPERATURA Pontos de fusão e de ebulição são importantes para prever o estado físico da matéria numa determinada temperatura. Por exemplo, a uma temperatura de 90oC o etanol (PE = 78 oC ) se encontra no estado gasoso, enquanto que a água (PE= 100oC) se encontra no estado líquido. Exercício de fixação: (Unifor-CE) Considere a tabela de pontos de fusão e de ebulição das substâncias a seguir, a 1 atm de pressão. 13 A 50ºC, encontram-se no estado líquido: a) cloro e flúor b) cloro e iodo c) mercúrio e iodo d) flúor e bromo e) bromo e mercúrio AULA 14 MUDANÇA DE FASE PARA SUBSTÂNCIA PURA Uma substância pura pode ser diferenciada de uma mistura comum através da construção de gráficos de mudança de fase denominados curvas de aquecimento (gráficos de temperatura versus tempo de aquecimento). Para substâncias puras, sob pressão constante, as temperaturas de fusão e ebulição permanecem constantes até que toda massa da amostra mude fase (Gráfico 1). Exercício de fixação: (UCDB-MS) Uma substância sólida é aquecida continuamente. O gráfico a seguir mostra a variação da temperatura (ordenada) com o tempo (abscissa): 14 O ponto de fusão, o ponto de ebulição e o tempo durante o qual a substância permanece no estado líquido são, respectivamente: a) 150, 65 e 5 b) 65, 150 e 25 c) 150, 65 e 25 d) 65, 150 e 5 e) 65, 150 e 10. AULA 15 MUDANÇA DE FASE PARA MISTURA COMUM No caso de mistura comum (água e sal por exemplo), as temperaturas de fusão e ebulição não permanecem constantes durante as mudanças de estado físico (Gráfico 2). Exercício de fixação: (UFPA) Dado o diagrama de aquecimento de um material: 15 a) o diagrama representa o resfriamento de uma substância pura. b) a temperatura no tempo zero representa o aquecimento de um líquido. c) 210°C é a temperatura de fusão do material. d) a transformação de X para Y é um fenômeno químico. e) 80°C é a temperatura de fusão do material AULA 16 MISTURAS AZEOTRÓPICAS E EUTÉTICAS Existem misturas especiais (eutética e azeotrópica) onde somente uma das temperaturas permanece constante durante as mudanças de estado físico. Na mistura eutética somente a temperatura de fusão permanece constante durante a passagem do estado sólido para o estado líquido. A solda (mistura de chumbo e estanho) é um exemplo de mistura eutética (gráfico 1) e possui temperatura de fusão constante de 183 oC. Já para a mistura azeotrópica (gráfico 2), somente a temperatura de ebulição permanece constante durante a passagem do estado líquido para o estado gasoso. O álcool hidratado ( mistura de 96% de álcool etílico e 4% de água) é um exemplo de mistura azeotrópica e ferve a uma temperatura constante de 78 oC. 16 (Unesp) No campo da metalurgia, é crescente o interesse nos processos de recuperação de metais, pois é considerável a economia de energia entre os processos de produção e de reciclagem, além da redução significativa do lixo metálico. E esse é o caso de uma microempresa de reciclagem, na qual se desejava desenvolver um método para separar os metais de uma sucata, composta de aproximadamente 63% de estanho e 37% de chumbo, por meio aquecimento. Entretanto, não se obteve êxito nesse procedimento de separação. Para investigar o problema, foram comparadas as curvas de aquecimento para cada um dos metais isoladamente com aquela da mistura, todas obtidas sob as mesmas condições de trabalho. A partir das informações das figuras,é correto afirmar que a sucata é constituída por uma: 17 a) mistura eutética, pois funde em temperatura constante. b) mistura azeotrópica, pois funde em temperatura constante. c) substância pura, pois funde em temperatura constante. d) suspensão coloidal que se decompõe pelo aquecimento. e) substância com impurezas e com temperatura de ebulição constante AULA 17 TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS DA MATÉRIA A matéria pode sofre transformações (fenômenos) físicas e químicas. Transformações físicas não alteram a composição da matéria. Após o acontecimento do fenômeno físico é possível recuperar o material no seu estado original. Exemplos de transformações físicas: - gelo derretendo - amassar uma latinha Exercício de fixação: É exemplo de transformação física: a) decomposição dos alimentos b) acender uma lâmpada c) crescimento de uma árvore d) queima de um combustível e) fabricação de iogurte 18 AULA 18 TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS DA MATÉRIA Transformações químicas alteram a composição da matéria, não sendo possível a sua recuperação. Exemplos: - cozimento de um ovo - queimar uma folha de papel Exercícios de fixação: 1) (UFPE) Em quais das passagens a seguir está ocorrendo transformação química? 1) “ O reflexo da luz nas águas onduladas pelos ventos lembrava-lhe os cabelos de seu amado”. 2) “ A chama da vela confundia-se com o brilho nos seus olhos”. 3) “Desolado, observava o gelo derretendo em seu copo e ironicamente comparava-o ao seu coração.” 