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INFORMAÇÕES 27. 99703.5236 | 99932.9815 APOSTILA DE CONHECIMENTOS ESPECÍFICOS Referente ao edital do Concurso SEDU 2018 Curso Preparatório de Conhecimentos Pedagógicos MATRÍCULAS www.PROFDAVI.com.br FALE DIRETO COM A GENTE https://api.whatsapp.com/message/DLHO2GKTEH3QC1 Curso Completo 200,00 SEDU-ES 2021 CURSO PREPARATÓRIO CONCURSO DA https://www.profdavi.com.br/ https://api.whatsapp.com/message/DLHO2GKTEH3QC1 https://api.whatsapp.com/message/DLHO2GKTEH3QC1 APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 1 Atomística Histórico A preocupação com a constituição da matéria surgiu em meados do século V a. C., na Grécia, onde filósofos criavam várias teorias para tentar explicar o universo. Um deles, Empócledes, acreditava que toda a matéria era formada por quatro elementos: água, terra, fogo e ar, que eram representados pelos seguintes símbolos: Anos mais tarde, por volta de 350 a. C., o muito conhecido e famoso Aristóteles retomou a ideia de Empócledes e aos quatro elementos foram atribuídas as “qualidades” quente, frio, úmido e seco, conforme pode ser observado na figura abaixo: De acordo com esses filósofos tudo no meio em que vivemos seria formado pela combinação desses quatro elementos em diferentes proporções. Entretanto em de 400 a. C., os filósofos Leucipo e Demócrito elaboraram uma teoria filosófica (não científica) segundo a qual toda matéria era formada devido a junção de pequenas partículas indivisíveis denominadas átomos (que em grego significa indivisível). Para estes filósofos, toda a natureza era formada por átomos e vácuo. Leis Ponderais No final do século XVIII, Lavoisier e Proust realizaram experiências relacionado as massas dos participantes das reações químicas, dando origem às Leis das combinações químicas (Leis ponderais). Lei de Lavoisier: A primeira delas, a Lei da Conservação de Massas, ou Lei de Lavoisier é uma lei da química que muitos conhecem por uma célebre frase dita pelo cientista conhecido como o pai da química moderna, Antoine Laurent de Lavoisier: “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” Em seus vários experimentos, Lavoisier concluiu que: “Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos” Então, em uma reação química não há alteração na quantidade de átomos, eles apenas se recombinam. Logo como não existe destruição nem criação de matéria, a massa dos reagentes sempre será igual a massa dos produtos. Ou seja: Lei de Proust O químico Joseph Louis Proust observou que em uma reação química a relação entre as massas das substâncias participantes é sempre constante. A Lei de Proust ou a Lei das proporções definidas diz que dois ou mais elementos ao se combinarem para formar substâncias, conservam entre si proporções definidas. Em resumo a lei de Proust pode ser resumida da seguinte maneira: "Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa". Na tabela abaixo vemos um exemplo prático de como a lei de Proust pode ser entendida: Experimento Hidrogênio (g) Oxigênio (g) Água (g) I 10 80 90 II 2 16 18 III 1 8 9 IV 0,4 3,2 3,6 Portanto se a massa de uma molécula de água é 18g, é o resultado da soma das massas atômicas do hidrogênio e do oxigênio. H – massa atômica = 1 → 2 x 1 = 2g (2 átomos de H) O – massa atômica = 16 → 1 x 16 = 16g (1 átomo de O) Então 18g de água tem sempre 16g de oxigênio e 2g de hidrogênio. A molécula água está na proporção 1:8 (para cada quantidade de H2 usa se oito vezes a quantidade de O2). Se 36g de água forem separados, serão produzidos 4g de H2 e 32g de O2, e assim por diante. Teoria Atômica de Dalton Em 1808, John Dalton propôs uma teoria para explicar essas leis ponderais, denominada teoria atômica, criando o primeiro modelo atômico científico, em que o átomo seria maciço e indivisível. A teoria proposta por ele pode ser resumida da seguinte maneira: - Tudo que existe na natureza é formado por pequenas partículas microscópicas denominadas átomos; - Estas partículas, os átomos, são indivisíveis (não é possível seccionar um átomo) e indestrutíveis (não se consegue destruir mecanicamente um átomo); 1. Modelos atômicos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 2 - O número de tipos de átomos (respectivos a cada elemento) diferentes possíveis é pequeno; -Átomos de elementos iguais sempre apresentam características iguais, bem como átomos de elementos diferentes apresentam características diferentes. Sendo que, ao combiná-los, em proporções definidas, compreenderemos toda a matéria existente no universo; -Os átomos assemelham-se a esferas maciças que se dispõem através de empilhamento; -Durante as reações químicas, os átomos permanecem inalterados. Apenas se combinam em outro arranjo. Ao mesmo tempo da publicação dos trabalhos de Dalton foi desenvolvido o estudo sobre a natureza elétrica da matéria, feita no início do século XIX pelo físico italiano Volta, que criou a primeira pilha elétrica. Isso permitiu a Humphry Davy descobrir dois novos elementos químicos: o potássio (K) e o sódio (Na). A partir disso, os trabalhos a respeito da eletricidade foram intensificados. Em meados de 1874, Stoney admitiu que a eletricidade estava intimamente associada aos átomos em que quantidades discretas e, em 1891, deu o nome de elétron para a unidade de carga elétrica negativa. A descoberta do elétron Em meados do ano de 1854, Heinrich Geissler desenvolveu um tubo de descarga que era formado por um vidro largo, fechado e que possuía eletrodos circulares em suas pontas. Ele notou que quando se produzia uma descarga elétrica no interior do tubo de vidro, utilizando um gás que estivesse sob baixa pressão, a descarga deixava de ser barulhenta, e no tubo uma cor aparecia que iria depender do gás, de sua pressão e da voltagem a ele aplicada. Um exemplo dessa experiência são as lâmpadas de neon que normalmente se usa em estabelecimentos como placa. Já em 1875, William Crookes se utilizou de gases bastante rarefeitos, ou seja, que estavam em pressões muito baixas, e os colocou em ampolas de vidro. Neles aplicou voltagens altíssimas e assim, emissões denominadas raios catódicos surgiram. Isso porque esses raios sempre se desviam na direção e sentido da placa positiva, quando são submetidos a um campo elétrico externo e uniforme, o que prova que os raios catódicos são de natureza negativa. Esse desvio ocorre sempre da mesma maneira, seja lá qual for o gás que se encontra no interior da ampola. Isso fez os cientistas imaginarem que os raios catódicos seriam formados por minúsculas partículas negativas, e que estas existem em toda e qualquer matéria. A tais partículas deu-se o nome de elétrons. Assim, pela primeira vez na história, constatava-se a existência de uma partícula subatômica, o elétron. Modelo atômico de Thomson No final do século XIX, Thomson, utilizando uma aparelhagem semelhante, demonstrou que esses raios poderiam ser considerados como um feixe de partículas carregados negativamente, uma vez que que eram atraídos pelo polo positivo de um campo elétrico externo e independiam do gás contido no tubo. Thomson concluiu que essas partículas negativas deveriam fazer parte dos átomos componentes da matéria, sendo denominados elétrons. Após isto, propôs um novo modelo científico para o átomo. Para Thomson, o átomo era uma esfera maciça de carga elétrica positiva “recheada” de elétrons de carga negativa. Esse modelo ficou conhecido como “pudim de passas”. Este modelo derruba a ideia de que o átomo é indivisível e introduz a natureza elétrica da matéria. A descoberta do próton Em 1886, Goldstein, físico alemão, provocando descargas elétricas num tubo a pressão reduzida (10 mmHg) e usandoum cátodo perfurado, observou a formação de um feixe luminoso (raios canais) no sentido oposto aos raios catódicos e determinou que esses raios era constituídos por partículas positivas Os raios canais variam em função do gás contido no tubo. Quando o gás era hidrogênio, obtinham-se os raios com partículas de menor massa, as quais foram consideradas as partículas fundamentais, com carga positiva, e denominadas próton pelo seu descobridor, Rutherford, em 1904. A descoberta da radioatividade Wilhelm Conrad Röntgen foi um físico alemão que, em 8 de novembro de 1895, realizando experimentos em que utilizava gases altamente rarefeitos em uma ampola de Crookes, descobriu acidentalmente que, a partir da parte externa do tubo, eram emitidos raios que conseguiam sensibilizar chapas fotográficas. Ele chamou esses raios de raios X. Isso possibilitou que, em 1886, Becquerel descobrisse a radioatividade e a descoberta do primeiro elemento capaz de emitir radiações semelhantes ao raio X: o urânio. Logo a seguir o casal Curie descobriu dois outros elementos radioativos: o polônio e o rádio. Com a finalidade de estudar as radiações emitidas pelos elementos radioativos, foram realizados vários tipos de experimentos, dentre os quais o mais conhecido é o representado a seguir, em que as radiações são submetidas a um campo eletromagnético externo. A experiência de Rutherford Em meados do século de XX, dentre as inúmeras experiências realizadas por Ernest Rutherford e seus colaboradores, uma ganhou destaque por mostrar que o modelo proposto por Thomson era incorreto. A experiência consistiu em bombardear uma fina folha de ouro com partículas positivas e pesadas, chamada de α (alfa), emitidas por um elemento radioativo chamado polônio. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 3 Rutherford observou que: - Grande parte das partículas α passaram pela folha de ouro sem sofrer desvios; - Algumas partículas α desviaram (B) com determinados ângulos de desvios; - Poucas partículas não atravessaram a folha de ouro e voltaram (C). O Modelo de Rutherford A experiência da “folha de ouro” realizada pelo neozelandês Ernest Rutherford foi o marco decisivo para o surgimento de um novo modelo atômico, mais satisfatório, que explicava de forma mais clara uma série de eventos observados: O átomo deve ser constituído por duas regiões: I - Um núcleo, pequeno, positivo e possuidor de praticamente toda a massa do átomo; II - Uma região positiva, praticamente sem massa, que envolveria o núcleo. A essa região se deu o nome de eletrosfera. Para que fique mais claro, vamos agora relacionar o modelo de Rutherford com as conclusões encontrados em sua experiência. Observações Conclusões Grande parte das partículas alfa atravessaram a lâmina sem desviar o curso. Boa parte do átomo é vazio. No espaço vazio (eletrosfera) provavelmente estão localizados os elétrons. Poucas partículas alfa (1 em 20000) não atravessam a lâmina e voltavam. Deve existir no átomo uma pequena região onde está concentrada sua massa (o núcleo). Algumas partículas alfa sofriam desvios de trajetória ao atravessar a lâmina. O núcleo do átomo deve ser positivo, o que provoca uma repulsão nas partículas alfa (positivas). Em resumo: o modelo de Rutherford representa o átomo consistindo em um pequeno núcleo rodeado por um grande volume no qual os elétrons estão distribuídos. O núcleo carrega toda a carga positiva e a maior parte da massa do átomo. Rutherford comparou seu modelo atômico com o sistema planetário, onde os planetas (elétrons), giram em torno do Sol (núcleo). O Átomo Moderno Quando Rutherford realizou seu experimento com um feixe de partículas alfa, e propôs um novo modelo para o átomo, houve algumas controvérsias. Entre elas era que o átomo teria um núcleo composto de partículas positivas denominadas prótons. No entanto, Rutherford concluiu que, embora os prótons contivessem toda a carga do núcleo, eles sozinhos não podem compor sua massa. O problema da massa extra foi resolvido quando, em 1932, o físico inglês J. Chadwick descobriu uma partícula que tinha aproximadamente a mesma massa de um próton, mas não era carregada eletricamente. Por ser a partícula eletricamente neutra, Chadwick a denominou de nêutron. Hoje, acreditamos que, com uma exceção, o núcleo de muitos átomos contém ambas as partículas: prótons e nêutrons, chamados núcleons. (A exceção é o núcleo de muitos isótopos comuns de hidrogênio que contém um próton e nenhum nêutron.) Como mencionamos, é geralmente conveniente designar cargas em partículas em termos de carga em um elétron. De acordo com esta convenção, um próton tem uma carga de +1, um elétron de -1, e um nêutron de 0. Em resumo, podemos então descrever um átomo como um núcleo central, que é pequeníssimo, mas que contém a maior parte da massa, e é circundado por uma enorme região extra nuclear contendo elétrons (carga -). O núcleo contém prótons (carga +) e nêutrons (carga 0). O átomo como um todo não tem carga devido ao número de prótons ser igual ao número de elétrons. A soma das massas dos elétrons em um átomo é considerada desprezível em comparação com a massa dos prótons e nêutrons. O Modelo de Bohr Apesar de o modelo proposto por Rutherford esclarecer muitas questões sobre a dispersão das partículas alfa (prótons), ele tinha certas falhas na explicação de alguns outros fenômenos, como por exemplo os espectros atômicos. Niels Bohr propôs então outro modelo mais completo, que melhor representava e explicava o átomo e sua natureza. Inicialmente para explicar seu modelo, Bohr agrupou uma certa quantidade de postulados e hipóteses (afirmações aceitas como verdadeira, sem demonstrações), onde podem ser resumidas em cinco: - Os elétrons circulam o núcleo do átomo fazendo em círculos em “camadas” ou “níveis”; - Cada nível tem um valor específico de energia; - Um elétron não pode permanecer entre dois níveis, ou ele está em um ou em outro; - Um elétron pode passar de um nível menos energético para um mais energético desde que absorva emergia externa; - Quando o elétron retorna para seu nível de energia inicial ele libera a energia absorvida. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 4 Bohr dividiu a eletrosfera em 7 níveis (K,L,M,N,O,P e Q), onde K é a mais próxima do núcleo e Q a mais afastada. Umas das novidades mais relevantes que é oferecida pelo átomo de Bohr é quantização da energia dos elétrons, ou seja, valores de energia determinados. Esse último modelo atômico é o utilizado hoje em dia, por conta das contribuições mais relevantes seu nome é modelo de Rutherford-Bohr. Número atômico e número de massa Um átomo individual (ou seu núcleo) é geralmente identificado especificando dois números: o número atômico Z e o número de massa A. O número atômico (Z) é o número de prótons no núcleo. Como um átomo é um sistema eletricamente neutro, se conhecermos o seu número atômico, teremos então duas informações: o número de prótons e o número de elétrons. O número de massa (A) é o número total de núcleons (prótons mais nêutrons) no núcleo. Pode-se ver destas definições que o número de nêutrons no núcleo é igual a A - Z. Um átomo específico é identificado pelo símbolo do elemento com número atômico Z como um índice inferior e o número de massa como um índice superior. Assim, Indica um átomo do elemento X com o número atômico Z e número de massa A. Por exemplo: Refere-se a um átomo de oxigênio comum número atômico 8 e um número de massa 16. Todos os átomos de um dado elemento têm o mesmonúmero atômico, porque todos têm o mesmo número de prótons no núcleo. Por esta razão, o índice inferior representando o número atômico é algumas vezes omitido na identificação de um átomo individual. Por exemplo, em vez de escrever 16O8, é suficiente escrever 16O, para representar um átomo de oxigênio 16. Íons Os átomos podem perder ou ganhar elétrons, originando novos sistemas, carregados eletricamente: os íons. Nos íons, o número de prótons é diferente do número de elétrons. Os átomos, ao ganharem elétrons, originam íons negativos, ou ânions, e, ao perderem elétrons, originam íons positivos, os cátions. Cátions (íons positivos) Em um cátion, o número de prótons é SEMPRE maior do que o número de elétrons. Veja abaixo um exemplo de cátion: K (Z=19) Número de prótons: 19 carga = +19 Número de elétrons: 19 carga = -19 Carga elétrica total: +19 – 19 = 0 K+ (Z=19) Número de prótons: 19 carga: +19 Número de elétrons: 18 carga: -18 Carga elétrica total: +19 -18= +1 Ânions (íons negativos) Em um ânion, o número de prótons é menor do que o número de elétrons. Vamos agora relacionar o átomo de enxofre (S) com seu ânion bivalente (S2-). S (Z=16) Número de prótons: 16 carga = +16 Número de elétrons: 16 carga = -16 Carga elétrica total: +16 -16 =0 S2- (Z=16) Número de prótons: 16 carga = +16 Número de elétrons: 18 carga = -18 Carga elétrica total: +16 -18 = -2 O Elemento Químico Um elemento químico é definido como sendo o conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z). A cada elemento químico atribui-se um nome; a cada nome corresponde um símbolo e, consequentemente, a cada símbolo corresponde um número atômico. Elemento químico Símbolo Número atômico Hidrogênio H 1 Oxigênio O 8 Cálcio Ca 20 Cobre Cu 29 Prata Ag 47 Platina Pt 78 Mercúrio Hg 80 Relações atômicas Isótopos Átomos de um dado elemento podem ter diferentes números de massa e, portanto, massas diferentes porque eles podem ter diferentes números de nêutrons em seu núcleo. Como mencionado, tais átomos são chamados isótopos. Exemplo: considere os três isótopos de oxigênio de ocorrência natural: 16O8, 17O8 e 18O8. Cada um destes tem 8 prótons no seu núcleo. (Isto é o que faz com que seja um átomo de oxigênio.). Átomos Prótons Nêutrons Elétrons H1 1 1 0 1 H1 2 1 1 1 H1 3 1 2 1 08 16 8 8 8 08 17 8 9 8 08 18 8 10 8 U92 234 92 142 92 U92 235 92 143 92 U92 238 92 146 92 Número de prótons = número de elétrons Número de massa = número de prótons + número de nêutrons ÍONS: Número de prótons ≠ Número de elétrons Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 5 Devido aos isótopos de um elemento apresentar diferentes números de nêutrons, eles têm diferentes massas. Isóbaros São átomos de diferentes números de próton, mas que possuem o mesmo número de massa (A). Assim, são átomos de elementos químicos diferentes, mas que têm mesma massa, já que um maior número de prótons será compensado por um menor número de nêutrons, e assim por diante. Desse modo, terão propriedades físicas e químicas diferentes. Por exemplo 40K19 e 40Ca20, que tem a mesma massa, 40. Isótonos São átomos de diferentes números de prótons e de massa, mas que possuem mesmo número de nêutrons. Ou seja, também são elementos diferentes, com propriedades físicas e químicas diferentes. Por exemplo 37Cl17 e o 40Ca20, que tem o mesmo número de nêutrons, 20. Isoeletrônicos São átomos e íons que possuem a mesma quantidade de elétrons. Por exemplo o átomo de neônio, 20Ne10, e o cátion de sódio 23Na11+1. Ambos possuem 10 elétrons, logo são isoeletrônicos um do outro. Questões 01. (Unesp-SP) Numa viagem, um carro consome 10 kg de gasolina. Na combustão completa deste combustível, na condição de temperatura do motor, formam-se apenas compostos gasosos. Considerando-se o total de compostos formados, pode-se afirmar que os mesmos: (A) não têm massa. (B) pesam exatamente 10 kg. (C) pesam mais que 10 kg. (D) pesam menos que 10 kg. (E) são constituídos por massas iguais de água e gás carbônico. 02. (Fuvest 2008) Devido à toxicidade do mercúrio, em caso de derramamento desse metal, costuma-se espalhar enxofre no local, para removê-lo. Mercúrio e enxofre reagem, gradativamente, formando sulfeto de mercúrio. Para fins de estudo, a reação pode ocorrer mais rapidamente se as duas substâncias forem misturadas num almofariz. Usando esse procedimento, foram feitos dois experimentos. No primeiro, 5,0 g de mercúrio e 1,0 g de enxofre reagiram, formando 5,8 g do produto, sobrando 0,2 g de enxofre. No segundo experimento, 12,0 g de mercúrio e 1,6 g de enxofre forneceram 11,6 g do produto, restando 2,0 g de mercúrio. Mostre que os dois experimentos estão de acordo com a lei da conservação da massa (Lavoisier) e a lei das proporções definidas (Proust). 03. (UEL-PR) 46,0 g de sódio reagem com 32,0 g de oxigênio formando peróxido de sódio. Quantos gramas de sódio são necessários para se obter 156 g de peróxido de sódio? 04. (UFMG-MG) Em um experimento, soluções aquosas de nitrato de prata, AgNO3, e de cloreto de sódio, NaCl, reagem entre si e formam cloreto de prata, AgCl, sólido branco insolúvel, e nitrato de sódio, NaNO3, sal solúvel em água. A massa desses reagentes e a de seus produtos estão apresentadas neste quadro: REAGENTES PRODUTOS AgNO3 NaCl AgCl NaNO3 1,699g 0,585g X 0,850g Considere que a reação foi completa e que não há reagentes em excesso. Assim sendo, é CORRETO afirmar que X, ou seja, a massa de cloreto de prata produzida é: (A) 0,585 g. (B) 1,434 g. (C) 1,699 g. (D) 2,284 g. (E) 2,866 g. 05. (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. 06. (ETFSP) No fim do século XIX começaram a aparecer evidências de que o átomo não era a menor partícula constituinte da matéria. Em 1897 tornou-se pública a demonstração da existência de partículas negativas, por um inglês de nome: (A) Dalton; (B) Rutherford; (C) Bohr; (D) Thomson; (E) Proust. 07. (Puc - RS) O átomo, na visão de Thomson, é constituído de: (A) níveis e subníveis de energia. (B) cargas positivas e negativas. (C) núcleo e eletrosfera. (D) grandes espaços vazios. (E) orbitais. 08. (ESPM-SP) O átomo de Rutherford (1911) foi comparado ao sistema planetário (o núcleo atômico representa o sol e a eletrosfera, os planetas): Eletrosfera é a região do átomo que: (A) contém as partículas de carga elétrica negativa. (B) contém as partículas de carga elétrica positiva. (C) contém nêutrons. (D) concentra praticamente toda a massa do átomo. (E) contém prótons e nêutrons 09. (FUCMT-MT) O íon de ²³Na11+ contém: (A)11 prótons, 11 elétrons e 11 nêutrons. (B)10 prótons, 11 elétrons e 12 nêutrons. (C)23 prótons, 10 elétrons e 12 nêutrons. (D)11 prótons, 10 elétrons e 12 nêutrons. (E)10 prótons, 10 elétrons e 23 nêutrons. 10. (Fuvest – SP) O número de elétrons do cátion X2+ de um elemento X é igual ao número de elétrons do átomo neutro de um gás nobre. Este átomo de gás nobre apresenta número atômico 10 e número de massa 20. O número atômico do elemento X é: (A) 8 (B) 10 (C) 12 (D) 18 (E) 20 Respostas 1 – Alternativa B Interpretação direta da Lei de conservação das massas de Lavoisier: Massa dos reagentes = massa dos produtos; 2 - Mercúrio + Enxofre → Sulfeto de mercúrio + Excesso I. 5,0 g 1,0 g 5,8 g 0,2 g de enxofre Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO ConhecimentosEspecíficos 6 II. 12,0 g 1,6 g 11,6 g 2,0 g de mercúrio A soma da massa dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos (Lei de Lavoisier). Massas que reagiram efetivamente: Mercúrio + Enxofre → Sulfeto de mercúrio I. 5,0 g 0,8 g 5,8 g II. 10,0 g 1,6 g 11,6 g As proporções são mantidas: ao dobrar a quantidade de mercúrio de 5 para 10, também foi dobrada a quantidade de enxofre e de sulfeto de mercúrio (Lei de Proust). 3 - Pela lei da conservação das Massas: Sódio + Oxigênio → Peróxido de Sódio 46 g + 32 g 78g Pela lei das proporções definidas: Sódio + Oxigênio → Peróxido de Sódio 92g + 64g 156g Ou seja, são necessários 92g de sódio para se obter 156g de peróxido de sódio 4 - Alternativa B Primeiro se soma a massa dos reagentes para podermos determinar a massa total: 1,699g + 0,585g = 2,284g. Em seguida basta subtrair o a massa do NaNO3 desse valor: 2,284g – 0,850 = 1,434g. Logo a massa de AgCl produzida é 1,434g. 5 - Alternativa E Interpretação direta da Lei de conservação das massas de Lavoisier: Massa dos reagentes = massa dos produtos; 6 – Alternativa D Thomson provou experimentalmente a existência de partículas negativas no átomo. 7 – Alternativa B Thomsom propôs que o átomo era formado por uma esfera maciça de carga positiva e que junta a ela existiam pequenas partículas de carga negativa, esse modelo ficou famoso pelo nome de “pudim de passas”. 8 – Alternativa A Segundo Rutherford, o no átomo seu núcleo representava praticamente toda a sua massa e era composto por partículas de cargas positivas (prótons), e ao seu redor as partículas de cargas negativas (elétrons) ficavam circundando o núcleo em uma região denominada eletrosfera. 9 – Alternativa D Seu número atômico (11) representa seu número de prótons, seu número de elétrons seria o mesmo se ele não tivesse carga, mas como foi estudado o íon ²³Na11+ apresenta uma carga positiva, logo sabemos que ele “perdeu” um elétron, ou seja, possui 10. E seu número de nêutrons é a diferença da massa atômica menos o número de prótons: 23 – 11 = 12. 10 – Alternativa C Como sabemos que é um gás nobre ele não apresenta carga, logo seu número atômico é igual ao seu número de prótons e a seu número de elétrons, ou seja, 10. O elemento X está com carga positiva de +2 e se atualmente ele tem o mesmo número de elétrons que o gás nobre basta somarmos os 2 elétrons faltando com os que ele possui: 10 + 2 =12. 1Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. Classificação periódica dos elementos Histórico Um dos esforços mais antigos, no sentido de se encontrar uma relação no comportamento dos elementos com propriedades similares, foi o método de separar os elemento em grupos de três denominados tríades. Nessas tríades, a massa atômica de um elemento era aproximadamente a média aritmética dos pesos atômicos dos outros dois. Isto foi proposto pelo químico alemão J.W. Dobereiner, em 1829. No ano de 1862, Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois ordenou os valores de massas atômicas ao longo de linhas espirais traçadas nas paredes de um cilindro, dando origem ao parafuso telúrico, em que os elementos que apresentavam propriedades similares estavas reunidos numa linha vertical. Em 1866, John A. R. Newlands desenvolveu um rearranjo dos elementos químicos denominado lei das oitavas. Essa forma de classificação consistia em colocar os elementos agrupados de sete em sete, em ordem crescente de massa atômica. A partir dessa classificação Newlands observou que o primeiro elemento tinha propriedades semelhantes ao oitavo, e assim por diante. Diante disso, ele chamou esta descoberta de Lei das oitavas uma vez que as características se repetiam de sete em sete, como as notas musicais. Em meados de 1869, Lothar Meyer e Dimitri Ivanovich Mendeleev, independentemente, criaram tabelas periódicas dos elementos (semelhantes às usadas atualmente) onde os elementos eram colocados em ordem crescente de massas atômicas. Essas tabelas foram criadas quando tinham conhecimento de apenas 63 elementos químicos.1 Mendeleev ordenou os elementos em linhas horizontais, chamadas de períodos, e em linhas verticais, de grupos, contendo elementos com propriedades similares. Veja a seguir a tabela de Mendeleev. 2. Classificação periódica dos elementos químicos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 7 Nesta tabela é possível observar que existe espaços vazios e asteriscos. Estes espaços representam elementos não conhecidos e os asteriscos os elementos que foram previstos por Mendeleev. Esta classificação proposta por Mendeleev foi utilizada até 1913, quando Mosely verificou que as propriedades dos elementos eram dadas pela sua carga nuclear (número atômico-Z). Sabendo-se que em um átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons, ao fazermos suas distribuições eletrônicas, verificamos que a semelhança de suas propriedades químicas está relacionada com o número de elétrons de sua camada de valência, ou seja, pertencem à mesma família. Com base nessa constatação, foi proposta a tabela periódica atual, na qual os elementos químicos: - Estão dispostos em ordem crescente de número atômico (Z); - Originam os períodos na horizontal (em linhas); - Originam as famílias ou os grupos na vertical (em colunas). Fonte: www.omundodaquimica.com.br Distribuição Eletrônica2 Bohr propôs que existiam 7 camadas nomeadas K, L, M, N, O, P e Q, e os subníveis propostos pelos estudos subsequentes foram nomeados de s, p, d e f, onde cada camada e cada subnível tem um limite de quantos elétrons eles “abrigam”. A tabela a seguir mostra o número de elétrons que cada camada pode ter assim como os subníveis presentes nela. Canada Nível Subnível Número de elétrons K 1 s 2 L 2 s p 8 M 3 s p d 18 N 4 s p d f 32 O 5 s p d f 32 P 6 s p d 18 Q 7 s p 8 A Distribuição dos Elétrons Os estudos seguintes vieram a mostrar como os elétrons deveriam ser distribuídos dentro dos subníveis de cada camada, onde o químico Linus Carl Pauling criou um método 2Sardella, A.; Química – São Paulo, 2003. Editora Ática. prático que nos dá a ordem crescente de energia dos subníveis. O Diagrama de Pauling mostra a sequência de ocupação dos elétrons onde, na eletrosfera, os elétrons vão ocupando as posições de menor energia. Assim ele conseguiu mostrar de maneira facilitada essa ordem de posicionamento. Essa sequência que é feita através do diagrama de Pauling é chamada de Distribuição Eletrônica ou configuração eletrônica. Seguinte esse diagrama a ordem crescente de energia para a distribuição dos elétrons é: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 Para realizar essa distribuição, algumas regras devem ser seguidas: - O número de elétrons a ser distribuído deve ser correspondente ao do átomo, estando ele no estado fundamental ou em forma de íon; - A última camada não deve ultrapassar 8 elétrons; - A penúltima camada não deve ultrapassar 18 elétrons; - A última camada que contém elétrons é chamada de camada de valência. Na tabela seguinte vemos alguns exemplos de distribuição eletrônica: Elemento Número de elétrons Distribuição Eletrônica He (Hélio) 2 1s2 K = 2 Cl (Cloro) 17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 K = 2, L = 8, M = 7 Zr (Zircônio) 40 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d2 K = 2, L = 8, M = 18, N = 10, O =2 Pt (Platina) 78 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d9 K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 17, P = 1 Pt2+ (Cátion) 76 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d7 K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 17, P = 1 Tabela periódica atual: Os elementos são agrupados em ordem crescente de seu número atômico (Z), observando-se a repetição periódica de muitas de suas propriedades. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 8 Como utilizar a tabela periódica? Cada quadro da tabela fornece os dados referentes ao elemento químico: símbolo, massa atômica, número atômico, nome do elemento, elétrons nas camadas e se o elemento é radioativo. As colunas verticais constituem as famílias ou grupos, nas quais os elementos estão reunidos segundo suas propriedades químicas. As filas horizontais são denominadas períodos. Neles os elementos químicos estão dispostos na ordem crescente de seus números atômicos. O número da ordem do período indica o número de níveis energéticos ou camadas eletrônicas do elemento. Famílias ou Grupos As Famílias da Tabela Periódica são distribuídas de forma vertical, em 18 colunas. Os elementos químicos que estão localizados na mesma coluna da Tabela Periódica são considerados da mesma família pois possuem propriedades semelhantes. Esses elementos fazem parte de um mesmo grupo porque apresentam a mesma configuração de elétrons na última camada. A tabela periódica atual é constituída por 18 famílias, a nomenclatura pode ser feita de duas maneiras. A primeira é dividir as famílias em A (de IA até VIIIA) e B (que pode ser considerada uma pequena bagunça, já que segue a ordem: 3B- 4B-5B-6B-7B-8B-8B-8B-1B-2B), onde “A” relaciona os metais alcalinos e alcalinos terrosos, gases nobres, halogênios, semi- metais, e ametais. E “B” é formada pelos metais de transição. A segunda maneira e mais recente adotada é bem mais simples, pois ela nomeia as famílias de 1 a 18. Famílias A Os elementos que constituem essas famílias são denominados elementos representativos, e seus elétrons mais energéticos estão situados em subníveis s ou p. Nas famílias A, o número da família indica a quantidade de elétrons na camada de valência. Elas recebem ainda nomes característicos. Famílias B Os elementos dessas famílias são denominados genericamente elementos de transição. Uma parte deles ocupa o bloco central da tabela periódica, de IIIB até IIB (10 colunas), e apresenta seu elétron mais energético em subníveis d. A outra parte deles está deslocada do corpo central, constituindo as séries dos lantanídeos e dos actinídeos. Essas séries apresentam 14 colunas. O elétron mais energético está contido em subnível f (f1 a f14). O esquema a seguir mostra o subnível ocupado pelo elétron mais energético dos elementos da tabela periódica. Períodos ou séries Cada fila horizontal da tabela periódica constitui o que chamados de período ou série de elementos. Cada período corresponde ao número de camadas eletrônicas existentes nos elementos que os constituem. Os períodos são sete conforme pode ser observado no esquema abaixo. Informações importantes: 1. A família 0 (8A) recebeu esse número para indicar que sua reatividade nas condições ambientes é nula. 2. O elemento hidrogênio (H), embora não faça parte da família dos metais alcalinos, está representado na coluna IA por apresentar 1 elétron no subnível s na camada de valência. 3. O único gás nobre que não apresenta 8 elétrons na camada de valência é o He: 1s2. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 9 Períodos Camadas eletrônicas 1 1 (K) 2 2 (K, L) 3 3 (K, L, M) 4 4 (K, L, M, N) 5 5 (K, L, M, N, O) 6 6 (K, L, M, N, O, P) 7 7 (K, L, M, N, O, P) Vejamos agora alguns exemplos de localização na tabela periódica: 1H — 1s1: 1° camada (K) 4Be — 1s2 2s2: 2° camada (K, L) 11Na— 1s2 2s2 2p6 3s1: 3°camada (K, L, M) 13Al — 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1: 3° camada. Lantanídeos e Actinídeos As séries dos lantanídeos e dos actinídeos correspondem, respectivamente, aos apêndices embaixo da tabela. Esses elementos todos pertencem a família IIIB ou 3. Importante: - Lantânio (La) e Actíneo (Ac) não pertencem às séries - Essas séries são chamadas Elementos de transição Interna - Os lantanídeos também são chamados lantanoides ou terras-raras. - Os actinídeos também são chamados actinoides - O uso dos termos “lantanoide” e actinoide” foi reconhecido pela IUPAC. Classificação dos elementos químicos Uma outra maneira de classificar os elementos pode ser feita relacionando o subnível energético de cada um. Assim temos: Elementos Subnível mais energético Localização Representativos s ou p Grupos A e gases nobres De transição d Grupos B De transição interna f Lantanídeos e Actinídeos Outra maneira de classificar os elementos é agrupá-los, segundo suas propriedades físicas e químicas, em: metais, ametais, semi-metais, gases nobres e hidrogênio. Metais Os metais, são os mais numerosos elementos conhecidos. Eles estão situados do centro para a esquerda da Tabela Periódica. Características gerais: - Apresentam brilho metálico. - Conduzem corrente elétrica e calor. - São maleáveis (maleabilidade). - Podem ser reduzidos a fios (ductilidade). - Apresentam, via de regra, poucos elétrons (menos de 4) na última camada; - Tendem a perder elétrons; - São sólidos a temperatura ambiente (25°C), com exceção do mercúrio (líquido). Ametais ou não-metais São poucos (11 elementos), estão situados à direita da Tabela Periódica, antes dos gases nobres. Características gerais: - Não apresentam brilho metálico; - São maus condutores de corrente elétrica; - Não podem ser reduzidos a fios (ductilidade) e lâminas (maleabilidade); - São utilizados na produção de pólvora e na fabricação de pneus; - Apresentam, geralmente, muitos elétrons (mais do que 4) na camada de valência (última camada); -Tendem a ganhar elétrons em uma ligação química. Semi-metais São poucos (7) e estão situados na Tabela Periódica entre os metais e os não metais Características gerais: - Apresentam brilho metálico têm pequena condutibilidade elétrica fragmentam-se, isto é, apresentam propriedades intermediárias as apontadas anteriormente. Importante: A linha vermelha, de acordo com sugestão da Sociedade Brasileira de Química, separa os metais dos ametais. Os elementos próximos à linha são conhecidos por semi-metais. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 10 Hidrogênio É um elemento atípico, pois possui a propriedade de se combinar com metais, ametais e semi-metais. Nas condições ambientes, é um gás extremamente inflamável. Gases nobres Como o próprio nome sugere, nas condições ambientes apresentam-se no estado gasoso e sua principal característica química é a grande estabilidade, ou seja, possuem pequena capacidade de se combinar com outros elementos. Elementos Cisurânicos São todos os elementos cujo número atômico é inferior ao 92, ou seja, as que antecedem o urânio. Sendo todos elementos naturais, encontrados na superfície terrestre, com exceção dos quatros seguintes, que são artificiais: Tecnécio (43) Promécio (61) Astato (85) Frâncio (87) Elementos químicos artificiais Os elementos artificiais são átomos de elementos químicos não encontrados na superfície terrestre e que foramsintetizados, isto é, criados em laboratório. Esses elementos possuem número atômico superior a 92, que é o número atômico do Urânio. Por isso foram denominados de elementos transurânicos. Elementos radioativos Os elementos radioativos são aqueles cujos isótopos mais abundante encontram-se, na tabela, do polônio em diante. Propriedades aperiódicas e periódicas A tabela periódica pode ser utilizada para relacionar as propriedades dos elementos com suas estruturas atômicas. Essas propriedades podem ser de dois tipos: aperiódicas e periódicas. Propriedades aperiódicas As propriedades aperiódicas são aquelas cujos valores variam (crescem ou decrescem) à medida que o número atômico aumenta e que não se repetem em períodos determinados ou regulares. Exemplos: a massa atômica de um elemento sempre aumenta de acordo com o número atômico desse elemento, o calor específico, a dureza, o índice de refração etc. Massa atômica A massa atômica é a unidade de peso de átomos feita por comparação com uma grandeza padrão (1/12 da massa de um átomo isótopo do carbono-12). Esta propriedade sempre aumenta de acordo com o aumento do número atômico, sem fazer referência à localização do elemento na tabela periódica. Calor específico O calor específico é a quantidade de calor que um grama de uma substância precisa absorver para aumentar sua temperatura em 1 °C, sem que haja alteração no seu estado físico. O calor específico de um elemento no estado sólido sempre diminui com o aumento do número atômico. Dureza A dureza é uma propriedade mecânica característica de materiais sólidos que representa a resistência destes materiais ao risco ou à penetração quando pressionados. Esta propriedade muito depende do estado em que se encontra o material, bem como das forças de ligação entre os seus átomos, moléculas ou íons. Índice de refração O índice de refração é uma propriedade física descrita como sendo a razão entre a velocidade da luz em dois meios diferentes (no ar e num corpo transparente mais denso). Tal propriedade também aumenta com o aumento do número atômico. Propriedades periódicas As propriedades periódicas são aquelas que, à medida que o número atômico aumenta, assumem valores crescentes ou decrescentes em cada período, ou seja, repetem-se periodicamente. Exemplo: o número de elétrons na camada de valência. Vamos agora detalhar algumas propriedades periódicas da Tabela. Raio atômico O raio atômico é uma propriedade periódica difícil de ser medida. Pode-se considerar que corresponde à metade da distância (d) entre dois núcleos vizinhos de átomos do mesmo elemento químico ligados entre si. Em uma família (grupo) tende a aumentar de cima para baixo (sentido em que aumenta também o número de camadas preenchidas pela eletrosfera de um átomo. Em um período, o raio atômico tende a aumentar da direita para a esquerda. Isso ocorre porque o número de prótons e elétrons aumenta para a direita. Logo, no lado direito do período, os átomos têm o mesmo número de camadas, maior números de prótons e elétrons e, portanto, a força de atração entre eles é maior. Isso provoca uma contração da eletrosfera e a consequente diminuição do raio atômico. Raio iônico Quando um átomo ganha ou perde elétrons, transforma-se em íon. Nessa transformação, há aumento ou diminuição das dimensões do tamanho do átomo inicial. - Raio de cátion: Quando um átomo perde elétron, a repulsão da nuvem eletrônica diminui, diminuindo o seu tamanho. Inclusive pode ocorrer perda do último nível de energia e quanto menor a quantidade de níveis, menor o raio. Resumindo: Nas famílias o raio atômico tende a aumentar com o aumento do número. Nos períodos, ele tende a aumentar com a diminuição do número atômico. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 11 Exemplo: Portanto: raio do átomo > raio do cátion Raio do ânion: quando um átomo ganha elétron, aumenta a repulsão da nuvem eletrônica, aumentando o seu tamanho. Exemplo: Portanto: raio do átomo < raio do ânion Energia de Ionização A maior ou menor facilidade com que o átomo de um elemento perde elétrons é importante para a determinação do seu comportamento. Um átomo (ou íon) em fase gasosa perde elétron(s) quando recebe energia suficiente. Essa energia é chamada de energia (ou potencial) de ionização. Quanto maior o raio atômico, menor será a atração exercida pelo núcleo sobre o elétron mais afastado; portanto, menor será a energia necessária para remover esse elétron.3 Generalizando: Quanto maior o tamanho do átomo, menor será a primeira energia de ionização (E.I.). - Numa mesma família: a E.I. aumenta de baixo para cima; - Num mesmo período: a E.I. aumenta da esquerda para a direita. Ao retirarmos o primeiro elétron de um átomo, ocorre uma diminuição do raio. Por esse motivo, a energia necessária para retirar o segundo elétron é maior. Assim, para um mesmo átomo, temos: 1ª E.I. < 2ª E.I. < 3ª E.I. Esse fato fica evidenciado pela analogia a seguir, referente ao átomo de magnésio (Z = 12): 1s2 2s2 2p6 3s2. 