4) “Com o passar dos tempos começou a sentir-se como a velha tesoura enferrujando no fundo da gaveta.” Estão corretas apenas: a) 1 e 2 b) 2 e 3 c) 3 e 4 d) 2 e 4 e) 1 e 3 2) (UNESP – SP) A elevação da temperatura de um sistema produz, geralmente, alterações que podem ser interpretadas como sendo devidas a processos físicos ou químicos. Medicamentos, em especial na forma de soluções, devem ser mantidos em recipientes fechados e protegidos do calor para que se evite: I. a evaporação de um ou mais de seus componentes; 19 II. a decomposição e consequente diminuição da quantidade de composto que constitui o princípio ativo; III. a formação de compostos indesejáveis ou potencialmente prejudiciais à saúde. Cada um desses processos – I, II, III – corresponde a um tipo de transformação classificada, respectivamente, como: a) física, física e química b) física, química e química c) química, física e física d) química, física e química e) química, química e física AULA 19 LEI DE LAVOISIER Segundo Lavoisier, quando duas ou mais substâncias reagem entre si em um sistema fechado, a massa total das substâncias finais (produtos) é igual à massa total das substâncias iniciais (reagentes). Essa constatação foi verificada em 1774 e é conhecida como Lei da Conservação da Massa. A + B → C + D 10 g 10 g 5 g 15 g No exemplo acima a soma da massa dos reagentes A e B (20 g) é igual a soma da massa dos produtos C e D (20 g). Exercicio de fixação: Para a reação abaixo, calcule o valor de x : H2 + O2 → H2O x + 16 g → 24 g 20 AULA 20 LEI DE PROUST Em 1799, Joseph L. Proust conclui que quando diversas substâncias se combinam para formar um determinado composto, sempre o fazem numa relação fixa e constante. Essas constatações estabeleceram uma lei que hoje em dia é conhecida como Lei das Proporções Constantes. Hidrogênio + oxigênio → água 2 g 16 g 18 g 4 g 32 g 36 g Exercícios de fixação: 1) (Fuvest-SP) Quando 96g de ozônio se transformam completamente, a massa de oxigênio comum produzida é igual a : a) 32g. b) 48g. c) 64g. d) 80g. e) 96g. 2) Para a reação abaixo, quais os valores de X, Y e Z ? Enxofre + oxigênio → monóxido de enxofre 32 g 16 g X Y Z 96 3) (Fuvest-SP) Os pratos A e B de uma balança foram equilibrados com um pedaço de papel em cada prato e efetuou-se a combustão apenas do material contido no prato A. Esse procedimento foi repetido com palha de aço em lugar de papel. Após cada combustão, observou-se: 21 a) A e B no mesmo nível A e B no mesmo nível b) A abaixo de B A abaixo de B c) A acima de B A acima de B d) A acima de B A abaixo de B e) A abaixo de B A e B no mesmo nível AULA 21 MODELO ATÔMICO DE DALTON Entre 1803 e 1808, com base nas Leis Ponderais (Lavoisier e Proust), John Dalton propôs o seu modelo atômico : - Todas a matéria é formada por partículas extremamente pequenas denominadas átomos - Os átomos seriam esferas maciças e indivisíveis - Para cada elemento existe um tipo de átomo - Em uma reação química, os átomos se mantém intactos, apenas ocorrendo rearranjo entre eles. Dalton sugeriu a utilização de símbolos em forma de círculos para representação dos elementos químicos conhecidos na época, como mostra a figura abaixo publicada em seu livro publicado em 1808: 22 Exercício de fixação: O modelo atômico " bola de bilhar" é atribuído ao cientista: a) Lavoisier b) Proust c) Dalton d) Thomson e) Rutherford AULA 22 FÓRMULAS E SUBSTÂNCIAS Em 1812, o sueco Jakob Berzelius sugeriu a utilização de letras como símbolo dos elementos químicos como conhecemos atualmente. Exemplos: C - carbono Ca - cálcio Co - cobalto Fe - ferro H - hidrogênio Cl - cloro Al - alumínio Cu - cobre Ni - níquel Para representar as substâncias simples ou compostas são utilizadas fórmulas que contém os símbolos dos elementos químicos. A proporção em que os átomos de um determinado elemento químico aparece em uma fórmula é chamado de índice de atomicidade. Por exemplo, a fórmula CO2 representa a substância gás carbônico que possui dois átomos do elemento oxigênio (atomicidade 2) e um átomo do elemento carbono (atomicidade 1). Exercícios de fixação: 1) (ACAFE-SC) O aumento da população mundial, que ocorreu ao longo da história da humanidade, obrigou os agricultores a incrementarem a produção de alimentos. Para tanto, além de outros recursos, são adicionados milhões de toneladas de fertilizantes no solo, os quais apresentam na sua composição N, P e K. Assinale a alternativa que apresenta elementos que fazem parte da fórmula molecular dos principais fertilizantes. a) nitrogênio - fósforo – potássio b) nitrogênio - água – argônio c) nitrogênio - fósforo – mercúrio d) fósforo - potássio – mercúrio e) água - magnésio – ozônio 2) (Mack-SP) Qual o número de substâncias simples com atomicidade par entre as substâncias de fórmula O3, H2O2, P4, I2, C2H4, CO2 e He? 23 a) 0 b) 1 c) 2 d) 3 e) 4 AULA 23 EQUAÇÃO QUÍMICA As reações químicas podem ser representadas no papel pelas equações químicas. Em uma equação química, reagentes e produtos são separados por uma seta: Reagentes → Produtos Os reagentes ficam do lado esquerdo da seta e os produtos ficam do lado direito. Quando existirem mais de uma substância como reagente ou produto, as substâncias são separadas pelo sinal de soma (+): HCl + NaOH → NaCl + H2O Os estados físicos dos reagentes e produtos deve ser indicado em equação química. Quando uma substância estiver dissolvida em água é necessário utilizar a abreviação (aq). Para o estado