3 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. Afinidade eletrônica (AE) ou Eletroafinidade A Eletroafinidade é a energia liberada quando um átomo isolado, no estado gasoso, “captura” um elétron. X 0 (g) + e– X– (g) + energia A medida experimental da afinidade eletrônica é muito difícil e, por isso, seus valores foram determinados para poucos elementos. Veja na tabela abaixo alguns valores conhecidos de eletroafinidade. A VII Li 60 kJ F 328 kJ K 48 kJ Br 325 kJ Eletronegatividade e Eletropositividade A eletronegatividade e a eletropositividade são duas propriedades periódicas que indicam a tendência de um átomo, numa ligação química, em atrair elétrons compartilhados. Ou ainda, podem representar a força com que o núcleo atrai a eletrosfera. Eletropositividade: tendência que um átomo tem de perder elétrons. É muito característico dos metais. Pode ser também chamado de caráter metálico. É o inverso da eletronegatividade. A eletropositividade aumenta conforme o raio atômico aumenta. Quanto maior o raio atômico, menor será a atração do núcleo pelo elétron mais afastado, maior a facilidade do átomo em doar elétrons, então, maior será a eletropositividade. Os gases nobres também não são considerados, por conta da sua estabilidade. A eletropositividade aumenta nas famílias, de cima para baixo, e nos períodos, da direita para a esquerda. O elemento mais eletropositivo é o frâncio (Fr), que possui eletronegatividade 0,70. Numa família ou num período, quanto menor o raio, maior a afinidade eletrônica. Resumindo: A variação da afinidade eletrônica na tabela periódica: aumenta de baixo para cima e da esquerda para a direita. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 12 Eletronegatividade: a força de atração exercida sobre os elétrons de uma ligação. A eletronegatividade dos elementos não é uma grandeza absoluta, mas, sim, relativa. Ao estudá-la, na verdade estamos comparando a força de atração exercida pelos átomos sobre os elétrons de uma ligação. Essa força de atração também tem relação com o raio atômico: quanto menor o tamanho do átomo, maior será a força de atração, pois a distância núcleo- elétron da ligação é menor. Assim como na eletropositividade, a eletronegatividade não é definida para os gases nobres. Na tabela periódica, a eletronegatividade cresce de baixo para cima e da esquerda para a direita. Densidade Experimentalmente, verifica-seque: - Entre os elementos das famílias IA e VIIA, a densidade aumenta, de maneira geral, de acordo com o aumento das massas atômicas, ou seja, de cima para baixo. - Num mesmo período, de maneira geral, a densidade aumenta das extremidades para o centro da tabela. Assim, os elementos de maior densidade estão situados na parte central e inferior da tabela periódica, sendo o ósmio (Os) o elemento mais denso (22,5 g/cm3). Temperatura de fusão (TF) e temperatura de ebulição (TE) Também experimentalmente, verifica-se que: - Nas famílias IA e IIA, os elementos de maiores TF e TE estão situados na parte superior da tabela. Na maioria das famílias, os elementos com maiores TF e TE estão situados geralmente na parte inferior. - Num mesmo período, de maneira geral a TF e a TE crescem das extremidades para o centro da tabela. Assim, a variação das TF e TE na tabela periódica é similar com a densidade, tendo como exceção as famílias IA e IIA. Volume atômico Essa expressão é usada para designar (para qualquer elemento) o volume ocupado por uma quantidade fixa de número de átomos. O volume atômico sempre se refere ao volume ocupado por 6,02 x 1023 átomos (número de Avogadro), e pode ser calculado relacionando-se a massa desse número de átomos com a sua densidade. Assim, temos: Por meio de medidas experimentais, verifica-se que: - numa mesma família, o volume atômico aumenta com o aumento do raio atômico; - num mesmo período, o volume atômico cresce do centro para as extremidades. De maneira geral, a variação do volume atômico pode ser representada pelo seguinte esquema: Questões 01. (PUC-MG) Considerando os elementos da coluna VA, na ordem crescente de números atômicos, é CORRETO afirmar que: (A) o ponto de fusão aumenta. (B) o caráter metálico diminui. (C) a eletronegatividade aumenta. (D) o raio atômico diminui. (E) o potencial de ionização aumenta 02. (Cesgranrio-RJ) Na Tabela Periódica, os elementos estão organizados em ordem crescente de: (A) Número de massa Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 13 (B) Massa atômica (C) Número atômico (D) Raio atômico (E) Eletronegatividade 03. (UFPA) Um átomo, cujo número atômico é 18, está classificado na Tabela Periódica como: (A) metal alcalino (B) metal alcalino terroso (C) metal terroso (D) ametal (E) gás nobre 04. (Ufac) O número atômico do elemento que se encontra no período III, família 3A é: (A) 10 (B) 12 (C) 23 (D) 13 (E) 31 05. (UFRJ) Um dos elementos químicos que tem se mostrado muito eficiente no combate ao câncer de próstata é o Selênio (Se). Com base na Tabela de Classificação Periódica dos Elementos, os símbolos de elementos com propriedades químicas semelhantes ao Selênio são: (A) Cl, Br, I (B) Te, S, Po (C) P, As, Sb (D) As, Br, Kr 06. (UFRJ) Cálcio é um dos elementos principais da estrutura óssea dos seres humanos. Uma doença muito comum em pessoas idosas, principalmente em mulheres após a menopausa, é a osteoporose, que consiste na desmineralização óssea causada pela perda de Ca+2, provocando fraturas frequentes e encurvamento da coluna vertebral. Uma das formas utilizadas pelos médicos para estudar a osteoporose consiste em administrar aos pacientes uma dieta contendo sais de estrôncio e acompanhar a taxa de absorção do mesmo pelo organismo. O estrôncio tem a capacidade de substituir o cálcio em seus compostos. A partir da estrutura atômica dos dois elementos, explique por que o estrôncio pode ser utilizado no lugar do cálcio. 07. (Cesgranrio-RJ) O elemento manganês não ocorre livre na natureza e, combinado, encontra-se na forma de uma variedade de minerais, como pirolusita (MnO2), manganita (MnO3.H2O), ausmanita (Mn3O4) e outros. Extraído dos seus minerais, pode ser empregado em ligas de aço (britadores, agulhas e cruzamentos ferroviários), ligas de baixo coeficiente térmico (bobinas de resistência), etc. A respeito desse elemento químico, é correto afirmar que: Dado: Mn (Z = 25). (A) é líquido em condições ambientais. (B) se trata de um ametal. (B) se trata de um metal alcalino terroso. (D) os seus átomos possuem dois elétrons no subnível de maior energia. (E) os seus átomos possuem dois elétrons na camada de valência. 08. (UCDB-MT) Os elementos xA, x+1B e x+2C pertencem a um mesmo período da tabela periódica. Se B é um halogênio, pode-se afirmar que: (A) A tem 5 elétrons no último nível e B tem 6 elétrons no último nível. (B) A tem 6 elétrons no último nível e C tem 2 elétrons no último nível. (C) A é um calcogênio e C é um gás nobre. (D) A é um metal alcalino e C é um gás nobre. (E) A é um metal e C é um não metal. 09. (UFPA) Um átomo, cujo número atômico é 18, está classificado na Tabela Periódica como: (A) metal alcalino (B) metal alcalino terroso (C) metal terroso (D) ametal (E) gás nobre 10. (Unaerp) O fenômeno da supercondução de eletricidade, descoberto em 1911, voltou a ser objeto da atenção do mundo científico com a constatação de Bednorz e Müller de que materiais cerâmicos podem exibir esse tipo de comportamento, valendo um prêmio Nobel a esses dois físicos em 1987. Um dos elementos químicos mais importantes na formulação da cerâmica supercondutora é o ítrio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d1 O número de camadas e o número de elétrons mais energéticos para o ítrio, serão, respectivamente: (A) 4 e 1 (B) 5 e 1 (C) 4 e 2 (D) 5 e 3 (E) 4 e 3 Respostas 01. Alternativa A Uma vez que o número atômico aumenta, aumenta também o ponto de fusão. 02. Alternativa C Na tabela periódica atual (moderna) os elementos são classificados de acordo com a ordem crescente de seu número atômico (Z). 03. Alternativa E De acordo com a distribuição eletrônica no diagrama de Pauling de 18 elétrons é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6 A distribuição em camadas é: K=2; L= 8; M 8. Observe que esse elemento possui 8 elétrons na última camada, então ele é da família 8 A ou 18, que é a dos gases nobres. Ao consultar a Tabela Periódica, vemos que se trata do gás argônio (Ar). 04. Alternativa D Ao observar a Tabela Periódica encontramos o elemento Alumínio, cujo número atômico é 13. Mas se não tivermos uma Tabela à disposição, basta realizar a distribuição no diagrama de Pauling, que indica o período III e a família 3A, ou seja: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Agora basta somar todos os elétrons distribuídos: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. 05. Alternativa B Observando a tabela periódica nota-se que os elementos Te (Telúrios), S (Enxofre) e Po (Polônio) estão localizados na mesma família (16 ou 6 A) que o Se (Selênio). 06. Resposta: Cálcio e estrôncio são elementos da mesma família da Tabela Periódica, apresentando portanto a mesma Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 14 distribuição eletrônica na camada de valência e consequentemente propriedades químicas semelhantes. 07. Alternativa E Por meio da distribuição eletrônica desse elemento, descobrimos sua localização na Tabela e conseguimos solucionar a questão. Veja: Mn (Z = 25) → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 a) O manganês é sólido em temperatura ambiente, porque como mostra o próximo item, ele é um metal. b) Ele é um metal da família 7 ou VII B, pois a soma dos elétrons mais energéticos com os mais externos é: 4s2 3d5.). c) O manganês é um elemento de transição externa, porque ele possui o orbital d incompleto. d) O átomo de manganês possui 5 elétrons no subnível de maior energia: 3d5. e) Correta. Os seus átomos possuem dois elétrons na camada de valência, que é a camada mais externa: 4s2. 08. Alternativa C Se B é um halogênio(família 17 ou VII-A), então A está uma “casa” atrás e C está uma “casa” à frente dele na Tabela periódica, sendo assim, A é um calcogênio (família 16 ou VI-A) e C é um gás nobre (família 18 ou VIII-A). 09. Alternativa E A distribuição eletrônica no diagrama de Pauling de 18 elétrons é dada por: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 A distribuição em camadas é: 2 – 8 – 8. Observe que esse elemento possui 8 elétrons na última camada, então ele é da família 8 A ou 18, que é a dos gases nobres. Ao olhar na Tabela Periódica, vemos que se trata do gás argônio (Ar). 10. Alternativa B Pela distribuição eletrônica mostrada no enunciado (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s23d10 4p6 5s2 4d1), vemos que os elétrons foram distribuídos até a camada 5 (5s2). Visto que essa distribuição já está na ordem energética crescente, o subnível mais energético é o 4d que possui 1 elétron. Radioatividade Radioatividade (ou radiatividade) é a propriedade de determinados tipos de elementos químicos radioativos emitirem radiações, um fenômeno que acontece de forma natural ou artificial. A radioatividade natural ou espontânea ocorre através dos elementos radioativos encontrados na natureza (na crosta terrestre, atmosfera, etc.). Já a radioatividade artificial ocorre quando há uma transformação nuclear, através da união de átomos ou da fissão nuclear. A fissão nuclear é um processo observado em usinas nucleares ou em bombas atômicas. Em 1896, o francês Henri Becquerel percebeu que um sal de urânio era capaz de sensibilizar um filme fotográfico, mesmo quando este era recoberto com papel preto ou até mesmo por lâminas metálicas finas. Becquerel, o descobridor do urânio, percebeu que esse material emitia radiações semelhantes aos raios X, e essa propriedade ele chamou radioatividade. Em 1897, Marie Sklodowska Curie (1867-1934) demonstrou que a intensidade da radiação é proporcional à quantidade de urânio na amostra e concluiu que a radioatividade é um fenômeno atômico. Nesse mesmo ano, Ernest Rutherford criou uma aparelhagem para estudar a ação de um campo eletromagnético sobre as radiações: O esquema mostra o comportamento das radiações α, β e γ em um campo eletromagnético. Rutherford concluiu que, como os raios alfa (α) e beta (β) sofrem desvio no campo magnético, logo devem apresentar carga elétrica, ao passo que os raios gama (γ) não devem apresentar carga. Os raios β são atraídos pela placa positiva; devem, portanto, ter carga negativa. Com o mesmo raciocínio pode-se deduzir que os raios α têm carga positiva. Os tipos de radiação que um elemento pode emanar são divididos, primeiramente, em duas formas: partículas ou ondas. Partículas possuem massa e ondas são apenas energia. Isso é devido aos elementos que compõem esses tipos de radiação. Na categoria das partículas, duas são as mais comuns: alfa e beta. Partículas α (alfa): são partículas formadas por 2 prótons e 2 nêutrons − a mesma composição do Hélio – que são liberadas por elementos radioativos para fora de seu núcleo. Quando um átomo libera 2 prótons, muda seu número atômico e transforma-se em um novo elemento, além de diminuir sua massa atômica em 4. Esse processo irá se repetir até que o núcleo do átomo esteja suficientemente estável, transformando-se em um elemento que não é radioativo - Partículas β (beta): são elétrons disparados para fora do átomo, em forma de radiação, quando um próton se transforma em nêutron ou vice-versa. Com a conversão de um próton em nêutron há a mudança do seu número atômico e, consequentemente, a transformação em outro elemento menos radiativo. Quando o núcleo possui menos nêutrons do que deveria para ser estável, pode transformá-lo em um próton ou mudar a relação n/p e diminuir a instabilidade nuclear até alcançar um elemento não radioativo. Um átomo instável irá liberar partículas alfa ou beta como radiação, mas isso não é a única coisa emitida por um elemento radioativo. Em qualquer um dos casos será emitido um terceiro tipo de radiação. Raios γ (gama): este tipo de radiação não possui massa, é uma onda eletromagnética, como muitos outros tipos de radiação, e é resultante do decaimento radioativo (liberação de partículas alfa ou beta). Em outras palavras, quando um átomo dispara uma partícula alfa ou beta, ainda continua instável, pois a emissão da partícula não foi suficiente para estabilizar o átomo. Esta instabilidade é reduzida pela emissão de raios gama, ou seja, energia pura. As partículas alfa, como são formadas por um agrupamento de partículas, têm uma dimensão maior impedindo que ela atravesse mesmo materiais finos. As partículas beta conseguem atravessar materiais como o papel, 3. Radioatividade. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 15 mas são detidas pelo alumínio. E apenas as partículas gama conseguem atravessar boa parte dos materiais, mas não aqueles muito densos como o chumbo, por exemplo. Para uma melhor compreensão segueo quadro abaixo: Benefícios da radioatividade A radioatividade tem vários benefícios para o ser humano. Entre eles é importante realçar a sua utilização na produção de energia, na esterilização de materiais médicos, no diagnóstico de doenças e no controle do câncer, através da radioterapia. Em alguns alimentos, mais concretamente nas frutas, a radiação iônica emitida sobre elas, permite que a sua durabilidade aumente. Essa radiação não altera o sabor e as qualidades nutritivas dos alimentos. Leis da Radioatividade 1ª Lei: Lei de Soddy A primeira lei da radioatividade, também conhecida como primeira lei de Soddy, tem relação com o decaimento alfa. Veja o que essa lei diz: “Quando um átomo sofre um decaimento alfa (α), o seu número atômico (Z) diminui duas unidades e o seu número de massa (A) diminui quatro unidades”. Genericamente, podemos representar essa lei pela seguinte equação: Exemplo: 90Th232→+2α4+88Ra228 228 + 4 = 232 88 + 2 = 90 2ª Lei: Soddy, Fajans, Russel Quando um átomo emite uma partícula β, o seu número atômico aumenta de 1 unidade e o seu número de massa permanece inalterado. 90Th234 → -1β0 + 91Pa234 Exemplo: Dada a equação: 90X204 → xα + yβ + 92Y192 Determinar x e y Resolução: 90X204 → x+2α4 + y-1β0 + 92Y192 Montamos duas equações: a) uma para os índices superiores: 204 = 4x + 0y + 192 x = 3 b) uma para os índices inferiores: 90 = 2x + (-1y) + 92 90 = 2(3) -1y +92 y = 8 90X204 → 3+2α4 + 8-1β0 + 92Y192 Isso acontece com todo elemento radioativo que emite uma partícula alfa, pois, conforme mostrado no texto emissão alfa (α), essa partícula é constituída por dois prótons e dois nêutrons — de forma semelhante ao que ocorre com o núcleo de um átomo de hélio — e é representada por 2α4. DECAIMENTO E MEIA-VIDA Radioatividade – É a propriedade que os núcleos atômicos instáveis possuem de emitir partículas e radiações eletromagnéticas para se transformarem em núcleos mais estáveis. Para este fenômeno, damos o nome de reação de desintegração radioativa, reação de transmutação ou reação de decaimento. A reação só acaba com a formação de átomos estáveis. Exemplos: U238 sofre decaimento até se transformar em Pb206. O tempo que os elementos radioativos levam para ficarem estáveis, varia muito. Meia-Vida – É o tempo necessário para a metade dos isótopos de uma amostra se desintegrar. Um conjunto de átomos radioativos pode estar se desintegrando neste instante. Outro átomo pode se desintegrar daqui há uma hora. Outro, pode desintegrar daqui há três meses. O U235 é o elemento com meia-vida mais longa. Tem cerca de 7, 04.108anos. Exemplo de um gráfico de Meia-vida: Atividade x Tempo Exemplo de decaimento do bismuto- 210 Meia vida é a estimativa de tempo em que metade da massa de um isótopohaverá decaído. Um exemplo é a própria técnica de datação por Carbono 14. Reforce que a meia vida do isótopo radioativo do Carbono, cuja massa é 14, é de cerca de 5700 anos. Isso quer dizer que a concentração de Carbono 14, após 5700 anos, cai pela metade. Se esperarmos mais 5700 anos, haverá apenas 1/4 de Carbono 14, e assim sucessivamente. O tempo de meia vida depende diretamente do quão instável é o elemento e as variações são muito acentuadas, tendo elemento cuja meia vida pode ser de alguns minutos (isótopo iodo-131) e elemento cuja meia vida pode ser de até milhões de anos (Urânio 238). É importante enfatizar que meia vida não é a Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 16 metade do tempo que o elemento radioativo leva para decair e desintegrar-se. O nome deste fenômeno é vida-média, este sim determina o tempo necessário para a transmutação do elemento radioativo. EFEITOS DA RADIOATIVIDADE NOS ORGANISMOS Os efeitos da radioatividade no ser humano dependem da quantidade acumulada no organismo e do tipo de radiação. A radioatividade é inofensiva para a vida humana em pequenas doses, mas, se a dose for excessiva, pode provocar lesões no sistema nervoso, no aparelho gastrintestinal, na medula óssea, etc., Muitas vezes pode levar a morte (em poucos dias ou num espaço de dez a quarenta anos, através de leucemia ou outro tipo de câncer). Estar em contato com a radiação é algo sutil e impossível de ser percebido imediatamente, já que no momento do impacto não ocorre dor ou lesão visível. A radiação ataca as células do corpo, fazendo com que os átomos que compõem as células sofram alterações em sua estrutura. As ligações químicas podem ser alteradas, afetando o funcionamento das células. Isso provoca, com o tempo, consequências biológicas no funcionamento do organismo como um todo; algumas consequências podem ser percebidas a curto prazo, outras a longo prazo. Às vezes vão apresentar problemas somente os descendentes (filhos, netos) da pessoa que sofreu alguma alteração genética induzida pela radioatividade. Séries radioativas A tabela a seguir indica a meia-vida de alguns isótopos radioativos O período de semidesintegração é aproximadamente 70% do valor da vida média (Vm): P ≅ 0,7 Vm Fissão nucelar A descoberta da reação de fissão nuclear ocorreu devido aos trabalhos de Enrico Ferni, Otto Hahn e Lise Meitner. A fissão nuclear é uma reação que ocorre no núcleo de um átomo. Geralmente o núcleo pesado é atingido por um nêutron, que, após a colisão, libera uma imensa quantidade de energia. No processo de fissão de um átomo, a cada colisão são liberados novos nêutrons. Os novos nêutrons irão colidir com novos núcleos, provocando a fissão sucessiva de outros núcleos e estabelecendo, então, uma reação que denominamos reação em cadeia. Um parâmetro importante para analisar a estabilidade de um núcleo é a razão entre o número de prótons e o número de nêutrons. Por um lado, a falta de nêutrons pode tornar a distância entre prótons tão pequena que a repulsão se torna inevitável, resultando na fissão do núcleo. Por outro lado, como a força nuclear é de curto alcance, o excesso de nêutrons pode acarretar uma superfície de repulsão eletromagnética insustentável, que também resultaria na fissão do núcleo. Assim, um dos principais fatores para a estabilidade do núcleo é que tenhamos N = Z. Quando o isótopo urânio-235 (235U) recebe um nêutron, ele passa para um estado excitado que corresponde ao urânio- 236 (236U). Pouco tempo depois esse novo núcleo excitado se 4 Sardella, A.; Química – São Paulo, 2003. Editora Ática. rompe em dois novos elementos. Esse rompimento, além de liberar novos nêutrons, libera uma grande quantidade de energia. Os nêutrons provenientes do rompimento do núcleo excitado vão encontrar novos núcleos, gerando, portanto, uma reação em cadeia. A fim de que os novos nêutrons liberados encontrem novos núcleos, para assim manter a reação em cadeia, após a fissão do núcleo de urânio, deve-se ter uma grande quantidade de urânio-235. Como a concentração de urânio-235 no mineral urânio é pouca, obtém-se o urânio 235 em grande escala através do processo de enriquecimento do urânio. A fissão nuclear de um átomo de urânio libera grande quantidade de energia, cerca de 200 Mev. Se for descontrolada, a reação será explosiva – é o que acontece com as bombas atômicas. Fusão Nuclear Praticamente toda energia que a Terra recebe diariamente é proveniente do Sol, que libera energia por reações termonucleares. As temperaturas elevadas no centro do Sol fornecem a energia necessária para que átomos de hidrogênio (H) se unam, num processo chamado fusão nuclear. Cinética Radioativa4 Esta parte da Química nuclear nos mostra a diferença do tempo de desintegração entre os elementos, enquanto alguns se desintegram lentamente, outros se desintegram de maneira rápida. As seguintes fórmulas são as bases para determinar as grandezas desse estudo. - Velocidade de desintegração; é o número de átomos de um material radioativo que se desintegram em determinado tempo: v = -∆n/∆t Sua unidade de medida é chamada de desintegrações por segundo (dps), ou becquerel (Bq) Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 17 - Constante radioativa; comprova-se experimentalmente que a velocidade de desintegração é proporcional ao número de átomos radioativos de um material radioativo: v = C . n Onde C é a constante de proporcionalidade chamada de constante radioativa. E para ∆t = 1, temos: C = -∆n/n - Intensidade radioativa; é o número de radiações alfa ou beta emitidas por um material radioativo na unidade de tempo: i = C . n - Vida média; é a média aritmética dos tempos de vida de todos os átomos radioativos de um material radioativo. A vida média é o inverso da constante radioativa: Vm = 1/C Não é possível prever a duração de vida de determinado átomo, mas pode-se conhecer o tempo estatístico de sua duração. Uso da energia nuclear e suas implicações ambientais A Energia nuclear é aquela gerada a partir da quebra dos átomos de determinados elementos químicos, sendo o urânio o mais utilizado na atualidade. O processo de produção de energia ocorre nas Usinas Nucleares. De acordo com dados atuais, cerca de 15% da energia gerada no mundo é proveniente destas usinas nucleares. Uma das vantagens da usina nuclear é a produção de uma energia mais limpa, já que 10 g de urânio é o suficiente para produzir a mesma quantidade de energia de 700 kg de petróleo e 1.200 kg de carvão. Outra vantagem das usinas nucleares é que não emitem gases, e não contribuem para o aquecimento global. As desvantagens apresentadas são a respeito do lixo radioativo, uma vez que a energia elétrica produzida é por intermédio do processo de fissão nuclear, e não pode ser deixado exposto devido à radiação, o que causaria problemas na fauna e flora da região. O lixo radioativo deve ser muito bem acondicionado, pois pode demorar centenas de anos para perder suas propriedades radioativas. Um outro fator de risco a ser considerado é a possibilidade de explosão da usina nuclear. O processo de fissão resulta em um alto aquecimento do urânio, e caso não seja controlado pode causar fusão do reator causando acidente nuclear de grandes proporções como as que acontecerem em Chernobyl na Ucrânia, e Fukushima no Japão. Questões 01. (UFRB- QUÍMICO- FUNRIO) Becquerel, o descobridor do urânio, observou em seus experimentos que diversos materiais emitiam raios com propriedades semelhantes às dos raios x, e essa propriedade ele denominouradioatividade. O estudo das partículas e radiações foi feito por Rutherford, que observou que elas apresentavam diferentes penetrações. Dessa forma, dentre as partículas e radiações, qual apresenta maior capacidade de penetração? (A) é – elétron. (B)p – próton. (C)α – alfa. (D)β – beta. (E)γ – gama. 02. (PETROBRAS-TÉCNICO QUÍMICO DE PETRÓLEO JÚNIOR) O espectro eletromagnético é dividido em regiões onde se agrupam ondas eletromagnéticas em faixas de energia específicas. Não faz parte do espectro eletromagnético a(s) (A)radiação alfa (B) radiação gama (C)luz visível (D)ondas de rádio (E)micro-ondas 03. (Unicamp-SP) Em 1946 a Química forneceu as bases científicas para a datação de artefatos arqueológicos, usando o 14C. Esse isótopo é produzido na atmosfera pela ação da radiação cósmica sobre o nitrogênio, sendo posteriormente transformado em dióxido de carbono. Os vegetais absorvem o dióxido de carbono e, através da cadeia alimentar, a proporção de 14C nos organismos vivos mantém-se constante. Quando o organismo morre, a proporção de 14C nele presente diminui, já que, em função do tempo, se transforma novamente em 14N. Sabe-se que, a cada período de 5730 anos, a quantidade de 14C reduz-se à metade. A) Qual o nome do processo natural pelo qual os vegetais incorporam o carbono? B) Poderia um artefato de madeira, cujo teor determinado de 14C corresponde a 25% daquele presente nos organismos vivos, ser oriundo de uma árvore cortada no período do Antigo Egito (3200 a.C. a 2300 a.C.)? Justifique. C) Se o 14C e o 14N são elementos diferentes que possuem o mesmo número de massa, aponte uma característica que os distingue. 04. (Fuvest-SP) Para diagnósticos de anomalias da glândula tireoide, por cintilografia, deve ser introduzido, no paciente, iodeto de sódio, em que o ânion iodeto é proveniente de um radioisótopo do iodo (número atômico 53 e número de massa 131). A meia-vida efetiva desse isótopo (tempo que decorre para que metade da quantidade do isótopo deixe de estar presente na glândula) é de aproximadamente 5 dias. A) O radioisótopo em questão emite radiação β–. O elemento formado nessa emissão é 52Te, 127I ou 54Xe? Justifique. Escreva a equação nuclear correspondente. B) Suponha que a quantidade inicial do isótopo na glândula (no tempo zero) seja de 1,000 μg e se reduza, após certo tempo, para 0,125 μg. Com base nessas informações, trace a curva que dá a quantidade do radioisótopo na glândula em função do tempo, utilizando o quadriculado a seguir e colocando os valores nas coordenadas adequadamente escolhidas. 05. (Vunesp) A Tomografia PET permite obter imagens do corpo humano com maiores detalhes, e menor exposição à radiação, do que as técnicas tomográficas atualmente em uso. A técnica PET utiliza compostos marcados com 11C. Este isótopo emite um pósitron, 0β, formando um novo núcleo, em um processo com tempo de meia-vida de 20,4 minutos. O pósitron emitido captura rapidamente um elétron, 0β, e se aniquila, emitindo energia na forma de radiação gama. A) Escreva a equação nuclear balanceada que representa a reação que leva à emissão do pósition. O núcleo formado no processo é do elemento B (Z = 5), C (Z = 6), N (Z = 7) ou O (Z = 8)? B) Determine por quanto tempo uma amostra de 11C pode ser usada, até que sua atividade radioativa se reduza a 25% de seu valor inicial. 06. (Unicamp-SP) Entre o doping e o desempenho do atleta, quais são os limites? Um certo “bloqueador”, usado no tratamento de asma, é uma das substâncias proibidas pelo Comitê Olímpico Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 18 Internacional (COI), já que provoca um aumento de massa muscular e diminuição de gordura. A concentração dessa substância no organismo pode ser monitorada através da análise de amostras de urina coletadas ao longo do tempo de uma investigação. O gráfico mostra a quantidade do “bloqueador” contida em amostras da urina de um indivíduo, coletadas periodicamente durante 90 horas após a ingestão da substância. Este comportamento é válido também para além das 90 horas. Na escala de quantidade, o valor 100 deve ser entendido como sendo a quantidade observada num tempo inicial considerado arbitrariamente zero. A) Depois de quanto tempo a quantidade eliminada corresponderá a 1/4 do valor inicial, ou seja, duas meias vidas de residência da substância no organismo? B) Suponha que o doping para esta substância seja considerado positivo para valores acima de 1,0 x 10-6 g/mL de urina (1 micrograma por mililitro) no momento da competição. Numa amostra coletada 120 horas após a competição, foram encontrados 15 microgramas de “bloqueador” em 150 mL de urina de um atleta. Se o teste fosse realizado em amostra coletada logo após a competição, o resultado seria positivo ou negativo? Justifique. 07. (U. E. Maringá-PR) Sobre as representações químicas a seguir, assinale o que for correto. 01) Representam o mesmo elemento químico. 02) Contêm o mesmo número de prótons e nêutrons. 04) Se representassem um mesmo elemento químico e fossem encontrados na natureza na proporção de 80% — 10% — 10%, respectivamente, a massa atômica desse elemento seria 24,3. 08) Se o elemento X pudesse formar um composto com o ânion nitrato, ele seria representado por XNO3. 16) O elemento X pode ser transformado em Y pela emissão de uma partícula β. 08. (Unicamp-SP) Em 1946 a Química forneceu as bases científicas para a datação de artefatos arqueológicos, usando o 14C. Esse isótopo é produzido na atmosfera pela ação da radiação cósmica sobre o nitrogênio, sendo posteriormente transformado em dióxido de carbono. Os vegetais absorvem o dióxido de carbono e, através da cadeia alimentar, a proporção de 14C nos organismos vivos mantém-se constante. Quando o organismo morre, a proporção de 14C nele presente diminui, já que, em função do tempo, se transforma novamente em 14N. Sabe-se que, a cada período de 5730 anos, a quantidade de 14C reduz-se à metade. A) Qual o nome do processo natural pelo qual os vegetais incorporam o carbono? B) Poderia um artefato de madeira, cujo teor determinado de 14C corresponde a 25% daquele presente nos organismos vivos, ser oriundo de uma árvore cortada no período do Antigo Egito (3200 a.C. a 2300 a.C.)? Justifique. C) Se o 14C e o 14N são elementos diferentes que possuem o mesmo número de massa, aponte uma característica que os distingue. 09. (Vunesp) Os radioisótopos são isótopos radioativos usados no tratamento de doenças. Várias espécies de terapias para câncer utilizam radiação para destruir células malignas. O decaimento radioativo é discutido, normalmente, em termos de meia-vida, t1/2, o tempo necessário para que metade do número inicial dos nuclídeos se desintegre. Partindo-se de 32,0g do isótopo 53 I131, e sabendo que seu tempo de meia-vida é 8 dias, A) determine quantas meias-vidas são necessárias para que a massa original de iodo se reduza a 8,0g, e quantos gramas de iodo terão sofrido desintegração após 24 dias; B) qual o tempo transcorrido para que a massa original de iodo seja reduzida a 1,0g. 10. O radioisótopo 222 Rn 86, por uma série de desintegrações, transforma-se no isótopo do 82Pb206. Determine o número de partículas alfa e o número de partículas beta envolvidas nessas transformações. (A) 2 partículas alfa e 2 partículas beta (B) 2 partículas alfa e 4 partículas beta (C)4 partículas alfa e 3 partículas beta (D) 4 partículas alfa e 4 partículas beta (E)3 partículas alfa e 3 partículas beta Respostas 01 Resposta: E Fazendo-se um comparativo entre as velocidades das partículas: A partícula Alfa é a mais lenta, apesar de ser mais energética, e atinge uma velocidade de 20.000 km/s A partícula Beta pode atingir uma velocidade de até95% da velocidade da luz. A partícula Gama atinge a velocidade das ondas eletromagnéticas (300.000 km/s), portanto tem maio capacidade de penetração e ainda conseguem atravessar boa parte dos materiais, 02 Resposta: A Por definição, radiação alfa também chamada de partículas alfa ou raios alfa, são partículas carregadas por dois prótons e dois nêutrons, sendo, portanto, núcleos de hélio. Apresentam carga positiva +2 e número de massa 4. Portanto ela pode ser considerada somente onda elétrica sem possuir características magnéticas. O espectro eletromagnético é composto de ondas elétricas e magnéticas se denominando radiação eletromagnética. 03 Resposta a) O processo natural de incorporação de carbono pelos vegetais e a fotossíntese. b) Cálculo do número de anos em que a árvore está morta: 100 x 14C 5730 anos 50% 14C 5730 anos 25% 14C Passaram-se 11460 anos. Considerando que estamos no ano 2000 d.C., isso corresponde a 9460 a.C. Portanto, a árvore não é oriunda do Antigo Egito (3200 a 2300 a.C.) c) As espécies diferem no número de prótons 14 6C 14 7N Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 19 04 Resposta a) 13159I → 0–1 B + 13154X Portanto o elemento formado será o 54Xe b) A curva será 05 Resposta a) 11 6C → 11 5B + 0 1B 20,4 min 20,4 min b) 100% 50% 25% O tempo total decorrido é 40,8 minutos 06 Resposta a) 60 horas b) 1,6 • 10–6 g “β-bloqueador” • Positivo ml urina 07 Resposta 01 + 04 = 05 08 Resposta a) O processo natural de incorporação de carbono pelos vegetais e a fotossíntese. b) Cálculo do número de anos em que a árvore está morta: 100 x 14C 5730 anos 50% 14C 5730 anos 25% 14C Passaram-se 11460 anos. Considerando que estamos no ano 2000 d.C., isso corresponde a 9460 a.C. Portanto, a árvore não é oriunda do Antigo Egito (3200 a 2300 a.C.) c) As espécies diferem no número de prótons 6C14 7N 14 09 Resposta a) Após 3 meias-vidas (24 dias) restaram 4,0g de 53I131; logo terão sofrido desintegração 28,0g. b) O tempo transcorrido para que a massa original seja reduzida a 1,0g é de 5 meias-vidas, ou seja, 40 dias 10 Resposta; D 86222Rn → 82206Pb O número de massa diminui 16 unidades. Como cada radiação alfa significa uma diminuição no número de massa em 4 unidades, temos que foram emitidas 4 partículas alfa, pois 4 . 4 = 16. Nesse momento, significou que ele perdeu também 2 unidades no número atômico para cada partícula alfa, dando um total de 8 e ficando com o número atômico igual a 78 (86 – 8). Para cada partícula beta emitida, o elemento ganha 1 unidade no número atômico. Como ele está com 78 e precisa atingir o número atômico igual a 82, ele emitiu 4 partículas beta. Ligações Químicas Interatômicas Se átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes não tivessem a capacidade de se combinarem uns com os outros, certamente não encontraríamos na natureza uma grande variedade de substâncias. Há diferentes maneiras pelas quais os átomos podem se combinar, como, por exemplo, mediante o ganho ou a perda de elétrons, ou pelo compartilhamento de elétrons dos níveis de valência. Alguns poucos elementos, como os da família dos gases nobres (família 0 ou VIIIA), aparecem na forma de átomos isolados. Esses elementos apresentam oito elétrons na camada de valência. O hélio (He) é a única exceção: ele apresenta apenas uma camada com dois elétrons. Em 1916, os cientistas Lewis e Kossel associaram esses dois fatos, ou seja, a tendência de elementos com oito elétrons na camada de valência aparecerem isoladamente, com a tendência que os elementos manifestam de perder, ganhar ou compartilhar elétrons. A partir dessa associação, propuseram uma teoria para explicar as ligações químicas entre os elementos: Essa teoria é aplicada principalmente para os elementos representativos (família A), sendo que os elementos de transição (família B) não seguem obrigatoriamente esse modelo. Embora existam muitas exceções a essa regra, ela continua sendo utilizada por se prestar muito bem como introdução ao conceito de ligação química e por explicar a formação da maioria das substâncias encontradas na natureza. Estabilidade dos gases nobres De todos os elementos químicos conhecidos, apenas 6, os gases nobres ou raros, são encontrados na natureza na forma de átomos isolados. Os demais se encontram sempre ligados uns aos outros, de diversas maneiras, nas mais diversas combinações. Eles são encontrados na natureza na forma de átomos isolados porque eles têm a última camada da eletrosfera completa, ou seja, com 8 elétrons. Mesmo o hélio, com 2 elétrons, está completo porque o nível K só permite, no máximo, 2 elétrons. Regra do Octeto – Os elementos químicos devem sempre conter 8 elétrons na última camada eletrônica ou camada de valência. Na camada K pode haver no máximo 2 elétrons. Desta forma os átomos ficam estáveis, com a configuração idêntica à dos gases nobres. 4. Ligação química: 4.1 Ligação iônica; 4.2 Ligação covalente; 4.3 Ligação metálica; 4.4 Polaridade das ligações e das moléculas; 4.5 Forças intermoleculares; 4.6 Geometria molecular. Teoria do octeto: um grande número de átomos adquire estabilidade eletrônica quando apresenta oito elétrons na sua camada mais externa. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 20 Essa estabilidade deve-se ao fato de que possuem a última camada completa, ou seja, com o número máximo de elétrons que essa camada pode conter, enquanto última. Os átomos dos demais elementos químicos, para ficarem estáveis, devem adquirir, através das ligações químicas, eletrosferas iguais às dos gases nobres. Ligações Interatômicas As ligações entre átomos são feitas de várias formas, mais sempre envolvendo a camada mais externa (camada de valência). Isso indica que são os elétrons do último nível que participam das ligações. Estudaremos os seguintes tipos: -Ligações iônicas -Ligações covalente -Ligação covalente dativa (também conhecida por ligação coordenada) -Ligação metálica Ligação iônica Em uma ligação iônica (também conhecida como ligação eletrovalente) ocorre transferência definitiva de elétrons, o que acarreta a formação de íons positivos (cátions) ou negativos (ânions), os quais originam compostos iônicos. Como todos os íons apresentam excesso de cargas elétricas positivas ou negativas, eles sempre terão polos. Podemos visualizar a formação de uma ligação iônica típica entre dois átomos hipotéticos, M (um metal) e X (um não- metal), da seguinte maneira: como M é um metal, sua energia de ionização é baixa, isto é, é necessária pouca energia para remover um elétron do átomo. A perda de um elétron por um átomo isolado (gasoso) M leva à formação de um íon positivo ou cátion. Por outro lado, como X é um átomo de um não-metal, o valor de sua afinidade eletrônica é negativo, portanto, possui uma grande tendência em ganhar elétrons e formar um ânion. Regra para montar a fórmula de um composto iônico. 