sólido usa-se a abreviação (s), para o estado líquido a letra (l) e para o estado gasosousa-se (g). HCl (g) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l) Os números que indicam a proporção entre reagentes e produtos são denominados coeficientes estequiométricos : 2 H2 + 1 O2 → 2 H2O Os coeficientes esquiométricos para equação acima são 2 para o gás hidrogênio, 1 para o gás oxigênio e 2 para a água. Outros símbolos usados em equações químicas: ↓ precipitado ∆ aquecimento reação reversível Exercício de fixação: Para a reação abaixo, indique os reagentes e produtos : H2 + O2 → H2O 24 AULA 24 BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES QUÍMICAS Os átomos dos elementos químicos não podem ser criados ou destruídos em uma transformação química. Por isso, em uma reação química representada por uma equação química, a quantidade de átomos de cada elemento deve ser a mesma em ambos membros da equação (reagente e produtos). Para igualar o número de átomos em ambos os membros de uma equação deve ser feito o balanceamento correto dos coeficientes da equação. Uma maneira para se fazer o balanceamento correto de equação é através do método das tentativas que atribuiu valores arbitrários aos coeficientes estequiométricos. Exemplo: Atribuindo o valor de 2 para o coeficiente estequiométrico da água e 2 para o coeficiente estequiométrico do gás carbônico a equação fica corretamente balanceada: Exercício de fixação: (MACK-SP) A equação corretamente balanceada é: a) 2 Fe + O 2 → Fe 2 O 3 b) 2 Fe + 3O 2 → 2 Fe 2 O 3 c) 4 Fe + O 2 → Fe 2 O 3 d) Fe + 3 O 2 → Fe 2 O 3 25 e) 4 Fe + 3 O 2 → 2 Fe 2 O 3 2.(UFCE) A equação Al + H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4 ) 3 + H 2 mostra que: a) A reação não está balanceada. b) Há maior quantidade de átomos de alumínio nos produtos que nos reagentes. c) Os coeficientes que ajustam a equação são: 2,3,1 e 3. d) A massa dos reagentes não é igual a dos produtos. e) todas as alternativas anteriores estão corretas AULA 25 EXPLICAÇÃO PARA AS LEIS DE PROUS E LAVOISIER A Teoria de Dalton é baseada nas Leis Ponderais da química, ou seja, na da Lei da Conservação da Massa de Lavoisier e na Lei das Proporções Constantes de Proust. Quando ocorre uma reação química, os átomos iniciais dos reagentes apenas se recombinam de maneira diferente para formar os produtos. Os átomos não são modificados, por isso a massa dos reagentes é sempre igual à massa dos produtos. Observe no esquema abaixo que os átomos dos reagentes representados por bolinhas não sofrem nenhuma modificação quando se transformam em produtos: Exercícios de fixação: (UNICAMP) Sob condições adequadas, uma mistura de nitrogênio gasoso, N2(g), e de oxigênio gasoso, O2(g), reage para formar diferentes óxidos de nitrogênio. Se representarmos o elemento 26 nitrogênio e elemento oxigênio conforme a legenda a seguir, duas dessas reações químicas podem ser esquematizadas como: 1. Dê a fórmula química do composto formado na reação esquematizada em 1. 2. Escreva a equação química balanceada representada no esquema II. AULA 26 MODELO ATÔMICO DE THOMSON Realizando experimentos com tubo de raios catódicos e utilizando seus conhecimentos sobre eletromagnetismo, o cientista inglês Joseph J. Thomson, em 1897, concluiu que os raios catódicos eram constituídos de partículas negativas. Tubos de raios catódicos são ampolas de vidros contendo gases à baixa pressão ao qual estão acoplados dois eletrodos (cátodo positivo e ânodo negativo). Quando os eletrodos são submetidos à uma alta voltagem o cátodo emite luz esverdeada que em baixas pressões desaparece e forma uma fluorescência esverdeada na parede oposta ao cátodo. Thomson observou que os raios catódicos: - eram perpendiculares ao cátodo - possuíam massa - possuiam carga negativa 27 Fonte: http://www.kentchemistry.com/links/AtomicStructure/JJThomson.htm. Acesso 18/09/2017 Por sugestão de um cientista chamado G. J. Stoney as partículas dos catódicos foram denominadas elétrons. Eugene Goldstein, trabalhando com um tubo de raio catódico modificado descobriu uma partícula 1836 mais pesada que o elétron e dotado de carga positiva e com isso estava descoberto o próton. Exercício de fixação: Partícula elementar da matéria que foi descoberta no experimento de Thomson: a) elétron b) pósitron c) nêutron d) íon e) cátion AULA 27 EXPERIMENTO DE RUTHERFORD Em 1911, dois colaboradores de Ernest Rutherford, Ernest Marsden e Hans Geiser realizaram um experimento fundamental para desvendar a estrutura do átomo. Eles bombardearam uma fina lâmina de ouro com partículas α provenientes do elemento químico radioativo polônio. Contando as cintilações fluorescentes que surgiam pelo choque das partículas α em um anteparo revestido de sulfeto de zinco, concluíram: - a maioria das partículas α atravessavam a lâmina de ouro sem sofrer desvios; - poucas partículas α sofriam desvios; - poucas partículas α não atravessavam a lâmina; Fonte : http://odtahova-sluzba.info/marrdwn-rutherford-experiment.awp. Acesso em 18/09/2017 Rutherd concluiu que o átomo seria: - formado por um núcleo bem pequeno onde estaria concentrada toda massa do átomo; - ao redor do núcleo existiria uma eletrosfera formado por elétrons 28 - o átomo seria de 10.000 a 100.000 vezes maior que o seu próprio núcleo Exercício de fixação: Modelo atômico comparado ao sistema solar: a) Dalton b) Rutherford c) Thomson d) Lavoisier e) Proust AULA 28 ESPECTROS ATÔMICOS Se a luz de uma lâmpada comum passar por um prisma (geralmente feitos de vidro), ela será decomposta e irá gerar um espectro contínuo (a passagem de uma cor para outra é imperceptível) como mostra a figura abaixo. Já se a luz de uma lâmpada de gás quente contendo um determinado elemento químico passar por um prisma, o espectro formado será do tipo descontínuo (com as cores separadas em raias ou bandas). Fonte: http://tutorialdecienciasdl.blogspot.com.br/2015/06/los-espectros-atomicos-los-elementos.html. Acesso 25/09/2017 O espectro descontínuo é característico para cada elemento como mostram os exemplos abaixo: 29 Exercício de fixação: Possui espectro com número de bandas ou raias menor do que o espectro do átomo de Lítio: a) Na b) K c) Rb d) Cs e) Ne AULA 29 MODELO DE BOHR No modelo de Bohr a energia do elétron é quantizada, ou seja, possuir somente alguns valores determinados. No modelo atômico de Bohr existem vários postulados: - Na eletrosfera os elétrons circulam em órbitas circulares denominadas camadas ou níveis: - Cada nível possui uma energia fixa - Os elétrons podem passar de um nível para outro de energia maior quando recebem energia externa - Os elétrons liberam energia na forma de ondas eletromagnéticas quando retornam para níveis menos energéticos como mostra a figura abaixo: energia 30 Exercícios de fixação: 1) (UFJF-MG) Associe as afirmações a seus respectivos responsáveis: I- O átomo não é indivisível e a matéria possui propriedades elétricas (1897). II- O átomo é uma esfera maciça (1808). III- O átomo é formado por duas regiões denominadas núcleo e eletrosfera (1911). a) I - Dalton, II - Rutherford, III - Thomson. b) I - Thomson, II - Dalton, III - Rutherford. c) I - Dalton, II - Thomson, III - Rutherford. d) I - Rutherford, II - Thomson, III - Dalton. e) I - Thomson, II - Rutherford, III - Dalton. 2) (Cefet-PR) Um dos grandes mistérios que a natureza propiciava à espécie humana era a luz. Durante dezenas de milhares de anos a nossa espécie só pôde contar com este ente misterioso por meio de fogueiras, queima de óleo em lamparinas, gordura animal, algumas resinas vegetais etc. Somente a partirda revolução industrial é que se pôde contar com produtos como querosene, terebintina e outras substâncias. Mas, mesmo assim, a natureza da luz permanecia um grande mistério, ou seja, qual fenômeno físico ou químico gera luz. Somente a partir das primeiras décadas do século XX é que Niels Bohr propôs uma explicação razoável sobre a emissão luminosa. Com base no texto, qual alternativa expõe o postulado de Bohr que esclarece a emissão luminosa? a) Os elétrons movem-se em níveis bem definidos de energia, que são denominados níveis estacionários. b) Ao receber uma quantidade bem definida de energia, um elétron “salta” de um nível mais externo para um nível mais interno. c) Um elétron que ocupa um nível mais externo “pula” para um nível mais interno, liberando uma quantidade bem definida de energia. d) Quanto mais próximo do núcleo estiver um elétron, mais energia ele pode emitir na forma de luz; quanto mais distante do núcleo estiver um elétron, menos energia ele pode emitir. e) Ao se mover em um nível de energia definida, um elétron libera energia na forma de luz visível. 31 AULA 30 NÚMERO ATÔMICO E NÚMERO DE MASSA Número atômico (Z) é o número de prótons presentes no núcleo do átomo. Número de massa (A) é a soma do número de prótons e de nêutrons (N) presentes no núcleo de um átomo. Matematicamente temos: A = Z + N Para um elemento químico qualquer podemos fazer a seguinte representação: Exercícios de fixação: 1) O átomo de um elemento químico possui 83 prótons, 83 elétrons e 126 nêutrons. Qual é, respectivamente, o número atômico e o número de massa desse átomo? a) 83 e 209 b) 83 e 43 c) 83 e 83 d) 209 e 83 e) 43 e 83 2. Qual o número de massa (A) de um átomo de cálcio (Z = 20) com 20 nêutrons? AULA 31 ELEMENTO QUÍMICO E ISÓTOPOS Elemento químico é o conjunto de átomos que possuem o mesmo número de prótons no núcleo. Isótopos são dois ou mais átomos que possuem o mesmo número atômico. Por exemplo, existem três isótopos para elemento hélio: Todos os átomos de hélio possuem o mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons. E A Z 32 Exercício de fixação: (UFPA) Os isótopos do hidrogênio recebem os nomes de prótio (1H1), deutério (1H2) e trítio (1H3). Nesses átomos os números de nêutrons são, respectivamente, iguais a: a) 0, 1 e 2 b) 1, 1 e 1 c) 1, 1 e 2 d) 1, 2 e 3 e) 2, 3 e 4 AULA 32 ISOBARIA E ISOTONIA Conjunto de átomos com o mesmo número de massa (A) , mas diferentes números atômicos (Z) são considerados isóbaros entre si. Potássio e cálcio são isóbaros entre si, pois apresentam o mesmo número de massa e diferentes números atômicos. Isótonos são átomos que possuem o mesmo nêutrons, mas diferente Z e diferente A. Exercício de fixação: (UA-AM) Em relação à isotopia, isobaria e isotonia, podemos afirmar que: a) isótonos são entidades químicas que possuem o mesmo número de nêutrons. b) isóbaros são entidades químicas que possuem o mesmo número de prótons. c) isótopos são entidades químicas que possuem o mesmo número de massa. d) são relações que dizem respeito ao núcleo e à eletrosfera do átomo. e) são relações que dizem respeito apenas à eletrosfera do átomo. 