5 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. No cloreto de magnésio existem dois íons, o cloreto (Cl) com número de oxidação -1 e o magnésio (Mg) com número de oxidação +2. A fórmula será 1 átomo de Mg (nox +2) e 2 átomos de Cl (nox -1). Determinação da fórmula iônica5 A fórmula correta de um composto iônico nos mostra a mínima proporção entre os íons que se unem de modo a formar um sistema eletricamente neutro. Para que isso ocorra, é necessário que o número de elétrons cedidos sejaigual ao número de elétrons recebidos. Uma maneira prática de determinar a quantidade necessária de cada íon para escrever a fórmula iônica é por exemplo: Formação do cloreto de sódio (sal de cozinha), a partir do sódio e do cloro. O Sódio: Na (Z = 11) = 1s2, 2s2, 2p6, 3s1 ou 2 – 8 – 1 O Cloro: Cl (Z = 17) = 1s2, 2s2, 2p6, 3s2,3p5 ou 2 – 8 – 7 Características e propriedades dos compostos iônicos: -Rígidos; -Duros e quebradiços -Solúveis em solventes polares; -Maus condutores de eletricidade no estado sólido; -Elevadas temperaturas de fusão e ebulição. Substâncias iônicas As substâncias iônicas são aquelas que apresentam pelo menos uma ligação iônica entre seus componentes. Entre estes compostos temos, por exemplo os cloretos (Ex.: NaCl - sal de cozinha), nitratos (NaNO3), sulfatos (Na2SO4), carbonatos (CaCO3), etc. 6Cloretos: Por conta de sua distribuição eletrônica (1s22s22p63s23p5), o Cloro está classificado como um membro da família 7A da tabela periódica, ou seja, ele possui 7 elétrons na camada de valência, logo ele é da família dos halogênios. Seguindo a regra do octeto o Cloro precisa de mais um elétron para poder atingir a estabilidade de um gás nobre, portanto ele tem uma necessidade de se ligar a outro átomo para poder atingir essa estabilidade. Para essa necessidade que ele tem de se ligar a outro elemento damos o nome de NOX, que é um valor que expressa a tendência de um átomo de fazer uma ligação química. O NOX do cloro é -1, que representa que ele precisa “ganhar” um elétron para se estabilizar. O íon de cloro é representado por Cl-, e o seu nome é Cloreto, onde ele é um ânion que participa da formação de muitos sais. De modo que um sal inorgânico se forme, é necessário que o cloreto se ligue a um cátion metálico. Para isso ocorrer o número de cargas positivas deverá ser exatamente o mesmo do que o de cargas negativas, ou seja, o NOX desse cátion deve ser igual a quantidade de cloretos da molécula desse sal. Um exemplo clássico é o Cloreto de Sódio (Sal de Cozinha), sua fórmula molecular é NaCl, repare que essa molécula não possui carga logo, ela está estável, pois o NOX do Sódio é +1 e o do 6 http://www.infoescola.com/ Metais – 1 a 3 elétrons na última camada; tendência a perder elétrons e formar cátions. Elementos mais eletropositivos ou menos eletronegativos. Não-Metais – 5 a 7 elétrons na última camada; tendência a ganhar elétrons e formar ânions. Elementos mais eletronegativos ou menos eletropositivos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 21 Cloreto é -1, suas cargas se anulam estabelecendo uma ligação iônica. Outro exemplo é o Cloreto de Cálcio, que possui fórmula molecular CaCl2, onde podemos observar que o cálcio possui o NOX de +2, logo a necessidade de dois cloretos para estabilizar essa molécula. Essa relação entre esses cátions e o cloreto também pode ser relacionada com a tabela periódica, onde os elementos da família do sódio (1A), tem todos NOX +1, e da família do cálcio (2A) tem NOX +2, ou seja eles se ligariam na mesma proporção. Nitratos: Os nitratos são compostos inorgânicos que contêm o ânion NO3-. O nitrogênio pertence à família 15 (5A) e o oxigênio pertence à família 16 (6A), e assim como o resto dos elementos de cada um desses grupos eles possuem 5 e 6 elétrons na camada de valência, respectivamente. Portanto o Nitrogênio necessita de três ligações para se estabilizar e cada átomo de oxigênio precisa de duas. Assim, no ânion nitrato, o nitrogênio é o elemento central, que realiza uma ligação dupla com um dos oxigênios, que fica estável, e mais duas ligações simples com os outros dois oxigênios. Isso significa que esses dois oxigênios não ficam estáveis, precisando ainda receberem mais 1 elétron cada, dando um total de carga igual a -2. Porém, visto que o nitrogênio faz uma ligação a mais do que poderia fazer, ele doa um de seus elétrons, ficando com carga igual a +1. Assim, no total, o ânion fica monovalente (- 2 + 1 = -1). Veja abaixo a estrutura desse ânion: Sulfatos7: O sulfato trata-se de um átomo de enxofre central ligado a quatro átomos de oxigênio por meio de ligações covalentes (será explicado mais adiante) e tem a fórmula molecular SO42- . A substância iônica mais famosa que o íon sulfato faz parte é, provavelmente, o H2SO4 (ácido sulfúrico), ele tem importância laboratorial, industrial e chega a ser importante até para os seres vivos. Apesar de existirem ligações covalentes no íon sulfato, baixo pode ser compreendido pelo conceito da dissociação, como compostos com sulfato pode ser iônicos. No qual é apresentada a molécula de sulfato de sódio, se dissociando em a água e formando íons. Como podemos ver o íon sulfato não se dissocia, ele permanece na forma de íon. Por isso, mesmo tendo ligações covalentes em seu interior, compostos com íon sulfato são iônicos. Carbonatos: Carbonatos são sais inorgânicos formados pelo ânion CO32- . A principal característica desse grupo de compostos é a insolubilidade em água: todos são insolúveis, com exceção do carbonato de amônio (NH4)2CO3 e dos de metais alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs e Fr). Podem ser formados a partir da reação de ácido carbônico (H2CO3) com óxidos básicos. A reação de carbonatos com ácidos tem como produto o dióxido de carbono (CO2). Isso ocorre porque o contato com o íon H+ torna o carbonato mais instável e sujeito à 7 BARBOSA, Addson; Dicionário de Química, 2° Ed.; AB – Editora, Goiânia, 2000. decomposição, que produz o CO2. Esse processo consiste numa efervescência, que acontece, por exemplo, no estômago quando um antiácido é ingerido. Ligação covalente8 Diferente da ligação iônica, a ligação covalente é estabelecida pela capacidade dos átomos de compartilhar elétrons e não uma transferência definitiva de deles. Ao observar a configuração eletrônica do átomo de cloro por exemplo, ele possui número atômico igual a 17 e sua distribuição eletrônica por camadas é K=2, L=8, M=7. Como sabemos ele precisa de mais um elétron para se tornar estável, entretanto existe um composto formado por dois átomos de Cloro, o Cl2, como é possível que este composto seja estável se os dois átomos de cloro “querem” receber elétrons? Nesse caso a estabilidade dessa molécula não é atingida pela transferência de elétrons, mas sim pelo compartilhamento como já foi citado. As substâncias formadas através das ligações covalentes apresentam-se como unidades de grandeza limitada, denominadas moléculas; por isso a ligação covalente é também denominada de ligação molecular. A ligação covalente pode ocorrer através de um ou mais pares de elétrons. Cada par eletrônico compartilhado entre dois átomos pode ser representado, nas fórmulas estruturais, por um traço (-). Assim, podemos ter: A ligação covalente e a tabela periódica A relação entre a posição na tabela e o número de ligações é indicada a seguir: Família VIIA (família dos Halogênios) Os elementos da família VIIA apresentam 7e- na sua última camada (camada de valência). Assim, eles atingem a estabilidade ao compartilharem um único par eletrônico sendo assim denominados monovalentes. Exemplo: Ligação entre dois átomos de cloro (Cl2). (Uma ligação simples) 8 Sardella, A.; Química – São Paulo, 2003. Editora Ática. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 22 Família VIA (família dos Calcogênios) Os elementos da família dos calcogênios apresentam 6e- na sua camada de valência. Diante disso, eles devem adquirir dois pares eletrônicos para alcançar a estabilidade, sendo denominados bivalentes. Exemplo:Ligação entre dois átomos de oxigênio (O2). (Duas ligações simples = Dupla Ligação) Família VA Estes elementos apresentam 5e- na sua camada de valência, assim devem adquirir a estabilidade ao compartilharem três partes eletrônicos (trivalentes). Exemplo: Ligação entre dois átomos de Nitrogênio (N2). (Três ligações simples = Tripla Ligação) Família IVA Como estes elementos apresentam 4e- na camada de valência, eles alcançarão a estabilidades quando compartilharem quatro pares eletrônicos (tetravalentes). Exemplo: gás metano (CH4) (Quatro ligações simples) Hidrogênio O hidrogênio (1s1) para adquirir sua configuração eletrônica estável, ele deve ganhar um elétron e compartilhar um par eletrônico (Monovalente). Exemplo: Ligação entre dois átomos de Hidrogênio (H2). Substâncias moleculares Moléculas são a menor combinação de átomos que mantém a composição da matéria inalterada. As substâncias moleculares são substâncias formadas por moléculas, ou seja, elas não apresentam cargas livres e por isso não conduzem bem calor e corrente elétrica. Propriedades das substâncias moleculares: - Podem ser sólidas (pouco duras e muito quebradiças), líquidas ou gasosas à temperatura ambiente; - Forças de coesão das moléculas --> fracas e por isso, pontos de fusão e de ebulição baixos; - Em geral são más condutoras elétricas e térmicas porque as moléculas são partículas neutras; Exemplos: Hidrogênio (H2) O Hidrogênio é um gás inflamável, não tóxico, incolor, inodoro e insípido. Sendo o gás de densidade mais baixa conhecida, normalmente é transportado em cilindros de aço a pressões entre 150 e 200 bar. O H2 pode ser obtido industrialmente por alguns métodos como: A partir do carvão Pelo processo Lane 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 Por eletrólise 2H2O → 2H2 + O2 2NaCI + 2H2O → 2NaOH + H2 + CI2 Oxigênio (O2) O oxigênio é um gás incolor, inodoro e, no estado líquido, é azul pálido. É o elemento mais abundante na Terra, tanto em porcentagem de átomos, como em massa. Está na atmosfera, combinado com hidrogênio na hidrosfera e combinado como silício, ferro, alumínio e outros elementos na crosta terrestre (litosfera). É o comburente das combustões, portanto sem ele não há fogo. É obtido industrialmente por liquefação e posterior destilação fracionada do ar atmosférico, e igual ao H2 pode ser obtido pela pela eletrólise da água: 2H2O → 2H2 + O2 Nitrogênio (N2) O nitrogênio é um gás, incolor, inodoro, insípido e inerte. Ocorre na Terra como o principal constituinte do ar atmosférico onde se encontra livre (N2). É difícil encontrar compostos inorgânicos do nitrogênio como minerais, pois a maioria é solúvel em água. O nitrogênio é encontrado em compostos orgânicos em todos os seres vivos, animais e plantas. Certas bactérias no solo e raízes de algumas plantas, especialmente os legumes, convertem o nitrogênio atmosférico em nitrogênio orgânico, que é, então, transformado por outras bactérias em nitrato, a forma de nitrogênio mais usada pelas plantas na síntese de proteínas. Assim como o O2, o nitrogênio pode ser obtido industrialmente por liquefação e posterior destilação fracionada do ar atmosférico, e em laboratório é obtido pela decomposição do nitrito de amônio (NH4NO2): Gás cloro (Cl2) O cloro é comumente encontrado em alguns produtos domésticos. O gás de cloro pode ser pressurizada e/ou aquecido para transformar-se num líquido, de modo que ele possa ser transportado e armazenado. Quando o cloro líquido é liberado, ele rapidamente se transforma em um gás que fica perto do chão e se espalha rapidamente. O gás de cloro pode ser reconhecido pelo seu odor picante, irritante, que é como o odor de alvejante. O cheiro forte pode fornecer um sinal adequado para as pessoas que foram expostas. O gás de cloro parece ser amarelo esverdeado na cor. O cloro em si não é inflamável, mas pode reagir explosivamente ou formar compostos explosivos com outros produtos químicos, tais como terebintina e amoníaco. Gás Amoníaco ou Amônia (NH3) A amônia ou gás amoníaco (NH3) é uma composto formado por um átomo de nitrogênio ligado à três de hidrogênio. É um gás incolor, com odor característico, sufocante, e sua inalação, em altas concentrações, causa problemas respiratórios. Este composto é obtido por um processo famoso chamado Haber-Bosch que consiste em reagir nitrogênio e hidrogênio em quantidades estequiométricas sob elevada temperatura e pressão. É a maneira de obtenção de amônia mais utilizada Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 23 hoje em dia. Esse processo leva o nome de seus desenvolvedores Fritz Haber e Carl Bosch. Ácido Clorídrico (HCl) O ácido clorídrico é formado pelo gás cloreto de hidrogênio (HCl) dissolvido em água, numa proporção de cerca de 37% do gás. É um ácido inorgânico forte, levemente amarelado, em que seus cátions H+ são facilmente ionizáveis. A 18 ºC o grau de ionização do ácido clorídrico, isto é, a porcentagem de hidrogênios que efetivamente sofrem ionização é de 92,5%. Este ácido é muito usado na limpeza e galvanização de metais, no curtimento de couros, na obtenção de vários produtos, como na produção de tintas, de corantes, na formação de haletos orgânicos, é usado também na hidrólise de amidos e proteínas pelas indústrias alimentícias e na extração do petróleo, dissolvendo as rochas e facilitando o seu fluxo até a superfície. Ele pode ser encontrado também no suco gástrico do estômago, cuja ação é ajudar na digestão dos alimentos. Gás Metano (CH4) O metano (CH4) é um gás que não possui cor (incolor) nem cheiro (inodoro). Considerado um dos mais simples hidrocarbonetos, possui pouca solubilidade na água e, quando adicionado ao ar, torna-se altamente explosivo. O gás metano é produzido pela decomposição da matéria orgânica. É abundante em aterros sanitários, lixões e reservatórios de hidrelétricas, e também pela criação de gado (a pecuária representa 16% das emissões mundiais de gases de efeito estufa) e cultivo de arroz. Também é resultado da produção e distribuição de combustíveis fósseis (gás, petróleo e carvão). Se comparado ao CO2, também é mais perigoso: o metano é mais eficiente na captura de radiação do que o CO2. O impacto comparativo de CH4 sobre a mudança climática é mais de 20 vezes maior do que o CO2, isto é, 1 unidade de metano equivale a 20 unidades de CO2. Fórmulas químicas A representação do número e dos tipos de átomos que formam uma molécula é feita por uma fórmula química. Existem diferentes tipos de fórmulas: a molecular, a eletrônica e a estrutural plana. Molecular: é a representação mais simples e indica apenas quantos átomos de cada elemento químico formam a molécula. Eletrônica: também conhecida como fórmula de Lewis, esse tipo de fórmula mostra, além dos elementos e do número de átomos envolvidos, os elétrons da camada de valência de cada átomo e a formação dos pares eletrônicos. Estrutural plana: também conhecida como fórmula estrutural, ela mostra as ligações entre os elementos, sendo cada par de elétrons entre dois átomos representado por um traço. Perceba que mais de um par de elétrons pode ser compartilhado, formando-se, então, ligações simples, duplas e triplas. Veja as fórmulas de algumas moléculas simples: Casos particulares que contrariam a regra do octeto Vários compostos estáveis não apresentam oito elétrons em torno de um átomo da molécula. Veja alguns elementos que não seguem a regra do octeto: Berílio (Be): embora classificado como metal alcalino- terroso, pelo fato de seus dois elétrons da camada de valência apresentarem elevadas energias de ionização, forma compostos moleculares com duas ligações simples. Assim, estabiliza-se com quatro elétrons na camada de valência.Boro (B): forma compostos estáveis através de três ligações simples, estabilizando-se com seis elétrons na camada de valência. Alumínio (Al): como seus elétrons de valência apresentam elevadas energias de ionização, o alumínio forma, em alguns casos, três ligações simples. Assim, estabiliza-se com seis elétrons na camada de valência. As explicações anteriores baseiam-se em fatos experimentais. Compostos como BF3, BeF2 e AlCl3 apresentam TF e TE baixas, quando comparados com compostos iônicos, o que evidencia que eles são moleculares. Ligação Covalente Dativa A ligação covalente dativa, também chamada de coordenada, ocorre quando um dos átomos envolvidos já atingiu a estabilidade e um outro átomo ainda precisa de dois elétrons para completar sua camada de valência. Essa ligação é semelhante à covalente comum, na medida em que existe um compartilhamento de um par eletrônico. (Ligação covalente dativa) Resumindo: A ligação covalente ocorre entre: Hidrogênio – Hidrogênio Hidrogênio – Não-metal Não-metal – Não-metal Obs.: Os semimetais também podem ser incluídos. A Ligação covalente e suas variações alotrópicas A alotropia é a propriedade pela qual os átomos de um mesmo elemento químico pode originar uma ou mais Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 24 substâncias simples e diferentes, através do compartilhamento de elétrons. As variedades alotrópicas dos átomos podem variar devido ao: - Número de átomos que forma cada molécula, isto é, sua atomicidade Exemplo: Oxigênio (O): O elemento oxigênio forma duas variedades alotrópicas: uma delas, mais abundante na atmosfera, é o gás oxigênio (O2) e a outra, o ozônio (O3) O2: Cada molécula é formada por 2 átomos dando origem ao gás oxigênio O3: Cada molécula é formada por 3 átomos dando origem ao gás ozônio. OBS: A transformação de O2 (g) em O3 (g) pode ser feita utilizando descargas elétricas - Arranjo dos átomos no retículo cristalino: Exemplo: Carbono (C) O diamante, o fulereno e a grafita, são as formas alotrópicas do elemento químico carbono. Estas substâncias diferem entre si pela estrutura cristalina, isto é, pela forma de seus cristais. A maneira dos átomos de carbono se unirem é diferente em todos estes três compostos, ou seja, se diferem no retículo cristalino. Essas variedades alotrópicas apresentam propriedades físicas diferentes e suas propriedades químicas, na maioria das vezes, são semelhantes. Vejamos com mais detalhes os principais casos de alotropia do carbono: Diamante: No diamante, cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos também de carbono não contidos num mesmo plano. Grafita: A grafita é formada por uma estrutura composta de anéis hexagonais contidos num mesmo plano. Como os anéis estão em um mesmo plano, esse conjunto forma lâminas. Assim, a grafita é constituída por um grande número dessas lâminas sobrepostas, permitindo o deslizamento de um sobre a outra. Fulereno: Os fulerenos são uma forma alotrópica do Carbono, a terceira mais estável após o diamante e o grafite. Tornaram-se populares entre os químicos, tanto pela sua beleza estrutural quanto pela sua versatilidade para a síntese de novos compostos químicos. Ligação Metálica É o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de metais. Quando muitos destes átomos estão juntos num cristal metálico, estes perdem seus elétrons da última camada. Forma-se, então, uma rede ordenada de íons positivos mergulhada num mar de elétrons em movimento aleatório. Se aplicarmos um campo elétrico a um metal, orientamos o movimento dos elétrons numa direção preferencial, ou seja, geramos uma corrente elétrica. Teoria do “mar de elétrons” ou teoria da “nuvem eletrônica” A principal característica dos metais é a eletropositividade (tendência de doar elétrons), assim os elétrons da camada de valência saem facilmente do átomo e ficam “passeando” pelo metal, o átomo que perde elétrons se transforma num cátion, que, em seguida, pode recapturar esses elétrons, voltando a ser átomo neutro. O metal seria um aglomerado de átomos neutros e cátions, imersos num “mar de elétrons livres” que estaria funcionando como ligação metálica, mantendo unidos os átomos e cátions de metais. Característica e propriedades dos metais: -Brilho metálico: o brilho será tanto mais intenso quanto mais polida for a superfície metálica, assim os metais refletem muito bem a luz. -Condutividades térmica e elétrica elevadas: os metais são bons condutores de calor e eletricidade pelo fato de possuírem elétrons livres. -Densidade elevada: os metais são geralmente muito densos, isto resulta das estruturas compactas devido à grande intensidade da força de união entre átomos e cátions (ligação metálica), o que faz com que, em igualdade de massa com qualquer outro material, os metais ocupem menor volume. -Resistência à tração: os metais resistem às forças de alongamentos de suas superfícies, o que ocorre também como consequência da “força” da ligação metálica. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 25 -Pontos de fusão e ebulição elevados: os metais apresentam elevadas temperaturas de fusão e ebulição, isto acontece porque a ligação metálica é muito forte. -Maleabilidade: a propriedade que permite a obtenção de lâminas de metais. -Ductilidade: a propriedade que permite a obtenção de fios de metal. As ligas metálicas As ligas metálicas são uniões de dois ou mais metais, podendo ainda incluir semimetais ou não metais, mas sempre com predominância dos elementos metálicos. Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção. Podemos dizer que as ligas metálicas têm maiores aplicações práticas que os próprios metais puros: Aço: Formado pela mistura de aproximadamente 98,5% de ferro, 0,5 a 1,7% de carbono e traços de silício, enxofre e oxigênio. É usado em peças metálicas que sofrem elevada tração, pois é mais resistente à tração do que o ferro puro. O aço é uma liga usada para produzir outras ligas metálicas. Aço Inox: Formado por 74% de aço, 18% de cromo e 8% de níquel. Por ser praticamente inoxidável, é usado em talheres, peças de carro, brocas, utensílios de cozinha e decoração. Ouro 18 quilates: Liga formada por 75% de ouro, 13% de prata e 12% de cobre. Sua vantagem em relação ao ouro puro é que esse metal é macio e pode ser facilmente riscado. Além disso, a liga mantém as propriedades desejadas do ouro, como brilho, dureza adequada para a joia e durabilidade. Bronze: Formado por 67% de cobre e 33% de estanho. Sua principal propriedade é resistência ao desgaste, sendo muito usado para produzir sinos, medalhas, moedas e estátuas. Latão: Mistura de 95 a 55% de cobre e de 5 a 45% de zinco. Devido a sua alta flexibilidade, ele é usado para produzir instrumentos musicais de sopro, como trompete, flauta, saxofone etc., além de também ser aplicado em peças de máquinas, produção de tubos, armas e torneiras. Amálgama: Muito usada em obturações nos dentes, a amalgama é formada pela mistura de 70% de prata, 18% de estanho, 10% de cobre e 2% de mercúrio. Ela é bastante resistente à oxidação (corrosão) e é bem maleável, podendo ser moldada no dente do paciente. Solda: Formada por 67% de chumbo e 33% de estanho, ela é usada em solda de contatos elétricos porque possui baixo ponto de fusão. Propriedades características e propriedades das ligas metálicas: -Condução da energia elétrica – elétrons são promovidosa níveis energéticos mais elevados que estão disponíveis (vazios). -Condução de energia térmica: Elétrons “deslocalizados” interagem fracamente com os núcleos. -No aquecimento os elétrons adquirem grande quantidade de energia cinética e deslocam-se para as regiões mais frias. -Dissipação desta energia através de choque com outras partículas levando a aquecimento do retículo. -Vibração dos cátions em suas posições no retículo cristalino também contribui – razão pela qual a condutividade elétrica dos metais cai com o aumento da temperatura. Polaridade de moléculas Como vimos então, as moléculas podem ser classificadas quanto à sua polaridade em dois grupos: polares ou apolares. Experimentalmente, uma molécula é considerada polar quando se orienta na presença de um campo elétrico externo, e apolar quando não se orienta. O pólo 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 (μr), isto é, pela soma dos vetores de cada ligação polar da molécula. Para determinar o vetor μr devem-se considerar dois fatores: a) a escala de eletronegatividade, que nos permite determinar a orientação dos vetores de cada ligação polar; b) a geometria da molécula, que nos permite determinar a disposição espacial desses vetores. Veja a seguir alguns exemplos: Uma outra forma de determinar a polaridade da maioria das moléculas é estabelecendo uma relação entre o número de nuvens eletrônicas ao redor do átomo central A e o número de átomos iguais ligados a ele. Geometria molecular As moléculas são formadas por átomos unidos por ligações covalentes e podem apresentar, na sua constituição, de dois a milhares de átomos. A disposição espacial dos núcleos desses átomos irá determinar diferentes formas geométricas para as moléculas. Portanto, toda molécula formada por dois átomos (diatômicas) será sempre linear, pois seus núcleos estarão obrigatoriamente alinhados, como em: H2: H---H HCl: H---Cl Para prever a geometria das moléculas que apresentam mais de dois átomos utiliza-se a teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência. Essa teoria está apoiada 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, de forma a ficarem orientadas no espaço com a maior distância angular possível. Para você visualizar melhor essa teoria, representaremos cada par eletrônico (2 elétrons de valência) ao redor de um átomo central como uma nuvem eletrônica de formato ovalado. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 26 Nessa teoria, é importante destacar que uma nuvem eletrônica pode corresponder a: -Uma ligação covalente simples: — ou -Uma ligação covalente dupla: = -Uma ligação covalente tripla: ≡ -Um par de elétrons não-ligantes: xx Assim, a orientação espacial dessas nuvens dependerá do número total de pares eletrônicos ao redor de um átomo central A. Em contrapartida, a geometria das moléculas será determinada pela posição dos núcleos dos átomos ligados ao átomo central A. Considerando a orientação das nuvens e o número de átomos ligados ao átomo central, temos as possíveis geometrias moleculares, de acordo com a posição dos núcleos dos átomos. Com base no quadro abaixo, podemos observar a relação da geometria das moléculas com o número de nuvens eletrônicas localizadas ao redor do átomo central: Ponto de Fusão e de Ebulição dos Compostos Orgânicos9 Em geral, os pontos de fusão e de ebulição dos compostos orgânicos são menores do que os dos compostos inorgânicos, como substâncias iônicas e metálicas. Isso acontece porque quanto mais forte é a força intermolecular que mantém as moléculas de determinada substância unidas, mais energia será necessário fornecer ao meio para que essas interações sejam rompidas e elas mudem de estado físico, o que resulta em maiores pontos de fusão e ebulição. Assim, as forças intermoleculares existentes nos compostos orgânicos são fracas em comparação às forças dos compostos inorgânicos. Por exemplo, dois compostos comuns em nossas cozinhas são o sal e o açúcar. Fisicamente, eles se parecem muito, pois são sólidos brancos em forma de pequenos cristais. Porém, suas propriedades físicas e químicas são muito diferentes, incluindo os pontos de fusão e de ebulição. Isso se deve à constituição de cada um. O sal é um composto inorgânico iônico, o cloreto de sódio (NaCl), e o açúcar é a sacarose, um composto orgânico cuja fórmula molecular é: C12H22O11. Ao colocar esses dois produtos no fogo, vemos que o açúcar – o composto orgânico - funde-se a uma temperatura bem menor que o sal - o composto inorgânico. O ponto de fusão do açúcar é 185ºC enquanto que o do sal é de 801ºC. Devido a essa baixa intensidade das interações intermoleculares, existem compostos orgânicos nos três estados físicos em temperatura ambiente. Exemplo:O álcool (etanol – C2H6O), usado como combustível, como bebida e como desinfetante, é líquido; o butano (C4H10), usado no gás de cozinha e de isqueiro, é gasoso; e o fenol (C6H6O), usado como bactericida, é sólido. 9 http://alunosonline.uol.com.br/quimica/ponto-fusao-ebulicao-dos- compostos-organicos.html A seguir, temos uma tabela comparando os pontos de fusão e ebulição destas substâncias: Quando comparamos os pontos de fusão e de ebulição entre compostos orgânicos, vemos que três coisas afetam estas propriedades: as interações intermoleculares, a polaridade e a massa molecular. Interações Intermoleculares10 Quando a matéria se aproxima, os átomos ou íons nela presentes podem ou interagir ou reagir. Para a reação ocorrer é necessário que ligações entre os átomos sejam desfeitas e refeitas em diferentes combinações ou proporções. Já uma interação é identificada quando uma molécula é atraída ou repelida por outra, sem que haja o rompimento ou surgimento de novas ligações interatômicas. Dipolo-Dipolo As interações do tipo dipolo-dipolo, também conhecidas como dipolo permanente-dipolo permanente, são formadas pela diferença de eletronegatividade dentro das moléculas, o que torna as moléculas polares (possuem carga). Como por exemplo a molécula de HCl é polar devido a diferença de eletronegatividade entre o H e o Cl, sua extremidade negativa (Cloro) atrai a extremidade positiva (Hidrogênio) de outra molécula e vice e versa. Essa interação é chamada de dipolo- dipolo e ocorre em todas as substâncias polares Forças de London Em uma molécula apolar, a sua nuvem eletrônica está distribuída uniformemente e está em constante movimento, se por uma pequena fração de segundo essa nuvem eletrônica se deslocar mais para uma das extremidades da molécula pode- se dizer que foi criado um dipolo-instantâneo, que significa que por um instante aparecem dois polos na molécula mesmo ela sendo apolar. Assim a extremidade positiva desse dipolo atrai os elétrons presentes em uma molécula vizinha, criando assim um dipolo-induzido nela. Essa atração ocorre como no caso do dipolo permanente-dipolo permanente, a diferença é que essa atração dura apenas uma fração de segundo. As interações dipolo instantâneo-dipolo induzido são conhecidas também como forças de dispersão de London, que é uma homenagem ao físico Fritz Wolfgang London. Essas interações ocorrem na verdade em todas as substâncias polares ou apolares, que apesar de serem interações fracas, são o único tipo de interações intermolecular que ocorre em moléculas apolares. Um nome comum que é usado pra representar essa interação é força de Van der Walls. 10 Rocha, R.W.; Interações Intermoleculares – Química Nova Escola, 2001. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 27 Ligações de Hidrogênio Os elementos F (Flúor), O (Oxigênio) e N (Nitrogênio) são muito eletronegativos e possuem um raio atômico pequeno. Quando esses elementos estão ligados a um átomo de hidrogênio eles provocam uma grande polarização dessa ligação, ou seja, o polo positivo que é formado no átomo de hidrogênio possui grande intensidade. Por conta dessa intensidade o hidrogênio interage com o par de elétrons de moléculas vizinhas. Atualmente esse tipo de interação entre moléculas recebe o nome de ligação de hidrogênio porém é muito conhecida como ponte de hidrogênio. É a interação intermolecular mais forte conhecida. Questões 01. O elemento “A” possui número atômico igual a 6, enquanto o elemento “B” possui número atômico igual a 8. A molécula que representa corretamente o composto formado por esses dois elementos é: (A) AB (B) BA (C) A2B (D) AB2 (E) B2A 02. Sabe-se que a interação entre átomos que se ligam, na formação de novas substâncias, é feita através de seus elétrons mais externos. Uma combinação possível entre o elemento A com a configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 e outro B (Z = 17) terá fórmula e ligação, respectivamente: (A) AB e ligação iônica. (B) A2B e ligação iônica. (C) A2B3 e ligação covalente. (D) AB2 e ligação iônica. (E) A2B e ligação covalente. 03. (UFU-MG) O fosgênio (COCl2), um gás, é preparado industrialmente por meio da reação entre o monóxido de carbono e o cloro. A fórmula estrutural da molécula do fosgênio apresenta: (A) uma ligação dupla e duas ligações simples. (B) uma ligação dupla e três ligações simples. (C) duas ligações duplas e duas ligações simples. (D) uma ligação tripla e duas ligações simples. (E) duas ligações duplas e uma ligação simples. 04. Os elementos H, O, Cl e Na (ver Tabela Periódica) podem formar compostos entre si. A) Que compostos podem-se formar entre: H e O, H e Cl, Na e Cl? B) Qual o tipo de ligação formada em cada caso? 05. Cite três características físicas que permitem identificar um elemento metálico. 06. Os átomos pertencentes à família dos metais alcalinos terrosos e dos halogênios adquirem configuração eletrônica de gases nobres quando, respectivamente, formam íons com números de carga: (A) + 1 e – 1. (B) – 1 e + 2. (C) + 2 e – 1. (D) – 2 e – 2. (D) + 1 e – 2 07. Considere o elemento cloro formando compostos com, respectivamente, Hidrogênio, carbono, sódio e cálcio. A) Com quais desses elementos o cloro forma compostos covalentes? B) Qual a fórmula de um dos compostos covalentes formados? 08. Os elementos químicos que apresentam a última camada eletrônica incompleta podem alcançar uma estrutura mais estável unindo-se uns aos outros. A) De que forma se podem ligar dois átomos que precisem ganhar elétrons? B) Dois elementos situam-se: um no segundo período e subgrupo 4A; e o outro, no terceiro período e subgrupo 7A da Tabela Periódica. Qual será a fórmula provável do composto por eles formado? Respostas 01. Resposta D. Pela da distribuição eletrônica de cada elemento, descobrimos a que família pertencem, quantos elétrons eles possuem na sua última camada (camada de valência) e, também, quantas ligações covalentes cada um realiza: 6A: 2 – 4 8B: 2 – 6 Assim, o elemento A é da família 14, possuindo 4 elétrons na camada de valência e precisando receber mais 4 elétrons para ficar estável. O elemento B da família 16 possui 6 elétrons na camada de valência e precisa realizar duas ligações para ficar estável. Diante disso, temos: Portanto, a fórmula molecular nesse caso é: AB2. Visto que o A é o átomo central ele vem primeiro. Se olharmos na Tabela Periódica, veremos que o elemento A é o carbono e o elemento B é o oxigênio. Então, a fórmula é: CO2. 02. Resposta: D. A ⇒ 2 elétrons na camada de valência Tendência a doar 2 e– ⇒ A2+ B ⇒ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 7 elétrons na camada de valência Tendência a receber 1 e– ⇒ B1– A ligação é iônica, pois, ocorre entre átomos de um metal (A) e de um ametal (B). Teremos a transferência dos 2 elétrons do A. Porém, cada B só recebe um elétron. Precisaremos, portanto, de 2 átomos de B para receberem os 2 elétrons do A. Então, para 1A preciso de 2B, Logo: AB2. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 28 03. Resposta A. Como se pode ver na sua fórmula abaixo, o fosfagênio apresenta uma ligação dupla e duas ligações simples: 04. Resolução: A) H2O, H2O2, HCl, NaCl. B) H2O, covalente; H2O2, covalente; HCl, covalente; NaCl, iônica. 05. Resolução: Condutividade elétrica, condutividade térmica, brilho, maleabilidade, ductilidade, tenacidade (resistência a tração). 06. Resposta C. Para adquirir a mesma configuração eletrônica de um gás nobre um elemento deve apresentar oito elétrons na última camada. Para tal, um elemento classificado como metal alcalino terroso deve doar dois elétrons e um halogênio receber um. 07. Resolução: A) com o Hidrogênio e o carbono B) H – Cl 08. Resolução: A) por ligação covalente B) CCl4 Funções da Química Inorgânica As propriedades funcionais são propriedades comuns a determinados grupos de substâncias, identificados pela função que desempenham, e esses grupos são denominados de funções químicas, que podem ser divididas em orgânicas e inorgânicas. Os compostos orgânicos são diferenciados dos inorgânicos pela presença de átomos de carbono ligados em “cadeias”, bem como ligados diretamente a átomos de hidrogênio. Algumas de suas funções são: álcoois, fenóis, cetonas, aldeídos, aminas, ésteres, entre outras que são estudadas pela Química Orgânica. Já as funções inorgânicas são aquelas que são constituídas por todos os demais elementos químicos que formam ácidos, bases, sais e óxidos, que são estudados pela Química Inorgânica. ÁCIDOS Antes da teoria de Arrhenius, os ácidos eram conceituados por uma série de propriedades comuns, como: Apresentar sabor azedo, tornar róseo o papel de tornassol azul, produzir efervescência liberando gás carbônico, quando adicionados ao mármores e a outros carbonatos. Entretanto, depois de Arrhenius, pôde-se entender que essas propriedades comuns são consequência do fato de todos os ácidos apresentarem o mesmo íon positivo, H+. Porém, antes de se dissolverem em água os ácidos são compostos moleculares, porque para que ocorra a liberação de íons H+, eles precisam estar em meio aquoso. Exemplo: HCl, HNO3 e H2SO4 puros (na ausência de água) não formam íons. A ionização ocorre quando são dissolvidos em água. Assim, verifica-se que todos os ácidos conduzem corrente elétrica. Nomenclatura dos ácidos Para efeito de nomenclatura, os ácidos são divididos em dois grupos: - Hidrácidos; - Oxiácidos. 1. Hidrácidos (HxE): Ácidos sem oxigênio. Seus nomes são dados da seguinte maneira: Exemplos: HF = ácido fluorídrico HBr = ácido bromídrico H2S = ácido sulfídrico HCl = ácido clorídrico HI = ácido iodídrico HCN = ácido cianídrico 2. Oxiácidos: ácidos com oxigênio. Uma das maneiras mais simples de dar nome a esses ácidos é a partir do nome e da fórmula dos ácidos-padrão de cada família. Com base nessas fórmulas e com a variação do número de átomos de oxigênio, determinam-se as fórmulas e os nomes de outros ácidos, com o uso de prefixos e sufixos. Observe: Assim, teremos: Família 14/IVA (C) -H2CO3 — ácido carbônico 5. Função inorgânica: 5.1 Ácidos e bases; 5.2 Óxidos e sais. Resumindo: Ácido é toda substância que, em solução aquosa, libera como íons positivossomente H+. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 29 Família 15/VA (N, P, As) -HNO3 — ácido nítrico -H3PO4 — ácido fosfórico -HNO2 — ácido nitroso Família 16/VIA (S, Se) -H2SO4 — ácido sulfúrico -H2SO3 — ácido sulfuroso Família 17/VIIA (Cl, Br, I) -HClO4 — ácido perclórico -HClO3 — ácido clórico -HClO2 — ácido cloroso -HClO — ácido hipocloroso Obs.: não existem ácidos oxigenados do flúor. Alguns ácidos de um mesmo elemento têm os prefixos de seus nomes atribuídos em função de seu grau de hidratação (quantidade de H2O): Grau de hidratação: Orto > Piro > Meta O prefixo orto é dispensável. Exemplo: (H3PO4): - 2H3PO4 – 1 H2O = H4P2O7 (ácido pirofosfórico) - 1H3PO4 – 1 H2O = HPO3 (ácido metafosfórico) Classificação dos ácidos Além da classificação baseada na presença de oxigênio na molécula, os ácidos podem ser classificados segundo outros critérios, como: -Quanto ao número de hidrogênios ionizáveis Hidrogênio ionizável é aquele que está ligado a um átomo da molécula com eletronegatividade significativamente maior que a sua, formando, assim, um polo positivo e um negativo dentro da molécula. Ao serem adicionados na água, sofrerão força eletrostática pelos respectivos polos negativos e positivos da água, sendo, então, separados por ela. Com isso, há a formação de cátions H+, ou seja, houve a ionização de hidrogênios. Exemplos: -Monoácido: apresenta apenas um hidrogênio ionizável; -Diácido: apresenta dois hidrogênios ionizáveis; -Triácido: apresenta três hidrogênios ionizáveis; -Tetrácido: apresenta quatro hidrogênios ionizáveis. Importante: Nos hidrácidos todos os hidrogênios são ionizáveis, já nos oxiácidos, apenas aqueles que estão ligados a átomos de oxigênio é que serão ionizáveis, por exemplo: -Hidrácidos: -Oxiácidos: Assim, em soluções aquosas, os ácidos podem liberar um ou mais íons H+ para cada molécula de ácido ionizado, e cada íon H+ liberado corresponde a uma etapa de ionização. Exemplo: a ionização do H2SO4: -Grau de ionização O Grau de ionização de um ácido (α) consiste na relação entre o número de moléculas ionizadas e o número total de moléculas dissolvidas. Para realizar o cálculo dessa relação, usamos a seguinte equação: Comparando os graus de ionização temos: -Ácidos fortes: aqueles que possuem um grau de ionização igual ou maior que 50%. Exemplos a 18°C: HCl (α = 92,5%), H2SO4 (α = 61%); -Ácidos moderados ou semifortes: seu grau de ionização é maior que 5% e menor que 50%. Exemplos a 18°C: HF (α = 8,5%), H3PO4(α = 27%); -Ácidos fracos: possui grau de ionização igual ou menor que 5%. Exemplos a 18°C: HCN (α = 0,008%), H2CO3 (α = 0,18%). Exemplo: De cada 100 moléculas de HCl dissolvidas, 92 moléculas sofrem ionização: α = 92 100 𝛂 =0,92% Ácido forte - Volatilidade Volatilidade é a capacidade das substâncias passarem do estado líquido para o gasoso em temperatura ambiente. Desse modo, para classificar os ácidos quanto à volatilidade é preciso considerar os pontos de ebulição dos ácidos: -Ácidos voláteis: a grande maioria dos ácidos: HF, HCl, HCN, H2S, HNO3 etc. O ácido acético, componente do vinagre, é o ácido volátil mais comum no nosso dia-a-dia. Ao abrirmos um frasco com vinagre, logo percebemos seu cheiro característico. -Ácidos fixos: Os dois ácidos pouco voláteis mais comuns são o H2SO4 e o H3PO4. Propriedades dos ácidos O sabor azedo é uma das características comuns aos ácidos, os quais, assim como todas as substâncias azedas, estimulam a salivação. Vamos abordar agora outras propriedades apresentadas por eles e que nos permitem identificá-los: -Causam mudanças de cor nos corantes vegetais (por exemplo: alteram a cor da tintura azul de tornesol, de azul para vermelho). -Reagem com certos metais (como o zinco, o magnésio e o ferro) produzindo hidrogénio gasoso. -Reagem com carbonatos e bicarbonatos, para produzir dióxido de carbono gasoso. -As suas soluções aquosas conduzem a eletricidade Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 30 Principais ácidos e suas aplicações no cotidiano - Ácido fluorídrico — HF Nas condições ambientes, é um gás incolor que tem a característica de corroer o vidro, quando em solução aquosa. Por esse motivo, em laboratórios, deve ser guardado em frascos plásticos. É usado para fazer gravações em cristais e vidros. - Ácido sulfídrico — H2S O ácido sulfídrico é um gás venenoso, incolor, formado na putrefação de substâncias orgânicas naturais que contenham enxofre, sendo responsável em grande parte pelo cheiro de ovo podre. Alguns animais como o gambá e a maritaca, liberam uma mistura de substâncias de odor desagradável, entre as quais o H2S. Ácido Sulfúrico (H2SO4) É o ácido mais importante na indústria e no laboratório. É utilizado nas baterias de automóvel, é consumido em enormes quantidades em inúmeros processos industriais, como processos da indústria petroquímica, na fabricação de corantes, tintas, explosivos e papel. É tambem usado na indústria de fertilizantes agrícolas, permitindo a fabricação de produtos como os fosfatos e o sulfato de amónio. O ácido sulfúrico concentrado é um dos desidratantes mais enérgicos. Assim, ele carboniza os hidratos de carbono como os açúcares, amido e celulose; a carbonização é devido à desidratação desses materiais; O ácido sulfúrico "destrói" o papel, o tecido de algodão, a madeira, o açúcar e outros materiais devido à sua enérgica ação desidratante. O ácido sulfúrico concentrado tem ação corrosiva sobre os tecidos dos organismos vivos também devido à sua ação desidratante. Produz sérias queimaduras na pele. Por isso, é necessário extremo cuidado ao manusear esse ácido; As chuvas ácidas em ambiente poluídos com dióxido de enxofre contêm H2SO4 e causam grande impacto ambiental. -Ácido clorídrico (HCl) O ácido clorídrico consiste no gás cloreto de hidrogênio dissolvido em água. Quando impuro, é vendido com o nome de ácido muriático, sendo usado principalmente na limpeza de pisos e de superfícies metálicas antes do processo de soldagem. O ácido clorídrico também pode ser encontrado em nosso próprio organismo, estando presente no suco gástrico do estômago, produzido pelas células parietais, cuja ação é ajudar na digestão dos alimentos. -Ácido cianídrico (HCN) É um ácido extremamente tóxico. Este gás foi utilizando contra os judeus durante a segunda guerra mundial para a execução da pena de morte. -Ácido acético (CH3-COOH) É o ácido do vinagre, produto indispensável na cozinha no preparo de saladas e maioneses. -Ácido Nítrico (HNO3) Depois do ácido sulfúrico, é o ácido mais fabricado e mais consumido na indústria. É usado na fabricação de explosivos como o trinitrotolueno (TNT) e a nitroglicerina (dinamite); é muito útil para a indústria de fertilizantes agrícolas, permitindo a obtenção do salitre. O ácido nítrico concentrado é um líquido muito volátil; seus vapores são muito tóxicos. É um ácido muito corrosivo e, assim como o ácido sulfúrico, é necessário muito cuidado para manuseá-lo. -Ácido fosfórico (H3PO4) - Os seus sais (fosfatos) têm grande aplicação como fertilizantes na agricultura; -É usado como aditivo em alguns refrigerantes. BASES Antes da teoria de Arrhenius, as bases eram determinadas por uma série de propriedades comuns, como: -Sabor adstringente, isto é, “amarras na boca”; -Tornar a pele lisa e escorregadia; -Tornar azul o papel de tornassol róseo; -Conduzir corrente elétrica. Após as contribuições de Arrhenius, foi possível entender que essas propriedades comuns se devem ao íon negativo OH- (hidroxila ouhidróxido), presente em todas as bases. Os hidróxidos metálicos são compostos iônicos, e por isso, quando se dissolvem em água, há dissociação iônica. Na época de Arrhenius acreditava-se que esses hidróxidos eram formados por moléculas e que a água separava-se em íons. Por ser iônica, essa dissociação pode ser esquematizada como: Resumindo: Segundo Arrhenius, base é toda substância que, em solução aquosa, sofre dissociação, liberando como único tipo de ânion o OH–. Nomenclatura das bases O nome das bases é obtido a partir da seguinte regra: Exemplos: -NaOH: Cátion: Na+ (sódio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de sódio -Ca (OH)2 Cátion: Ca2+ (cálcio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de cálcio -Al (OH)3 Cátion: Al3+ (alumínio) Ânion: OH- (hidróxido) Nomenclatura: Hidróxido de alumínio Importante: Quando um mesmo elemento forma cátions com diferentes eletrovalências (cargas), acrescenta-se ao final do nome, em algarismos romanos, o número da carga do íon. Outra maneira de dar nome é acrescentar o sufixo -oso ao íon de menor carga, e -ico ao íon de maior carga. Hidróxido de + nome do cátion Hidróxido de + nome do cátion + carga do cátion Ou Hidróxido de + nome do cátion + ICO (carga maior) Hidróxido de + nome do cátion + OSO (carga menor) Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 31 Exemplos: -Ferro: Fe2+ Fe(OH)2 = Hidróxido de ferro (II) ou hidróxido ferroso. Fe3+: Fe(OH)3 = Hidróxido de ferro (III) ou hidróxido férrico. -Cobre: Cu (OH): Hidróxido de cobre (I) Cu (OH)2: Hidróxido de cobre (II) Classificação das bases -Quanto ao número de hidroxilas (OH-) Classificação Número de hidroxilas (OH-) Exemplos Monobase 1 OH- NaOH, LiOH, NH4OH Dibase 2 OH- Ca(OH)2, Fe(OH)2 Tribase 3 OH- Al(OH)3, Fe(OH)3 Tetrabase 4 OH- Sn(OH)4, Pb(OH)4 - Classificação quanto à força Fracas: possui grau de dissociação iônica inferior a 5%, é o caso do NH4 e dos metais em geral (desde que estes não sejam alcalinos ou alcalinos terrosos) Fortes: possui grau de dissociação iônica de praticamente 100%, é o caso das bases de metais alcalinos e metais alcalinos terrosos, exceto os hidróxidos de berílio e magnésio. Tipo de base Força básica De metais alcalinos Fortes e solúveis De metais alcalinoterrosos Fortes e parcialmente solúveis, Exceto a de magnésio, que é fraca Demais bases Fracas e praticamente insolúveis - Quanto à Solubilidade em água O esquema a seguir mostra a variação genérica da solubilidade das bases em água. Solúveis: NH4OH e as bases de metais alcalinos (da família 1ª) Pouco solúveis: as bases de metais alcalinos terrosos (da família 2ª) Praticamente insolúveis: as demais Propriedades das bases -Reações com ácidos Como já sabemos: Assim, se misturarmos um ácido e uma base, os íons H+ e OH– interagem, produzindo água (H2O). Essa reação é denominada neutralização. O cátion da base e o ânion do ácido darão origem a um sal, num processo chamado salificação. -Ação sobre indicadores Tanto os ácidos como as bases alteram a cor de um indicador. A maioria dos indicadores usados em laboratório porém, alguns são encontrados na natureza, como o repolho roxo, na beterraba, nas pétalas de rosas vermelhas, no chá- mate, nas amoras etc., sendo sua extração bastante fácil Principais bases e suas aplicações no cotidiano -Hidróxido de sódio — NaOH O hidróxido de sódio é popularmente conhecido como soda cáustica, cujo termo cáustica significa que pode corroer ou, de qualquer modo, destruir os tecidos vivos. É um sólido branco, cristalino e higroscópico, ou seja, tem a propriedade de absorver água. Por isso, quando exposto ao meio ambiente, ele se transforma, após certo tempo, em um líquido incolor. As substâncias que têm essa propriedade são denominadas deliquescentes. Quando preparamos soluções concentradas dessa base, elas devem ser conservadas em frascos plásticos, pois lentamente reagem com o vidro. Tais soluções também reagem com óleos e gorduras e, por isso, são muito utilizadas na fabricação de sabão e de produtos para desentupir pias e ralos. -Hidróxido de cálcio – Ca(OH)2 É popularmente conhecido como cal hidratada ou cal extinta ou cal apagada; - É utilizado na construção civil no preparo da argamassa, usada na alvenaria, e na caiação (pintura a cal) o que fazem os pedreiros ao preparar a argamassa. -Hidróxido de magnésio — Mg(OH)2 O hidróxido de magnésio é um sólido branco, pouco solúvel em água. Quando dissolvido em água, a uma concentração de aproximadamente 7% em massa, o hidróxido de magnésio origina um líquido branco e espesso que contém partículas sólidas misturadas à água. A esse líquido damos o nome de suspensão, sendo conhecido também por leite de magnésia, cuja principal aplicação consiste no uso como antiácido e laxante. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 32 - Hidróxido de amônio (NH4OH) É obtido ao se borbulhar amônia (NH3) em água, conforme a reação abaixo: NH3 + H2O ↔ NH4+ (aq) + OH- (aq) Assim, não existe uma substância hidróxido de amônio, mas sim soluções aquosas de amônia interagindo com a água, originando os íons amônio (NH4+) e hidróxido (OH-). O hidróxido de amônio é conhecido comercialmente por amoníaco, sendo muito utilizado na produção de ácido nítrico para a produção de fertilizantes e explosivos. Ele também é usado em limpeza doméstica, na produção de compostos orgânicos e como gás de refrigeração. Teoria moderna de Ácido e Base (Brönsted-Lowry) Foi proposta de forma independente por G. Lewis, por T. Lowry e por J. Brønsted. Mas foi Brønsted um dos que mais contribuiu para o seu desenvolvimento. Essa teoria é chamada de teoria protônica porque se baseia na transferência de prótons, iguais ao íon H+, o núcleo do hidrogênio, mas que ao ser chamado de próton, ajuda a diferenciar da teoria de Arrhenius. Além disso, nessa teoria não há necessidade da presença de água. Segundo esses cientistas: “Ácido é toda espécie química, íon ou molécula capaz de doar um próton, enquanto a base é capaz de receber um próton” Exemplos de ácidos e bases segundo a teoria de Brønsted e Lowry: NH3 + HCℓ → NH4+ + Cℓ- base ácido ácido base forte forte fraco fraca Observe que a amônia (NH3) é base porque ela recebe um próton (H+) do ácido clorídrico (HCℓ). Nessa teoria, a reação de neutralização seria uma transferência de prótons entre um ácido e uma base, como a reação explica acima. Apesar de ser uma teoria que também permitiu o estudo e desenvolvimento de várias áreas e de ser uma definição bastante utilizada e atual, ela também tinha uma limitação: não permitia prever o caráter ácido ou o caráter básico de espécies químicas sem a presença de hidrogênio. Indicadores Ácido-Base Existe uma escala da medida da acidez e basicidade das substâncias, denominada escala de pH, que é numerada do 0 ao 14. Quando menor o valor do pH, mais ácida é a substância. Quando maior for o pH, mais básica é a substância. O valor 7, exatamente na metade da escala, indica as substâncias neutras ou seja, nem ácidas nem básicas. Algumas substâncias naturais ou sintéticas que adquirem coloração diferente em solução ácida e em solução básica. São os indicadores ácido-base, utilizados para reconhecer o caráter de uma solução. Como exemplo de indicadores sintéticos, temos: -Fenolftaleína: é um indicador líquido que fica incolor em meio ácido e rosa escuro em meio básico:-Papel de tornassol: Fica com cor azul na presença de bases e adquire cor vermelha na presença de ácidos. -Alaranjado de metila: O alaranjado de metila fica vermelho em contato com ácido, amarelo-laranja em base e quando neutro. -Azul de bromotimol: O azul de bromotimol fica amarelo em ácido, e azul em base e quando neutro Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 33 Alguns indicadores naturais também podem ser utilizados, como o repolho roxo e a flor hortência e o hibisco. -Repolho roxo: O repolho roxo, meio aquoso, fica vermelho em contato com ácido, verde em contato com base e vermelho quando neutro. -Flor Hortência: Uma hortênsia azul pode se tornar, com o tempo, rosa e vice-versa. Isso ocorre em razão do pH do solo. Em solo ácido a hortênsia produz flores azuis, já em solos básicos, suas flores são cor-de-rosa. A intensidade dessas cores depende do teor de acidez ou alcalinidade do solo; quanto mais ácido, mais azul-escuro ficará; e quanto mais básico, mais claro será. Como funciona um indicador ácido-base? O sistema de funcionamento dos indicadores é o seguinte: geralmente eles são um ácido fraco ou uma base fraca que entra em equilíbrio com a sua base ou ácido conjugado, respectivamente, que apresenta coloração diferente. Veja um exemplo: Indicador ácido + H2O ↔ H3O+ + Base conjugada (cor A) (cor B) Quando esse indicador genérico entra em contato com um meio ácido, segundo o Princípio de Le Chatelier, o equilíbrio é deslocado no sentido de formação do ácido fraco, ficando com a cor A. Por outro lado, se o indicador entrar em contato com um meio básico, os íons OH- da solução básica irão reagir com os íons H3O+ do indicador. Desse modo, o equilíbrio será deslocado no sentido de repor os íons H3O+, ou seja, para a direita, que é também o sentido de formação da base conjugada, e o sistema adquire a cor B. SAL Sal é um composto resultante da reação de neutralização mutua entre um ácido e uma base. Assim, o cátion da base e o ânion do ácido formam o sal. Conceito teórico segundo Arrhenius: É todo o composto iônico que possui, pelo menos, um cátion diferente do H+ e um ânion diferente do OH- Exemplo: NaCl ou Na+Cl- Exemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O Ácido Base Sal Água Formulação de um sal Os sais são substâncias neutras formadas a partir da ligação entre o ânion de um ácido e o cátion de uma base. Assim, para que ocorra a igualdade de cargas positivas e negativas, basta inverter as cargas dos íons pelos seus índices no sal. O índice é, na fórmula unitária, o número que vem subscrito (no canto inferior direito) do elemento ou do grupo de elementos, conforme mostrado na fórmula a seguir: Observe que o valor da carga do cátion torna-se o índice do ânion, enquanto a carga do ânion torna-se o índice do cátion. Observe também que é somente o valor da carga que é invertido, os sinais negativos e positivos não vão para o índice. Exemplos: -Nitrato de potássio: K+ + NO3-: KNO3 (Observe que tanto o índice quanto a carga são iguais a “1”, logo, não precisam ser escritos); -Perclorato de potássio:K1+ + ClO41-: KClO4; -Sulfato de cálcio: Ca2+ + SO42-: CaSO4 (veja que, quando as cargas são iguais, podemos simplificar os índices. É por isso que a fórmula não é escrita assim: Ca2(SO4)2. -Dicromato de alumínio: Al3+ + Cr2O72-: Al2(Cr2O7)3; -Fosfato de bário: Ba2+ + PO43-: Ba3(PO4)2; -Nitrito de ferro III: Fe3+ + NO2-: Fe(NO2)3. Formulação do sal a partir de seu nome Para se determinar a fórmula do sal a partir do seu nome, segue-se os seguintes passos: Exemplos: Sulfato de ferro-III 1º Passo: determinar a fórmula do ácido e da base que originaram o sal. Ânion sulfato: ácido sulfúrico = H2SO4 Cátion ferro-III: hidróxido de ferro-III = Fe(OH)3 2º Passo: a partir das fórmulas do ácido e da base, determina-se a carga do cátion base e do ânion do ácido. H2SO4 = SO42- Ânion sulfato Fe(OH)3 = Fe3+ Cátion ferro-III 3º Passo: juntar o cátion da base com o ânion do ácido. 4º Passo: inverter as cargas dos íons para que a soma das cargas se anule. Fe2(SO4)3 Ácido + Base Sal + H2O Fe3+ SO42- Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 34 Reações de neutralização Quando misturamos um ácido e uma base, ocorrem as reações de neutralização ocorrem de modo que o pH do meio é neutralizado e se produz água e um sal. Nessa reação o ácido libera cátions H+ que se juntam aos ânions OH- liberados pela base e, assim, formam-se as moléculas de água. O sal é então formado pela união do ânion do ácido com o cátion da base. Assim, temos: HA + BOH → H2O + BA Ácido Base Água Sal -Neutralização total Ocorre quando a quantidade de cátions H+ provenientes do ácido é igual à quantidade de ânions OH- provenientes da base. Nesse tipo de reação são sempre formados sais neutros. Dessa forma, a reação ocorre entre ácidos e bases em que ambos são fracos ou, então, ambos são fortes. Exemplos: -Reações entre ácidos e bases fortes: HCl + NaOH → NaCl + H2O Observe que cada molécula do ácido produziu 1 íon H+ e cada molécula da base produziu também apenas 1 íon OH-. 3 HCl + Al(OH)3 → Al(Cl)3 + 3H2O Cada molécula do ácido produziu 3 íons H+ e cada molécula da base produziu também apenas 3 íons OH-. -Reações entre ácido e base fracos: 2 HNO3 + Mg(OH) 2 → Mg(NO3)2 + 2 H2O Cada molécula do ácido produziu 2 íons H+ e cada molécula da base produziu também apenas 2 íons OH-. HCN + NH4OH → NH4CN+ H2O Observe que cada molécula do ácido produziu 1 íon H+ e cada molécula da base produziu também apenas 1 íon OH-.11 -Neutralização parcial Ocorre quando a quantidade de cátions H+ s do ácido não é a mesma quantidade de ânions OH- da base. Assim, a neutralização não ocorre por completo e, dependendo de quais íons estão em maior quantidade no meio, o sal formado pode ser básico ou ácido. Exemplos: HCl + Mg(OH)2 → Mg(OH)Cl + H2O No exemplo acima, o ácido libera apenas um cátion H+ e a base libera dois ânions OH-. Assim, os ânions OH- não são neutralizados totalmente e é formado um sal básico, que também é chamado de hidróxissal. H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O Nesse exemplo, o ácido liberou mais íons (3) que a base (1). Portanto, os cátions H+ não foram totalmente neutralizados e um sal ácido foi originado, que também é denominado de hidrogenossal. Os sais ácidos também podem ser formados através de reações de neutralização entre um ácido forte (HCl, HNO3, HClO4 etc.) e uma base fraca (NH3, C6H5NH2 - anilina - etc.). Por outro lado, os sais básicos podem ser formados em reações de 11 http://manualdaquimica.uol.com.br/ neutralização entre um ácido fraco (CH3COOH, HF, HCN etc.) e uma base forte (NaOH, LiOH, KOH etc.). -Reação entre ácido forte e base fraca→ Sal de caráter ácido: HNO3 + AgOH → AgNO3 + H2O -Reação entre ácido fraco e base forte→ Sal de caráter básico: 2H3BO3 + 3 Ca(OH)2 → Ca3(BO3)2 + 6 H2O Nomenclatura dos sais A nomenclatura dos sais é obtida a partir da nomenclatura do ácido que originou o ânion participante do sal, pela mudança de sufixos. Assim, temos: Sufixo do ácido -ídrico -ico -oso Sufixo do ânion -eto -ato -ito Para determinar os nomes dos sais, pode-se utilizar o seguinte esquema: Exemplos: Uma outra forma de dar nomes aos sais é consultando as tabelas de cátions e ânions. Nas tabelas a seguir, apresentamos alguns deles: Ânions Acetato: H3CCOO-Bicarbonato: HCO3- Bissulfato: HSO4- Brometo: Br- Carbonato: CO32- Cianeto: CN- Cloreto: Cl- Floreto: F- Fosfato: PO43- Hipocloreto: ClO- Iodeto: I- Nitratp: NO3- Nitrito: NO2- Permanganato: MnO4- Pirofosfato: P2O74- Sulfato: SO2-4 Sulfeto: S2- Sulfito: S2- Cátions +1 Li+, Na+, K+, Ag+, NH4+, Cu+ +2 Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ +3 Al3+, Fe3+ Exemplos de como utilizar as tabelas: 1. Determinação da fórmula a partir do nome do sal. Exemplo: carbonato de cálcio Ânion: carbonato — CO2–3 Cátion: sódio — Na+ Determinação do nome a partir da fórmula do sal. Exemplo: Fe2(SO4)3 Cátion: Fe3+ Ânion: SO2– Assim, o nome do sal é sulfato de ferro III ou sulfato férrico. Nome do sal ⇒ nome do ânion de nome do cátion Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 35 Classificação dos Sais A classificação dos sais é realizada de acordo com a natureza ou tipo de íons que os constituem. Dessa forma, os sais inorgânicos são classificados em neutros (normais), ácidos (hidrogeno sal) e básicos (hidroxi sal). 1) A natureza dos íons Sal neutro (normais) É o sal resultante de uma reação entre uma base e um ácido fortes ou entre uma base e um ácido fracos. Este é o sal cujo ânion não possui H ionizável e não é o ânion OH-. Resulta de uma reação de neutralização total. Exemplos: -NaCl: cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); ânion → Cl- (vem do ácido clorídrico, HCl, um ácido forte). -Na2SO4: cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); ânion → SO42- (vem do ácido sulfúrico, H2SO4, um ácido forte). -NH4CN: cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → CO3-2 (vem do ácido cianídrico, HCN, um ácido fraco). Esses sais são considerados neutros porque, quando eles são adicionados à água, o pH do meio não sofre nenhuma alteração. Além disso, eles não liberam em solução aquosa cátion H+, que indica acidez, e nem ânion OH-, que indica basicidade. Hidrogeno sal (Sal ácido) É o sal cujo ânion tem um ou mais H ionizáveis e não apresenta o ânion OH- Resulta de uma neutralização parcial do ácido. Exemplos: -NH4Cl(s): cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → Cl- (vem do ácido clorídrico, HCl, um ácido forte). -Al2(SO4)3: cátion → Al3+ (vem do hidróxido de alumínio, Al(OH)3, uma base fraca); ânion → SO42- (vem do ácido sulfúrico, H2SO4, um ácido forte). -NH4NO3: cátion → NH42+ (vem do hidróxido de amônio, NH4OH, uma base fraca); ânion → NO3- (vem do ácido nítrico, HNO3, um ácido forte). Hidróxi sal (Sal básico) É o sal cujo ânion não apresenta H ionizável e no qual, além desse ânion há o OH-. Resulta da neutralização parcial da base. Exemplo: -NaOOCCH3: Cátion → Na+ (vem do hidróxido de sódio, NaOH, uma base forte); Ânion → CH3COO– (vem do ácido etanoico, CH3COOH, H2CO3, um ácido fraco). No exemplo acima, o ânion acetato (CH3COO–) hidrolisa-se em meio aquoso e forma o ácido acético e íons hidroxila (OH– ), o que torna a solução básica. 2) Solubilidade dos sais O estudo da solubilidade dos sais determina se um sal se dissolverá ou não em água. Assim, um sal pode ser classificado em solúvel ou praticamente insolúvel. -Sal solúvel (sal que apresenta boa solubilidade em água): -Sal praticamente insolúvel (sal que se dissolve em quantidade extremamente desprezível em água, mas ocorre algum tipo de dissolução, por menor que seja): Para determinar a solubilidade dos sais em água, basta conhecer o ânion presente no sal. Veja as regras que se dirigem aos tipos de ânions: -Nitrato (NO3-) e Nitrito (NO2-): todo sal que apresenta esses ânions são solúveis; -Carbonato (CO3-2), Fosfato (PO4-3) e Sulfeto (S-2): solúvel apenas com elementos da família IA e com o NH4+; -Halogenetos (F-, Cl-, Br-, I-): com os cátions Ag+ Cu+, Hg2+2 e Pb+2 são insolúveis; -Acetato (H3C2O2-): com os cátions Ag+ e Hg2+2 são insolúveis; -Sulfato (SO4-2): com os cátions Ag+, metais alcalino terrosos (IIA, com exceção do magnésio), Hg2+2 e Pb+2 são insolúveis; Qualquer outro ânion: solúvel apenas com elementos da família IA e com o NH4-. Aplicações dos sais no cotidiano Cloreto de sódio — NaCl Sal obtido pela evaporação da água do mar. É o principal componente do sal de cozinha, usado na nossa alimentação. No sal de cozinha, além do NaCl, existem outros sais, como os iodetos ou iodatos de sódio e potássio (NaI, NaIO3; KI, KIO3), cuja presença é obrigatória por lei. Sua falta pode acarretar a doença denominada bócio, vulgarmente conhecida como papo. O sal de cozinha pode ser utilizado na conservação de carnes, de pescados e de peles. Na Medicina, é utilizado na fabricação do soro fisiológico, que consiste numa solução aquosa com 0,92% .de NaCl. Bicarbonato de sódio – NaHCO3 (hidrogenocarbonato de sódio) É um sal branco é usado principalmente em antiácidos estomacais, pois ele reage com o ácido clorídrico (HCl) presente no suco gástrico e neutraliza o meio: NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 Ele também é muito usado como fermento de bolos, pães e biscoitos, pois sua decomposição libera o CO2 que faz a massa crescer. Além disso, é usado em extintores de incêndios, em cremes dentais para clareamento dos dentes, em balas e gomas de mascar que “explodem” na boca e em talcos e desodorantes. Fluoreto de sódio – NaF Anticárie que entra na composição do creme dental e também na fluoretação da água potável, pois inibe o processo de desmineralização dos dentes, conferindo proteção contra a ação das cáries. Sulfato de cálcio — CaSO4 Este sal pode ser encontrado na forma de sal anidro, ou seja, sem água (CaSO4), ou de sal hidratado, isto é, com água (CaSO4.2 H2O), sendo essa forma conhecida por gipsita. Sulfato de magnésio – MgSO4 É conhecido como Sal amargo ou Sal de Epsom. Utilizado em Medicina como purgativo ou laxante. Sulfato de bário – BaSO4 É conhecido como contraste, pois atua como meio opaco na radiografia gastrointestinal - Carbonato de sódio – Na2CO3 Este sal é popularmente conhecido como soda ou barrilha. Sua a principal aplicação é na produção de vidro, segundo a seguinte reação: barrilha + calcário + areia → vidro comum + gás carbônico Na2CO3 + CaCO3 + SiO2 → silicatos de sódio e cálcio + gás carbônico x Na2CO3 + y CaCO3 + z SiO2 → (Na2O)x . (CaCO)y . (SiO2)z + (x + y) CO2 Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 36 Outras aplicações desse sal são: na produção de corantes, no tratamento de piscinas, na produção de sabão e detergentes, de papel e celulose, nas indústrias têxteis e siderúrgicas. - Nitrato de sódio – NaNO3 Também conhecido como salitre do Chile é encontrado em abundância em grandes depósitos naturais nos desertos chilenos. É muito empregado para produzir fertilizantes e na fabricação de pólvora negra. É também usado como conservante de carnes enlatadas e defumadas. - Sulfato de cálcio – CaSO4 Na forma anidra (sem água) é usado como matéria-prima do giz; já na forma hidratada é conhecido como gesso, usado na construção civil e em imobilização ortopédica. ÓXIDOS Os óxidos são substâncias presentes no nosso dia-a-dia. Um bom exemplo de óxido é o gás carbônico, expelido na respiração, principal responsável pelo efeito estufa. Definição :Óxido é todo composto binário que contém oxigênio e no qual ele é o elemento mais eletronegativo. Exemplos: Cl2O; SO2; CO2; NO; P2O; K2O; CaO; Fe2O3 O único elemento mais eletronegativo que o oxigênio é o flúor; por isso o OF2, não é um óxido, mas sim, um fluoreto de oxigênio Nomenclatura Regra geral: 1) Para um óxidoExOy: Os prefixos mono, di, tri, etc. Indicam os valores de x e y na fórmula do óxido. O prefixo mono diante do nome E é comumente omitido. Fórmula molecular Nome do óxido CO Monóxido de monocarbono ou monóxido de carbono CO2 Dióxido de monocarbono ou dióxido de carbono N2O3 Trióxido de dinotrogênio Fe3O4 Tetróxido de triferro 2) Para óxidos do tipo: EXOY, onde o elemento E é um metal com a carga fixa. Metais com carga fixa: - Metais alcalinos (1A) e Ag = +1 - Metais alcalinos terrosos (2A) e Zn = +2 - Alumínio = +3 Exemplo: Na2O → óxido de sódio Al2O3 → óxido de alumínio Para montar a fórmula do óxido a partir do nome, é só lembrar a carga do metal, a carga do oxigênio -2 e fazer com que a soma das cargas se anule. Exemplos: Óxido de lítio → Li1+O2- invertendo as cargas: Li2O Óxido de prata → Ag1+O2-, invertendo as cargas: Ag2O 3) Para óxidos do tipo: EXOY, onde o elemento E é um metal com a carga variável. Metais com carga variável: - Ouro (Au1+ e Au3+) - Cobre (Cu1+ e Cu2+) - Ferro (Fe2+ e Fe3+) - Chumbo (Pb2+ e Pb4+) Exemplos: Au2O3 → óxido de ouro-III ou áurico Cu2O → óxido de cobre-I ou cuproso PbO2 → óxido de chumbo-IV ou plúmbico Classificação dos óxidos Os óxidos são classificados em função do seu comportamento na presença de água, bases e ácidos. -Óxidos Básicos São óxidos com caráter básico. São iônicos e o ânion é O2-. As reações dos óxidos básicos com água e ácidos podem ser esquematizados da seguinte maneira: Exemplo 1: Exemplo 2: -Óxidos Ácidos Óxidos ácidos apresentam caráter covalente e geralmente são formados por ametais. Estes óxidos também chamados de anidridos e reagem com a água formando um ácido ou reagem com uma base e dando origem a água e sal. Óxido de + nome do metal + carga do metal Ou Óxido de+ nome do metal + ICO (carga maior) Óxido de + nome do metal + OSO (carga menor) Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 37 Exemplo1: Exemplo 2: -Óxidos Neutros São óxidos que não reagem com água, base ou ácido. São basicamente três óxidos: CO, NO, N2O. -Óxidos Anfóteros São óxidos que podem se comportar tanto óxido básico quanto óxido ácido. Exemplos: ZnO, Al2O3, SnO, SnO2, PbO e PbO2. ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O -Óxidos Duplos ou Mistos Óxidos que se comportam como se fossem formados por dois outros óxidos, do mesmo elemento químico. Exemplos: Fe3O4 → FeO + Fe2O3 Pb3O4 → 2PbO + PbO2 -Peróxidos Os peróxidos apresentam em sua estrutura o grupo (O2)2–. Os peróxidos mais comuns são formados por hidrogênio, metais alcalinos e metais alcalino-terrosos. Exemplo: -Peróxido de hidrogênio: H2O2 É líquido e molecular. Quando dissolvido em água, origina uma solução conhecida como água oxigenada, muito comum em nosso cotidiano. Aplicações dos óxidos no cotidiano Dióxido de carbono (CO2) Também conhecido como gás carbônico, é um gás incolor, inodoro, mais denso que o ar. Não é combustível e nem comburente, por isso, é usado como extintor de incêndio.O CO2 é o gás usado nos refrigerantes e nas águas minerais gaseificadas. O gás carbônico é um óxido de característica ácida, pois ao reagir com a água produz ácido carbônico. CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Óxido de alumínio (Al2O3) O óxido de alumínio constitui o minério conhecido como bauxita (Al2O3.2H2O) ou alumina (Al2O3). É também empregado na obtenção do alumínio e como pedras preciosas em joalherias (rubi, safira, esmeralda, topázio, turquesa, etc.). Óxido de silício – (SiO2) Este óxido é conhecido comercialmente como sílica. É o constituinte químico da areia, considerado o óxido mais abundante da crosta terrestre. Apresenta-se nas variedades de quartzo, ametista, ágata, ônix, opala, etc; Utilizado na fabricação do vidro, porcelana, tijolos refratários para fornos, argamassa, lixas, fósforos, saponáceos. -Óxido de cálcio (CaO) Na preparação da argamassa, a cal viva ou virgem (CaO) é misturada à água, ocorrendo uma reação que libera grande quantidade de calor: A cal virgem é obtida pelo aquecimento do CaCO3, que é encontrado na natureza como constituinte do mármore, do calcário e da calcita: Em onde o solo é ácido, a cal viva é empregada para diminuir sua acidez. Questões 01. (UFPB-adaptado) Os ácidos são substâncias químicas sempre presentes no cotidiano do homem. Por exemplo, durante a amamentação, era comum usar-se água boricada (solução aquosa que contém ácido bórico) para fazer a assepsia do seio da mãe; para limpezas mais fortes da casa, emprega-se ácido muriático (solução aquosa de ácido clorídrico); nos refrigerantes, encontra-se o ácido carbônico; e, no ovo podre, o mau cheiro é devido à presença do ácido sulfídrico. Esses ácidos podem ser representados, respectivamente, pelas seguintes fórmulas moleculares: (A) H3BO3, HCl, H2CO2 e H2SO4 (B) H2BO3, HCl, H2CO3 e H2S (C) H3BO3, HClO3, H2SO3 e H2CO2 (D) H2BO3, HClO4, H2S e H2CO3 (E) H3BO3, HCl, H2CO3 e H2S 02. (Mack-SP) Certo informe publicitário alerta para o fato de que, se o indivíduo tem azia ou pirose com grande frequência, deve procurar um médico, pois pode estar ocorrendo refluxo gastroesofágico, isto é, o retorno do conteúdo ácido do estômago. A fórmula e o nome do ácido que, nesse caso, provoca queimação no estômago, a rouquidão e mesmo dor toráxica são: (A) HCl e ácido clórico. (B) HClO2 e ácido cloroso. (C) HClO3 e ácido clórico. (D) HClO3 e ácido clorídrico. (E) HCl e ácido clorídrico 03. Dentre os óxidos abaixo, qual deles reage com ácido formando sal e água, ou seja, que pode ser classificado como óxido básico? (A) N2O (B) CaO (C) CO2 (D) SO2 (E) N2O5 04. As funções básicas de nosso organismo necessitam de espécies iônicas para o seu adequado funcionamento. Os íons Na+, por exemplo, encontram-se presentes nos fluidos externos das células e o íon K+, presente no fluido interno das células. Juntos são responsáveis por manter a pressão osmótica adequada e estão normalmente associados à cargas. Outro cátion de importância fundamental é o Ca2+, principal integrante dos ossos e dos dentes, que se encontra normalmente na forma de fosfato ou carbonato. Escreva as fórmulas químicas dos compostos formados pelos pares de íons (cátion e ânion) associados no texto, e dê os nomes deles. Respostas 01. Resposta E H3BO3: ácido bórico; HCl: ácido clorídrico; H2CO3: ácido carbônico; H2S: ácido sulfídrico. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 38 02. Resposta E. 03. Resposta B. Veja como esse óxido reage com ácido formando sal e água: CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O (devem ser óxidos de metais alcalinos e alcalinos terrosos). 04. Respostas a) cátions: Na+; Ca2+ ânions: Cl-; PO43-; CO32-. formulas e nomes: NaCl cloreto de sódio Na3PO4 fosfato de sódio Na2CO3 carbonato de sódio CaCl2 cloreto de cálcio Ca3(PO4)2 fosfato de cálcio CaCO3 carbonato de cálcio Reações Químicas As reações químicas são transformações que envolvem alterações, quebra e/ou formação, nas ligações entre partículas (átomos, moléculas ou íons) da matéria, resultando na formação de uma nova substância com propriedades diferentes da anterior. Algumas evidências da ocorrência de uma reação química são mudança de cor, evolução de calor ou luz, formação de uma substância volátil, formação de um gás, entre outros. No nosso cotidiano, há muitas reações químicas envolvidas, como por exemplo, no preparo de alimentos, a própria digestão destes alimentos no nosso organismo, a combustão nos automóveis, o aparecimento da ferrugem, a fabricação de remédios,etc. Equações químicas12 A equação química é a maneira de se escrever uma reação química que envolve reagentes e produtos. As substâncias iniciais de uma reação química, as que reagem, são chamadas de reagentes, já as substâncias finais de uma reação, as que se formam, são chamadas de produto. Representação de uma Equação Química: 12 Canto, E. L.; Peruzzo, F. M.; Química na abordagem do cotidiano – 4ª Edição, São Paulo. Editora Moderna. 2010. Nas equações químicas são utilizados símbolos e números para descrever os nomes e as proporções das diferentes substâncias que entram nessas reações. Os reagentes são mostrados no lado esquerdo da equação e os produtos no lado direito. Na reação a matéria não e criada e nem destruída, os átomos somente são reorganizados de forma diferente, por isso uma equação química deve ser balanceada, ou seja, o número de átomos da esquerda precisa ser igual o número de átomos da direita. Sendo assim, balancear uma equação é fazer com que ela entre em equilíbrio. -Exemplo de uma Equação Química não equilibrada: H2 + Cl2 HCl A equação acima está desbalanceada, pois temos nos reagentes (H2 e Cl2) dois átomos de cada elemento, e no produto (HCl) somente uma molécula. -Exemplo de uma Equação Química equilibrada: H2 + Cl2 2 HCl Agora, a equação representada acima está balanceada, uma vez que a adição do coeficiente 2 nos produtos que indica a existência de duas moléculas de ácido clorídrico (HCl). Esse número que antecede o elemento, no caso o número 2, é chamado de coeficiente estequiométrico. A função desse coeficiente é indicar a quantidade de cada substância que participa da reação. Podemos saber praticamente tudo sobre uma reação química através de sua equação, ela pode oferecer, por exemplo, as seguintes informações através de símbolos tais como: Reação reversível ↔ Presença de luz λ Calor ou aquecimento ∆ Formação de um precipitado ↓ Formação de gás ↑ Reação em meio aquoso (aq.) A Equação Química pode ainda demonstrar o estado físico do átomo participante da reação, através das letras respectivas entre parênteses: Gás (g) Vapor (v) Líquido (l) Sólido (s) Cristal (c) Tipos de reações13 Reação de síntese ou adição Na reação de síntese, uma substância composta é formada pela junção de duas ou mais substâncias (simples ou compostas). A + B C OBS: Essa reação se faz presente em flashes fotográficos descartáveis e foguetes sinalizadores. Exemplo 1: Ao se queimar uma fita de magnésio, o oxigênio presente no ar reage com o magnésio da fita, originando o óxido de magnésio: 2Mg(s) + 1 O2(g) → 2MgO(s) Exemplo 2: Reação do óxido de cálcio com a água, produz o hidróxido de cálcio: 13 THEODORE L. Brown, H. EUGENE LeMay, BRUCE E. Bursten. Química: A ciência central, São Paulo – SP: Editora Prentice-Hall, 2005. 9ª Edição. 992 pág. 6. Reação química: 6.1 Equação química; 6.2 Tipos de reação química; 6.3 Balanceamento de equação química; 6.4 Números de oxidação. 7. Cálculos químicos: 7.1 Unidade de massa atômica; 7.2 Massas atômica e molecular; 7.3 Número de Avogadro; 7.4 Mol; 7.5 Massa molar e volume molar; 7.6 Cálculos estequiométricos. Reagentes Produto Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 39 CaO + H2O → Ca(OH)2 Exemplo 3: As soluções aquosas de ácido clorídrico e hidróxido de amônio, liberam dois gases: o HCl e o NH3. Se colocarmos estes dois gases em contato, eles gerarão uma névoa que é o cloreto de amônio: HCl + NH3 → NH4Cl Reação de Análise ou Decomposição A reação de decomposição ou de análise é um dos tipos de reações químicas na qual determinado composto se decompõe (“separa”), por ação espontânea se instável e não espontânea se estável, ao se desfragmentar quimicamente, dá origem à pelo menos dois produtos diferentes. Como exemplifica a reação a seguir: 2AB(s) 2A(s) + B2(g) Nessa reação, um composto simples AB se decompõe em duas substâncias simples A e B. Os símbolos subscritos (s, g) significam o estado de agregação das matérias envolvidas: sólido e gasoso, respectivamente Exemplo: Ocorre na decomposição do NaCl em Sódio sólido e Cloro gasoso: como o NaCl é extremamente estável, é necessário algum processo (geralmente eletroquímico) para que os átomos de cada molécula-íon sejam separados. Vários fatores podem causar a decomposição de um composto, entre eles, vamos destacar três: (1) Pirólise: Quando algumas substâncias compostas são submetidas ao aquecimento, elas se decompõem. Esse tipo de reação é chamado de pirólise, isto é, quebra de um composto por meio do fogo. Exemplo: Esse tipo de reação ocorre na produção do bio- óleo ou alcatrão pirolítico, que é considerado uma alternativa energética para os combustíveis derivados do petróleo. A vantagem do bio-óleo é que ele não possui metais pesados como chumbo e mercúrio, que podem poluir o meio ambiente e contaminar seres vivos; não possui enxofre, que sofre reações na atmosfera e gera as chuvas ácidas, e também libera menos cinzas. Outros exemplos de reações de decomposição pela ação do calor: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 2KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g) (2) Fotólise14: Esse tipo de reação quando a luz causa a decomposição dos compostos. Exemplo 1: A fotólise ocorre no processo fotossintético realizado pelos vegetais a fim de produzir energia. A reação mais importante da fotossíntese é a fotólise da água, que ocorre na fase clara. 2H2O O2 + 4H+ + 4e- Exemplo 2: A água oxigenada (peróxido de hidrogênio), também está sujeito à fotólise, como representado na equação química: H2O2 (aq) H2O (l) + 1/2O2 (g) (3) Eletrólise: Nas reações de eletrólise as substâncias se decompõem pela passagem de corrente elétrica 14 SOUZA, Líria Alves De. "Tipos de Reações Químicas"; Brasil Escola. Reação de simples troca ou deslocamento Esse tipo de reação ocorre quando uma substância simples reage com uma composta originando novas substâncias: uma simples e outra composta. A + XY → AY + X Exemplo: Quando uma lâmina de zinco é introduzida em uma solução aquosa de ácido clorídrico, vai ocorrer a formação de cloreto de zinco e o gás hidrogênio vai ser liberado. Zn (s) + 2 HCl (aq) → ZnCl2(aq) + H2 (g) A reação e classificada como de deslocamento uma vez que o zinco “deslocou” o hidrogênio Reação de substituição ou dupla troca A reação de dupla troca ocorre quando dois reagentes reagem formando dois produtos, ou seja, se duas substâncias compostas reagirem dando origem a novas substâncias compostas recebem essa denominação. AB + XY → AY + XB Importante: Para a ocorrência da reação de dupla troca, pelo menos uma das três condições abaixo deve ocorrer: -Formar-se pelo menos um produto insolúvel; -Formar-se pelo menos um produto menos ionizado (mais fraco); -Formar-se pelo menos um produto menos volátil. Exemplo: a reação entre o ácido sulfúrico com hidróxido de bário produz água e sulfato de bário. H2SO4 (aq) + Ba(OH)2(aq) → 2 H2O(l) + BaSO4(s) O produto sulfato de bário: BaSO4(s) é um sal branco insolúvel. Balanceamento das reações químicas Segundo Danton os átomos normalmente se conservam nas transformações químicas, mas nem sempre uma equação é indicada de forma que isso fique aparente. Isso porque é preciso fazer um "acerto", o balanceamento químico do número de átomos que constituem os reagentes e os produtos. Neste tópico falaremos um pouco sobre um tipo bem específico de balanceamento, aquele que é feito logo no início, quando não se tem muita prática. Para melhor entendimento, recomendamoso uso de "bolinhas" ou os símbolos criados por Dalton. Além de ilustrarem melhor a operação, elas ajudam a fixar a ideia logo no início. Confira o exemplo: Vamos balancear a equação da formação da água. Tendo como reagentes uma molécula de Hidrogênio com dois átomos e uma molécula de gás oxigênio também com dois átomos, precisamos chegar à fórmula H2O. Repare que sobra um átomo de oxigênio e para que ocorra o balanceamento, não pode haver sobra. Por isso é preciso acrescentar outra molécula de Hidrogênio com dois átomos. Assim ao invés de uma, serão produzidas duas moléculas de água. A equação balanceada ficaria da seguinte forma: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 40 Repare que a soma dos átomos dos reagentes é igual ao número de átomos do produto. É isso que confirma que a equação foi balanceada. Confira outro exemplo: BaO + As2O5 → Ba3(AsO4)2 Neste caso ao invés de sobrar, faltam átomos de Bário e Oxigênio. Para isso é preciso acrescentar moléculas de BaO até que a necessidade seja suprida, tomando cuidado para que não haja sobra. Acrescentando mais duas moléculas de BaO, tudo se resolve. Basta transcrever os coeficientes das fórmulas químicas na equação e pronto. Repare mais uma vez que o número de átomos se conserva. Fórmulas das substâncias As ciências se comunicam por meio de códigos. A música, por exemplo, utiliza símbolos para representar os variados sons, e desta forma, uma partitura musical será acessível a qualquer músico do mundo. A Química também possui os seus códigos e, sem dúvida, os mais importantes são os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas das substâncias. No caso da substância água, foi verificado experimentalmente, que: → A água era formada pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio. → Em qualquer quantidade de água, os átomos de hidrogênio e oxigênio estavam combinados na proporção de 2:1, respectivamente. Em função destas observações, concluiu-se que a água passou a ser representada pela fórmula H2O. H2O1 ou H2O Onde os números 1 e 2, denominados de índice, indicam a quantidade de átomos de cada elemento químico. Normalmente, o índice 1 não precisa escrito. Balanceamento das equações químicas por oxirredução Como nas reações de óxido-redução ocorre transferência de elétrons, para balanceá-las devemos igualar o número de elétrons perdidos e recebidos. Para isso, devemos inicialmente determinar o número de elétrons perdidos ou recebidos para cada espécie química, que corresponde à variação do Nox (ΔNox = diferença do Nox inicial para o final). Com base nesse conhecimento, vamos determinar a quantidade necessária de cada espécie para obter a igualdade do número de elétrons. Regras para realizar o balanceamento das equações por oxirredução O balanceamento tem como fundamento que o total de elétrons cedidos pelo redutor seja IGUAL ao total de elétrons recebidos pelo oxidante. 1º) Determinar, na equação química, os valores de todos os Nox e verificar qual espécie se oxida e qual se reduz, analisando os valores dos Nox dos elementos nos reagentes e nos produtos. 2º) Escolher entre as espécies que sofrem redução e oxidação uma delas para iniciar o balanceamento. 3º) Calcular os Δoxid e Δred. Veja abaixo: Δoxid = número de elétrons perdidos x atomicidade do elemento (número de átomos desse elemento presente na fórmula) Δred = número de elétrons recebidos x atomicidade do elemento 4º) Se possível, os Δoxid e Δred podem ser simplificados. Exemplificando: Δoxid = 4 Δred = 2, resumindo: Δoxid = 2 Δred = 1 5º) Para igualar os elétrons nos processos de oxidação e redução: O Δoxid se torna o coeficiente da substância que contém o átomo que se reduz. O Δred se torna o coeficiente da substância que contém o átomo que se oxida. 