33 AULA 33 ÍONS Um átomo com igual número de prótons e elétrons é considerado eletricamente neutro. Quando perde ou ganha elétrons, um átomo se transforma em um íon que podem ser positivo ou negativo. Quando um átomo perde elétrons se transforma num cátion (adquire carga positiva) e quando ganha elétrons se transforma num ânion (adquire carga negativa). O sódio 11 Na eletricamente neutro possui 11 prótons no núcleo e 11 elétrons na eletrosfera. Quando o 11Na perde um elétron ele se transforma num cátion que pode ser representado por 11 Na +. O átomo de 17 Cl eletricamente neutro possui 17 prótons e 17 elétrons. Quando ganha um elétron se transforma num ânion que pode ser representado por 17 Cl -. Exercício de fixação: Qual a carga elétrica de um átomo que possui 20 prótons no núcleo e 18 elétrons na eletrosfera? Nesse estado esse átomo é um cátion ou um ânion? AULA 34 MODELO DE SUBNÍVEIS DE ENERGIA Os níveis de energia ( K, L, M, N, O......) são divididos em subníveis (s, p, d, f) e os subníveis são divididos em orbitais. Um orbital é a região mais provável de se encontrar um életron ao redor do núcleo do átomo. Exercício de fixação: O número máximo de elétrons na camada M é : a) 2 b) 4 c) 6 d) 18 e) 14 34 AULA 35 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA ÁTOMOS NEUTROS Os elétrons são distribuídos em ordem crescente de energia através do diagrama de Linus Pauling seguindo o sentido das setas vermelhas na diagonal: Por exemplo, a distribuição para o 11Na utilizando o diagrama de Linus Pauling é : 1s2 2s2 2p6 3s1 Exercício de fixação: A distribuição eletrônica do bário (Z=56) na ordem crescente de energia é: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 4d 10 5s 2 5p 6 6s 2 b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 12 d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 10 e) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 1 AULA 36 DETERMINAÇÃO DOS ELÉTRONS DE VALÊNCIA Os elétrons de valência são aqueles contidos na camada mais afastada do núcleo atômico. Através da distribuição eletrônica utilizando o diagrama de Linus Pauling é possível encontrá-los. Por exemplo, para o 11Na, a distribuição eletrônica é 1s2 2s2 2p6 3s1. Para essa distribuição o subnível mais afastado do núcleo do átomo é o 3s1 que contém apenas 35 1 elétron. Para o 33As a distribuição eletrônica é 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 3 . Os elétrons de valência são aqueles contidos nos subníveis 4s 2 e 4p 3 . Exercício de fixação: Determine os elétrons de valência para a distribuição eletrônica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 AULA 37 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA CÁTIONS Para fazer a distribuição de um cátion, primeiramente fazemos a distribuição para o átomo eletricamente neutro. Depois retiramos um ou mais elétrons da camada de valência (camada mais afastada do núcleo). Átomo de sódio neutro : 11 Na 1s2 2s2 2p6 3s1 Átomo de sódio na forma de cátion: 11 Na + 1s2 2s2 2p6 Exercício de fixação: Qual alternativa indica o número de camadas utilizadas na distribuição eletrônica do cátion bivalente do cádmio , sendo que o seu número atômico é igual a 48 ? a) 4 b) 5 c) 6 d) 9 e) 10 AULA 38 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA PARA ÂNIONS Para fazer a distribuição de um ânion, primeiramente fazemos a distribuição para o átomo eletricamente neutro. Depois adicionamos um ou mais elétrons da camada de valência (camada mais afastada do núcleo). Exemplo: Átomo de cloro neutro : 17 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Átomo de cloro na forma de ânion: 17 Cl - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 36 Exercício de fixação: (UFRGS-RS) O íon monoatômico A2- apresenta a configuração eletrônica 3s2 3p6 para o último nível. O número atômico do elemento A é: a) 8 b) 10 c) 14 d) 16 e) 18 AULA 39 GEOMETRIA MOLECULAR A geometria molecular mostra como os núcleos atômicos se posicionam no espaço uns em relação aos outros em uma molécula. Para descrever a geometria de uma molécula é necessário analisar os pares de elétrons ligados e pares de elétrons isolados porque existe repulsão entre eles. Essa teoria é conhecida como repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência (VSEPR). Todas as moléculas diatômicas(com apenas 2 átomos) possuem geometria linear. Principais tipos de geometrias moleculares: Exercícios de fixação: 1) Possui geometria angular: a) HCl b) O2 c) H2O d) HF e) HNO3 2) Faça uma pesquisa sobre os ângulos de ligação para moléculas lineares, angulares, piramidais e tetraédricas. 37 AULA 40 POLARIDADE DAS LIGAÇÕES Eletronegatividade é a capacidade que os átomos possuem em atrair elétrons para si. Os elementos mais eletronegativos são os não metais e os menos eletronegativos são os metais. Dependendo da eletronegatividade da ligação covalente, essa será polar ou apolar. Por exemplo, na molécula HCl , a ligação entre o H e Cl é covalente é polar (polarizada) porque o H possui eletronegatividade de 2,1, enquanto que o Cl possui eletronegatividade de 3,0. Isso gera uma carga parcial positiva no H e uma carga parcial negativa no cloro representada pelo símbolo δ. Na molécula H2 não existe diferença de eletronegatividade entre os átomos e a ligação covalente é apolar. Exercício de fixação: A ligação mais polarizada (maior diferença de eletronegatividade) entre os átomos é : a) H Cl b) O e Cl c) H e Cl d) F e Cl e) F e H AULA 41 O vetor momento dipolar µ indica a polarização de uma ligação covalente. Essa grandeza é extremamente importante para indicar a polarização da molécula: µ VETOR MOMENTO DIPOLAR 38 Exemplos: Dependendo da geometria molecular a molécula pode ser polar ou apolar. No exemplo acima a ligação entre H e Cl é polar porque o único vetor momento dipolar não se anula, consequente a molécula HCl é polar. No CO2 existem dois vetores momento dipolares que possuem mesmo módulo (mesmo tamanho), mesma direção e sentidos contrários. Com isso os vetores se anulam e a molécula é apolar. Por que a gasolina não se mistura com a água? Ou por que se pode limpar uma mancha de graxa na roupa utilizando gasolina? Essas perguntas podem ser respondidas analisando-se a polaridade das moléculas. Geralmente substâncias polares se dissolvem em substâncias polares, enquanto que substâncias apolares se dissolvem em substâncias apolares. Exercícios de fixação: 1) (Udesc ) - O consumo cada vez maior de combustíveis fósseis tem levado a um aumento considerável da concentração de dióxido de carbono na atmosfera, o que acarreta diversos problemas, dentre eles o efeito estufa. Com relação à molécula de dióxido de carbono, é correto afirmar que: a) é apolar e apresenta ligações covalentes apolares. b) é polar e apresenta ligações covalentes polares. c) os dois átomos de oxigênio estão ligados entre si por meio de uma ligação covalente apolar. d) é apolar e apresenta ligações covalentes polares. e) apresenta quatro ligações covalentes apolares. 2) Faça uma pesquisa sobre a polaridade da molécula de água. 3) ( UFPE) O iodo elementar, em condições ambiente, é um sólido marrom, pouco solúvel em água, porém bastante solúvel em n-hexano. Isso se deve ao fato de que: a) a água dissolve somente compostos iônicos b) o n-hexano é apolar como iodo c) iodo é uma substância composta , assim como o n-hexano d) a água não dissolve compostos covalentes e) n-hexano é mais polar que a água. 4) Faça uma pesquisa sobre a polaridade do ácido dodecilbenzenosulfônico, princípio ativo do detergente comum. 39 AULA 42 INTERAÇÃO DIPOLO-DIPOLO As moléculas podem sofrer atrações intermoleculares que afetam seus estados físicos. Existem três tipos de atrações intermoleculares : interação dipolo- dipolo ou dipolo permanente-dipolo permanente, ligação de hidrogênio e interações dipolo instantâneo- dipolo induzido ou forças de van der Waals. Na interação dipolo - dipolo a extremidade positiva de um molécula polar pode atrair a extremidade negativa de outra molécula polar como mostra o esquema abaixo para o HCl: Essas interações favorecem a união das moléculas de HCl em qualquer estado físico. Exercício de fixação: Molécula que interage com outra igual por forças do tipo dipolo-dipolo: a) H2 b) O2 c) HI d) NaCl e) CO2 AULA 43 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO Na interação do tipo ligação de hidrogênio, átomos de hidrogênio polarizados com carga positiva em uma molécula interagem com pares de elétrons livres de átomos de moléculas vizinhas. Esse tipo de interação vai ocorrer quando átomos de hidrogênio estiverem ligados em átomos altamente eletronegativos como F, N ou O. A ligação de hidrogênio é uma interação mais forte que a interação do tipo dipolo-dipolo. 40 Exercício de fixação: (Ceeteps-SP) Para os compostos HF e HCl, as forças de atração entre as moléculas ocorrem por: a) ligações de hidrogênio para ambos. b) dipolo-dipolo para ambos. c) ligações de Van der Walls para o HF e ligações de hidrogênios para HCl. d) ligações de hidrogênio para o HF e dipolo-dipolo para o HCl. e) ligação eletrostática para HF e dipolo induzido para HCl. AULA 44 FORÇAS DE van der WAALS Se uma molécula apolar passar perto de outra molécula pode ocorrer atração ou repulsão das nuvens eletrônicas de seus átomos gerando pequenos dipolos (positivo e negativo) instantâneos nas moléculas. A extremidade positiva desse dipolo atrai os elétrons de uma molécula vizinha induzindo nela a formação de um dipolo. Assim, uma rápida atração entre o dipolo instantâneo de uma molécula com o dipolo induzido de outra molécula acontece. Esse tipo de interação ocorre na verdade com qualquer molécula, seja ela polar ou polar. São interações mais fracas que as interações dipolo- dipolo e ligações de hidrogênio. Exercício de fixação: (PUC-PR) O dióxido de carbono, presente na atmosfera e nos extintores de incêndio, apresenta ligação entre os seus átomos do tipo....... e suas moléculas estão unidas por ....... . Os espaços acima são corretamente