6º) Os coeficientes das demais substâncias são determinados por tentativas, baseando-se na conservação dos átomos. Exemplo1: Uma lâmina de alumínio (Al) foi mergulhada numa solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO4), ocorrendo a formação de cobre metálico (Cu) e de sulfato de alumínio [Al2(SO4)3]. A reação esquematizada acima pode ser representada, na forma iônica, da seguinte maneira: Al(s) + Cu2+(aq) Al3+(aq) + Cu(s) Primeiramente, devemos determinar o Nox de cada espécie e suas variações da seguinte maneira: O Al perde 3 e– ΔNox = 3 (de 0 até 3) O Cu2+ recebe 2 e– ΔNox = 2 (2 até 0) A seguir devemos igualar o número de elétrons: 1 átomo de Al perde 3 e– 2 átomos de Al perdem 6 e– 1 íon de Cu2+ recebe 2 e– 3 íons de Cu2+ recebem 6 e– Esses números de átomos correspondem aos coeficientes dessas espécies; a partir deles determinamos os coeficientes das outras espécies, obtendo a equação balanceada: 2Al(s) + Cu2+ (aq) 2 Al3+ (aq) + 3 Cu(s) Exemplo 2: Quando uma solução aquosa de permanganato de potássio (KMnO4), de cor violeta, é tratada com ácido Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 41 clorídrico (HCl), ela sofre uma descoloração, ou seja, torna-se incolor. A reação pode ser esquematizada da seguinte maneira: KMnO4 + HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O Primeiramente, determinamos a variação do Nox (ΔNox) de cada elemento: Todo o manganês (Mn) presente no KMnO4 sofreu redução, originando o MnCl2: O cloro contido no HCl da origem ao KCl, MnCl2 e Cl2. Entretanto, apenas uma parte dos seus átomos oxidou-se, originando o Cl2: Associando o ΔNox com a quantidade de Cl2 formada, observamos que cada elemento cloro que forma Cl2 perde 1 elétron; como são necessários 2 cloros para formar cada Cl2, nessa formação foram perdidos 2 elétrons. Assim, temos: -KMnO4 (de 7 até 2) = ΔNox = 5; -Cl2 (de -1 até 0) = 2 ΔNox = 2. Agora iremos determinar os coeficientes para cada espécie em que houve variação do Nox, sabendo que isso pode ser feito simplesmente atribuindo o ΔNox de uma espécie como coeficiente da outra espécie. Assim, temos: -KMnO4 = ΔNox = 5 ⇒ 5 será o coeficiente do Cl2; -Cl2 = 2 ΔNox = 2 ⇒ 2 será o coeficiente do KMnO4. Conhecendo os coeficientes do KMnO4 e do Cl2, podemos determinar os outros pelo método das tentativas, e teremos a equação balanceada: 2KMnO4 + 16HCl 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Velocidade da Equação Química A velocidade das reações químicas é alterada principalmente por variações na superfície de contato, na concentração dos reagentes, na temperatura e pelo uso de catalisadores. É uma área estudada pela Cinética Química. Esse estudo é importante porque é possível encontrar meios de controlar o tempo de desenvolvimento das reações, tornando- as mais lentas ou mais rápidas, conforme a necessidade. Alguns dos fatores que interferem na velocidade das reações são: - Temperatura: um aumento na temperatura provoca um aumento na velocidade das reações químicas, sejam elas endotérmicas ou exotérmicas, pois isso faz com que se atinja mais rápido o complexo ativado; - Concentração: um aumento na concentração dos reagentes acelera a reação, pois haverá um maior número de partículas dos reagentes por unidade de volume, aumentando a probabilidade de ocorrerem colisões efetivas entre elas; - Pressão: Esse fator interfere unicamente em sistemas gasosos. O aumento da pressão aumenta também a rapidez da reação, pois deixa as partículas dos reagentes em maior contato; - Superfície de contato: Quanto maior a superfície de contato, maior a velocidade com que a reação se processa, pois, conforme explicado nos dois últimos itens, a reação depende do contato entre as substâncias reagentes; - Catalisador: O uso de catalisadores específicos para determinadasreações pode acelerá-las. Essas substâncias não participam da reação em si, pois são totalmente regeneradas ao final dela. Estequiometria A estequiometria ou cálculo estequiométrico é de grande importância em nosso cotidiano. Toda a reação química que ocorre seja na cozinha de nossas casas, em laboratórios ou nas indústrias segue uma “receita” nas condições preestabelecidas. Assim, esse cálculo, permite determinar a quantidade de compostos que reagem (em mols, massa, volume, etc.) e as quantidades de novos compostos produzidos. Nesse estudo explicaremos como as reações são dependentes dos compostos envolvidos e quanto de cada composto é necessário e formado. E para facilitar sua compreensão iniciaremos com as fórmulas químicas, em seguida as reações e pôr fim a aplicação de vários tipos de cálculos estequiométricos. Determinação de fórmulas químicas - Fórmula percentual (centesimal) A fórmula percentual indica a porcentagem, em massa, de cada elemento que constitui a substância. Uma forma de determinar a fórmula percentual é partir da fórmula molecular da substância, aplicando os conceitos de massa atômica e massa molecular. Exemplo: sabendo que a fórmula molecular do metano é CH4 e que as massas atômicas do carbono e do hidrogênio são, respectivamente, 12 e 1, temos: Assim, na massa molecular igual a 16, o carbono participa com 12 e o hidrogênio com 4. Desse modo, temos: C75% H25% - Fórmula mínima ou empírica A fórmula mínima indica a menor proporção, em números inteiros de mol, dos átomos dos elementos que constituem uma substância. Para calcular a fórmula mínima, é necessário: a) Calcular o número de mol de átomos de cada elemento; b) Dividir os resultados pelo menor valor encontrado. Exemplo: Uma amostra apresenta 2,4 g de carbono e 0,6 g de hidrogênio (Dados: massas atômicas: C = 12, H = 1). Para determinar a fórmula mínima do composto, devemos Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 42 inicialmente calcular o número de mol (n) de átomos de cada elemento. Posteriormente devemos determinar as menores proporções possíveis, em números inteiros: Assim, a fórmula mínima é CH3. - Fórmula molecular A fórmula molecular indica o número real de átomos de cada elemento na molécula. Exemplo: A fórmula molecular da água é H2O, o que significa que em cada molécula de água há dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio. Já no caso do benzeno, a sua fórmula molecular é C6H6, ou seja, para cada seis átomos de carbono há exatamente seis átomos de hidrogênio ligados. Citamos esses dois exemplos para mostrar que algumas vezes a fórmula molecular é igual à fórmula mínima ou empírica, como acontece no caso da água. Mas, isso nem sempre é verdade, como indica o exemplo do benzeno, que possui fórmula mínima igual a CH, pois a proporção entre esses elementos é de 1:1. Em certos casos, a fórmula molecular é igual à fórmula mínima, em outros a fórmula molecular é um múltiplo inteiro da fórmula mínima, sendo que no caso do benzeno esse múltiplo é igual a 6: Fórmula molecular = (fórmula mínima) n Onde n é sempre um número inteiro Para determinarmos a fórmula molecular de qualquer composto é necessário sabermos primeiro a sua massa molecular. Com esse dado podemos calcular a fórmula molecular de várias maneiras. Vejamos algumas delas: 1. Por meio da fórmula mínima; 2. Por meio da fórmula percentual; 3. Relacionando a porcentagem em massa com a massa molecular. 1º Exemplo: A partir da porcentagem em massa, calculando a fórmula mínima. Exemplo: Vitamina C (massa molecular = 176) Para que os valores encontrados sejam inteiros, deve-se multiplicá-los por um mesmo número que permita obter a menor proporção de números inteiros. Nesse exemplo, o número adequado é 3. Assim: Fórmula mínima: C3H4O3 A relação entre a fórmula mínima e a molecular pode ser feita da seguinte maneira: Logo, temos que: n = 2 ⇒ (C3H4O3)2 ⇒ fórmula molecular : C6H8O6 2º Exemplo: Relacionando as porcentagens em massa com a massa molecular do composto. C = 40,9% H = 4,55% O = 54,6% MM = 176 Considerando que sua fórmula molecular seja: CxHyOz, Agora iremos relacionar as porcentagens em massa com as massas atômicas e a massa molecular: Fórmula molecular: C6H8O6 A relação entre a fórmula mínima e a molecular pode ser feita da seguinte maneira: n = 2 ⇒ (C3H4O3)2 ⇒ fórmula molecular : C6H8O6 Unidade de massa atômica Para a prática das atividades laboratoriais e industriais é necessário que seja realizado um cálculo prévio das Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 43 quantidades de reagentes que devemos usar para obter a quantidade desejada de produtos. Entretanto, a previsão das quantidades só é possível através de cálculos das massas e dos volumes das substâncias envolvidas nas reações químicas. Assim, muitas vezes é necessário determinar também o número de átomos ou de moléculas das substâncias que reagem ou são produzidas. Para tal é preciso conhecer a massa dos átomos. Uma vez que os átomos ou moléculas são muito pequenos para serem “pesados” isoladamente, foi estabelecido um padrão para comparar suas massas. A massa atômica é a massa de um átomo medida em unidade de massa atômica, sendo simbolizada por “u”. 1 u equivale a um doze avos (1/12) da massa de um átomo de carbono-12 (isótopo natural do carbono mais abundante que possui seis prótons e seis nêutrons, ou seja, um total de número de massa igual a 12). Sabe-se que 1 u é igual a 1,66054 .10-24 g. Massa atômica (MA): A massa atômica de um átomo é sua massa determinada em u, ou seja, é a massa comparada com 1/12 da massa do 12C. As massas atômicas dos diferentes átomos podem ser determinadas experimentalmente com grande precisão, usando um aparelho denominado espectrômetro de massa. Para facilitar os cálculos não é necessário utilizar os valores exatos, assim faremos um “arredondamento” para o número inteiro mais próximo: Exemplos: Massa atômica do He2 4 4,0030u 4u Massa atômica do F9 19 18,9984u 19u Massa atômica do A𝑙13 27 26,9815u 27u Massa atômica de um elemento Massa atômica de um elemento é a média ponderada das massas atômicas dos átomos de seus isótopos constituintes. Assim, o cloro é formado pelos isótopos 35Cl e 37Cl, na proporção: 35Cl = 75,4% MA = 34,997u 37Cl = 24,6% MA = 36,975u MA do elemento Cl = 35,453 Como a massa atômica de um isótopo é aproximadamente igual ao seu número de massa, a massa atômica de um elemento é aproximadamente igual à média ponderada dos números de massa de seus isótopos constituintes. Assim, a massa atômica aproximada do cloro será: MA do elemento Cl: Sabendo que a massa atômica do elemento cloro é igual a 35,5u podemos afirmar que: - Massa média do átomo de Cl = 35,5u - Massa média do átomo de Cl = 35,5 x massa de 1/12 do átomo de 12C. - Massa média do átomo de Cl = (35,5/ 12) x massa do átomo de 12C, Observe que não existe átomo de Cl com massa igual a 35,5 u; esse é o valor médio da massa do átomo de 12C. A maioria dos elementos é formada por mistura de diferentes isótopos, em proporção constante. Essa proporção varia de um elemento para outro, mas para um mesmo elemento é constante. Dessa maneira, a massa atômica dos elementos é também constante. Nos elementos formados por um único isótopo, a massa atômica do seu único isótopo será também a massa atômica do elemento. Exemplo: Elemento químico flúor 19F⇒ MA=19u Veja no quadro abaixo o resumo das informações importantes adquiridasaté o momento: Massa molecular (MM) A massa molecular de uma substância é a massa da molécula dessa substância expressa em unidades de massa atômica (u). Numericamente, a massa molecular é igual à soma das massas atômicas de todos os átomos constituintes da molécula. Exemplos: H2 ⇒ H = 1u , como são dois hidrogênios = 2u - O = 16u - H2O = 2u (H2) + 16u (O) = 18u Mol e Constante de Avogadro Com base na resolução recente da IUPAC, definimos que: - Mol é a unidade de quantidade de matéria - Mol é a quantidade de matéria que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos de 12C com tidos em 0,12Kg de 12C. - Constante de Avogadro é o número de átomo de 12C contidos em 0,012Kg de 12C. Seu valor é 6,02x1023 mol-1. Exemplos: Um mol de átomos são 6,02x1023 átomos. Um mol de moléculas são 6,02x1023 moléculas. Um mol de elétrons são 6,02x1023 elétrons. Um mol de prótons são 6,02x1023 prótons. Um mol de íons são 6,02x1023 íons. Um mol de fórmulas são 6,02x1023 fórmulas. Exemplos 1: 1) Massa atômica (MA) = massa de um átomo em unidades u. 2) Unidade de massa atômica (u): 1/12 massa do 12C, que possui 12,0 u. 3) mpróton≅ mnêutron≅1u 4) Número de massa (A) e Massa atômica, para um dado isótopo, são valores praticamente iguais. 5) A massa atômica de um elemento químico é a média ponderada das massas atômicas dos seus isótopos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 44 - Um mol de oxigênio (O) significa um mol de átomos de O, isto é, 6,02x1023 átomos de C. - Um mol de cloro (Cl2) significa um mol de moléculas de Cl2, isto é, 6,02x1023 moléculas de Cl2. Massa Molar (M) A massa molar de um elemento é a massa de um mol de átomos, ou seja, 6,02x1023 átomos desse elemento. A unidade mais usada para a massa molar é g.mol-1. Numericamente, a massa molar de um elemento é igual à sua massa atômica. Exemplos: 1) Massa atômica do Cl=35,453u Massa molar do Cl= 35,453 g.mol-1. Interpretação: Um mol de átomos do elemento Cl (mistura dos isótopos 35Cl e 37Cl), ou seja, 6,02x1023 átomos do elemento Cl pesam 35,453 gramas. 2) Massa atômica da água, H2O = 18u Massa molar: um mol de moléculas, ou seja, 6,02x1023 moléculas de H2O pesam 18,0 gramas. Volume molar Conforme o próprio nome indica, o volume molar corresponde ao volume ocupado por um mol da espécie química. Exemplo: Água no estado líquido (d=g/ml) a 25°C Massa molar=18g/mol O cálculo do volume molar poderá ser realizado através da proporção: d=1,0g/mL 1,0 mL---------1g V----------------18g V=18mL Para Gases Ideais nas CNTP, o volume molar vale 22,4L/mol. 1mol Gás Ideal (CNTP) V=22,4L Cálculos estequiométricos O cálculo das quantidades das substâncias envolvidas numa reação química é chamado de cálculo estequiométricos - palavra derivada do grego stoicheia = partes mais simples e metreim = medida. São cálculos que envolvem proporções de átomos em uma sustância ou que relacionam-se com proporções de coeficientes de uma equação química. As bases para o estudo da estequiometria das reações químicas foram lançadas por cientistas que conseguiram expressar matematicamente as regularidades que ocorrem nas reações químicas, através das Leis das Combinações Químicas. Essas leis foram divididas em dois grupos: - Leis ponderais: relacionam as massas dos participantes de uma reação. - Lei volumétrica: relaciona os volumes dos participantes de uma reação. Lei Volumétrica O físico e químico Gay-Lussac, teve suas contribuições na Química, e uma delas é a lei da combinação de volumes, que é também conhecida como Lei volumétrica, que define o princípio de que nas mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos gases participantes de uma reação têm entre si uma relação de números inteiros e pequenos. Conduta de Resolução Conforme observado nos itens acima, na estequiometria, os cálculos serão estabelecidos em função da lei de Proust e Gay-Lussac, neste caso para reações envolvendo gases e desde que estejam todos nas mesmas condições de pressão e temperatura. Assim, devemos tomar os coeficientes da reação devidamente balanceados, e, a partir deles, estabelecer a proporção em mols dos elementos ou substâncias da reação. Exemplo: reação de combustão do álcool etílico: C2H6O + O2 → CO2 + H2O Após balancear a equação, ficamos com: Após o balanceamento da equação, pode-se realizar os cálculos, envolvendo os reagentes e/ou produtos dessa reação, combinando as relações de várias maneiras: Tipo de relação 1 C2H6O (l) + 3O2 (g) 2CO2(g) + 3H2O (l) Proporção em mols 1 mol 3 mols 2 mols 3 mols Em massa 1.46 g 3.32g 2.44 g 3.18g Em moléculas 6,0.1023 3. 6,0.1023 2. 6,0.1023 3. 6,0.1023 Em volume (CNTP) é liquido 3.22,4 L 2.22,4 L é liquido Importante: - Uma equação química só estará corretamente escrita após o acerto dos coeficientes, sendo que, após o acerto, ela apresenta significado quantitativo. - Relacionar os coeficientes com mols. Teremos assim uma proporção inicial em mols; - Estabelecer entre o dado e a pergunta do problema uma regra de três. Esta regra de três deve obedecer aos coeficientes da equação química e poderá ser estabelecida, a partir da proporção em mols, em função da massa, em volume, número de moléculas, entre outros, conforme dados do problema. Tipos de Cálculos Estequiométricos Relação quantidade em Mols Relação entre quantidade em Mols e Massa Relação entre Massa e Massa Relação Entre Massa e Volume Os dados do problema e as quantidades incógnitas pedidas são Os dados do problema são expressos em termos de Os dados do problema e as quantidades incógnitas pedidas são Os dados do problema são expressos em termos Importante: MM = massa molecular (unidades u) M = Massa molar (g/mol) Lei de Gay-Lussac: Nas mesmas condições de pressão e temperatura, os volumes dos gases participantes de uma reação química têm entre si uma relação de números inteiros e pequenos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 45 expressos em termos de quantidade em mols. quantidade em mols (ou massa) e a quantidade incógnita é pedida em massa (ou quantidade em mols). expressos em termos de massa. de massa e a quantidade incógnita é pedida em volume** **Caso o sistema não se encontre nas CNTP, deve-se calcular a quantidade em mols do gás e, a seguir, através da equação de estado, determinar o volume correspondente. A resolução de problemas que envolvem a estequiometria será facilitada se obedecer, inicialmente à seguinte sequência: 1º) Escreva a equação envolvida; 2º) Acerte os coeficientes da equação (ou equações); Lembre-se: equação balanceada: coeficiente = número de mols 3º) Destaque, na equação química, a(s) substância(s) envolvida(s) nos dados e a(s) pergunta(s) do problema; 4º) Abaixo das fórmulas, escreva a relação molar e transforme-a segundo os dados do exercício (mol, gramas, número de átomos ou moléculas, volume molar); RELAÇÃO EM MASSA Os dados do problema e as quantidades de incógnitas pedidas são expressos em termos de massa. Exemplo: Na reação N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) qual a massa de NH3 obtida quando se reagem totalmente 3g de H2? Resolução: a) Proporção de quantidade de matérias 3 mol de H2 –––––––– 2 mol de NH3 b) Regra de três 3 . 2g de H2 –––––––– 2 . 17g de NH3 3g de H2 –––––––– x x = 102/6 = 17g de NH3 RELAÇÃO MASSA VOLUME Basta lembrar que 1 mol de qualquer gás, a 0ºC e 1 atm, ocupa o volume de 22,4 litros. Exemplo: Na reaçãoN2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) qual o volume de N2, a 0ºC e 1 atm, obtido quando se reagem totalmente 3g de H2? Resolução: a) Proporção em mol 1 mol de N2 –––––––– 3 mol de H2 b) Regra de três 22,4L de N2 –––––––– 3 . 2g de H2 x –––––––– 3 de H2 x = 22,4/2 = 11,2L RELAÇÃO MASSA - Nº MOLÉCULAS Na reação gasosa N2 + H2 --------- NH3, qual o número de moléculas de NH3 obtido, quando se reagem totalmente 18g de H2? Acerte os coeficientes da equação: 1N2 +3H2 --------2NH3. Veja os dados informados (18g de H2) e o que está sendo solicitado (número de moléculas de NH3) e estabeleça uma regra de três. 3H2 -------------- 2NH3 3x2g --------------2x6,02x1023 18g -------------- x x= 36,12x1023 ou x= 3,612x1024 moléculas CÁLCULOS ENVOLVENDO EXCESSO DE REAGENTE Quando o enunciado do exercício fornecer quantidades de 2 reagente, precisamos verificar qual deles estará em excesso, após terminada a reação. As quantidades de substâncias que participam da reação química são sempre proporcionais aos coeficientes da equação. Se a quantidade de reagente estiver fora da proporção indicada pelos coeficientes da equação, reagirá somente a parte que se encontra de acordo com a proporção; a parte que estiver a mais não reage e é considerada excesso. Por outro lado, o reagente que for totalmente consumido (o que não estiver em excesso) pode ser denominado de reagente limitante porque ele determina o final da reação química no momento em que for totalmente consumido. Exemplo: Consideremos o caso da combustão do álcool: Uma massa de 138 g álcool etílico (C2H6O) foi posta para queimar com 320g de oxigênio (O2), em condições normais de temperatura e pressão. Qual é a massa de gás carbônico liberado e o excesso de reagente, se houver? Resolução: A reação balanceada é dada por: Só de analisarmos os dados, vemos que a massa de oxigênio é proporcionalmente maior que a do álcool, assim o oxigênio é o reagente em excesso e o álcool etílico é o reagente limitante. Calculando a massa de gás carbônico formado a partir da quantidade do reagente limitante: 46g de C2H6O ------------88g de CO2 138g de C2H6O ------------x x = 264 g de CO2 Obs.: A massa de oxigênio em excesso é determinada de forma análoga: 46g de C2H6O ------------ 96 O2 138g de C2H6O ------------x x = 288 g de O2 A massa em excesso é a diferença da massa que foi colocada para reagir e a que efetivamente reagiu: 320g - 288g = 32 g CÁLCULOS ENVOLVENDO REAGENTE LIMITANTE O reagente que é totalmente consumido é chamado reagente limitante. Assim que ele é consumido, não se forma mais produto, ou seja, a reação termina. Os demais reagentes são chamados reagentes em excesso. Após o término da reação, sobra uma certa quantidade dos reagentes em excesso: é a quantidade inicial menos a quantidade que reagiu. Para descobrir qual é o reagente limitante: imagine a reação hipotética a seguir: A + B → produtos, onde A e B são os reagentes. Se a questão fornece quantidades de A e B usadas na reação, como descobrir qual deles é totalmente consumido? - escolher um dos reagentes (A, por exemplo) e supor que ele é o limitante; - calcular, usando regra de três, a quantidade de B necessária para consumir completamente o reagente A; Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 46 - se essa quantidade encontrada de B for suficiente (menor do que a quantidade de B dada no enunciado), então o reagente A é o limitante. Caso contrário, a suposição inicial estava errada e o outro reagente (B) é o limitante. Veja a resolução do exercício de revisão para ficar mais claro. Assim que for encontrado qual é o reagente limitante, os cálculos estequiométricos devem ser feitos usando apenas a quantidade do limitante, pois é ele que é totalmente consumido. Além disso, problemas de reagente limitante são mais fáceis de se resolver com as quantidades em mol, em vez de massa ou volume gasoso. Na dúvida, passe as quantidades para mol e trabalhe com elas. Exemplos: 1) Zinco e enxofre reagem para formar sulfeto de zinco de acordo com a seguinte reação: Reagiu 30g de zinco e 36g de enxofre. Qual é o regente em excesso? Balancear a reação química: Dados: Zn = 30g S = 36g Transformar a massa em gramas para mol: Pela proporção da reação 1mol de Zn reage com 1mol de S. Então 0,46mol de Zn reage com quantos mols de S? Pode ser feita uma regra de três para verificar qual regente está em excesso: Então 1mol de Zn precisa de 1mol de S para reagir. Se temos 0,46mol de Zn, precisamos de 0,46mol de S, mas temos 1,12mol de S. Concluímos que o S está em excesso e, portanto o Zn é o regente limitante. 2) Quantos gramas de ZnS será formado a partir dos dados da equação acima? Para resolver esta pergunta, utiliza-se somente o valor do reagente limitante. x = 44,68g de ZnS CÁLCULO DE RENDIMENTO É comum, nas reações químicas, a quantidade de produto ser inferior ao valor esperado. Neste caso, o rendimento não foi total. Isto pode acontecer por várias razões, como por exemplo, má qualidade dos aparelhos ou dos reagentes, falta de preparo do operador, etc. O cálculo de rendimento de uma reação química é feito a partir da quantidade obtida de produto e a quantidade teórica (que deveria ser obtida). Quando não houver referência ao rendimento de reação envolvida, supõe-se que ele tenha sido de 100%. Exemplo: Num processo de obtenção de ferro a partir do minério hematita (Fe2O3), considere a equação química não- balanceada: Utilizando–se 480g do minério e admitindo-se um rendimento de 80% na reação, a quantidade de ferro produzida será de: Equação Balanceada: Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO Dados: 1Fe2O3 = 480g 2Fe = x (m) com 80% de rendimento MM Fe2O3 = 160g/mol MM Fe = 56g/mol x = 336g de Fe Cálculo de Rendimento: x = 268,8g de Fe CÁLCULOS ENVOLVENDO PUREZA Com frequência as substâncias envolvidas no processo químico não são puras. Assim, podemos esquematicamente dividir uma amostra em duas partes: a parte útil e as impurezas. - Parte útil ou parte pura: reage no problema p% - Impurezas: não reagem no processo do problema i% Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 47 Diante disso, é importante calcularmos a massa referente à parte pura, supondo que as impurezas não participam da reação. Grau de pureza (p) é o quociente entre a massa da substância pura e a massa total da amostra (substância impura). Exemplo: Considerando a reação balanceada: Qual a massa de cloreto ferroso obtida quando 1100g de sulfeto ferroso, com 80% de pureza, reagem com excesso de ácido clorídrico? (Fe = 56u; S = 32u; H = 1u; Cl = 35,5u). A informação sobre o ácido clorídrico é desnecessária, pois não vamos utilizá-lo em nossos cálculos, já que temos apenas a massa de sulfeto ferroso posta para reagir. Por outro lado, sabemos que o sulfeto ferroso está com impurezas. Vamos então calcular qual a massa deste reagente puro. 1100g de FeS ________ 100% x _____________ 80% x = 880g de FeS puro. Agora sim podemos utilizar as proporções molares para encontrar a massa de cloreto ferroso formada na reação. 1 mol de FeS _______ 1 mol de FeCl2 88g de FeS ____________ 127g de FeCl2 880g de FeS _______________ y y = 111760/88 y = 1270g de FeCl2 Sistema em que o rendimentonão é total Quando uma reação química não produz as quantidades de produto esperadas, de acordo com a proporção da reação química, dizemos que o rendimento não foi total. Rendimento de uma reação é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida e a quantidade esperada, de acordo com a proporção da equação química. Mediante aos exemplos acima, foi possível observar que os procedimentos para resolver exercícios de Cálculo Estequiométrico, devem seguir os seguintes passos: A) Escrever a equação da reação química; B) Acertar os coeficientes (fazer o balanceamento = igualar o número de átomos); C) Obter a PROPORÇÃO EM MOLS através dos coeficientes estequiométricos. Questões 01. (UNICAMP) Em uma pessoa adulta com massa de 70,0 Kg, há 1,6kg de Cálcio. Qual seria a massa desta pessoa, em Kg, se a Natureza houvesse, ao longo do processo evolutivo, escolhido o Bário em lugar do Cálcio? Dados: massas atômicas relativas: Ca = 40, Ba = 137. 02. Determine o volume de gás hidrogênio, obtido nas CNTP, na reação de 40g de uma amostra de sódio, com 46% desse metal. (Na=23). Na + H2O NaOH + 1 2 H2 03. Qual massa de uma amostra de Fe2O3, com 80% de pureza em relação ao óxido, produzirá 44,8g de ferro? 04. No processo 2SO2 + O2 2SO3 determine a massa de SO3 obtida a partir de 320g de SO2, sabendo que o rendimento do processo é 75%. (S=32; O=16). 05 (UnB-DF) A utilização sistemática da balança em laboratório, especialmente no estudo da variação de massa em reações químicas, é considerada um marco para o surgimento da Química Moderna. Um dos responsáveis por esse significativo momento da história da Química foi Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), cujas contribuições são até hoje utilizadas para o estudo de reações químicas, como a que é representada pela equação abaixo: 2HCl(aq) + CaCO3(s) → CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g) A partir do texto, das contribuições de Lavoisier e dos conceitos da Química a elas relacionados, julgue os itens que se seguem. ( ) De acordo com Lavoisier, se a reação química representada no texto for realizada em um recipiente aberto, a massa total dos reagentes será diferente da massa dos produtos contidos no recipiente após o término da reação. ( ) Lavoisier contribuiu para consolidar a Alquimia como uma ciência. ( ) Tanto a massa inercial quanto a massa gravitacional se conservam durante a reação citada no texto. ( ) Na reação representada no texto, a fórmula da água indica que existem duas unidades de massa de hidrogênio para cada unidade de massa de oxigênio. 06. Nos garimpos, utiliza-se o mercúrio para separar o ouro das impurezas. Quando o mercúrio entra em contato com a água dos rios, causa uma séria contaminação: é absorvido por micro-organismos, que são ingeridos pelos peixes pequenos, os quais são devorados pelos peixes grandes usados na alimentação humana. Uma das formas de medir o grau de intoxicação por mercúrio nos seres humanos é a determinação da sua presença nos cabelos. A OMS (Organização Mundial da Saúde) estabeleceu que o nível máximo permissível, sem risco para a saúde, é de 50 x l0–6 g de mercúrio, por grama de cabelo. Nesse sentido, pode-se afirmar que essa quantidade de mercúrio corresponde a: (Massa atômica: Hg = 200) (nº de Avogadro = 6,0 x l0–23) (A) 1,5 x 1017 átomos de Hg (B) 1,5 x 1023 átomos de Hg (C) 2,5 x 106 átomos de Hg (D) 150 bilhões de átomos de Hg (E) 200 milhões de átomos de Hg 07. (UFMG-MG) Considere as seguintes equações: I.HCℓ + NaOH → NaCℓ + H2O II.H2 + ½ O2 → H2O III.SO3+ H2O → H2SO4 Ocorre oxirredução apenas em: (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e III. (E) II e III. 08. (Cesgranrio-RS) Observe a reação: SnCl2 + 2 HCl + H2O2 → SnCl4 + 2 H2O A partir dela, podemos afirmar corretamente que: (A) o Sn e o Cl sofrem oxidação. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 48 (B) o Sn sofre oxidação, e o O, redução. (C) o Sn sofre oxidação, e HCl, redução. (D) a H2O2 sofre redução, e o Cl, oxidação. (E) a H2O2 sofre oxidação, e o Sn, redução. 09. (UFF-RJ) Alguns óxidos de nitrogênio, dentre os quais N2O, NO, NO2, N2O3 e N2O5, podem ser detectados na emissão de gases produzidos por veículos e, também, por alguns processos para fabricação de fertilizantes. Tais óxidos contribuem para tornar o ar muito mais poluído nos grandes centros, tornando-o nocivo à saúde. Dentre os óxidos citados, o que apresenta maior percentual de N é: (A) NO (B) NO2 (C) N2O (D) N2O3 (E) N2O5 10. Como o dióxido de carbono, o metano exerce também um efeito estufa na atmosfera. Uma das principais fontes desse gás provém do cultivo de arroz irrigado por inundação. Segundo a Embrapa, estima-se que esse tipo de cultura, no Brasil, seja responsável pela emissão de cerca de 288 Gg (1Gg = 1 × 109 gramas) de metano por ano. Calcule o número de moléculas de metano correspondente. Massas molares, g/mol: H=1 e C=12. Constante de Avogadro = 6,0 ×1023 mol-1. Respostas 01. Resposta: 73,88 kg 02. Resolução: Vamos calcular a parte da amostra. 40g-------------100% x-----------------46% Essa é a massa real de sódio existente na amostra. É a massa que deve participar do cálculo estequiométrico. Na + H2O NaOH + H2 1mol ½ mol 23g --------------------- 1 2 (22,4L) 18,4g--------------------V V = 18,4g. 11,2L 23 g V= 8,96L Resposta: 8,96 L de gás hidrogênio. 03. Resolução: Vamos calcular a parte pura da amostra. Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 1mol 2 mols 160g ----------------------2 (56g) x---------------------------44,8g x= 64g Fe2O3 (parte pura) Amostra=? 80% Perceba que 64g de Fe2O3 correspondem a 80% da amostra. 64g----------------80% m------------------100% mtotal= 80g 04. Resolução: 2SO2 + O2 2SO3 2mols 0,75 [2mols] r=75%=0,75 2(64g)-----------0,75[2(80g)] 320g-------------x X=300g de SO3 05. Resposta: C – E – C – E 06. Resposta: A 200 g------------------6,0 x1023-átomos de Hg 50.10-6 g----------------x X=1,5 x 1017 átomos de Hg 07. Alternativa B Sabemos que somente na equação II ocorre oxirredução porque somente nela há transferência de elétrons. Isso é visto pelo Nox: +1 -1 +1 -2+1 +1 -1 +1 -2 I.HCℓ + NaOH → NaCℓ + H2O (Não houve alteração no Nox dos elementos, portanto, não houve oxirredução). 0 0 +1 -2 II.H2 + ½ O2 → H2O Observe que o hidrogênio oxidou (perdeu elétrons, seu Nox diminuiu), pois ele transferiu elétrons para o oxigênio, que reduziu. +6-2 +1 -2 +1+6-2 III.SO3+ H2O → H2SO4 (Não houve alteração no Nox dos elementos, portanto, não houve oxirredução). 08. Alternativa B Observe os Nox: +2 -1 +1 -1 +1 -1 +4 -1 +1 -2 SnCℓ2 + 2 HCℓ + H2O2 →SnCℓ4 + 2 H2O O Nox do Sn aumentou de +2 para +4, o que significa que ele sofreu oxidação. Já o Nox do O diminuiu de -1 para -2, o que significa que ele sofreu redução. 09. Resposta: C Massas molares NO=30g ; NO2=46g ; N2O=44g ; N2O3=76g ; N2O5=108g Porcentagem de N NO 30g-------100% 14g--------x x=46.6% NO2 46g--------100% 14g----------x x=30.4% N2O 44g---------100% 28g-----------x x=63.6% N2O3 76g---------100% 28g-----------x x=36.8% 64g Fe2O3 Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 49 N2O5 108g-------100% 28g-----------x x=25.9% Logo o óxido que possui mais N é o N2O 10. Resposta 16 g -------------------- 6 × 1023 moléculas (CH4) 228 × 109 g ------------ n n = 1,08 . 1034 moléculas CH4. Estudo dos Gases O estudo do comportamento dos gases deve ser feito semprea partir de suas três variáveis de estado: pressão, temperatura e volume. Equação geral dos gases Todo gás é constituído de partículas (moléculas) que estão em contínuo movimento desordenado. Esse movimento de um grande número de moléculas provoca colisões entre elas e, por isso, sua trajetória não é retilínea num espaço apreciável, mas sim caminham em ziguezague. Essas colisões podem ser consideradas perfeitamente elásticas. O estado em que se apresenta um gás, sob o ponto de vista microscópico, é caracterizado por três variáveis: pressão, volume e temperatura. São denominadas variáveis de estado. I. Volume O volume de qualquer substância é o espaço ocupado por esta substância. No caso dos gases, o volume de uma dada amostra é igual ao volume do recipiente que a contém. As unidades usuais de volume são: litro (L), mililitro (ml), metro cúbico (m3), decímetro cúbico (dm3) e centímetro cúbico (cm3). II. Temperatura É a medida do grau de agitação térmica das partículas que constituem uma substância. No estudo dos gases, é utilizada a escala absoluta ou Kelvin (K) e, no Brasil, a escala usual é a Celsius ou centígrado (°C). Portanto, para transformar graus Celsius (t) em Kelvin, temos: III. Pressão A pressão é definida como força por unidade de área. No estado gasoso, a pressão é o resultado do choque de suas moléculas contra as paredes do recipiente que as contém. A medida da pressão de um gás é feita através de um aparelho chamado manômetro. O manômetro é utilizado na medida da pressão dos gases, dentro de recipientes fechados. Leis Físicas dos Gases Uma dada massa de gás sofre uma transformação quando ocorrem variações nas suas variáveis de estado. Começamos o estudo modificando-se apenas duas das grandezas e a outra se mantém constante. Lei de Boyle-Mariotte “À temperatura constante, uma determinada massa de gás ocupa um volume inversamente proporcional à pressão exercida sobre ele”. Esta transformação gasosa, onde a temperatura é mantida constante, é chamada de transformação isotérmica. Experiência da Lei de Boyle-Mariotte A lei de Boyle-Mariotte pode ser representada por um gráfico pressão-volume. Neste gráfico, as abscissas representam a pressão de um gás, e as ordenadas, o volume ocupado. A curva obtida é uma hipérbole, cuja equação representativa é PV = constante. Portanto, podemos representar: Lei de Charles/Gay-Lussac “À pressão constante, o volume ocupado por uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta." Esta transformação gasosa, onde a pressão é mantida constante, é chamada de transformação isobárica. As relações entre volume e temperatura podem ser representadas pelo esquema: 8. Estudo dos Gases: 8.1 Teoria cinética dos gases; 8.2 Equação geral; 8.3 Equação de Clayperon; 8.4 Transformações gasosas. T = t + 273 Ct+273 Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 50 Graficamente, encontramos: A reta obtida é representada pela equação: V = (constante) · T ou V/T = constante Com isso, ficamos com: Lei de Charles/Gay-Lussac “A volume constante, a pressão exercida por uma determinada massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.” Esta transformação gasosa, onde o volume é mantido constante, é denominada de transformação isocórica, isométrica ou isovolumétrica. As relações entre pressão e temperatura são representadas a seguir: Graficamente, encontramos: A reta obtida é representada pela equação: P = (constante) · T ou P/T = constante Com isso, ficamos com: Gás Perfeito ou Ideal Obedece rigorosamente às Leis Físicas dos Gases em quaisquer condições de temperatura e pressão. Gás Real Não segue o comportamento do gás ideal, principalmente em pressões muito altas e/ou em temperaturas baixas, porque ocorre alta redução de volume e as partículas, muito próximas, passam a interferir umas no movimento das outras. Um gás real aproxima-se do comportamento de um gás ideal à medida que diminui a pressão e aumenta a temperatura. Equação Geral dos Gases Esta equação é utilizada quando ocorre transformação gasosa em que as três variáveis de estado (P, V e T) se modificam simultaneamente. Ela é obtida por meio da relação matemática entre as transformações gasosas estudadas anteriormente. Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP, CN ou TPN) São definidas como condições normais de temperatura e pressão quando o gás é submetido a uma pressão de 1 atm e à temperatura de 0 °C. Portanto, podemos colocar: P = 1 atm = 760 mmHg T = 0 °C = 273 K Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 51 Lei de Avogadro “Volumes iguais de gases quaisquer, à mesma temperatura e pressão, encerram o mesmo número de moléculas” Sendo n a quantidade em mols de cada gás, podemos concluir que: Determinou-se experimentalmente o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás nas CNTP e foi encontrado o valor aproximadamente igual a 22,4 L. Portanto, podemos dizer que: Equação de Clapeyron As leis de Boyle e Charles/Gay-Lussac podem ser combinadas com a lei de Avogadro para relacionar volume, pressão, temperatura e quantidade em mols de um gás. Tal relação é chamada de equação de estado de um gás. Ela pode ser encontrada das seguintes formas: Lei de Boyle-Mariotte V é proporcional a quando T e n são constantes. Lei de Charles/Gay-Lussac V é proporcional a T onde P e n são constantes. P é proporcional a T onde V e n são constantes. Lei de Avogadro V é proporcional a n quando T e P são constantes. Agrupando as quatro expressões encontramos: V é proporcional a (1/P)· (T) · (n) ou V = R ·(1/P) · (T) · (n), onde R representa a constante de proporcionalidade e é chamada de constante universal dos gases. A equação de estado pode então ser representada por: 𝑷. 𝑽 = 𝒏. 𝑹. 𝑻 Esta equação também é denominada de equação de Clapeyron, em homenagem ao físico francês que a determinou. A constante R pode assumir dois valores distintos, de acordo com a unidade de pressão utilizada, dentre os quais temos: Misturas gasosas15 As misturas gasosas são muito comuns no cotidiano. É possível descobrir sua pressão e volume total através das pressões e volumes parciais dos gases componentes da mistura. 15 http://www.brasilescola.com/ Estamos cercados mais por misturas de gases do que por gases isolados. O ar que respiramos é um exemplo de mistura de vários gases, sendo que os principais são o nitrogênio (N2), que corresponde a cerca de 80% do ar; e o oxigênio (O2), que é quase 20%. Visto que são tão presentes em nosso cotidiano, é necessário analisar duas grandezas importantes quando se trata de misturas gasosas, que são: pressão parcial e volume parcial. A seguir, ambos serão explicados: 1. Pressão parcial dos gases: A pressão parcial de um gás é a pressão que ele exerceria se estivesse sozinho, nas mesmas condições de temperatura e volume da mistura. Segundo Dalton, a soma das pressões parciais dos gases que formam a mistura resulta na pressão total (p) da mistura. Por exemplo, se a pressão do ar for de 1,0 atm, a pressão parcial do N2 será de 0,8 (80% da pressão total) e a pressão parcial de O2 será igual a 0,2 % (20% da pressão total da mistura). Essa Lei de Dalton é mostrada também pela fração em quantidade de matéria (X). Essa fração no caso do nitrogênio é dada por 0,8 mol. 1,0 mol PN2= p . XN2 PN2= 1,0 atm . 0,8 = 0,8 atm. Pode-se também calcular cada pressão parcial por meioda equação de estado dos gases: Equação de estado dos gases: PV = nRT 2. Volume parcial dos gases: Similarmente à pressão parcial, o volume parcial corresponde ao volume que um gás ocupa nas condições de temperatura e pressão da mistura. A Lei de Amagat diz que a soma dos volumes parciais é igual ao volume total, assim como o caso da pressão visto anteriormente. Por isso, usamos a equação de estado dos gases, com a única diferença que agora se coloca o volume parcial do gás e não a pressão: P. VN2= nN2 . RT Também é possível calcular o volume parcial de cada gás componente da mistura por meio da fração em quantidade de matéria. Teoria cinética dos gases São considerados primitivos os conceitos de sólido, liquido e gás. Assim, uma rocha é um solido, a água que escorre da torneira é um liquido e o ar que respiramos é um gás. Mas o fato dos gases apresentarem propriedades extremamente distintas dos sólidos e líquidos chamou a atenção de inúmeros cientistas em meados do século XVIII, que passaram, então, a estudar esse estado físico da matéria. Algumas das propriedades que esses cientistas estudaram são: “Um gás não tem volume próprio” O volume de um gás corresponde ao volume do recipiente onde ele está inserido. Se colocarmos 1Kg de ar em um recipiente de 100L, o volume será de 100L , mas se colocarmos 1Kg de ar em um volume de 200L , o volume do gás será de 200L. “Um gás não tem forma própria” Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 52 O gás assume a forma do recipiente onde está inserido. Nesse aspecto, os gases são semelhantes aos líquidos, que também não apresentam forma própria. Entretanto, os sólidos independem da forma do ambiente onde está inserido, isto é, os sólidos apresentam forma própria. “Os gases apresentam grande compressibilidade e expansibilidade” Assim, ao dobrarmos a pressão exercida sobre um gás, o seu volume diminui pela metade (compressibilidade); por outro lado, ao reduzirmos a pressão exercida pela metade, seu volume tende a dobrar (expansibilidade). “A liquefação e a vaporização são acompanhadas por uma elevada variação no volume” Entretanto, a fusão de um sólido e a solidificação de um líquido são acompanhadas por pequenas variações de volume. Resumindo: Para explicar essas e outras propriedades dos gases foi criado um modelo gasoso, que constitui a chamada teoria cinética dos gases. A teoria cinética dos gases se baseia em quatro postulados: 1 – o gás é formado por moléculas que se encontram em movimento desordenado e permanente. Cada molécula pode ter velocidade diferente das demais. 2 – cada molécula do gás interage com as outras somente por meio de colisões (forças normais de contato). A única energia das moléculas é a energia cinética. 3 – todas as colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente que contém o gás são perfeitamente elásticas. A energia cinética total se conserva, mas a velocidade de cada molécula pode mudar. 4 – as moléculas são infinitamente pequenas. A maior parte do volume ocupado por um gás é espaço vazio. Partindo desses postulados, Boltzmann e Maxwell mostram que a energia cinética média do total de moléculas de um gás ideal é proporcional à temperatura conforme a expressão: Onde k é a constante de Boltzmann e N é o número de moléculas. O valor de k pode ser calculado a partir da constante dos gases R e do número de Avogadro NA por: A expressão obtida mostra que a temperatura é proporcional à energia cinética média das moléculas de um gás ideal. Assim, vemos que a temperatura é uma média do grau de agitação das moléculas de um gás. Usando o número de mols, temos: Questões 01. (FUVEST – SP) Um recipiente indeformável, hermeticamente fechado, contém 10 litros de um gás perfeito a 30ºC, suportando a pressão de 2 atmosferas. A temperatura do gás é aumentada até atingir 60º C. A) Calcule a pressão final do gás. B) Esboce o gráfico pressão versus temperatura da transformação descrita. 