preenchidos pela alternativa: 41 a) covalente apolar - forças de Van der Waals b) covalente apolar - atração dipolo induzido-dipolo induzido c) covalente polar - ligações de hidrogênio d) covalente polar - forças de Van der Waals e) covalente polar - atração dipolo-dipolo AULA 45 INTERAÇÕES MOLECULARES E PONTOS DE EBULIÇÃO As forças intermoleculares influenciam diretamente no ponto de ebulição das substâncias moleculares. Sempre que uma substância passa do estado sólido ou líquido para o estado gasoso forças intermoleculares são rompidas. Por exemplo, quando moléculas de água passam do estado líquido para o estado gasoso ligações de hidrogênio são rompidas. Quando se compara o ponto de ebulição de substâncias de massas moleculares próximas, possuirá maior ponto de ebulição a que possuir forças intermoleculares mais fortes. Agora, quando comparamos substâncias que apresentam o mesmo tipo de interação intermolecular, a que possuir a maior massa molecular apresentará o maior ponto de ebulição. Exercício de fixação: (Unificado-RJ) Observe a tabela de pontos de ebulição: O ponto de ebulição da água é anômalo em relação aos demais compostos da família do oxigênio, porque: a) as moléculas da água são mais leves. b) existem ligações de hidrogênio entre as moléculas da água. c) existem Forças de Van der Waals entre as moléculas da água. d) somente a molécula da água é apolar. e) as demais substâncias decompõem-se termicamente 42 AULA 46 UNIDADE DE MASSA ATÔMICA Para medir a massa dos átomos foi escolhido como unidade de medida 1/12 da massa de um átomo de carbono 12, denominada de unidade massa atômica ( u). Para medir a massa dos outros outros átomos é só comparar com 1 u. Por exemplo, para um átomo cuja massa atômica é igual a 40 u, isso significa que que esse átomo possui massa 40 vezes maior que 1/12 (1 u) do átomo de carbono 12.Mas como medir a massa dos elementos que possuem isótopos? Devemos calcular a média aritmética ponderada da massa atômica dos átomos isótopos. O cloro possui dois isótopos: Exercício de fixação: (UFPE) O cobre consiste em dois isótopos com massa 62,96 u e 64,96 u e abundância isotópica de 70,5% e 29,5%, respectivamente. A massa atômica do cobre é: a) 63,96u b) 63,00u c) 63,80u d) 62,55u e) 63,55u 43 AULA 47 DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLECULAR Molécula é um conjunto de átomos ligados através de ligação covalente. Para conhecer a sua massa basta somar a massa atômica de todos os seus átomos constituintes. A massa molecular da água é igual a 18 u , pois um átomo de oxigênio tem massa igual a 16 u e dois átomos de hidrogênio possuem massa total de 2 u. Para descobrir a massa atômica dos elementos basta fazer uma pesquisa na tabela periódica. Nunca confunda massa atômica com número de massa. Exercício de fixação: Faça uma pesquisa na tabela periódica e calcule a massa molecular para o H2SO4. AULA 48 QUANTIDADE DE MATÉRIA Quantidade de matéria é uma das grandezas mais utilizada na química e tem como unidade no sistema internacional o mol. O mol é a quantidade de matéria que contém 6,02 x 1023 entidades elementares (átomos, íons ou moléculas). É possível substituir u por grama através da relação: 44 Para moléculas vale a mesma relação: 1 mol de matéria é conhecido como constante de Avogadro (NA). Exercício de fixação: Calcule a massa em gramas de 6,02 x 1023 moléculas de HNO3. AULA 49 MASSA MOLAR Massa molar (M) é a massa em gramas de 1 mol de uma determinada substância: - 1 mol de moléculas de H2O tem massa tem 18 g, então sua massa molar é igual a 18g/mol - 1 mol de átomos de O tem massa 16 g, então sua massa molar é igual a 16 g/mol - 1 mol de moléculas de CO2 tem massa 44 g, então sua massa molar é 44 g/mol Exercício de fixação: Calcule a massa molar para o NaCl. 45 AULA 50 RELAÇÃO ENTRE MOL E QUANTIDADE DE PARTÍCULAS Quando se conhece a massa molar de uma substância é possível calcular o número de átomos, moléculas ou íons (para compostos iônicos) de qualquer quantidade de matéria. Por exemplo, qual seria a quantidade de moléculas presentes em 360 g de glicose ? Esse cálculo pode ser feito em duas etapas: Primeiro se calcula a massa molar da glicose cuja fórmula é C6H12O6: Depois por uma simples calcula-se a quantidade de moléculas: Exercício de fixação: Calcule o número de moléculas contidas em 22 g de CO2? AULA 51 PORCENTAGEM EM MASSA DE UMA SUBSTÂNCIA A porcentagem em massa (fórmula percentual ou centesimal) indica a porcentagem de cada elemento em uma determinada substância. Supondo que em 50 g de uma determinada substância foi encontrada 10 g de H, 20 g de O e 20 g de C, qual seria a porcentagem de cada elemento nessa substância? 46 Logo a porcentagem em massa de cada elemento é: 20 % de H; 50% de C e 30 % de O Exercício de fixação: Em 80 g de uma determinada substância foi encontrada 20 g de H, 20 g de O e 40 g de C. Qual seria a porcentagem de cada elemento nessa substância? AULA 52 FÓRMULA MÍNIMA Fórmula mínima é a menor proporção, em números inteiros, dos elementos que constituem uma substância iônica ou molecular. Pode ser calculada a partir da fórmula percentual. Por exemplo, como calcular a fórmula mínima para uma substância que apresenta 80 % de C e 20 % de H. Exercício de fixação: Determine a fórmula mínima para um composto que apresenta 40% de C, 6,67% de H e 53,33% de O. 47 AULA 53 FÓRMULA MOLECULAR A fórmula molecular indica quantos átomos de cada elemento aparecem em uma molécula. Pode ser calcula a partir da fórmula mínima: Fórmula molecular = (fórmula mínima) . n Em que n é um número inteiro ≥ 1. Exemplo: A massa molecular da glicose é 180 u e sua fórmula mínima é CH2O. Qual a sua fórmula molecular ? Exercício de fixação: A massa molecular da glicose é 88 u e sua fórmula mínima é C2H4O. Qual a sua fórmula molecular ? AULA 54 RELAÇÃO ENTRE MOLS Em uma equação química corretamente balanceada, os coeficientes estequiométricos nos dão a proporção correta da quantidade em mols (quantidade em matéria) de reagentes e produtos: 2 H2 + 1 O2 → 2 H2O 2 mol 1 mol 2 mol 48 Na reação acima 2 mol de H2 reage com 1 mol de O2 e forma 2 mol de H2O como produto. Exercício de Fixação: Para a reação abaixo indique qual as quantidade de matéria de Fe e O2 necessárias para produzir 6 mol de Fe 2 O 3 : 4 Fe + 3 O 2 → 2 Fe 2 O 3 AULA 55 RELAÇÃO ENTRE MOLÉCULAS Através dos coeficientes estequiométricos da equação química é possível encontrar o número de moléculas de reagentes e produtos que participam da reação: ´ Para a reação acima os coeficientes estequiométricos nos dizem que 1 molécula de CH4 reage com 2 moléculas de O2, gerando 1 molécula de CO2 e duas moléculas de H2O. Para essa equação química também podemos pensar em termos de mols e depois associar esse raciocínio para número de moléculas. Assim, 6,02 x 1023 moléculas de CH4 reagem com 12,04 x 1023 moléculas de O2, gerando 6,02 x 1023 moléculas de CO2 e 12,04 x 1023 moléculas de H2O. Exercício de Fixação: Para o exemplo anterior, qual o número de moléculas de H2O produzidas quando 0,5 mol de CH4 reage com 1 mol de O2 ? AULA 56 RELAÇÃO ENTRE MASSAS A proporção entre massas de reagentes e produtos também pode ser calculada se uma equação química estiver corretamente balanceada. Para isso, transformamos as 49 quantidades em mols para massa utilizando os dados de massas molares de reagentes e produtos como mostra o exemplo abaixo: 2 H2 + 1 O2 → 2 H2O 2 mol 1 mol 2 mol 4 g 32 g 36 g Exercício de Fixação: Para a reação: CH4 + O2 → CO2 + H2O Qual a massa em gramas de H2O formada quando 2 mol de CH4 reagem com 4 mol de O2? AULA 57 RELAÇÃO ENTRE VOLUME DE GASES Segundo a equação de estado dos gases, sob temperatura e pressão constantes, o volume de um gás ideal é diretamente proporcional à quantidade em mols: V = k n Com isso, a proporção entre os coeficientes estequiométricos é a mesma proporção dos volumes de reagentes e produtos que participam da reação. A 25 oC e pressão de 1 atm, o volume ocupado por 1 mol de gás ideal é de 24,5 L (volume molar). 50 Exercício de Fixação: Para o exemplo anterior, qual o volume em litros de H2, a 25 oC e pressão de 1 atm, necessários para forma 18 g de H2O? AULA 58 REAGENTE LIMITANTE A quantidade de produto formado em uma reação química é determinada pela quantidade do reagente limitante (reagente que é consumido totalmente). Na equação de síntese da água , os coeficientes estequiométricos nos dizem que 2 mol de H2 reagem somente com 1 mol de O2. No esquema abaixo 1 mol de O2 está em excesso e não irá reagir com 2 mol de H2 disponíveis (reagente limitante). Exercício de fixação: Misturou-se em um frasco de 1 litro 2 mol de N2 e 3 mol de H2 para reagir segundo a equação: N2 + 3H2 → 2 NH3 Sobre essa reação responda: 1) qual o reagente limitante? 2) qual reagente está em excesso? AULA 59RENDIMENTO DA REAÇÃO 51 Em uma reação química, nem todos os reagentes são completamente transformados em produtos. Na prática, a grande maioria das reações apresentam rendimento menor do 100%. Rendimento de 100% é apenas teórico, que é calculado pela estequiometria da reação. A massa de produto que é efetivamente obtida é o rendimento real da reação. O esquema abaixo ilustra bem essa diferença entre rendimento teórico e rendimento real: No exemplo acima o rendimento teórico esperado era síntese de 34 de g de NH3, mas na prática foi obtido apenas 20,4 g, ou seja, um rendimento de 60%. Exercício de fixação: (CESGRANRIO) - A combustão de 36g de grafite (C) provocou a formação de 118,8g de gás carbônico. Qual foi o rendimento da reação? (C = 12u; O = 16u). a) 50% b) 60% c) 70% d) 80% e) 90% AULA 60 IMPUREZA DO REAGENTE As impurezas dos reagentes são os fatores que mais contribuem para os baixos rendimentos das reações químicas. Por isso é necessário levar em consideração o grau de pureza dos reagentes em cálculos estequiométricos. Por exemplo, considere uma amostra de 100 g de óxido de ferro III, Fe2O3, com 70 % de pureza. Isso significa que apenas 70 g são constituídos de Fe2O3 e 30 são impurezas. 52 Exercício de fixação: (UFRGS-RS) O gás hilariante, N2O(g), pode ser obtido pela decomposição térmica do nitrato de amônio, NH4NO3(s), conforme mostra a reação a seguir: NH4NO3(s) → N2O(g) + 2 H2O(ℓ) Se de 4,0 g do NH4NO3(s) obtivemos 2,0 g de gás hilariante, podemos prever que a pureza do sal é de ordem: a) 100% b) 90% c) 75% d) 50% e) 20%