02. (FAAP – SP) A 27º C, um gás ideal ocupa 500 cm3. Que volume ocupará a -73º C, sendo a transformação isobárica? 03. (UNIMEP – SP) 15 litros de uma determinada massa gasosa encontram-se a uma pressão de 8,0 atm e à temperatura de 30º C. Ao sofrer uma expansão isotérmica, seu volume passa a 20 litros. Qual será a nova pressão do gás? 04. O nitrogênio é considerado um gás ideal quando está em condições normais de temperatura e pressão. Dada uma massa igual a 2 Kg/m³, determine a massa de 10 litros de nitrogênio à pressão de 700 mmHg e à 40 °C. 05. O estado de um gás perfeito é caracterizado pelas variáveis de estado. Quais são elas? Quais suas definições? 06. (F.M. Itajubá - MG) O comportamento de um gás real aproxima-se do de um gás ideal quando: A) submetido a baixas temperaturas. B) submetido a baixas temperaturas e baixas pressões. C) submetido a altas temperaturas e altas pressões. D) submetido a altas temperaturas e baixas pressões. E) submetido a baixas temperaturas e altas pressões. 07. (UF-AC). Qual deve ser a temperatura de certa quantidade de um gás ideal, inicialmente a 200 K, para que tanto o volume quanto a pressão dupliquem? A) 1200 K B) 2400 K C) 400 K D) 800 K E) n.d.a 08. (UNB) Os microprocessadores atuais são muito pequenos e substituíram enormes placas contendo inúmeras válvulas. Eles são organizados de forma que apresentem determinadas respostas ao serem percorridos por um impulso elétrico. Só é possível a construção de dispositivos tão pequenos devido ao diminuto tamanho dos átomos. Sendo estes muito pequenos, é impossível contá-los. A constante de Avogadro - e não o número de Avogadro - permite que se calcule o número de entidades - átomos, moléculas, formas unitárias, etc. - presentes em uma dada amostra de substância. O valor dessa constante, medido experimentalmente, é igual a 6,02.X1023 mol-1. Com relação ao assunto, julgue os seguintes itens. (01) A constante de Avogadro é uma grandeza, sendo, portanto, um número (6,02 . 1023) multiplicado por uma unidade de medida (mol-1). (02) A constante de Avogadro, por ser uma grandeza determinada experimentalmente, pode ter seu valor alterado em função do avanço tecnológico. (03) Massas iguais de diferentes elementos químicos contêm o mesmo número de átomos. (04) Entre os elementos químicos, o único que, em princípio, não está sujeito a uma variação de massa atômica é o isótopo do carbono de massa 12,00 u Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 53 09. Sabendo que a massa atômica do magnésio é igual a 24 u, determine a massa, em gramas, de um átomo desse elemento. (Dado: Número de Avogadro = 6,0 . 1023). (A) 24 g. (B) 4,0 g. (C) 24 . 10-23 g. (D) 4,0 . 1023 g. (E) 4,0 . 10-23 g. 10. Uma dada massa de gás perfeito está em um recipiente de volume 8,0 litros, a temperatura de 7,0oC, exercendo a pressão de 4,0 atm. Reduzindo-se o volume a 6,0 litros e aquecendo-se o gás, a sua pressão passou a ser de10 atm. Determine a que temperatura o gás foi aquecido. Respostas 01. Resposta: A Considerando-se que o volume do gás é constante, temos que a transformação é isocórica. Assim, P1 = 2atm P2= ? T1 = 30ºC (passar para Kelvin) = 273 + 30 = 303 K T2 = 60ºC (passar para Kelvin) = 273 + 60 = 333 K Substituindo os valores fornecidos pelo problema na equação da transformação isocórica, temos: P1/T1 = P2/T2 2/303 = P2/333 P2 = 2,2 atm Assim, podemos concluir que a pressão e a temperatura são grandezas diretamente proporcionais. Letra B) A partir da resolução do item anterior, podemos esboçar o gráfico da pressão em função da temperatura(pressão x temperatura). 02. Resolução Sabe-se que: T1 = 27ºC = 300 K T2 = -73ºC = 200 K V1 = 500 cm3 V2 = ? Da transformação isobárica temos que: V1/T1 = V2/T2 500/300 = V2/200 V2 = 333,33 cm3 V2 = 3,33x 10-4 m3 Podemos concluir que, para a transformação isobárica, o volume e a temperatura são diretamente proporcionais. 03. Resolução Do enunciado temos: V1 = 15 litros V2 = 20 litros P1 = 8,0 atm P2 = ? T = 30º C = 303 K (TEMPERATURA CONSTANTE) Utilizando a equação da transformação isotérmica, temos: P1V1 = P2V2 8x15 = P2x20 P2 = 6 atm De acordo com a transformação isotérmica, a pressão e o volume, em uma transformação gasosa, são grandezas inversamente proporcionais. Obs.: Para a solução de problemas envolvendo as transformações gasosas devemos utilizar SEMPRE a temperatura na escala absoluta (Kelvin). 04. Resolução Dados: P1= 760 mmHg T1: 273 K µ= 2Kg/ m³ Dados: T2= 40º C= 313 K V2= 10L P2= 700 mmHg Calculando V1 do nitrogênio: 𝑃1 . 𝑉1 𝑇1 = 𝑃2 . 𝑉2 𝑇2 760. 𝑉1 273 = 700. 10 313 V1= 8L Calculando a massa específica do nitrogênio: µ = 𝑚 𝑉 2 = 𝑚 0,008 M=0,016 Kg 0.5 Resolução As variáveis de estado são três: volume, temperatura e pressão. Volume: é o volume do recipiente que o contém. Temperatura: é a responsável por medir o estado de agitação molecular. Pressão: a pressão é ocasionada pelo choque que ocorre em suas partículas contra as paredes do recipiente que o contém. 06. Resposta: D. Um gás real aproxima-se do ideal quanto mais alta for sua temperatura e menor sua pressão. 07. Resposta: D. Dados: T1= 200 K V2= 2 V1 P2= 2P1 𝑃1. 𝑉1 𝑇1 = 𝑃2. 𝑉2 𝑇2 𝑃1. 𝑉1 200 = 2𝑃1. 2𝑉2 𝑇2 T2= 800 K 08. Respostas (01) Verdadeiro. (02) Verdadeiro. (03) Falso. Os átomos de diferentes elementos químicos possuem massas atômicas diferentes. Assim, se pegarmos Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 54 massas iguais de diferentes elementos químicos, o número de átomos de cada elemento químico nessas massas será diferente (comparando massas iguais, quanto menor a massa atômica do elemento, maior o número de átomos desse elemento nessa massa). (04) Verdadeiro. 09. Resposta: E 1 mol de átomos de Mg ↔ 24 g/mol ↔ 6,0 . 1023 átomos/mol x = 1 átomo . 24 g/mol 6,0 . 1023 átomos/mol x = 4,0 . 10-23 g. 10. Resposta: Aplicando a lei geral dos gases perfeitos, temos: Onde, T0 = 7 +273 = 280K Substituindo na equação, os valores fornecidos pelo enunciado do exercício temos: Logo, T = 525K Fazendo a transformação para a escala Celsius, temos: T = 525 – 273 = 252 oC Soluções Solução é uma mistura homogênea constituída por duas ou mais substâncias numa só fase. As soluções são formadas por um solvente (geralmente o componente em maior quantidade) e um ou mais solutos (geralmente componente em menor quantidade). Suas propriedades físicas e químicas podem não estar relacionadas com aquelas das substâncias originais, diferentemente das propriedades de misturas heterogêneas que são combinações das propriedades das substâncias individuais. As soluções incluem diversas combinações em que um sólido, um líquido ou um gás atua como dissolvente (solvente) ou soluto. Componentes de uma solução Uma solução verdadeira é constituída, no mínimo, por dois componentes: Solvente: substância presente em maior quantidade em uma solução, por meio da qual as partículas do(s) soluto(s) são 16 PERUZZO, Francisco Miragaia (Tito); CANTO, Eduardo Leite; Química na Abordagem do Cotidiano, Ed. Moderna, vol.1, São Paulo/SP- 1998. preferencialmente dispersas. É muito comum a utilização da água como solvente, originando soluções aquosas. Soluto: substância(s) presente(s) em menor quantidade em uma solução. Por exemplo, ao se preparar uma xícara de café solúvel, temos como soluto o café e o açúcar e como solvente a água quente. Exemplos: -Ao misturarmos 1g de cloreto de sódio (NaCl) em 1 litro de H2O, teremos uma solução, na qual o NaCl é o soluto e a água é o solvente -O álcool comercial comprado em supermercados trata-se de uma mistura homogênea entre álcool e água, geralmente constituída de 92% de álcool e 8% de água. Nesse caso, o álcool é o solvente e a água é o soluto. Solução – sempre formada pelo soluto e pelo solvente. Soluto – substância que será dissolvida. Solvente – substância que dissolve. As soluções podem ser formadas por qualquer combinação envolvendo os três estados físicos da matéria: sólido, líquido e gasoso. Exemplos de soluções no nosso dia-a-dia: - álcool hidratado - acetona - água minera - soro fisiológico Coeficiente de solubilidade Ao adicionar sal a um copo com água, dependendo da quantidade colocada neste copo, o sal se dissolverá ou não. O mesmo acontece quando colocamos muito açúcar no café preto. Nem todo o açúcar se dissolverá no café. A quantidade que não se dissolver ficará depositada no fundo. O Coeficiente de Solubilidade é a quantidade necessária de uma substância para saturar uma quantidade padrão de solvente, em determinada temperatura e pressão. Assim, a solubilidade é definida como a concentração de uma substância em solução, que está em equilíbrio com o soluto puro a uma dada temperatura. Exemplos: AgNO3 – 330g/100mL de H2O a 25°C NaCl – 357g/L de H2O a 0°C AgCl – 0,00035g/100mL de H2O a 25°C Veja que o AgCl é muito insolúvel. Quando o coeficiente de solubilidade é quase nulo, a substância é insolúvel naquele solvente. Quando dois líquidos não se misturam chamamos de líquidos imiscíveis (água e óleo, por exemplo). Quando dois líquidos se misturam em qualquer proporção, ou seja, o coeficiente de solubilidade é infinito, os líquidos são miscíveis (água e álcool, por exemplo). Classificação das soluções Uma solução pode ser classificada a partir de várias de suas propriedades, sendo estas: 1.Quanto ao estado físico:16 Poderemos ter uma solução em qualquer estado físico da matéria sendo assim: -Soluções Sólidas: recebem o nome de ligas, e geralmente tratam-se de uma mistura homogênea entre metais. Por exemplo, o ouro 18 quilates é uma mistura constituída por MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J.; Química: um curso universitário, Ed. Edgard Blucher LTDA, São Paulo/SP – 2002. 9. Soluções: 9.1 Conceito; 9.2 Classificação; 9.3 Tipos de concentração; 9.4 Diluição e volumetria. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 55 ouro, cobre e prata. Já o bronze é uma mistura dos metais zinco e estanho. -Soluções Líquidas: podem ser de três naturezas distintas: Sólidos dissolvidos em líquidos: por exemplo, água do mar é uma solução que apresenta vários solutos, entre eles, cloreto de sódio, cloreto de magnésio (MgCl2) e bicarbonatos (HCO3-). Líquidos dissolvidos em líquidos: por exemplo, temos o combustível denominado gasolina, que é uma mistura de hidrocarbonetos derivados do petróleo, e álcool, em uma proporção aproximada de 80% para 20%. Gases dissolvidos em líquidos: por exemplo, em um aquário deve-se diluir gás oxigênio (O2) na água, sendo este gás o responsável pela respiração dos peixes. Sendo assim, caso o aquário não permaneça aberto, é necessário injetar-se regularmente este gás por meio de um cilindro. -Soluções Gasosas: são aquelas constituídas apenas por gases, sendo que toda mistura entre gases apresenta uma única fase, sendo, portanto, uma solução. Por exemplo, o ar atmosférico é uma mistura constituída por 78% de gás nitrogênio (N2), 21% gás oxigênio e 1% de outros gases. 2. Quanto à natureza das partículasdispersas: De acordo com a natureza do soluto, podemos ter dois tipos de soluções: -Soluções Iônicas: são aquelas que apresentam íons dissolvidos. São chamadas também de soluções eletrolíticas, pois conduzem corrente elétricas. Por exemplo, ao diluirmos 1g de sal de cozinha (NaCl) em água, teremos uma solução que apresenta os íons Na+ e Cl- dissolvidos. -Soluções moleculares: são aquelas formadas por moléculas dissolvidas. São também chamadas de não eletrolíticas, pois não conduzem corrente elétrica. Por exemplo, ao repetirmos o procedimento anterior, mas desta vez utilizando o açúcar (C12H22O11) ao invés do sal, perceberemos (de acordo com a equação abaixo) que não há separação do soluto, portanto, trata-se de uma solução constituída por moléculas dissolvidas, molecular. 3.Quanto à proporção entre soluto e solvente: Em relação as quantidades em massa de soluto e solvente presente na solução, poderemos ter algumas possibilidades de classificação. Para compreendê-las, precisamos conhecer o conceito de coeficiente de solubilidade (CS). O CS representa a quantidade máxima de determinado soluto que poderemos dissolver em 100 g de água, em temperatura ambiente. Assim, afirmar que CS NaCl = 37g/100g de H2O, significa que a cada 100g de água poderemos dissolver em temperatura ambiente, o máximo de 37g de NaCl. Agora, poderemos compreender as classificações mais simples possíveis para uma solução quanto à proporção entre soluto e solvente. -Solução diluída: Pouco soluto dissolvido em relação ao solvente. Exemplo: Suco de uva -Solução insaturada: é aquela que tem uma concentração de soluto menor do que a de uma solução saturada, podendo ainda dissolver soluto adicional até se tornar uma solução saturada. Exemplo: uma solução formada por 1g de NaCl para 100g de água. -Solução saturada: é aquela que, ao se ir adicionando um soluto sólido a um solvente, atinge o ponto de equilíbrio que é quando não há mais condições de dissolução desse soluto. Exemplo: uma solução constituída por 37g de NaCl em 100g H2O. -Solução supersaturada: é aquela que tem uma concentração de soluto maior do que a de uma solução saturada. É uma solução instável, não havendo equilíbrio de solubilidade e seu soluto tende a cristalizar-se. Esta situação é possível quando uma solução saturada sob certas condições é colocada em condições diferentes de temperatura nas quais o soluto é menos solúvel, retendo assim mais soluto do que reteria na temperatura original. Exemplo: uma solução constituída por mais de 37g de NaCl em 100g H2O. Esquematicamente essas regras se resumem no esquema abaixo: Solubilidade de Gases em Líquidos Normalmente, os gases são pouco solúveis nos líquidos. Dois fatores alteram consideravelmente a solubilidade: -Temperatura Todo aumento de temperatura diminui a solubilidade do gás no líquido. Por exemplo, para eliminar gases dissolvidos na água, é feito o aquecimento por um certo período de tempo. Sendo assim, a diminuição da temperatura facilita a solubilidade de um gás num líquido. -Pressão Quando não ocorre reação do gás com o líquido, a influência da pressão é estabelecida pela lei de Henry: "Em temperatura constante, a solubilidade de um gás num líquido é diretamente proporcional à pressão". Exemplo: Os refrigerantes apresentam grande quantidade de CO2 dissolvido sob pressão. Quando o refrigerante é aberto, a pressão diminui, fazendo com que o excesso de CO2 dissolvido no refrigerante escape. Curvas de Solubilidade São diagramas que mostram a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. Analisando o gráfico ao lado, observamos que regiões abaixo da curva representam solução não saturada, sobre a curva, região saturada e acima da curva, desde que as quantidades permaneçam em solução, região supersaturada. O gráfico abaixo representa a solubilidade de várias substâncias em função da temperatura. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 56 A maioria das substâncias aumenta a solubilidade com o aumento da temperatura. Podemos dizer, então, que se trata de uma dissolução endotérmica. Para uma substância como Ce2(SO4)3, a solubilidade diminui com o aumento da temperatura; portanto, trata-se de uma dissolução exotérmica. O gráfico do coeficiente de solubilidade em função da temperatura é utilizado principalmente para informar a solubilidade de uma ou várias substâncias em função da temperatura. Exemplo: Interpretando o gráfico: - na temperatura de 50°C, a quantidade máxima de KNO3 que se dissolve em 100 g de água são 80 g. A solução em questão é saturada; - para obtermos uma solução saturada KNO3 a 40°C, basta dissolver 60 g de KNO3 em 100 g de água; - se resfriarmos uma solução saturada de 50°C para 40°C, teremos um corpo de fundo igual a 20 g de KNO3; - 200 g de água a 40°C dissolvem no máximo 120 g de KNO3. Dispersões são sistemas em que o soluto sólido está espalhado uniformemente em toda a mistura. Uma dispersão é formada por pelo menos um disperso (soluto) e um dispergente (solvente). A classificação das dispersões é feita de acordo com o tamanho das partículas (dimensões) das partículas dispersas (soluto). Observe o resumo abaixo: Tipos de Dispersão Tamanho do disperso Soluções verdadeiras Até 1nm Dispersão coloidal ou coloide Entre 1nm até 100 nm Suspensões Acima de 10nm Dispersões Coloidais As dispersões são misturas em que as partículas dispersas têm um diâmetro compreendido entre 1 nanômetro e 1 micrometro, partículas estas que podem ser átomos, íons ou moléculas. O nome coloide vem do grego “kolas”, que significa “que cola” e foi criado pelo químico escocês Thomas Graham, descobridor desse tipo de mistura. Nesse sistema, as partículas dispersas são significativamente menores do que aquelas que podem ser percebidas a olho nu, porém, bem maiores do que as moléculas individuais. Tais partículas recebem o nome de partículas coloidais. Devido ao seu tamanho, as partículas coloidais são capazes de perpassar por um filtro, mas não por uma membrana semipermeável. Elas são grandes o bastante para refletir e dispersar a luz, dispersão esta conhecida como efeito Tyndall. Tipos de dispersões -Sol: é uma dispersão coloidal na qual o dispersante é o líquido e o disperso é o sólido (um pouco de amido de milho com água) -Gel: é uma dispersão coloidal na qual o dispersante é o sólido e o disperso é o líquido (gelatina pronta e geleia) -Emulsão: é uma dispersão coloidal no qual o dispersante é o líquido e o disperso é o líquido (cremes hidratantes a base de óleo e água – onde para facilitar a interação, são usados emulsificantes (que funcionam como um "sabão" unindo água e óleo) -Espuma líquida: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o líquido e o disperso é gasoso, como por exemplo espuma de sabão e creme chantilly. -Espuma sólida: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o sólido e o disperso é gasoso, como a pedra- pomes (usadas nos salões de beleza). -Aerossol sólido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é gasoso e o disperso é sólido (fumaça). -Aerossol líquido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é o gasoso e o disperso é o líquido (neblina). -Sol sólido: é a dispersão coloidal na qual o dispersante é sólido e o disperso é sólido (o rubi e a safira). Suspensões ou agregados É um caso de disperso onde as partículas apresentam diâmetro superior a 10 nm. Neste caso as partículas já podem ser vistas a olho nu ou em microscópio óptico. Exemplos: H2O mais areia é uma suspensão. Terra suspensa em água. Alguns antibióticos são exemplos de suspensões. O granito é um material heterogêneo, sendo visível a existência de partículas disseminadas narocha. Coeficiente de solubilidade É a quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em determinada quantidade de solvente, a uma dada temperatura. O coeficiente de solubilidade é útil quando se analisa que haverá excesso de soluto quando suas moléculas não conseguirem mais realizar ligações, já que não haverá moléculas de solvente suficientes para a interação com as moléculas de soluto e colocarmos, por exemplo, 50 g de NH4Cl em 100 g de água e começarmos a aquecer o sistema, veremos que o sal que não tinha se dissolvido em 20ºC começará a dissolver-se. Isso acontece porque o coeficiente de solubilidade do NH4Cl em água aumenta com o aumento da temperatura, conforme o gráfico a seguir indica. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 57 Temperatura (ºC) Coeficiente de solubilidade do NH4Cl em g/100g de água 20 37,2 40 45,8 60 55,2 80 65,6 Exemplo: Foram misturados e agitados 200g de sulfato de amônio com 250g de água, resultando num sistema heterogêneo que, por filtração, forneceu 5g de resíduo. Calcule o coeficiente de solubilidade do sal na temperatura em que a experiência foi realizada. Solução: Como foram utilizados 200g do sal para cada 250g de água e após filtração restou uma massa de 5g do sal, então na realidade, conseguiu-se dissolver apenas 195g do sal. Podemos usar uma regra de três simples e achar a massa do sal que foi dissolvida em 100g de água. 195g sal_____250g água xg sal_______100g água x = 78 g do sal para cada 100 g de água naquela temperatura. Esse é o chamado coeficiente de solubilidade da substância em questão, ou seja, a massa máxima que se consegue dissolver em 100g do solvente a uma dada temperatura. Concentração de Soluções É o termo que utilizamos para fazer a relação entre a quantidade de soluto e a quantidade de solvente em uma solução. As concentrações podem ser: 1. Concentração Comum 2. Molaridade 3. Título 4. Fração Molar 5. Normalidade Concentração Comum (C) É a relação entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros. Onde: C = concentração comum (g/L) m1= massa do soluto(g) V = volume da solução (L) Exemplo: Qual a concentração comum em g/L de uma solução de 3L com 60g de NaCl? ATENÇÃO: Concentração comum é diferente de densidade, apesar da fórmula ser parecida. Veja a diferença: A densidade é sempre da solução, então: Na concentração comum, calcula-se apenas a massa do soluto, ou seja, m1. Densidade (d): A densidade de uma solução representa a relação entre a massa da solução e o volume da solução. Onde, - msolução = msoluto + msolvente - V = volume da solução Exemplo: Se uma solução apresenta d = 1,2g/mL, isso significa que em casa mililitro da solução existe uma massa total de 1,2 g. Importante: A relação massa da solução/volume da solução poderá ser expressa em: g/L; g/mL; g/cm³ e etc. Molaridade (M) A molaridade de uma solução é a concentração em número de mols de soluto e o volume de 1L de solução. Onde: M = molaridade (mol/L) n1= número de mols do soluto (mol) V = volume da solução (L) O cálculo da molaridade é feito através da fórmula acima ou por regra de três. Outra fórmula que utilizamos é para achar o número de mols de um soluto: Onde: n = número de mols (mol) m1 = massa do soluto (g) MM = massa molar (g/mol) Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 58 Exemplo: Qual a molaridade de uma solução de 3L com 87,75g de NaCl? M=1,5/3 M=0,5 mol/L n=1,5mol Portanto M=0,5 mol/L Podemos utilizar uma única fórmula unindo a molaridade e o número de mols: Onde: M = molaridade (mol/L) m1 = massa do soluto (g) MM1= massa molar do soluto (g/mol) V = volume da solução (L) Título ( ) e Percentual (%) Título em massa de uma solução é relação entre as massas de soluto e da solução: Título em massa, também chamada de fração de massa, é um número puro adimensional. m1 massa do soluto m massa total da solução ou seja massa do soluto mais massa do solvente m= m1+m2 Título em porcentagem de uma solução é relação entre as massas de soluto e da solução dada em porcentagem: Título em porcentagem, também chamada de porcentagem em massa de soluto, e é dado em %. m1 massa do soluto m massa total da solução ou seja massa do soluto mais massa do solvente m= m1+m2 Título em volume de uma solução é relação entre o volume de soluto e da solução, pode ser dada em porcentagem: Título em volume V1 volume do soluto V volume total da solução ou seja volume do soluto mais volume do solvente V= V1+V2 Fração molar É a relação entre o número de mols do soluto (ou do solvente) pelo número de mols da solução: X1fração molar do soluto X2fração molar do solvente n1 número de mols do soluto n2 número de mols do solvente n número de mols da solução Exemplo: Adicionando-se 52,0g de sacarose, C12H22O11 a 48,0g de água para formar uma solução, calcule para a fração molar da sacarose nesta solução: Para o cálculo do n1(soluto) 1 mol sacarose--------342g X (g)----------------------52g x=0,15 mol Para o cálculo do n2(solvente) 1 mol água------------18g x(g)----------------------48 g x=2,66 mol Para achar a fração molar do soluto (sacarose): Relações entre a concentração, o título, a densidade e a molaridade: C= d.=M. M1 M1 massa molar do soluto Exemplo: No rótulo de um frasco de HCl há a seguinte informação: Título: percentual em massa = 36,5% Densidade = 1,18g/mL Qual a molaridade desse ácido? Transformar o percentual em título: 36,5/100=0,365 Depois aplicar a fórmula: C= 1000 d. C= 1000.1,18.0,365 C= 430,7 g/L Para achar a molaridade: C= M.MM 430,7=M.36,5 M= 11,8 mol/L Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 59 Normalidade É a relação entre o número de equivalentes-gramas do soluto e o volume da solução em litros.” A normalidade é simbolizada por N. Exemplo: Determinar a normalidade da solução que contém 98g de H2SO4 dissolvidos em 1 litro da solução. massa molar do H2SO4 = 98g/mol Equivalente-grama do H2SO4 = 49g/eq. g Diluição Consiste em adicionar mais solvente puro a uma determinada solução. A massa de uma solução após ser diluída permanece a mesma, não é alterada, porém a sua concentração e o volume se alteram. Enquanto o volume aumenta, a concentração diminui Quando adiciona-se água numa solução. Usamos a seguinte fórmula: M1.V1=M2.V2 A molaridade (M) pode ser substituída por concentração comum (C). Dica: no lado esquerdo da fórmula, colocamos os dados da solução inicial, mais concentrada e no lado direito colocamos a solução que foi adicionada água, a mais diluída. Mistura de solução de mesmo soluto C1V1 + C2.V2= Cf.Vf ou M1V1 + M2.V2= Mf.Vf Exemplo: A concentração inicial possui concentração maior (196 g/L) do que a solução de que o químico precisa (98 g/L). Dessa forma, ele precisa pegar um determinado volume da solução inicial e diluir até atingir a concentração desejada. Mas que volume seria esse? Para descobrir basta usar a expressão: Ci . Vi= Cf . Vf. 196 g/L . Vi = 98 g/L . 2 L Vi = 196 g 196 g/L Vi = 1 L Portanto, é preciso pegar 1 L da solução inicial e diluí-lo até completar dois litros, obtendo-se, dessa forma, uma solução a 98 g/L. Mistura de solução de soluto diferente Neste caso, as solução são de ácido e base, portanto reações de neutralização. O ácido e a base reagem e formam um novo produto. Deve-se levar em conta a reação química e o coeficiente estequiométrico. Ma.Va.Xa=Mb.Vb.Xb Exemplo: Juntando-se 300mL de HCl 0,4mol/L com 200mL de NaOH 0,6mol/L, pergunta-se quais serão as molaridades da solução final com respeito: a) ao ácido: b) à base: c) ao sal formado: Montar a reação química: 1 HCl + 1NaOH 1 NaCl + 1 H2O 300 mL 200mL 0,4 mol/L 0,6 mol/L Calcular n (número de mol) do ácido e da base: HCl: 0,4 mol—1000mL X(mol)—300 mL X= 0,12 mol NaOH: 0,6 mol—1000mL X(mol)—200 mL X= 0,12 mol Se forma 0,12mol de ácido e também de base e a proporção estequiométrica é 1:1, então a molaridade final de ácido e de base é zero porque reagiu todo o soluto. Calcular a molaridade do sal, antes achar o volume final: Vf=300+200 Vf=500 mL = 0,5 L Questões 01. (Unicamp-SP) Observe o diagrama de fases do dióxido de carbono, ao lado. Considere uma amostra de dióxido de carbono a 1atm de pressão e temperatura de –50 ºC e descreva o que se observa quando, mantendo a temperatura constante, a pressão é aumentada lentamente até 10 atm. 02. Preparou-se uma solução dissolvendo-se 40g de Na2SO4 em 100g de água a uma temperatura de 60ºC. A seguir a solução foi resfriada a 20ºC, havendo formação de um sólido branco. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 60 A) Qual o sólido que se formou? B) Qual a concentração da solução final (20ºc). 03. Calcule a concentração em g/L de uma solução com 40 g de soluto em 500 cm3 de solução. 04. Num exame laboratorial, foi recolhida uma amostra de sangue, sendo o plasma separado dos eritrócitos, ou seja, deles isolado antes que qualquer modificação fosse feita na concentração de gás carbônico. Sabendo-se que a concentração de CO2. Neste plasma foi de 0,025 mol/L, essa mesma concentração em g/L é de: 05. Uma solução foi preparada dissolvendo-se 4,0 g de cloreto de sódio (NaCl) em 2,0 litros de água. Considerando que o volume da solução permaneceu 2,0 L, qual é a concentração da solução final? (A) 2g/L (B) 4g/L (C) 6 g/L (D) 8 g/L (E) 10 g/L 06. Em uma solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH), calcule: A) A concentração em g/L de uma solução que contém 4,0 g de NaOH dissolvidos em 500 mL de solução. B) Para preparar 300 mL de uma solução dessa base com concentração de 5 g/L será preciso quanto de soluto? C) Qual será o volume em mL de uma solução aquosa de hidróxido de sódio que possui exatamente 1 mol dessa substância (NaOH = 40 g/mol), sendo que sua concentração é igual a 240 g/L? 07 UFMS Um único cristal de um sólido é adicionado a um béquer contendo uma solução daquele mesmo sólido. Considerando as situações abaixo, é correto afirmar que: 01. A situação B aconteceria caso a solução inicial fosse insaturada; 02. A situação B aconteceria caso a solução inicial fosse saturada; 04. A situação A ocorreria caso a solução inicial fosse saturada; 08. Ocorreria o demonstrado em C caso a solução inicial estivesse supersaturada; 16. caso a solução inicial estivesse insaturada, poderíamos observar a situação A após a adição do cristal. Dê, como resposta, a soma das alternativas corretas. 08.UFR-RJ Observe o gráfico abaixo e responda às questões que se seguem. A) Qual a menor quantidade de água necessária para dissolver completamente, a 60ºC, 120 g de B? B) Qual a massa de A necessária para preparar, a 0ºC, com 100 g de água, uma solução saturada (I) e outra solução insaturada (II) ? 09.U. Alfenas-MG Adicionou-se 1,360 g de sulfato de cálcio a 200 mL de água, obtendo-se uma solução X. O sólido não dissolvido foi separado por filtração e, depois de seco, pesado. Quantos gramas de sulfato de cálcio são recuperados depois da filtração? (A) 1,224 g (B) 1,360 g (C) 5,10 g (D) 0,136 g (E) 1,088 g Massa molar (g/mol): CaSO4 = 136; solubilidade do CaSO4 = 5.10–3 mol/L de água 10. (UFBA) Sobre soluções, pode-se afirmar: (01) O latão, mistura de cobre e zinco, é uma solução sólida. (02) Soluções saturadas apresentam soluto em quantidade menor do que o limite estabelecido pelo coeficiente de solubilidade. (04) A variação da pressão altera a solubilidade dos gases nos líquidos. (08) O etanol é separado do álcool hidratado por destilação simples. (16) Dissolvendo-se 30 g de NaCl em água, de tal forma que o volume total seja 500 mL, a concentração da solução obtida é igual a 0,513 mol/L. (32) Adicionando-se 0,30 L de água a 0,70 L de uma solução 2 mol/L de HCl, a concentração da solução resultante é igual a 1,4 mol/L. (64) A solubilidade de qualquer substância química, em água, aumenta com o aumento da temperatura. Respostas 01. Resolução: Observando o gráfico, temos: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 61 A –50 ºC e 1 atm, o dióxido de carbono encontra-se no estado gasoso. Mantendo-se a temperatura constante e elevando-se a pressão, temos que: • ao redor de 5 atm, ele passa para o estado líquido; • ao redor de 7 atm, ele passa para o estado sólido. Portanto, a –50 ºC e 10 atm ele está no estado sólido 02. Resolução: A) Na2SO4.10H2O Observando-se o gráfico dá para perceber que a 60º C é possível dissolver uma massa maior do que 40g. Logo, termos uma solução insaturada. Porém, ao se resfriar a solução para 20ºC observamos que a solubilidade do sal diminui para uns 20g. Logo, termos a formação do precipitado a que corresponde à curva, nesta temperatura: Na2SO4.10H2O. B) 0,2 g de sal/g H2O. Se temos dissolvidas 20g de sal em 100g de água, teremos, então, 0,2g de sal para cada grama de água. 03. Resolução: Massa do soluto = 40 g Volume da solução = 500 cm3 = 0,5 L Concentração da solução = ? (g/L) 40 g de soluto ------------------ 0,5 L de solução X ------------------------------ 1,0 L de solução X = 80 g de soluto Desta forma ficamos com: C = 80 g/L 04. Resolução: C = 1,1g/L 05. Resposta A. C = m1 →C = 4,0 g →C = 2,0 g/L V 2,0 L 06. Resolução A) 1 L ---------- 1000 mL X ------------500 mL X = 500/1000 X = 0,5 L C = m1 →C = 4,0 g /0,5L →C = 8,0 g/L V B) 1 L ---------- 1000 mL X ------------300 mL X = 300/1000 X = 0,3 L C = m1 →5 g/L = m1/0,3L→ m1 = 1,5 g V C) 240 g--------------- 1000 mL (1 L) 40 g --------------- x X = (40 g). (1000 mL)/240 g X = 166, 7 mL 07. Resposta 01 + 04 + 08 = 13 08. Resposta A) Pelo gráfico, a 60ºC, 40 g de B se dissolve em 100 g de H2O. Então: 40 g → 100 g H2O 120 g → x x = 300 g H2O b) Para a solução saturada, a 0°C, 100 g de água dissolve, no máximo, 10 g de A. Para a solução insaturada, a 0°C, 100 g de água dissolve uma massa de A inferior a 10 g. 09. Resposta A. Inicialmente calcula-se a massa de CaSO4 dissolvida em 1 L = 1000 mL de água: 136 g ------------- 1 mol m ------------------ 5.10-3 mol m = 0,68 g de CaSO4 em 1000 mL de água Em segundo lugar, calcula-se a massa de CaSO4 em 200 mL de água: 1000 mL de água --------------- 0,68 g de CaSO4 200 mL de água ----------------- Y Y = 200 x 0,68 / 1000 Y = 0,136 g de CaSO4 em 200 mL de águaComo foram adicionados 1,360 g de CaSO4 e só dissolveram-se 0,136 g desse sal, então o sólido não dissolvido é: M = 1,360 - 0,136 M = 1,224 g de CaSO4 10. Resposta: Soma (37) São verdadeiras: 01, 04 e 32. (01) Verdadeiro. O latão, mistura de cobre e zinco, é uma solução sólida. (02) Falso. Soluções saturadas apresentam soluto dissolvido em quantidade igual ao coeficiente de solubilidade. (04) Verdadeiro. A variação da pressão altera a solubilidade dos gases nos líquidos. Aumentando a pressão, a solubilidade aumenta (Lei de Henry). (08) Falso. O etanol é separado do álcool hidratado por destilação fracionada. (16) Falso. Dissolvendo-se 30 g de NaCl em água, de tal forma que o volume total seja 500 mL, a concentração da solução obtida é igual a 1,26 mol/L. Observe os cálculos: 1 mol de NaCl ----------- 58,5 g de NaCl x-------------- 30 g de NaCl x ≈ 0,513 mol de NaCl 0,513 mol de NaCl -------- 0,5 L de solução y --------------- 1 L de solução y = 1,026 mol/L de NaCl (32) Verdadeiro. Adicionando-se 0,30 L de água a 0,70 L de uma solução 2 mol/L de HCl, a concentração da solução resultante é igual a 1,4 mol/L. Veja os cálculos: 1 L de solução ----------- 2 mol de HCl 0,70 L de solução -------------- z Z = 1,40 mol de HCl (64) Falso. Existem substâncias que têm a solubilidade em água diminuída com aumento da temperatura, é o caso, por exemplo, dos gases. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 62 Termoquímica A termoquímica é uma parte da termodinâmica que estuda as trocas de calor desenvolvidas durante uma reação química entre o sistema e o meio ambiente, além do possível aproveitamento desse calor na realização de trabalho. Vamos agora definir alguns conceitos importantes na termoquímica: -Caloria Uma caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer um grama de água de 14,5°C a 15,5°C. Seu múltiplo é a quilocaloria, (kcal) -Calor Calor é a energia que se transfere entre dois corpos com diferentes temperaturas. -Temperatura Temperatura é uma grandeza do calor. você não tira a temperatura corporal, você verifica. Se tirar a temperatura do seu corpo, morre. -Calor de reação Calor de reação representa à variação de entalpia (calor absorvido) observada em uma reação, e sua classificação depende do tipo de reação decorrente. Esse calor de reação recebe, conforme a reação, as seguintes denominações: calor de formação, calor de combustão, calor de neutralização etc. - Calor de Formação É a quantidade de calor liberada ou absorvida durante a formação de 1 mol de um composto, a partir de substâncias simples, no estado padrão. Por exemplo: a 25 °C e 1 atm, temos: H2(g) + 1/2 O2(g) → 1 H2O(l) ΔH = –68,4 kcal / mol, Interpretação: para formar um mol de água líquida, a partir de substâncias simples, H2(g) e O2(g), no estado padrão (25 °C, e 1 atm, estado físico e alotrópico mais estável) há a liberação de 68,4 kcal. Os valores das entalpias de formação são muito importantes, pois representam a própria entalpia de 1 mol da substância que está sendo formada, já que, nas reações de formação, Hi é sempre zero. - Calor de Combustão A reação entre uma substância e o oxigênio chama-se reação de combustão. A energia liberada na combustão completa de 1 mol de uma substância no estado padrão é chamada de entalpia de combustão. É a variação de entalpia (ΔH) na combustão de 1 mol de uma substância a 25°C e 1 atm. Exemplo: C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ΔHc = – 673 kcal/mol Assim, a combustão de 1 mol de glicose libera 673 kcal. O ΔH nesse caso é sempre negativo, pois as combustões são sempre exotérmicas. Entalpia (ΔH) Entalpia é o conteúdo de calor de um sistema, à pressão constante. Não é possível fazer a medida absoluta da entalpia de um sistema, mas podemos medir (com calorímetros), a variação de entalpia, ΔH, que ocorre numa reação. Esta variação é entendida como a diferença entre a entalpia final (dos produtos da reação) e a entalpia inicial (dos reagentes da reação), conforme observado abaixo: Estado inicial → Estado final H1 → H2 ∆H = H2 – H1 Ou ∆H = HP – HR Tipos de entalpia a) Entalpia de Formação É a quantidade de energia absorvida ou liberada quando um mol de substâncias simples reage e o produto final é uma única substância composta. Exemplo: H2 + 1/2 O2 → H2O b) Entalpia de combustão É quantidade de energia envolvida na queima de 1 mol de uma determinada substância na presença de gás oxigênio. Nesse caso, todas as substâncias envolvidas estão no estado padrão. Exemplo: CH4 + O2 → CO2 + H2O c) Entalpia de neutralização É a quantidade de energia liberada ou absorvida quando um mol de hidrônio (H+) reage com um mol de hidróxido (OH- ), estando ambos presentes em soluções diluídas. De uma forma geral, teremos uma entalpia de neutralização sempre que uma solução ácida for misturada com uma solução básica. Exemplo: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O d) Entalpia de decomposição É a quantidade de energia absorvida ou liberada quando um mol de uma substância composta decompõe-se e o produto final são várias substâncias simples. Tipos de reações Vamos estudar as trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas e nas mudanças de estado físico das substâncias. Esse estudo é denominado termoquímica. São dois os processos em que há troca de energia na forma de calor: o reações exotérmicas e o endotérmicas. Reações exotérmicas É aquele que ocorre com liberação de calor ambiente e sua entalpia diminui. Essas reações possuem um balanço negativo de energia quando se compara a entalpia total dos reagentes com a dos produtos. Assim, a variação na entalpia final é negativa (produtos menos energéticos do que os reagentes) e indica que houve mais liberação de energia, na forma de calor, para o meio externo que absorção – também sob forma de calor. 10. Termoquímica: 10.1 Energia e calor; 10.2 Entalpia; 10.3 Fenômenos exotérmicos e endotérmicos; 10.4 Entalpias de formação das substâncias e de combustão; 10.5 Lei de Hess. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 63 Exemplos de Reações Exotérmicas -½ O2(g) + H2(g) -> H2O(l) (ΔH = -68,3 kcal/mol ou -285,49 kJ/mol) -½ H2(g) + ½ Cl2(g) -> HCl(g) (ΔH = -22,0 kcal/mol ou -91,96 kJ/mol) -½ H2(g) + ½ Br2(g) -> HBr(g) (ΔH = -8,6 kcal/mol ou -35,95 kJ/mol) -C(s) + ½ O2(g) -> CO(g) (ΔH = -26,4 kcal/mol ou -110,35 kJ/mol) Diagrama de Entalpia das reações exotérmicas No diagrama de entalpia, relacionamos num eixo vertical os valores de Hp e Hr e podemos, portanto, calcular o valor de ΔH. Reações endotérmicas É aquela que ocorre com absorção de calor e sua entalpia aumenta. Assim, a variação dessa energia (variação de entalpia) possui sinal positivo (+ΔH) e indica que houve mais absorção de energia do meio externo que liberação. Ambas em forma de calor. Exemplos de Reações Endotérmicas -½ H2(g) + ½ I2 (g) -> HI(g) (ΔH = +6,2 kcal/mol ou +25,92 kJ/mol) -2C(s) + H2(g) -> C2H2(g) (ΔH = +53,5 kcal/mol ou +223,63 kJ/mol) Diagrama de Entalpia das reações endotérmicas Equações termoquímicas As equações termoquímicas servem para representar as reações ou processos que envolvem trocas de calor, cujo valor é mostrado na variação da entalpia simbolizada pelo ΔH. Nessas equações aparecem os mesmos símbolos (como as fórmulas e os estados físicos das substâncias) e números (como índices e coeficientes) que aparecem em uma equação química normal.S(R) + 1 O2(g) → 1SO2(g) ΔH = –70,92 kcal (a 25ºC e 1atm) Interpretação: 1 mol de enxofre rômbico (R) reage com 1 mol de oxigênio gasoso, liberando 70,92 kcal para formar 1 mol de dióxido de enxofre gasoso. 1C(gr) + 2S(R) → 1CS2(l) ΔH = 18 kcal (a 25ºC e 1atm) Interpretação: 1 mol de carbono grafite (gr) reage com 2 mols de enxofre rômbico ocorrendo a absorção de 18 kcal para formar 1 mol de dissulfeto de carbono líquido. Lei de Hess Germain Herman Hess, ao estudar os calores de reação, constatou que: "A variação de entalpia (ΔH) de uma reação química depende apenas dos estados final e inicial, não importando o caminho da reação". Esta importante lei experimental foi chamada de lei dos estados final ou inicial, lei de adição de calores ou Lei de Hess. Seja uma reação genérica A → B da qual se quer determinar o ΔH. Esta reação pode ser realizada por diversos caminhos, onde, para cada um deles, os estados inicial e final são os mesmos. Para que A se transforme em B temos 3 caminhos: A → B A → C → D → B A → E → B Sendo que: ΔHx = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 ou ΔHx = ΔH4 + ΔH5 Diante disso, não importa o número de etapas que o processo apresenta, o ΔH da reação total será a soma dos ΔH das diversas etapas, e em consequência a equação termoquímica pode ser tratada como uma equação matemática. Assim, quando usamos a Lei de Hess no cálculo do ΔH de uma reação, devemos arrumar as equações fornecidas de modo que a soma delas seja a equação cujo ΔH estamos procurando. Para isso, usamos os seguintes procedimentos: - Somando várias equações, somamos também os respectivos ΔH; - Invertendo a equação, invertemos também o sinal do ΔH; - Multiplicando uma equação por um número qualquer (diferente de zero), multiplicamos também o ΔH, pelo mesmo número. Cálculo do ∆H de uma reação, usando a lei de Hess Podemos calcular o ∆H de uma reação trabalhando algebricamente as equações termoquímicas. Considere as reações abaixo, a 25°C e 1 atm 1) C(grafita) + O2(g) → CO2(g) ∆H = - 94,1 kcal 2) H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O (l) ∆H = - 68,3 kcal 3) CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O (ι) ∆H = - 212,8 kcal Vamos determinar o ∆H da reação: C(grafita) + 2H2(g) → CH4(g) ∆H = ? Siga os passos abaixo: a) escreva a equação 1. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 64 b) escreva a equação 2 multiplicada por 2. c) escreva a equação inversa de 3. Assim, basta soma-las C(grafita) + O2(g) → CO2(g); ∆H = - 94,1 kcal 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l); ∆H = - 136,6 kcal CO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g); ∆H = + 212,8 kcal C(grafita) + 2H2(g) → CH4(g); ∆H = - 17,9 kcal Através da lei de Hess, as equações termoquímicas podem ser somadas como se fossem equações matemáticas ou algébricas. A reação espontânea e não-espontânea A reação espontânea é aquela que percorre por si mesma. Toda reação espontânea libera energia livre, enquanto a energia não-espontânea absorve energia livre. Questões 01. Quantidades diferentes de entalpia são envolvidas na combustão de etanol, C2H5OH, e etileno, C2H4, como mostram as equações I e II: I) C2H5OH (l) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O (l) ΔH = – 1368 kJ/mol de etanol II) C2H4 (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (l) ΔH = – 1410 kJ/mol de etileno Sob condições adequadas, é possível obter etanol a partir da reação representada pela equação III) C2H4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) A) Qual é a variação de entalpia envolvida por mol de C2H4 consumido na reação (III)? B) Esta reação absorve ou libera calor? Explique. C) Sabendo-se que a entalpia de formação de H2O (l) é – 286 kj/mol e que a do C2H4 (g) é 52 kj/mol, calcule a entalpia de formação por mol de C2H5OH (l). 02. Escreva as equações correspondentes à entalpia de formação de: A) C3H8 (g) B) C2H6O (l) 03. Represente por equação termoquímica as seguintes equações: (A) 2 NH4NO3(s) - 411,2 kJ → 2 N2(g) + O2(g) + 4 H2O(ℓ) (B) HgO(s) + 90 kJ → Hg(ℓ) + ½ O2(g) (C) 2 Na(s) + 2 H2O(ℓ) → 2 NaOH + H2(g) + 281,8 kJ (D) CO2(g) + H2(g) + 122,8 kJ → CO(g) + 6 H2O(g) (E) C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(ℓ) + 2,9 kJ (F) HCℓ(g) + H2O(ℓ) → HCℓ(aq) + 18 kcal 04. (PUC-MG-adaptado) Sejam dadas as equações termoquímicas, todas a 25 ºC e 1 atm: I- H2(g)+ ½ O2(g) →H2O(l) ∆H = -68,3 kcal/mol II- 2Fe(s)+ 3/2 O2(g)→Fe2O3(s) ∆H = -196,5 kcal/mol III- 2Al(s)+ 3/2 O2(g)→Al2O3(s) ∆H = -399,1 kcal/mol IV - C(grafite)+ O2(g)→ CO2(g) ∆H = -94,0 kcal/mol V- CH4(g) + O2(g) → CO2(g)+ H2O(l) ∆H = -17,9 kcal/mol Exclusivamente sob o ponto de vista energético, das reações acima, a que você escolheria como fonte de energia é: (A)I (B)II (C) III (D) IV (E) V 05. (UFR-RJ) A decomposição da água oxigenada sem catalisador exige uma energia de ativação de 18,0 kcal/mol. Entretanto, na presença de platina (catálise heterogênea) e de catalase (catálise homogênea) a energia de ativação cai para 12,0 e 5,0 kcal/mol, respectivamente, como pode ser observado no gráfico abaixo. A reação de decomposição é endotérmica ou exotérmica? Justifique. 06. (UFRJ) De acordo com a Coordenadoria Municipal de Agricultura, o consumo médio carioca de coco verde é de 8 milhões de frutos por ano, mas a produção do Rio de Janeiro é de apenas 2 milhões de frutos. Dentre as várias qualidades nutricionais da água-de-coco, destaca-se ser ela um isotônico natural. A tabela acima apresenta resultados médios de informações nutricionais de uma bebida isotônica comercial e da água-de-coco. A) Uma função importante das bebidas isotônicas é a reposição de potássio após atividades físicas de longa duração; a quantidade de água de um coco verde (300 mL) repõe o potássio perdido em duas horas de corrida. Calcule o volume, em litros, de isotônico comercial necessário para repor o potássio perdido em 2 h de corrida. B) A tabela a seguir apresenta o consumo energético médio (em kcal/min) de diferentes atividades físicas. Calcule o volume, em litros, de água-de-coco necessário para repor a energia gasta após 17 minutos de natação 07. (UNICAMP-SP) Considere uma gasolina constituída apenas de etanol e de n-octano, com frações molares iguais. As entalpias de combustão do etanol e do n-octano são –1368 e – 5471 kJ/mol, respectivamente. A densidade dessa gasolina é 0,72 g/cm3 e a sua massa molar aparente, 80,1 g/mol. A) Escreva a equação química que representa a combustão de um dos componentes dessa gasolina. B) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 mol dessa gasolina? C) Qual a energia liberada na combustão de 1,0 litro dessa gasolina? Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 65 08. (U.E. Ponta Grossa-PR) Considere a representação gráfica da variação de entalpia ao lado. Entre os processos que ela pode representar figuram: Σ 01. A fusão da água; 02. A vaporização da água; 04. A oxidação da gordura; 08. A combustão da gasolina; 16. o preparo de uma solução aquosa de NaOH, com aquecimento espontâneo do frasco. Dê, como resposta, a soma das afirmativas corretas. Respostas 01. Resolução: A) Para calcular o ΔH da reação III, devemos inverter a equação I e manter a equação II. 2 CO2 (g) + 3 H2O (l) → C2H5OH (l) + 3 O2 (g) ΔH = + 1368 kJ C2H4 (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (l) ΔH = – 1410 kJ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– –––––––––– C2H4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) ΔH = – 42 kJ/mol B) Libera calor, pois ΔH é negativo. C) Cálculo da entalpia de formação do C2H5OH (l): C2H4 (g) + H2O (l) → C2H5OH (l) ΔH = – 42 kJ/mol + 52 kJ – 286 kJ x HR HPΔH = HP – HR ∴ – 42 = x – (+ 52 – 286) ∴ x = – 276 kJ/mol 02. Resolução A) 3 C(grafite) + 4 H2 (g) → C3H8 (g) B) C2H6O (l) Resolução: 2 C(grafite) + 3 H2(g) + 1/2 O2(g) → C2H6O(l) C) Na2SO4 (s) Resolução: 2 Na(s) + S(rômbico) + 2 O2(g) → Na2SO4(s) 03. Resolução (A) 2 NH4NO3(s) → 2 N2(g) + O2(g) + 4 H2O(ℓ) ∆H = - 205,6 kJ/mol de NH4NO3(s) (B) HgO(s) → Hg(ℓ) + ½ O2(g) ∆H = + 90 kJ/mol (C) 2 Na(s) + 2 H2O(ℓ) → 2 NaOH + H2(g) ∆H = - 140,9 kJ/mol de Na(s) (D) CO2(g) + H2(g) → CO(g) + 6 H2O(g) ∆H = + 122,8 kJ/mol (E) C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(ℓ) ∆H = - 2,9 kJ/mol (E) HCℓ(g) + H2O(ℓ) → HCℓ(aq) + ∆H = - 18 kcal/mol 17 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. 04. Resposta C. Todas as reações são exotérmicas, liberando calor, pois os valores de ∆H são todos negativos. Mas o que libera mais energia é a reação III. 05. Resposta A reação de decomposição demonstra ser exotérmica, ou seja, a entalpia dos produtos é menor que a entalpia do reagente, portanto houve liberação de calor. 06. Resposta a) 100 ml — 200 mg 100 ml – 10 mg 300 ml — x y — 600 mg x = 600 mg y = 6.000 ml ≅ 6 L b) 1 min — 10 kcal 100 ml — 68 kcal 17 min — x y — 170 kcal x = 170 kcal y = 250 ml ≅ 0,25 L 07. Resposta a) C8H18(l) + 25 O2(g) → 8 CO2(g) + 9 H2O(g) n-octano ou C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) etanol b) ΔHgasolina = — 3419,5 kJ/mol gasolina Como essa gasolina é constituída apenas de etanol e n- octano e eles têm frações molares iguais, então as proporções molares deles também são iguais. A "receita" dessa gasolina pode ser encarada assim: 0,5 mol de etanol ⇒ 1368 × 0,5 = 684 kJ liberados 0,5 mol de octano ⇒ 5471 × 0,5 = 2736 kJ liberados Total = 3420 kJ liberados c) ΔHgasolina = 3,07 . 104 kJ 1 litro corresponde a 720 g de gasolina ⇒ 720 / 80,1 ≅ 9 mols 1 mol ⇒ 3420 kJ 9 moles ⇒ × × = 30742 kJ liberados 08. Resposta 04 + 08 + 16 = 28 Cinética Química17 O conhecimento e o estudo da velocidade das reações, além de ser muito importante em termos industriais, também está relacionado ao nosso dia-a-dia, por exemplo, quando guardamos alimentos na geladeira para retardar sua decomposição ou usamos panela de pressão para aumentar a velocidade de cozimento dos alimentos. O estudo da velocidade das reações químicas e dos fatores que podem acelerá-la ou retardá-la constitui a chamada 11. Cinética química: 11.1 Velocidade de uma reação química; 11.2 Fatores que a influenciam a velocidade; 11.3 Lei da ação das massas. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 66 cinética química. Este estudo é sem dúvida de grande importância na nossa vida cotidiana, já que muitas reações químicas de interesse industrial podem ser aceleradas, gastando menos tempo para ocorrerem e, portanto, tornando o processo mais econômico. Velocidade das reações A velocidade média de uma reação, isto é, a velocidade de consumo de um reagente ou de formação de um produto é calculada em função da variação da quantidade de reagentes e produtos pela variação do tempo. A expressão da velocidade média será dada por: 𝑉 𝑚= ∆𝑆 ∆𝑡 = ∆𝑆 ∆𝑡 = [𝑆 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙]−[𝑆 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙] 𝑡 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑡 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Para calcular o Δ [reagentes], é necessário observar que ele apresenta um valor menor do que zero, ou seja, um valor negativo, pois a concentração final é menor do que a inicial. Para não trabalhar com valores negativos, usamos –Δ [reagentes] na expressão da velocidade média dos reagentes. Assim, a velocidade média é expressa por: 𝑉 𝑚= −∆[𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 ] ∆𝑡 𝑜𝑢 = 𝑉 𝑚= ∆[𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 ] ∆𝑡 Exemplo de aplicação dessa expressão: O gráfico a seguir mostra a variação da concentração em mol/L da água oxigenada em função do tempo. A decomposição da água oxigenada é dada pela equação: 2 H2O2(aq) 2 H2O(l) + O2(g) Quando analisarmos os valores das velocidades médias de consumo do H2O2, notamos que eles não são constantes e que o valor máximo é encontrado no início da reação. Diante disso, concluímos que a velocidade média diminui de acordo com a diminuição da concentração. Com base nos dados do gráfico e conhecendo a estequiometria da reação, em que a decomposição de 2 mol de H2O2 produz 2 mol de H2O e 1 mol de O2, podemos construir um novo gráfico, que indique a concentração em mol/L dos produtos. Analisando a velocidade média das três substâncias envolvidas na reação num mesmo intervalo de tempo, por exemplo, de 0 a 10 min (Δt = 10 min), temos: Consumo de H2O2 Formação de H2O2 Formação de H2O2 𝑉𝑚 = −(0,5−0,8) 10 𝑉𝑚 = (0,3−0) 10 𝑉𝑚 = (0,15−0) 10 𝑽𝒎= 0,03 mol.L-1 min -1 𝑽𝒎= 0,03 mol.L-1 min -1 𝑽𝒎= 0,015 mol.L-1 min -1 Assim, concluímos que os valores das velocidades médias obedecem à proporção estequiométrica da reação: 2: 2: 1. Se dividirmos os valores das velocidades médias pelos respectivos coeficientes estequiométricos, encontraremos um mesmo valor, que será considerado o valor da velocidade média da reação. 𝑉𝑚 𝑟𝑒𝑎çã𝑜 = 𝑉𝑚 𝐻2𝑂2 2 = 𝑉𝑚 𝐻2𝑂 2 = 𝑉𝑚 𝑂2 2 = 0,015 mol.L-1 min -1 Assim, para a reação dada: aA + bB cC Temos: 𝑉𝑚 𝑟𝑒𝑎çã𝑜 = 𝑉𝑚𝐴 𝑎 = 𝑉𝑚 𝐵 𝑏 = 𝑉𝑚 𝐶 𝑐 Condições para ocorrência de reações Para que uma reação química ocorra, devem ser satisfeitas determinadas condições. São elas: Afinidade Química - É a tendência intrínseca de cada substância de entrar em reação com uma outra substância. Por exemplo: ácidos têm afinidades por bases, não-metais têm afinidades por metais, reagentes nucleófilos têm afinidade por reagentes eletrófilos. Contato entre as Moléculas dos Reagentes: As reações químicas ocorrem como resultado de choques entre as moléculas dos reagentes que se encontram em movimento desordenado e contínuo. Exemplo: A2 + B2 → 2AB Teoria das colisões A Teoria das Colisões diz que para que uma reação ocorra, a colisão entre as partículas das substâncias reagentes deve acontecer através de uma orientação adequada e com uma energia maior que a energia mínima necessária para a ocorrência da reação. Essa energia mínima que deve ser fornecida aos reagentes é denominada Energia de Ativação (Ea). Sem atingi-la, a reação não ocorre. Quando colocamos duas substâncias em contato, suas partículas começam a colidir umas com as outras. Nem todas as colisões são eficazes, isto é, nem todas dão origem a novos produtos. No entanto, as colisões que rompem as ligações formadas e formam novas ligações, são denominadas colisões eficazes ou efetivas. Essas colisões ocorrem de forma adequada: seu choque é frontal geometricamente e bem orientado. Observe abaixo como isso ocorre: Reação: I2 + H2 2 HI Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 67 No choque eficaz as moléculas absorvem a quantidade de energia mínima necessária (energia de ativação) para a formação do complexo ativado, ou seja, um estado intermediário (estado de transição) entre os reagentes e os produtos. Nessa estrutura, as ligações dos reagentes estão enfraquecidas e as dos produtos estão sendo formadas. Observe uma reação genérica que mostra essa formação do complexo ativado abaixo: AB + XY AX + YB Note que quando ocorre o choque eficaz, forma-se momentaneamente o complexo ativado, no qual as ligações entre os átomos AB e XY estão se rompendo e as ligações que unirãoos átomos nas moléculas AX e YB estão se formando. Observe no diagrama que se não for atingida a energia de ativação, não é possível formar o complexo ativado, pois ela serve como uma barreira energética a ser ultrapassada para que a reação química ocorra. Para reações exotérmicas (reações que liberam energia = ΔH < 0) e endotérmicas (reações que absorvem energia = ΔH > 0), temos os diagramas: Fatores que influenciam a velocidade de uma reação Superfície de contato Quando um reagente está no estado sólido, a reação ocorrerá na sua superfície. Assim, quanto mais fragmentado (disperso) for esse reagente, maior será o número de choques, e maior será a velocidade da reação. Concentração dos Reagentes A velocidade de uma reação depende também da concentração dos reagentes, pois ela está relacionada com o número de choques entre as moléculas. Vamos aplicar esse conceito a uma reação genérica: 1 A + 1 B1 AB O número de choques e, consequentemente, a velocidade irão depender das concentrações de A e B. Vamos considerar quatro situações em que varia o número de moléculas de A e B, num mesmo volume e numa mesma temperatura: Essa relação demonstra que o número de colisões e, consequentemente, a velocidade da reação são proporcionais ao produto das concentrações. Temperatura Todo aumento de temperatura provoca o aumento da energia cinética média das moléculas, fazendo com que aumente o número de moléculas em condições de atingir o estado correspondente ao complexo ativado, aumentando o número de colisões eficazes ou efetivas e, portanto, provocando aumento na velocidade da reação. Podemos representar graficamente a relação entre o número de moléculas de um sistema em função da cinética destas moléculas (curva de Maxwell-Boltzmann). Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 68 Note que, em uma temperatura T1, a quantidade de moléculas em condições de reagir (com energia igual ou superior a Eat) é menor que em uma temperatura maior T2. O aumento na temperatura faz com que ocorra um aumento da energia cinética média das moléculas, deslocando a curva para a direita, fazendo com que o número de moléculas em condições de reagir aumente. Uma regra experimental, que relaciona o aumento de temperatura com a velocidade de uma reação é a regra de Van’t Hoff: “Um aumento de 10 °C na temperatura duplica a velocidade de uma reação química”. Pressão A pressão só apresenta influência apreciável na velocidade de reações em que pelo menos um dos reagentes é gasoso. O aumento da pressão causa diminuição de volume acarretando aumento no número de choques, o que favorece a reação e, portanto, aumenta a sua velocidade. Com a diminuição da pressão, aumenta o volume do recipiente, diminuindo o número de choques moleculares entre os reagentes e, portanto, diminuindo a velocidade da reação. Superfície do Reagente Sólido Quanto maior a superfície do reagente sólido, maior o número de colisões entre as partículas dos reagentes e maior a velocidade da reação. Em uma reação que ocorre com presença de pelo menos um reagente sólido, quanto mais finamente dividido for este sólido, maior será a superfície de contato entre os reagentes. Exemplo: Zn(s) + 2 HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2(g) Na equação acima, que representa a reação, se utilizarmos, em um primeiro experimento, zinco em barra e, em um segundo, zinco em pó, a velocidade da reação no segundo será muito maior que no primeiro experimento. Catalisador Catalisador é a substância que aumenta a velocidade de uma reação, sem sofrer qualquer transformação em sua estrutura. O aumento da velocidade é conhecido como catálise. O catalisador acelera a velocidade, alterando o mecanismo da reação, o que provoca a formação de um complexo ativado de energia mais baixa. São características dos catalisadores: A) o catalisador não fornece energia à reação; B) o catalisador participa da reação formando um complexo ativado de menor energia: C) o catalisador não altera o ∆h da reação; D) o catalisador pode participar das etapas da reação, mas não é consumido pela mesma. As reações envolvendo catalisadores podem ser de 2 tipos: - catálise homogênea: catalisador e reagentes no mesmo estado físico; - catálise heterogênea: catalisador e reagentes em estados físicos diferentes. Exemplos Catálise homogênea Catálise heterogênea Observação: Existem casos de autocatálise, no qual o catalisador é um dos produtos da própria reação. Estas reações iniciam lentamente e à medida que o catalisador vai se formando, a velocidade da reação vai aumentando. Encontramos substâncias que atuam no catalisador, aumentando sua atividade catalítica: são chamadas de ativadores de catalisador ou promotores. Outras diminuem ou mesmo destroem a ação do catalisador: são chamadas venenos de catalisador. Inibidor O inibidor busca atuar de uma forma oposta às de atuação dos catalisadores. Portanto, entenda catalisador e entenderá, por oposição, inibidor. Concentração dos Reagentes Lembrando que uma reação se processa por meio de choques moleculares, conclui-se facilmente que uma maior concentração dos reagentes determina um aumento da velocidade da reação pois, aumentando-se a concentração, aumenta-se o número de moléculas reagentes e, consequentemente, aumenta, também, o número de choques moleculares. Questões 01. (PUC-RS) Relacione os fenômenos descritos na coluna I com os fatores que influenciam sua velocidade mencionados na coluna II. Coluna I 1 - Queimadas alastrando-se rapidamente quando está ventando; 2 - Conservação dos alimentos no refrigerador; 3 - Efervescência da água oxigenada na higiene de ferimentos; 4 - Lascas de madeiras queimando mais rapidamente que uma tora de madeira. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 69 Coluna II A - superfície de contato B - catalisador C - concentração D - temperatura A alternativa que contém a associação correta entre as duas colunas é (A) 1 - C; 2 - D; 3 - B; 4 – A. (B) 1 - D; 2 - C; 3 - B; 4 – A. (C) 1 - A; 2 - B; 3 - C; 4 – D. (D) 1 - B; 2 - C; 3 - D; 4 – A. (E) 1 - C; 2 - D; 3 - A; 4 – B. 02. Indique a alternativa que apresenta condições que tendem a aumentar a velocidade de uma reação: (A) Frio, maior superfície de contato, inibidor (B) Alta concentração dos reagentes, ausência de catalisador, obscuridade (C) Obscuridade e frio (D) Calor, maior superfície de contato, catalisador (E) Inibidor e menor superfície de contato 03. Num balão de vidro (1,00 L) a 25ºC hermeticamente fechado e pressão de 1 atm, foram adicionadas quantidades equimolares de hidrogênio gasoso e de vapor de iodo. Para esse sistema, a equação da velocidade (v) da reação elementar de formação do iodeto de hidrogênio deve ser escrita da seguinte forma: (A) (k1/k2) x [H2] x ([I2]/[HI]2) mol/L.s (B) k1 [H2] x [I2] mol/L.s (C) k [HI]2 / ([H2] [I2]) mol/L.s (D) k1 [H2]2 x [I2]0 mol/L.s (E) [HI]2 / ([H2] [I2]) mol/L.s 04. . Foram obtidos os seguintes dados experimentais para a reação: X + Y → Z [X] mol/L [Y] mol/L Velocidade de formação de Z (mol/L.s) 0,30 0,15 9,00 . 10-3 0,60 0,30 3,60 . 10-2 0,30 0,30 1,80 . 10-2 (A) Qual é a equação da velocidade para a formação de Z? (B) Qual é a ordem global da reação? (C) Qual o valor da constante de velocidade (k) dessa reação? 05. (UFR-RJ) Colocou-se em três tubos de ensaio solução de KMnO4, gotas de H2SO4 e um fio de ferro. O 1º tubo manteve- se à temperatura ambiente, o 2º aqueceu-se em banho-maria e o 3º diretamentena chama, o que ocasionou diferentes velocidades de reação em cada um dos tubos. Justifique as diferentes velocidades de reação nos três tubos. 06. (E. F. E. Itajubá-MG) “O buraco de ozônio, que periodicamente aparece sobre a Antártica, está maior do que nunca (…). O alarme soou entre os ambientalistas, mas há uma boa notícia: dificilmente o fenômeno crescerá nos próximos anos. Isso porque diminuiu bastante o uso doméstico de CFC, um gás que contém cloro, substância responsável pela destruição do ozônio.” (Revista Veja, 18 de outubro de 2000) O ozônio (O3) formado na estratosfera atua como um filtro de radiação UV solar da seguinte forma: O2 + O → O3 (formação) O3 + UV → O2 + O (destruição, onde O3 atua como filtro de radiação UV) As reações acima estão em equilíbrio, onde o ozônio é formado e destruído de forma dinâmica. As reações abaixo foram sugeridas para explicar a contribuição dos CFC na destruição da camada de ozônio na estratosfera. O CFC reage com UV para formar cloro (Cl) que então reage com o ozônio: 1ª etapa: O3 + Cl → ClO + O2 2ª etapa: ClO + O → Cl + O2 Reação global: O3 + ½ O2 → 2 O2 Sabe-se que um catalisador tem propriedade de aumentar a velocidade da reação global sem ser consumido. Por outro lado, um intermediário tem a característica de ser formado e consumido durante a reação. Nas etapas 1 e 2 acima, quem são o catalisador e o intermediário? 07 (Unesp) Explique, cientificamente, as seguintes observações experimentais. a) Uma barra de ferro aquecida em uma chama não altera muito seu aspecto visual. Contudo, se sobre esta mesma chama se atira limalha de ferro, verifica-se que as partículas de limalha se tornam incandescentes. b) A adição de níquel metálico, finamente dividido, aumenta a velocidade da reação entre C2H4(g) e H2(g) para produzir C2H6(g). 08. Em duas lanternas idênticas, carregadas com a mesma massa de carbureto, goteja-se água, na mesma vazão, sobre o carbureto. Na lanterna I, o carbureto encontra-se na forma de pedras e, na lanterna II, finamente granulado. a) Indique qual das lanternas apresentará a chama mais intensa. b) Indique qual delas se apagará primeiro. Justifique sua resposta, com base em seus conhecimentos de cinética química. Respostas 01. Resposta A 1 – O vento aumenta a concentração de oxigênio, que atua como comburente da queimada; 2 – A diminuição da temperatura diminui a velocidade das reações, pois diminui o movimento das partículas reagentes e a probabilidade de choques efetivos que resultem em reação. 3 – A decomposição da água oxigenada é acelerada por uma enzima presente no sangue que atua como catalisadora dessa reação. 4 – A superfície de contato das lascas de madeira com o oxigênio do ar que causa a queima é maior que a de uma tora de madeira. 02. Resposta D. As reações podem ter suas velocidades aumentadas amentando-se a superfície de contato, aumentando a temperatura, luz, reagentes mais concentrados e catalisador. OBS: O termo “obscuridade” é desconhecido em cinética química. 03. Resolução. A equação citada é: H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) Assim, a velocidade de formação do HI é a reação direta. Só levamos em consideração quem são os reagentes. No caso: H2 e I2. V = k1 [H2]x[I2] 04. Resposta a) v=k[X][Y] b) 1+1=2 : ordem 2 ou segunda ordem c) Utilizando os valores da primeira linha na equação da velocidade, temos: 9.10-3=k[0,3][0,15] 9.10-3=k.0,045 k=200.10-3 k=0,2 L/mol.s Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 70 05. Resposta Quanto maior for a temperatura, maior será a velocidade da reação. A uma temperatura mais elevada as moléculas adquirem uma energia maior. Portanto, no 3º tubo, que é aquecido direto na chama, a velocidade de reação é maior. 06. Resposta Catalisador: Cl, pois acelera a reação; Intermediário: ClO, pois apesar de ser formado, é imediatamente consumido. 07. Resposta a) A superfície de contato na limalha de ferro é bem maior que aquelas de barra de ferro. b) O níquel atua como catalisador. O hidrogênio absorvido na superfície do metal reage com eteno com maior velocidade. 08. Resposta a) A lanterna II apresentará chama mais intensa pois o estado de divisão do carbureto (finamente granulado) possui maior superfície de contato do que o da lanterna I, resultando em uma maior velocidade da reação de formação de acetileno. Assim, a queima de uma maior quantidade de acetileno por unidade de tempo faz com que a chama da lanterna II seja mais intensa. b) A lanterna II se apagará primeiro pois o carbureto finamente granulado reagirá mais rapidamente, sendo totalmente consumido em menos tempo. Equilíbrio Químico18 Algumas reações ocorrem somente enquanto existe reagente reagentes. Por exemplo, digamos que você acenda um palito de fósforo, ele começa a reagir com o ar proporcionando a queima total do mesmo. Sabemos também que essa reação irá cessar depois que todo o regente for consumido. Outro ponto é que não conseguimos regenerar o fósforo queimando. Portanto, esse tipo de reação é chamada de irreversível. Consideremos uma reação representada pela equação geral: Sejam v1 e v2 as velocidades das reações direta e inversa, respectivamente. Suponde que essas reações sejam elementares, temos: v1= K1[A] [B] e v2=K2[C] [D] 18 Usberco, J.; Salvador, E. 2002. Química. Editora Saraiva. No momento em que misturamos a mols de A e b mols de B, v1 assume o seu valor máximo, porque [A] e [B] têm seus valores máximos. Com o decorrer do tempo, [A] e [B] vão diminuindo, pois A e B vão sendo consumidos na reação direta e, consequentemente, v1(direta) vai diminuindo. Conforme C e D vão-se formando na reação, suas concentrações vão aumentando e, consequentemente, v2 (inversa) aumenta com o passar do tempo. Uma vez que v1 diminui e v2 aumenta, após algum tempo v1=v2. A partir desse instante, [A], [B], [C] e [D] permanecem constantes, porque, em um mesmo intervalo de tempo, o número de mols de cada substância consumidos numa reação é igual ao número de mols formados na reação de sentido contrário. Quando v1=v2, dizemos que o sistema alcançou o equilíbrio. A partir desse instante, o sistema constitui um equilíbrio químico. O Equilíbrio Químico é uma reação reversível que atingiu o ponto em que as reações direta e inversa ocorrem com a mesma velocidade. v1=v2 [A], [B], [C] ,[D] Equilíbrio químico Um exemplo de processo reversível é o que ocorre com a água líquida contida num frasco fechado. Nesse sistema, temos moléculas de água passando continuamente do estado líquido para o de vapor e do de vapor para o líquido. O fato de as duas velocidades serem iguais na situação de equilíbrio gera uma consequência que é a constância nas quantidades dos participantes, embora não seja obrigatoriamente iguais. Nas reações reversíveis, a velocidade inicial (t = 0) da reação direta é máxima, pois a concentração em mol/L do reagente também é máxima. Com o decorrer do tempo, a velocidade da reação direta diminui ao passo que a velocidade da inversa aumenta. Ao atingir o equilíbrio, essas velocidades se igualam. Condições para que ocorra o equilíbrio químico: -Sistema fechado. -Reação reversível. -Velocidade da reação direta igual a velocidade da reação inversa. -Concentrações ou pressões parciais (no caso gases) constantes com o tempo. Tipos de equilíbrio Os equilíbrios químicos são atingidos, no caso de reações reversíveis, quando a taxa de desenvolvimento da reação direta é igual à taxa de desenvolvimento da reação inversa, em temperatura constante. 12. Equilíbrio químico e equilíbrio iônico em soluções aquosas: 12.1 Reação reversível; 12.2 Equilíbrio químico; 12.3 Constantede equilíbrio; 12.4 Fatores que afetam o equilíbrio; 12.5 Deslocamento de equilíbrio: princípio de Le Chatelier; 12.6 Equilíbrio iônico; 12.7 Solução tampão; 12.8 Efeito do íon comum. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 71 Mas existem equilíbrios químicos homogêneos e equilíbrios químicos heterogêneos. Veja o que os diferencia: -Equilíbrios químicos homogêneos: São aqueles em que todos os participantes da reação (reagentes e produtos) encontram-se em um mesmo estado físico e, dessa forma, o sistema fica com uma única fase. Exemplo: Ou -Equilíbrio Heterogéneo: ocorre quando os constituem do sistema (reagentes e produtos) se encontram em fases diferentes, Exemplo: Ou Constante de Equilíbrio em Termos das Concentrações Molares (Kc) Considerando o equilíbrio dado por uma equação geral qualquer: Aplicando-se a lei da ação das massas de Guldberg- Waage, temos: -Para a reação direta: v1 = K1 · [A]a · [B]b -Para a reação inversa: v2 = K2 · [C]c · [D]d No equilíbrio: v1 = v2 K1 · [A]a · [B]b = K2 · [C]c · [D]d A relação K1/K2 é constante e denomina-se constante de equilíbrio em termos de concentração molar (Kc): A constante de equilíbrio Kc é, portanto, a razão das concentrações dos produtos da reação e das concentrações dos reagentes da reação, todas elevadas a expoentes que correspondem aos coeficientes da reação. Importante: a) A constante de equilíbrio Kc varia com a temperatura b) Quanto maior o valor de Kc , maior o rendimento da reação, uma vez que no numerador temos os produtos e no denominador os reagentes. Portanto, comparando valores de Kc em duas temperaturas diferentes, podemos saber em qual destas a reação direta apresenta maior rendimento; c) O valor numérico de Kc depende de como é escrita a equação química. Diante disso, devemos escrever sempre a equação química junto com o valor de Kc. Quociente de equilíbrio (Qc) O quociente de equilíbrio (Qc) é a relação entre as concentrações em mol/L dos participantes em qualquer situação, mesmo que o equilíbrio ainda não esteja estabelecido. É expresso da mesma maneira que a constante de equilíbrio (Kc) Se estabelecermos uma relação entre Qc e Kc, podemos ter: Qc Kc = 1 : Sistema em equilíbrio Qc K ≠ 1: O sistema não está em equilíbrio Deslocamento do equilíbrio Em um sistema está em equilíbrio, a velocidade da reação direta é igual à velocidade da inversa, e as concentrações em mol/L de todos os participantes permanecem constantes. Se, sobre esse equilíbrio, não ocorrer a ação de nenhum agente externo, ele tende a permanecer nessa situação indefinidamente. Porém, se for exercida uma ação externa sobre esse equilíbrio, ele tende a reagir de maneira a minimizar os efeitos dessa ação. Os fatores que podem modificar a condição de equilíbrio de um sistema são: concentração, pressão, temperatura. O Princípio de Le Chatelier é fácil de ser entendido quando se considera que a constante de equilíbrio depende somente da temperatura. Agora vamos analisar cada um dos fatores que podem afetar o equilíbrio. -Concentração Considere o seguinte equilíbrio: 1) Ao adicionar CO2(g) ao equilíbrio, imediatamente ocorre um aumento na concentração do composto, que irá acarretar aumento do número de choques entre o C(s) e o CO2(g). Isso favorece a formação de CO(g), ou seja, o equilíbrio se desloca para o lado direito. 2) Ao adicionar CO(g) ao equilíbrio, ocorre um aumento na concentração do composto, transformando-o parcialmente em CO2(g) e em C(s). Nesse caso, o equilíbrio se desloca para a esquerda. Princípio de Le Chatelier: “Quando se aplica uma força em um sistema em equilíbrio, ele tende a se reajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa força”. 3) Ao retirar parte do CO(g) presente no equilíbrio, imediatamente ocorre uma diminuição na concentração do composto e, como consequência, a velocidade da reação inversa diminui. Logo, a velocidade da reação direta será maior, favorecendo a formação de CO(g), ou seja, o equilíbrio se desloca para a direita. -Pressão Ao aumentar a pressão sobre um equilíbrio gasoso, à temperatura constante, ele se desloca no sentido da reação capaz de diminuir esse aumento da pressão e vice-versa. Para averiguar os efeitos da variação de pressão em um equilíbrio, vamos avaliar o equilíbrio seguinte, a uma temperatura constante: Resumindo: Princípio de Le Chatelier: “Quando se aplica uma força em um sistema em equilíbrio, ele tende a se reajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa força”. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 72 Quando aumentamos a pressão, o equilíbrio se desloca para a direita, favorecendo a formação do SO3(g), já que nesse sentido há uma diminuição do número de mol de gás e, consequentemente, uma redução da pressão. Pode-se analisar o efeito produzido pela variação de pressão em pela associação do número de mol ao volume. Assim, nas mesmas condições, temos: Exemplo: Aumento de Pressão: desloca o equilíbrio para a direita (menor volume). Diminuição de Pressão: desloca o equilíbrio para a esquerda (maior volume). -Temperatura A temperatura, além de provocar deslocamento do equilíbrio, é o único fator responsável por alterações na constante de equilíbrio (Kc). Num sistema em equilíbrio, sempre temos duas reações: a endotérmica, que absorve calor, e a exotérmica, que libera calor. Quando aumentamos a temperatura, favorecemos a reação que absorve calor. Por outro lado, quando há diminuição da temperatura, favorecemos a reação que libera calor. Exemplo: - Aumento da temperatura: desloca o equilíbrio no sentido da reação endotérmica (para a esquerda); - Diminuição da temperatura: desloca o equilíbrio no sentido da reação exotérmica (para a direita). Se também desejamos relacionar a variação da temperatura com a constante de equilíbrio (Kc), devemos considerar que uma elevação da temperatura favorece a reação endotérmica. Então, [N2] e [H2] aumentam e [NH3] diminui: Kc diminui Lei de Van’t Hoof: “A cada aumento de 10°C na temperatura de uma reação química, a velocidade da reação duplica ou até mesmo triplica.” Observação: Van’t Hoof não considerou que cada reação tem um ótimo de temperatura para ocorrer (temperatura ideal) e após atingido esse ótimo, o aumento da temperatura pode não mais influenciar a velocidade da reação ou até mesmo prejudicá-la. Exemplo: Reações Enzimáticas. Concentração do Equilíbrio Um aumento na concentração de qualquer substância (reagentes ou produtos) desloca o equilíbrio no sentido de consumir a substância adicionada. O aumento na concentração provoca aumento na velocidade, fazendo com que a reação ocorra em maior escala no sentido direto ou inverso. Diminuindo a concentração de qualquer substância (reagentes ou produtos) desloca-se o equilíbrio no sentido de refazer a substância retirada. A diminuição na concentração provoca uma queda na velocidade da reação direta ou inversa, fazendo com que a reação ocorra em menor escala nesse sentido. Exemplos: O aumento na concentração de CO ou O2 provoca aumento em v1, fazendo com que v1 > v2; portanto, o equilíbrio desloca- se para a direita. A diminuição na concentração de CO ou O2 provoca queda em v1, fazendo com que v1 < v2; portanto, o equilíbrio desloca-se para a esquerda. Para equilíbrio em sistema heterogêneo, a adição de sólido (C(s)) não altera o estado de equilíbrio, pois a concentração do sólido é constante e não depende da quantidade. Observações: - Aumento na pressão parcial de H2 ou I2,o equilíbrio desloca-se para a direita. - Diminuindo a pressão parcial de H2 ou I2, o equilíbrio desloca-se para a esquerda. Importante: 1. Substância sólida não desloca um equilíbrio químico, pois a concentração de um sólido em termos de velocidade é considerada constante, porque a reação se dá na superfície do sólido. 2. Alterando-se a concentração de uma substância presente no equilíbrio, o equilíbrio se desloca, porém, sua constante de equilíbrio permanece inalterada (a constante permanece sem ter seu valor modificado porque a temperatura não variou). Grau de equilíbrio Grau de equilíbrio (α) representa a relação entre o número de mols consumidos de um reagente e o número de mols inicial desse reagente. 𝐠𝐫𝐚𝐮 𝐝𝐞 𝐞𝐪𝐮𝐢𝐥í𝐛𝐫𝐢𝐨 = n° de mols consumidos de um reagente n° de mols inicial desse reagente No caso de um equilíbrio de dissociação, temos o grau de dissociação: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 73 𝐠𝐫𝐚𝐮 𝐝𝐞 𝐝𝐢𝐬𝐬𝐨𝐜𝐢𝐚çã𝐨 = n° de mols dissociados de um reagente n° de mols inicial desse reagente O grau de dissociação é um número puro, sem unidade, e sempre menor que 1 (α<1). É comumente expresso em %. É importante que não haja confusão entre grau de equilíbrio e constante de equilíbrio. O grau de equilíbrio varia com a temperatura e com as concentrações das substâncias participantes. No caso de um equilíbrio do qual participam gases, o grau de equilíbrio varia também com a pressão. Constante de equilíbrio Grau de equilíbrio (α) Varia com a temperatura Varia com a temperatura Não varia com as concentrações das substâncias Varia com as concentrações das substâncias Não varia com a pressão, mesmo que no equilíbrio haja substancias gasosas Varia com a pressão, quando pelo menos uma das substâncias for gasosa. Produto iônico da água e pH Equilíbrio iônico da água Medidas experimentais de condutibilidade elétrica e outras evidências mostram que a água, quando pura ou quando usada como solvente, se ioniza numa extensão muito pequena, originando a condição de equilíbrio: H2O(l) + H2O(l) H3O+ (aq) + OH–(aq) As concentrações de íons H+ e OH– presentes no equilíbrio variam com a temperatura, mas serão sempre iguais entre si: Água pura ≅ [H+] = [OH–] A 25 ºC, as concentrações em mol/L de H+ e OH– na água pura são iguais entre si e apresentam o valor 10–7 mol L–1. Água pura a 25 ºC ≅ [H+] = [OH–] = 10–7 mol L–1 Produto iônico da água (Kw) Considerando o equilíbrio da água: H2O(l) H+(aq) + OH–(aq) A constante de ionização corresponde ao Kw e é expressa por: Kw = [H+]. [OH–] a 25 ºC; Kw = (10–7). (10–7) ⇒ Kw = 10–14 Na água, as concentrações de H+ e OH– são sempre iguais, independentemente da temperatura; por esse motivo, a água é neutra. Quaisquer soluções aquosas em que [H+] = [OH–] também serão neutras. Em soluções ácidas ou básicas notamos que: -Quanto maior a [H+] ⇒ mais ácida é a solução. -Quanto maior a [OH–] ⇒ mais básica (alcalina) é a solução. Escala de pH O termo pH (potencial hidrogeniônico) foi introduzido, em 1909, pelo bioquímico dinamarquês Soren Peter Lauritz Sorensen (1868-1939), com o objetivo de facilitar seus trabalhos no controle de qualidade de cervejas. O cálculo do pH pode ser feito por meio das expressões: pH = colog [H+] ou pH = – log [H+] ou pH = log 1 H+ De maneira semelhante, podemos determinar o pOH (potencial hidroxiliônico) de uma solução: pOH = colog [OH–] ou pOH = – log [OH–] ou pOH = log log 1 H+ Exemplos: Na água e nas soluções neutras, a 25 ºC, temos: [H+] = [OH–] = 10–7 mol L–1 pH = pOH = 7 e pH + pOH = 14 A escala de pH normalmente apresenta valores que variam de zero a 14. O esquema a seguir mostra uma relação ente os valores de pH e as concentrações de H+ e OH–em água, a 25 ºC. pH e o grau de ionização Considere um ácido fraco genérico HkA. Ao dissolver M mols desse ácido em água, de maneira que forme 1 litro de solução, a concentração em mol/L e a normalidade serão: Concentração em mol/L = nsoluto Vssolução = M mol 1L = M mol/L Normalidade: N = nesoluto Vsolução = K. M O grau de ionização do ácido é: 𝛂 = quantidade de mols de ioniza quantidade de mols dissolvida (M) Logo, a quantidade em mols que ioniza = α . M. Considere o equilíbrio da ionização: A concentração hidrogeniônica no equilíbrio final é: Assim: [H+] = α . N ou [H+] = α . k . M Sendo que k é o número de hidrogênios ionizáveis. pH e constante de ionização (ki) Tendo conhecimento da concentração da solução e a constante de ionização, podemos calcular o pH. Com os valores da concentração e do pH, calcula-se o valor de Ki. Exemplo: Vamos calcular a constante de ionização do ácido cianídrico, tendo conhecimento de que o pH de uma solução Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 74 0,04M de HCN é 5. Nesse caso, temos: pH = 5 ⇒ [H+] = 1 . 10-5 mol/L Analisemos atentamente o equilíbrio: Efeito do íon comum -Quando adicionado a um ácido (HA), um sal com o mesmo ânion (A-) produz: Diminuição do grau de ionização de HA ou enfraquecimento de HA; Diminuição da [H+], portanto aumento do pH da solução. O íon comum não altera a constante de ionização do ácido. -Quando adicionado a uma base (BOH), um sal com o mesmo cátion (B+) produz: Diminuição do grau de ionização de BOH ou enfraquecimento de BOH; Diminuição da [OH-], portanto diminuição do pH da solução. O íon comum não altera a constante de ionização da base. Acidez e basicidade das soluções aquosas dos sais Chamamos hidrólise salina a reação entre um sal e a água, produzindo o ácido e a base correspondentes. A hidrólise do sal é, portanto, a reação inversa da neutralização. Para simplificar a análise dos fenômenos da hidrólise salina, os sais são divididos em 4 tipos, a saber: 1) Sal de ácido forte e base fraca; 2) Sal de ácido fraco e base forte; 3) Sal de ácido fraco e base fraca; 4) Sal de ácido forte e base forte. 1) Sal de Ácido Forte e Base Fraca Assim ficamos com: Podemos então observar que quem sofre a hidrólise não é o sal, mas sim o íon NH4+ (da base fraca), liberando íons H+, que conferem à solução caráter ácido com pH menor que 7. 2) Sal de Ácido Fraco e Base Forte então ficamos com: Observamos, então, que quem sofre a hidrólise, neste caso, é o íon CN– (do ácido fraco), liberando íons OH– que conferem à solução caráter básico com pH maior que 7. 3) Sal de Ácido Fraco e Base Fraca então ficamos com: Como tanto o ácido quanto a base são fracos, ocorre realmente a hidrólise do sal e não apenas de um dos íons (como nos dois casos anteriores). Podemos concluir que quem sofre hidrólise são os íons correspondentes ao ácido e/ou base fracos. Neste caso, o meio pode ficar ácido, básico ou neutro. - O meio será ligeiramente ácido se a ionização do ácido for maior que a da base (Ka > Kb); - O meio será ligeiramente básico se a ionização do ácido for menor que a da base (Ka < Kb). - O meio será neutro se a ionização do ácido apresentar mesma intensidade que a da base (Ka Kb). 4) Sal de Ácido Forte e Base Forte então ficamos com: Sendo o NaOH uma base forte, os íons Na+ não captam os íons OH– da água. Do mesmo modo, sendo o HBr um ácido forte, os íons Br– não captam os íons H+ da água. Portanto, neste caso, não há hidrólise. A solução terá caráter neutro, com pH igual a 7. Concluímos que, na solução salina, predomina sempre o caráter do mais forte. Quando o sal é formado por ácido/base de mesma força (2 fortes), a soluçãofinal é neutra. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 75 Grau de Hidrólise (αh) - Define-se o grau de hidrólise ( ) de um sal como: 𝛂𝐡 = número de mols hidrolisados número de mols dissolvidos A variação de αh é: 0 < αh < 1 ou 0% < αh < 100% Constante de Hidrólise (Kh) - Para os equilíbrios químicos das reações de hidrólise, define-se uma constante de equilíbrio chamada constante de hidrólise (Kh). Dado o equilíbrio de hidrólise: A constante de hidrólise será: Observação: A água não entra na expressão porque é o solvente e sua concentração molar é praticamente constante. Assim: onde p e r são os coeficientes da equação. Lembre-se: a água não entra na expressão e a Kh é obtida sempre a partir da equação iônica de hidrólise. Relação entre Kh e Ka e/ou Kb Considerando a expressão da constante de hidrólise dada anteriormente como exemplo: Se multiplicarmos simultaneamente o numerador e o denominador da fração por [H3O+] · [OH–], teremos: Como: Com isso ficamos com: De modo análogo, obteremos: a) para sal de ácido fraco e base forte: b) para sal de ácido forte e base fraca: Equilíbrios heterogêneos Produto de Solubilidade (PS ou KPS) O equilíbrio químico pode ocorrer em sistemas contendo mais de uma fase, ou seja, em sistemas heterogêneos. Esta situação pode ser encontrada em sistemas onde ocorre a dissolução ou precipitação de sólidos. Um exemplo é a solução contendo água e sal Cloreto de prata AgCl(s) mencionado anteriormente, onde a fase sólida é formada por AgCl e a fase aquosa pelos íons Ag+ e Cl-. Quando adicionamos sal à uma solução contendo água como solvente, as moléculas de água inevitavelmente interagem com as moléculas do sal. Estas interações envolvem determinada quantia de energia. Quando temos bastante água e pouco sal, a energia envolvida nas interações entre a água e o sal é maior que as interações que mantém os íons Ag+ e Cl- juntos. Por causa disso, o sal é quebrado em íons e dilui-se na solução. Se adicionarmos o sal AgCl em um copo de água, veremos que o sal é solubilizado (o sal dilui-se). No entanto, se adicionarmos lentamente mais sal, veremos que a partir de uma certa quantia adicionada não ocorre mais a solubilização e o sal fica no fundo do copo. O fato do sal ficar no fundo do copo mostra que a solução está supersaturada e portanto houve a precipitação do sal AgCl. A precipitação ocorreu porque a concentração de íons Ag+ e Cl- tornou-se alta com a adição de mais sal. Todo sal que era adicionado ionizava-se formando Ag+ e Cl-. Como consequência a concentração desses íons aumentou. Quando a concentração desses íons aumenta até certo ponto, as colisões entre eles tornam-se mais frequentes na solução e isso gera a formação do precipitado AgCl. Atualmente há maneiras de saber quanto sal irá diluir e quanto permanecerá no estado sólido em soluções aquosas. O produto solubilidade de um sal é um valor constante específico para cada sal e permite o cálculo desses dados. Existem Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 76 substâncias pouco solúveis em água como, por exemplo, BaSO4. Adicionando certa quantidade de sulfato de bário à água, notamos que grande parte vai ao fundo, formando um precipitado constituído de BaSO4 que não se dissolve. Entretanto, sabemos que a dissolução do sal não terminou. Na verdade, o sal continua a se dissolver, bem como a precipitar, estabelecendo um equilíbrio dinâmico. Este equilíbrio é chamado heterogêneo ou polifásico porque é o equilíbrio que se estabelece em um sistema heterogêneo. Resumindo: Equilíbrios heterogêneos são aqueles nos quais os reagente e os produtos formam um sistema heterogêneo. Constante do Produto de Solubilidade (PS ou KPS ou KS) Suponha uma solução do eletrólito A2B3, pouco solúvel, em presença de seu corpo de chão (parte insolúvel). A parte que se dissolveu está sob a forma de íons A+++ e B=, enquanto a parte não-solúvel está na forma não-ionizada A2B3. Existe, assim, um equilíbrio dinâmico entre A2B3 e seus íons na solução, que pode ser representada pela equação: Como todo equilíbrio, este também deve obedecer à lei: Como a concentração de um sólido tem valor constante, o produto Ki . [A2B3] da fórmula acima também é constante e é chamado de produto de solubilidade. KPS = [A3+]2 . [B2-]3 Portanto, o produto de solubilidade (Kps ou PS) é o produto das concentrações molares dos íons existentes em uma solução saturada, onde cada concentração é elevada a um expoente igual ao respectivo coeficiente do íon na correspondente equação de dissociação. Exemplos: A expressão do Kps é utilizada somente para soluções saturadas de eletrólitos considerados insolúveis, porque a concentração de íons em solução é pequena, resultando soluções diluídas. O Kps é uma grandeza que só depende da temperatura. Quanto mais solúvel o eletrólito, maior a concentração de íons em solução, maior o valor de Kps; quanto menos solúvel o eletrólito, menor a concentração de íons em solução, menor o valor de Kps, desde que as substâncias comparadas apresentem a mesma proporção entre os íons. Exemplo: Como apresentam a mesma proporção em íons (1 : 1), o CaCO3 é mais solúvel que o BaCO3, porque possui maior valor de Kps. Quando as substâncias comparadas possuem proporção em íons diferentes, a mais solúvel é aquela que apresenta maior solubilidade. Exemplo: Kps = [Ag+]2 · [CrO42-] 4·10 –12 = (2x)2 · x 4·10 –12 = 4x3 X = 1,0.10-4 mol/L Avaliando a solubilidade do Ag2CrO4, portanto, em 1 L de solução é possível dissolver até 10–4 mol de Ag2CrO4. BaSO4(s) Ba2+(aq) + SO42-(aq) KPS=1,0 . 10-10 Y mol/L Y mol/L Y mol/L KPS=[Ba2+].[SO42-] 10-10=(Y).(Y) Y=1,0.10-5 mol/L A solubilidade do BaSO4 portanto, em 1 L de solução: é possível dissolver até 10–5 mol de BaSO4. Com isso concluímos que Ag2CrO4 é mais solúvel que o BaSO4. Observação: - Os valores do Kps permanecem constantes somente em soluções saturadas de eletrólitos pouco solúveis. - Se a dissociação iônica for endotérmica, e se aumentarmos a temperatura, este aumento acarretará em um aumento de solubilidade, portanto, o valor do Kps aumentará. Se a dissolução for exotérmica acontecerá o contrário do citado anteriormente. Podemos então concluir que a temperatura altera o valor do Kps. SOLUÇÃO TAMPÃO Considere as seguintes situações: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 77 Perceba que a adição de uma pequena quantidade de um ácido forte ou de uma base forte à água pura provoca uma alteração brusca no pH do meio Verifique, também, que a adição da mesma quantidade do ácido ou da base à solução formada pelo ácido acético e acetato de sódio provoca uma alteração muito pequena no pH desta solução (variação de 0,1 unidade). A solução formada por ácido acético e acetato de sódio recebe o nome de solução tampão. Portanto temos: Solução tampão ou solução tamponada é aquela que, ao adicionarmos uma pequena quantidade de ácido ou base, mesmo que fortes, mantém o seu pH praticamente invariável. É provável que a observação destes fatos levem ao seguinte questionamento: Como as soluções tampão conseguem manter o seu pH praticamente constante? Vamos imaginar uma solução tampão constituída por uma base fraca (BOH) e um sal (BA) derivado desta base. Nesta solução, ocorrem os seguintes fenômenos: - Pequena dissociação dabase: (Na solução predominam fórmulas da base BOH) - Dissociação total do sal: BA → B+ + A- (Na solução predominam íons B+ e A-) Observação: Note que o íon B+ é comum à base e ao sal. Ao juntarmos a esta solução uma base forte, esta irá liberar íons OH-, que serão consumidos pelo equilíbrio: Como consequência, este equilíbrio desloca-se para a esquerda, e com isso a basicidade da solução não aumenta e o pH não sofre variação significativa. Perceba que não irá faltar o íon B+ para que o equilíbrio acima se desloque para a esquerda, uma vez que a dissociação do sal BA → B+ + A- fornece uma boa reserva deste íon. Se juntarmos à solução tampão um ácido qualquer, este irá se ionizar colocando íons H+ em solução. Estes íons H+ serão consumidos pelos íons OH- resultantes da dissociação da base e, desta forma, a acidez não aumenta e o pH praticamente não varia. H+ + OH- → H2O Perceba que não irão faltar íons OH- para reagir com o H+ do ácido, pois a base BOH é fraca, e o estoque de fórmulas BOH que continuará se dissociando e fornecendo OH- é muito grande. Desta forma, conseguimos compreender que a solução tampão só resistirá às variações de pH até que toda base BOH ou todo sal BA sejam consumidos. A resistência que uma solução tampão oferece às variações de pH recebe o nome de efeito tampão. Caso a solução tampão fosse constituída por um ácido fraco e um sal derivado deste ácido, a explicação para o comportamento desta solução seria semelhante à anterior. Concluímos, então, que uma solução tampão é usada sempre que se necessita de um meio com pH praticamente constante e, preparada, dissolvendo-se em água: - um ácido fraco e um sal derivado deste ácido OU - uma base fraca e um sal derivado desta base. Cálculo do pH de uma solução tampão Vamos supor uma solução tampão constituída por um ácido fraco (HA) e um sal (BA) derivado deste ácido. Neste caso, teremos: Deduzindo a expressão da constante do equilíbrio para o ácido fraco, temos: Como o ácido é fraco, a sua concentração praticamente não varia durante a ionização, e a quantidade de íon A- produzida Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 78 é muito pequena. Por outro lado, o sal se dissocia totalmente, produzindo quase todo íon A-, presente na solução. Portanto, a expressão da constante de equilíbrio ficará: Aplicando logaritmo aos dois membros da equação, teremos: Como pH + pOH = 14 (temperatura de 25ºC), neste caso ficamos com: pH = 14 - pOH Com isso teremos: Hidrólise salina Soluções ácidas ou básicas podem ser obtidas pela dissolução de sais em água. Nesses sistemas, os sais estão dissociados em cátions e ânions, que podem interagir com a água por meio de um processo denominado hidrólise salina, produzindo soluções com diferentes valores de pH. A reação de hidrólise de um cátion genérico (C+) com a água pode ser representada pela equação a seguir: Note que ocorreu a formação de íons H+, o que caracteriza as soluções ácidas. Hidrólise de cátions: produz íons H+. A reação de hidrólise de um ânion genérico (A–) com a água pode ser representada pela equação a seguir: Note que ocorreu a formação de OH–, o que caracteriza as soluções básicas. Hidrólise de ânions: produz íons OH–. Questões 01. A cinética da reação de consumo de 1mol de ácido acético e formação de 1 mol de acetato de etila em função do tempo está representada no gráfico a seguir. A reação que representa este equilíbrio é dada por: 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Qu an tid ad e e m m ol es Tempo (s)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Acetato de etila Ácido acético CH COOH + C H OH CH COOC H + H O3 2 3 2 25 5(L) (L) (L) (L) ácido acético álcool etílico acetato de etila água Pergunta-se: A) quantos mols de ácido acético restam e quantos de acetato de etila se formaram em 120 segundos de reação? B) após quanto tempo de reação a quantidade de produtos passa a ser maior que a de regentes? C) quantos mols de acetato de etila são obtidos no equilíbrio? 02. 0,40 mol de NH3 é aquecido num tudo fechado a uma dada temperatura. Estabelecido o equilíbrio, verifica-se que há 0,30 mol de H2 no sistema. Qual é o grau de dissociação do NH3, nas condições da experiência. 03. Considere que em um recipiente fechado de 15 litros foram introduzidos 6 mol de gás nitrogênio e 12 mol de gás hidrogênio a uma determinada temperatura. Depois de uma hora, verificou-se que o sistema atingiu o equilíbrio químico e que foram formados 4,5 mol de gás amônia. Qual é o valor da constante de equilíbrio Kc, com a mesma temperatura inicial? 04. Amônia pode ser preparada pela reação entre nitrogênio e Hidrogênio gasosos, sob alta pressão, segundo a equação abaixo: N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g). A tabela abaixo mostra a variação da concentração dos reagentes e produtos no decorrer de um experimento realizado em sistema fechado, a temperatura e pressão constantes. [ ]/ mol/L [ ]/ mol/L [ ]/ mol/L 00 1 2 3 4 Y Y 10 X 7 7 10 4 1 1 t N H NH 2 2 3 A) Os valores de X e Y no quadro acima são: X = _____mol/L Y = _____mol/L B) Escreva a expressão da constante de equilíbrio para esta reação, em termos das concentrações de cada componente. Kc = C) O valor da constante de equilíbrio para esta reação, nas condições do experimento, é ____ Respostas 01. Resolução: A) Restam a 0,2 mol de ácido acético e se formam aproximadamente 0,8 mol de acetato de etila. B) Após 50 segundos C) Aproximadamente 0,8 mol Hidrólise salina é o processo em que o(s) íon(s) proveniente(s) de um sal reage(m) com a água. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 79 02. Resolução: 2NH3 N2+ 3H2 no início 0,40 mol 0 mol 0mol no equilíbrio ? ? 0,30 mol 2 mols de NH3-------- 3mols de H2 x mol de NH3---------0,30 mol de H2 𝑥 = 2.0,30 3 = 0,20 α = nNH3 dissociado nNH3 inicial = 0,20 mol 0,40 mol = 0,50 = 50% Resposta: α = 50%. 03. Resolução: Primeiro vamos escrever a equação balanceada que representa a reação que ocorreu: 1 N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) É importante atentar para a proporção estequiométrica fornecida por essa equação, que é mostrada pelos coeficientes: 1 : 3 : 2. A expressão da constante de equilíbrio Kc dessa reação é dada por: Kc [NH3]2 [N2]. [H2]3 Para Kc, é preciso determinar as concentrações de cada uma das substâncias participantes dessa reação no equilíbrio e substitui-las na fórmula acima. A concentração em quantidade de matéria, ou seja, em mol/L, é feita dividindo-se a quantidade de matéria ou substância em mol pelo volume da solução em litros (M = n1/V). Para realizar o cálculo de Kc, precisamos determinar as concentrações de cada uma das substâncias participantes dessa reação no equilíbrio e substitui-las na fórmula acima. A concentração em quantidade de matéria, ou seja, em mol/L, é feita dividindo-se a quantidade de matéria ou substância em mol pelo volume da solução em litros (M = n1/V). O volume nós já sabemos, resta saber as quantidades de matéria. Isso pode ser facilmente determinado por montarmos um esquema semelhante ao seguinte: Equação química balanceada: 1 N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) Quantidades iniciais: 6 mol 12 mol zero Quantidades que reagiram 2,25 mol 75 mol 4,5 mol e que foram formadas: Quantidades no equilíbrio:6-2,25 = 3,75 mol 12-6,75 = 5,25 mol 4,5 mol Observe que as quantidades que reagiram foram determinadas com base na proporção estequiométrica, ou seja, sabíamos que foram formados 4,5 mol de NH3, então, temos: 1 N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ↓ ↓ ↓ 1 mol 3 mol 2 mol 2,25 mol 6,75 mol 4,5 mol Agora sabemos a quantidade de matéria (mol) de cada substância no equilíbrio. Se fosse uma reação em que os produtos também estivessem presentes desde o início, bastava somar a quantidade inicial com a que foi formada para descobrir a quantidade do produto no equilíbrio. Com isso, podemos determinar a concentração em mol/L no equilíbrio, sabendo que o volume do recipiente é de 15 L: N2: 3,75 mol = 0,25 mol/L 15 H2: 5,25 mol = 0,35 mol/L 15 NH3: 4,5 mol = 0,30 mol/L 15 Por fim, podemos aplicar esses valores na fórmula da constante de equilíbrio Kc: Kc = [ NH3]2 [N2]. [H2]2 Kc = (0,3)2 (0,25).(0,35)3 Kc ≈ 8,40 04. Resolução: A equação balanceada traz a proporção de 1 para 3 entre o N2 e H2. Ambos começam com 10. Porém, o H2. varia de 10 para 4 no intervalo 1. Logo, gastou 6 mol/L. Como ele tem coeficiente 3 então o N2. (coeficiente 1) gasta 3 vezes menos. Logo, gasta 2 e sobram 8. Já o NH3 tem coeficiente 2. Então, formará 4 mol/L. Na sequência, observa-se que o H2 varia de 4 mol/L para 1 mol/L, gastando 3 mol/L. Então, N2 varia 1 mol/L e fica com 7 mol/L. E o NH3 aumenta mais 2. Ficando 6 mol/L. No intervalo 3 ninguém variou. A) X = 8; Y = 6 B) Kc = [NH3]2 / [H2]3 . [N2] C) Kc = 5,142(mol/L)-2 Basta substituir os valores acima (da tabela) e chegar ao valor. Kc= (6)2/ (1)3x(7) Kc = 36/7 = 5, 14 mol/L Eletroquímica A eletroquímica é a parte da Química que estuda não só os fenômenos envolvidos na produção de corrente elétrica a partir da transferência de elétrons em reações de óxido- redução, mas também a utilização de corrente elétrica na produção dessas reações. O seu estudo pode ser dividido em duas partes: pilhas e eletrólise. Em eletroquímica ocorrem reações de conversão de energia química em energia elétrica e vice-versa. 13. Eletroquímica: 13.1 Potenciais de oxidação e redução; 13.2 Pilhas; 13.3 Eletrólise. Pilhas são dispositivos nos quais uma reação espontânea de óxido-redução produz corrente elétrica. Eletrólise é o processo no qual uma corrente elétrica produz uma reação de óxido-redução. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 80 Número de oxidação Número de oxidação é uma carga formal que pode ser tanto real quanto imaginária. Devemos entendê-la como a carga que um átomo teria se tivesse participando de uma ligação iônica. Exemplos: 1) NaCl: [Na+] [Cl-] Assim, encontramos: Nox de Na+= +1 Nox de Cl-= -1 2) H2SO4 Assim encontramos: Nox de H= +1 (cada átomo de hidrogênio) Nox de S= +6 Nox de O= -2 (cada átomo de oxigênio). Regras práticas Para saber qual é o NOX de um átomo dentro de uma molécula, devemos seguir 4 regras: 1ª regra: Todo elemento em uma substância simples tem Nox igual a zero. Exemplos: - O2: Nox de cada átomo de oxigênio é zero. - N2: Nox de cada átomo de nitrogênio é zero. - Ag: Nox do átomo de prata é zero. 2ª regra: O Nox de alguns elementos em substâncias compostas é constante. - O hidrogênio tem Nox igual à + 1. - Os metais alcalinos têm Nox igual à + 1. - Os metais alcalinos terrosos têm Nox igual à + 2. - O oxigênio tem Nox igual à – 2. - Os halogênios em halogenetos têm Nox igual –1. - A prata (Ag) tem Nox igual à + 1. - O zinco (Zn) tem Nox igual à + 2. - O alumínio (Al) tem Nox igual a + 3. - O enxofre (S) em sulfetos tem Nox igual à – 2. Exemplos: 1) NaCl: O sódio tem Nox = + 1 O cloro tem Nox = – 1 2) Ca(OH)2 O cálcio tem Nox = + 2. O hidrogênio tem Nox = +1. O oxigênio tem Nox = – 2. 3) H2S O hidrogênio tem Nox = + 1. O enxofre tem Nox = – 2. Exceções importantes - Nos hidretos metálicos o “hidrogênio” possui Nox igual a – 1. - Nos peróxidos o “oxigênio” possui Nox igual a – 1. 3ª regra: A soma algébrica dos Nox de todos os átomos em uma espécie química neutra é igual a zero. Exemplo: 1) NaOH O Nox do sódio é + 1. O Nox do oxigênio é – 2. O Nox do hidrogênio é + 1. Calculando a soma algébrica, teremos: (+ 1) + ( – 2) + ( + 1) = 0 Esta regra permite realizar o cálculo do Nox de um elemento químico que não possui Nox constante. Exemplo: CO2 O Nox do carbono é desconhecido ( x ). O Nox de cada átomo de oxigênio é – 2. Assim, x + 2 . ( – 2 ) = 0 x – 4 = 0 x = + 4 Portanto o Nox do átomo de carbono neste composto é igual a + 4. 4ª regra: A soma algébrica dos Nox de todos os átomos em um íon é igual à carga do íon. Exemplo: NH4+1 O átomo de nitrogênio não tem Nox constante ( x ). Cada átomo de hidrogênio possui Nox igual a + 1. O íon tem carga + 1. Calculando a soma algébrica, teremos: x + 4 . ( + 1 ) = + 1 x + 4 = 1 x = 1 – 4 x = – 3 Então o Nox do átomo de nitrogênio é igual a – 3. Resumo geral das quatro regras e suas particularidades: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 81 Oxirredução19 Uma reação de oxirredução é aquela em que há transferência de elétrons (oxidação e redução); com isso uma espécie química ganha elétrons e simultaneamente outra espécie química perde elétrons. Oxidação: A oxidação ocorre quando o número de oxidação de um átomo aumenta. E para que ocorra um aumento no número de oxidação, o átomo precisa perder elétrons. Redução: A redução ocorre quando o número de oxidação diminui. Para que ocorra essa diminuição, o átomo precisa receber elétrons. Exemplo: As reações de oxidação e redução se complementam, ou seja, na reação magnésio é oxidado, enquanto oxigênio é reduzido. Logo, o magnésio age como agente redutor enquanto O2 atua como agente oxidante. Estas etapas podem ser separadas e escritas na forma de duas reações diferentes, contudo é importante lembrar que elas não ocorrem isoladas uma da outra e sim juntas e simultaneamente. PILHAS20 Muitas reações de oxirredução ocorrem espontaneamente. Uma situação ilustrativa é a reação do metal zinco com uma solução aquosa contendo cátions de Cu2+(aq). Uma grande vantagem dessas reações de oxirredução espontâneas é que podem ser utilizadas para gerar eletricidade. Para isso, basta montar um aparato denominado pilha. Na pilha, os agentes oxidantes e redutores são mantidos em compartimentos separados. Cada compartimento é chamado de semicélula eletroquímica. Para que o dispositivo gere corrente elétrica, devem existir dois contatos elétricos entre as células. Um contato é feito por um fio metálico e possibilita a circulação de elétrons entre as semicélulas. O outro contato, é denominado ponte salina, que permite a circulação de íons entre as semicélulas. A Pilha de Daniel Pilhas ou célula voltaicas são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica por meio de um sistema apropriado e montado para aproveitar o fluxo de elétrons provenientes de uma reação química de oxirredução. A pilha de Daniel é um exemplo deste sistema. 19 Química Nova Escola, Nº11 – Pilhas e Baterias. Maio, 2000. É formado por uma placa de zinco mergulhada em uma solução de sulfato de zinco, e uma placa de cobre imersa em uma solução de sulfato de cobre. As duas placas (eletrodos) são conectadas por um fio metálico, que permite a passagem de elétrons de umeletrodo ao outro. As duas soluções são interligadas por uma ponte salina, um tubo de vidro recurvado que contém uma solução de um sal (sulfato de sódio, neste caso) e possui pedaços umedecidos de algodão nas extremidades. Assim, podemos prever a ocorrência das seguintes semi- reações: - Oxidação: Zn0(s) Zn2+(aq) + 2e- - Redução: Cu2+ + 2e- Cu0(s) Somando as semi-reações acima, obtemos a reação de oxirredução ocorrida entre a barra de zinco e a solução de Cu2+. Zn0 (s)+ Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu0(s) A função da ponte salina Conforme aumenta a concentração de Zn2+, a solução passa a adquirir um excesso de cargas positivas. Por outro lado, uma diminuição da quantidade de íons Cu2+ faz com que a solução adquira excesso de carga negativa. Diante disso, a ponte salina atua como “veículo iônico”, permitindo a passagem de íons de uma sequência para outra. Assim, a cada instante, as duas soluções permanecem eletricamente neutras. Sentido dos elétrons Os elétrons circulam do eletrodo de maior potencial de oxidação para o de menor potencial de oxidação. No caso da pilha de Daniel os elétrons vão do zinco para o cobre. Polos da pilha - Polo positivo – o de menor potencial de oxidação – Cu. - Polo negativo – o de maior potencial de oxidação – Zn. Cátodo e Ânodo - Cátodo – placa de menor potencial de oxidação – Cu. Onde ocorre redução. - Ânodo – placa de maior potencial de oxidação – Zn. Onde ocorre oxidação. Variação de massa nas placas - Placa de maior potencial de oxidação – diminui – Zn. - Placa de menor potencial de oxidação – aumenta – Cu. Potencial dos eletrodos Para realizar qualquer medida deve-se estabelecer um padrão. Para a medida do potencial dos eletrodos foi 20Sardella, A. Química – 5ª edição, Editora Ática. São Paulo, 2003. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 82 determinado que o eletrodo padrão é o de hidrogênio, e a unidade de medida é o volt (V). Ao eletrodo de hidrogênio foi atribuído o valor nulo, assim as medições são feitas com referência a este eletrodo. Ao instalar um voltímetro em uma pilha, pode-se medir apenas a diferença de potencial que existe entre seus eletrodos. Entretanto, é impossível medir o potencial de cada eletrodo. Por outro lado, é importante que cada eletrodo apresente um valor numérico correspondente ao seu potencial. Por isso, escolhe-se um eletrodo de referência, em função do qual são medidos os potenciais dos demais eletrodos. O eletrodo de referência Um eletrodo de referência, ou eletrodo-padrão, apresenta as seguintes condições: - 25°C - 1 atm - soluções com concentração um molar Adotou-se, o eletrodo de gás hidrogênio com o eletrodo de referência. Nele, encontramos um fio de platina que serve como suporte para o H2. A platina, nesse caso, é um eletrodo inerte, já que não participa da reação. Como medir os potenciais dos eletrodos? O potencial de cada eletrodo-padrão é determinado acoplando-se a ele outro eletrodo-padrão de hidrogênio e medindo-se a diferença de potencial. Para tal, chamaremos de E0 o potencial do eletrodo padrão e ΔE0 à diferença de potencial entre dois eletrodos-padrão. Por convenção, temos que: O eletrodo padrão de hidrogênio apresentam potencial igual a zero. E0(H2)= zero Vamos medir, por exemplo, o potencial do eletrodo-padrão de zinco. De acordo com o sentido dos elétrons, fica claro que teremos as seguintes semi-reações: - Eletrodo de hidrogênio: 2H+ + 2e- - H2 (redução) - Eletrodo de zinco: Zn0 Zn2+ + 2e- (oxidação) Assim, concluídos que o eletrodo de hidrogênio possui maior capacidade de sofrer redução que o eletrodo de zinco. Em outros termos, o eletrodo de hidrogênio apresenta maior potencial de redução do que o de zinco. E0red Hidrogênio > E0red Zinco A diferença de potencial da pilha (ΔE0) sempre será dada pela diferença entre o potencial maior e menor. ΔE= E0red (maior) - E0red (menor) Assim, teremos: 0,76= E0red - E0red 0,76= zero- E0red zinco E0red zinco= -0,76V Informações importantes sobre potenciais dos eletrodos - O potencial de redução mede a capacidade que o eletrodo apresenta de sofrer redução - Eletrodos com potenciais de redução positivos sofrem redução mais fácil que o eletrodo de hidrogênio - Eletrodos com potenciais de redução negativos sofrem redução mais difícil que o eletrodo de hidrogênio. Com base na tabela a seguir, que mostra a tendência que cada eletrodo tem de sofrer oxidação e redução, podemos dizer que: - eletrodo com E0red maior sofre redução - eletrodo com E0red menor sofre oxidação Tabela de potenciais de oxidação e redução Previsão de reações de oxirredução É possível prever a espontaneidade de uma reação de oxirredução através dos potenciais de oxidação ou de redução E0 das semi-reações. Exemplo: Zn0 + Cu2+ Zn2+ + Cu0 Para confirmar se uma reação de oxi-red ocorre ou não espontaneamente, é necessário observar os potenciais de redução de cada semi-reação. Zn2+ +2e- ↔ Zn0 E0red=-0,76V Cu2+ 2e- ↔Cu2+ E0red=+0,34V Esses valores de E0red mostram que o Cu2+ reduz mais facilmente que o Zn2+, pois tem maior E0red. Já o Zn2+ oxida melhor que o Cu2+, uma vez que possui menor E0red, e assim apresenta maior E0oxi. Sentido das semi-reações As semi-reações de maior E0 ocorrerá da esquerda para a direita, e a de menor E0 da direita para a esquerda. Isso ocorre tanto para as reações de redução quanto para as de oxidação. Maior E0 Menor E0 Exemplo: Ni2+ + 2Ag0 Ni0 + 2Ag+ Ni0 ↔ Ni2+ +2e-(oxidação) Eoxid= +0,23V Ag0 ↔ Ag+ +e- (redução) Eoxid= -0,80V Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 83 Os processos espontâneos serão: Ni0 Ni2+ + 2e- (oxidação); Maior E0 Ag0 Ag+ +e- (redução); Menor E0 Para que a reação se torne espontânea é necessário inverter a semi-reação da prata e multiplicá-la por dois: Ni0 Ni2+ + 2e- (mantida) 2Ag+ + 2e- 2Ag0 (reação invertida) ---------------------------------------------------------- Ni0 + 2Ag+ Ni2+ + 2Ag0 (processo espontâneo) Calculo do ΔE: ΔE= E0maior - E0menor ΔE= (+0,23) – (-0,80)= 1,03V OBS.: Embora a semi-reação da prata tenha sido multiplicada por dois, o valor não se alterou. ELETRÓLISE É um processo não-espontâneo, em que a passagem de uma corrente elétrica através de um sistema líquido, no qual existam íons, produz reações químicas. As eletrólises são realizadas em cubas eletrolíticas, nas quais a corrente elétrica é produzida por um gerador (pilha). Nesse sistema, os eletrodos são geralmente inertes, formados por platina ou grafita (carvão). As substâncias que serão submetidas à eletrólise podem estar liquefeitas (fundidas) ou em solução aquosa. A seguir, vamos estudar essas duas possibilidades. Importante: No processo de eletrólise, os elétrons emergem da pilha (gerador) pelo ânodo (–) e entram na célula eletrolítica pelo cátodo (–) no qual produzem redução. Na célula eletrolítica, os elétrons emergem pelo ânodo (+), no qual ocorre oxidação, e chegam à pilha pelo seu cátodo (+). Esquema da Eletrólise Os íons negativos são atraídos pelo polo positivo (+, ânodo), onde irão perder elétrons (oxidação). Os elétrons cedidos ao polo (+) migram através do circuito externo até o polo (-, cátodo). Lá, estes serão "ganhos" pelos íons positivos (redução). 21Sardella, A. Química – 5ª edição, Editora Ática. São Paulo, 2003. Eletrólise Ígnea21: Esse tipo de eletrólise ocorre quando a passagem de corrente elétrica se dá em uma substância iônica liquefeita, istoé, fundida. Daí a origem do nome “ígnea”, uma palavra que vem do latim, ígneus, que significa inflamado, ardente. Esse tipo de reação é muito utilizado na indústria, principalmente para a produção de metais. Veja o exemplo de eletrólise do NaCl (cloreto de sódio – sal de cozinha), com produção do sódio metálico e do gás cloro: Semi-reação no cátodo: Na+ + e- → Na (2) Semi-reação no ânodo: 2 Cl- → Cl2 + 2e- Reação global: 2 Na+ + 2 Cl- → 2 Na + Cl2 Eletrólise Aquosa: Na eletrólise aquosa faz parte os íons da substância dissolvida (soluto) e da água. Na eletrólise do cloreto de sódio em meio aquoso são produzidos a soda cáustica (NaOH), o gás hidrogênio (H2) e o gás cloro (Cl2). Note como se dá: Dissociação do NaCl: 2NaCl- → 2Na+ + 2Cl- Auto ionização da água: 2H2O → 2 H+ + 2OH- Semi-reação no cátodo: 2H+ + 2e- → H2 Semi-reação no ânodo: 2Cl- → Cl2 + 2e- Reação global: 2 NaCl- + 2H2O → 2 Na+ + 2OH- + H2 + Cl2 Observe que foram formados dois cátions (Na+ e H+) e dois ânions (Cl- e OH-). Porém, apenas um cátion (H+) e um ânion (Cl-) sofreram as descargas do eletrodo, os outros íons foram apenas espectadores nessa eletrólise. Isso ocorre em todas as eletrólises em meio aquoso: apenas um dos cátions e um dos ânions são participantes. Para determinarmos quais serão os participantes e quais serão os espectadores, existe uma ordem de facilidade de descarga, conforme mostrado na lista abaixo: Para que ocorra a eletrólise é necessária a presença de íons livres. IMPORTANTE: A eletrólise é basicamente o inverso da reação de uma pilha. Assim, para que ocorra uma hidrólise, é necessário que o gerador forneça uma ddp superior à reação da pilha. Se isso não ocorrer, não temos a ocorrência da eletrólise. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 84 Estequiometria da Eletrólise Quando realizamos a eletrólise da água, o volume que obtemos de H2 (g) no cátodo é o dobro do volume que obtemos de O2 (g) no ânodo. Agora vamos aprender a calcular a quantidade de substância liberada num eletrodo. Sendo: i – intensidade de corrente. Q – quantidade de carga elétrica. t –tempo de passagem da corrente pelo eletrólito. Temos: Q = i.t Conceito de Faraday (F) A quantidade de eletricidade de 1 mol de elétrons (6,02 x 1023 elétrons) é chamada de Faraday (F). A carga elétrica que um elétron transporta é 1,6 x 10-19C. Um mol de elétrons terá carga: 6,02 x 1023 x 1,6 x 10-19 C 965000 C 965000 C = 1 Faraday Leis de Faraday 1ª Lei de Faraday - A massa da substância eletrolisada é diretamente proporcional à carga elétrica que atravessa a solução. m = k1.Q 2ª Lei de Faraday - A massa de substância eletrolisada é diretamente proporcional à massa molar e inversamente proporcional à valência (carga) do íon. m = k2.(M/k) Cálculo das quantidades envolvidas em uma eletrolise Vamos analisar o problema abaixo: Calcule a intensidade de corrente que o gerador deve fornecer para que, após 16 minutos e 5 segundos de passagem da corrente por uma solução de CuSO4, sejam depositados 12,7 g de cobre no cátodo. Dados: Massa molar do cobre: 63,5 g/mol Carga elétrica de 1 mol de elétrons (Faraday) 96.500 C. Resolução por estequiometria Equivalente eletroquímico (ε) - A quantidade de substância eletrolisada ou depositada, quando ocorre a passagem de uma carga de 1 coulomb (C) pela solução, é denominada equivalente eletroquímico. Cubas em série Lembrando que 1F eletrolisa 1E, se o circuito ocorrer em série, concluímos que, como a carga que circulará em cada eletrodo será a mesma, o número de equivalente formado também será o mesmo para todos os eletrodos. Sabendo que a carga que passa nos eletrodos é a mesma: Esta aplicação pode ser feita para as pilhas. O número de equivalentes que aparece no cátodo é igual ao que desaparece no ânodo. Equação de Nernst A Equação de Nernst é a relação quantitativa que permite calcular a força eletromotriz de uma pilha, para concentrações de íons diferentes de uma unidade. Também usado para cálculos em titulação de oxidação-redução. A variação de energia livre, ΔG, de qualquer reação e variação de energia livre padrão, ΔG°, estão relacionadas por meio da seguinte reação: Onde Q é a expressão da lei de ação das massas da reação. Para uma reação de oxido-redução, temos que: e Assim, para uma reação redox, temos: ou Sendo: R = 8,315 J K-1 mol-1; T = 298,2 K (25°C); F = 96485 C mol-1 Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 85 Substituindo na equação acima os valores de R, T e P, tem- se: De forma alternativa, esta equação pode ser escrita em termos de logaritmo decimal: Nessa equação, o significado de seus componentes é o seguinte: Eº é a força eletromotriz ou potencial normal da pilha correspondente (que se obtém a partir dos potenciais normais dos eletrodos); R é a constante universal dos gases; T é a temperatura em escala absoluta; F é a carga elétrica de um mol de elétrons; n é o número de elétrons transferidos; Q é o quociente de reação. Esse quociente é o produto das concentrações das espécies ativas do segundo membro da reação de oxirredução, elevadas a seus respectivos coeficientes estequiométricos (coeficientes que precedem as fórmulas na equação química equilibrada), e seu denominador é o produto análogo das concentrações dos reagentes. Potenciais-padrão e constantes de equilíbrio Quando um sistema atinge o equilíbrio, a energia livre dos produtos é igual à energia livre dos reagentes, ou seja, ΔG = 0. Quando este sistema pertence a uma célula galvânica, a célula não produz tensão, ou seja, "E" da célula é zero, pois não existe reação ocorrendo em nenhum dos sentidos. No equilíbrio, a expressão Q da lei de ação das massas passa a ser igual a K. Sendo assim, nestas condições, a equação de Nernst passa a ser escrita como: Ou Que a 25°C, fica: Ou Em qualquer uma destas formas, torna-se possível calcular E0 a partir de K. Metal de sacrifício22 O Metal de Sacrifício (Ânodos de sacrifício) pode ser definido como qualquer metal utilizado em estruturas submetidas a ambientes oxidantes (um agente ou substância 22 PERUZZO, Francisco Miragaia (Tito); Canto, Eduardo leite do. Química na abordagem do cotidiano. São Paulo: Moderna, 2006 responsável por causar oxidação), com o objetivo de ser oxidado em seu lugar, isto é, sacrificado em seu lugar. Esse metal deve obrigatoriamente possuir menor poder de redução do que o material utilizado na estrutura, para que possa ser "sacrificado" e de desse modo protegê-la. Existem distintos metais que podem ser utilizado com essa finalidade, e dois bons exemplos desses são o zinco e magnésio. O ferro, metal utilizado em cascos de navio, quando colocado em contato com a água do mar, se oxidaria com maior facilidade caso não houvesse um metal de sacrifício. Cascos de navio são protegidos da corrosão mediante a colocação de placas de zinco, que se oxida mais facilmente que o ferro. A técnica é denominada “proteção catódica”, pois o ferro é protegido justamente por se tornar o cátodo c zinco e ferro. E o zinco é denominado “metal de sacrifício” ou “ânodo de sacrifício”, pois, atuando como o ânodo da cela, oxida-se, preservando, assim, o ferro. A proteção é eficiente desde que o metal de sacrifício seja reposto à medida que vai sendo consumido. O metal utilizado em grande escala como ânodo de sacrifício é o zinco. Este além de ser relativamente barato, apresenta potencial de redução menor que a maioria dos metais. Questões 01. Determinaro equivalente-grama de uma substância formada em um eletrodo, sabendo que, ao passar uma corrente de 9,65A de intensidade durante 8 minutos e 20 segundos, formam-se 1,4g de substância. 02. Qual é a quantidade de eletricidade obtida em uma pilha de Daniel pela oxidação de 0,2612g de zinco? Qual a intensidade da corrente produzida, sabendo-se que a pilha funcionou durante 25 minutos e 44 segundos? Dado= Zn=65,3u 03. Numa pilha de flash antiga, o eletrólito está contido numa lata de zinco que funciona como um dos eletrodos. Que massa de zinco é oxidada a Zn+2 durante a descarga desse tipo de pilha, por um período de 30 minutos, envolvendo uma corrente de 5,36x10-1 A? 04. Determinar o equivalente-grama de uma substância formada em um eletrodo, sabendo que, ao passar uma corrente de 9,65A de intensidade durante 8 minutos e 20 segundos, formam-se 1,4g de substância. 05. Qual é a quantidade de eletricidade obtida em uma pilha de Daniel pela oxidação de 0,2612g de zinco? Qual a intensidade da corrente produzida, sabendo-se que a pilha funcionou durante 25 minutos e 44 segundos? Dado= Zn=65,3u 06. Numa pilha eletroquímica sempre ocorre: (A) Redução no ânodo. (B) Movimentação de elétrons no interior da solução eletrolítica. (C) Passagem de elétrons, no circuito externo, do cátodo para o ânodo. (D) Reação de neutralização. (E) Uma reação de oxirredução. 07. (UNESP - adaptado) A equação seguinte indica as reações que ocorrem em uma pilha: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) Podemos afirmar que: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 86 (A) O zinco metálico é o cátodo. (B) O íon cobre sofre oxidação. (C) O zinco metálico sofre aumento de massa. (D) O cobre é o agente redutor. (E) Os elétrons passam dos átomos de zinco metálico aos íons de cobre. 08. Calcule a ddp do exemplo abaixo, utilizando a equação de Nernst. Zn(s) | Zn2+ (0,024 M) || Zn2+ (2,4 M) | Zn(s) Cátodo: Zn2+ (2,4 M) + 2 e- → Zn Ânodo: Zn → Zn2+ (0,024 M) + 2 e- Reação Global: Zn2+ (2,4 M) → Zn2+ (0,024 M), ΔE° = 0 V 09. (UFR-RJ) Dados os metais: Zn, Ag, Au, Mg com seus respectivos potenciais de redução (– 0,76v), (+ 0,80v), (+ 1,50v) e (– 2,73v); e sabendo-se que 2H+ + 2e– → H2 ε0 = 0,00 V: a) indique os dois metais que têm possibilidade de reagir com ácidos para produzir hidrogênio (H2); b) escreva uma reação de deslocamento, possível, usando o ácido sulfúrico. 10. (UFR-RJ) O contato com certos metais (como o cobre e o estanho) pode acelerar a corrosão do ferro e torná-la mais intensa, enquanto o contato com metais (como zinco e o magnésio) pode impedir ou retardar a formação de ferrugem. Levando-se em conta os valores dos potenciais (E0) das semi- reações abaixo, Mg++(aq) + 2e– → Mg(s) – 2,37 V Zn++(aq) + 2e– → Zn(s) – 0,76 V Fe++(aq) + 2e– → Fe(s) – 0,44 V Sn++(aq) + 2e– → Sn(s) – 0,14 V Cu++(aq) + 2e– → Cu(s) + 0,36 V 1/2 O2(g) + 2e– + H2O(l) → 2OH–(aq) + 0,41 V a) Calcule o ΔE0 da pilha formada por ferro e oxigênio em meio aquoso e ΔE0 da pilha formada por ferro e zinco em meio aquoso; b) Explique o fato de o oxigênio ser o oxidante mais forte da série apresentada. Respostas 01. Resolução: 02. Resolução: 03. Resolução: 04. Resolução: 05. Resolução: 06. Resposta E. (A) No ânodo ocorre uma oxidação. (B) A movimentação de elétrons ocorre nos eletrodos. (C) A passagem de elétrons é do ânodo para o cátodo. (D) A reação que ocorre é de oxirredução e não de neutralização (esta é um tipo de reação que ocorre entre ácidos e bases). (E) Correta. 07. Resposta E. (A) O zinco metálico é o ânodo, ele perde elétrons: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-. (B) O íon cobre sofre redução, ele ganha elétrons: Cu2+(aq) + 2 e-→ Cu(s). (C) O zinco metálico é o ânodo que é corroído, porque ele sofre oxidação e, com isso, a massa da barra diminui. (D) O cobre é o agente oxidante, pois ele causou a oxidação do zinco. (E) Correta. 08. Resolução: Com base na equação de Nernst, temos: Observa-se que a ddp é positiva. A reação observada representa uma pilha, portanto é espontânea.0 A espontaneidade da reação é confirmada se pensarmos que na reação final os íons Zn2+ se deslocam da solução concentrada para a solução diluída. - Se tivéssemos a reação inversa, Zn2+(0.024M) → Zn2+(2.4 M) a ddp seria –0,0592V, ou seja, a reação não seria espontânea. - Se as concentrações se igualarem, teremos que ΔE = 0 e portanto a pilha para de funcionar (encontra o equilíbrio) Esta é conhecida como uma pilha de concentração, ou seja, pilhas nas quais os dois eletrodos são iguais e estão mergulhados em soluções de seus íons, porém em concentrações diferentes. 09. Resolução: a) os metais que deslocam o H do ácido são: Zn e Mg. b) Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑ Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2 10 Resolução: a) Semi-reações: Oxidação: Fe(s) → Fe++ (aq) + 2e– + 0,44 V Redução: 1/2 O2(g) + 2e– + H2O(l)→ 2OH(aq) + 0,41 V ΔE0 = + 0,44 + 0,41 = + 0,85 V Semi-reações: Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 87 Oxidação: Zn++ (aq) + 2e– + 0,76 V Redução: Fe++ (aq) + 2e– → Fe(s) – 0,44 V ΔE0 = + 0,76 + (– 0,44) = + 0,32 V b) Como o oxigênio possui o maior potencial de redução da série apresentada, ele se reduzirá preferencialmente aos outros elementos, com isso, "força" a oxidação deles, sendo assim o oxidante mais forte. Hidrocarbonetos Os hidrocarbonetos são a função mais simples da Química Orgânica. A partir do conhecimento desta função é possível montar com facilidade as demais funções. Os hidrocarbonetos têm grande importância para a Indústria Química. O petróleo e o gás natural são fontes de hidrocarbonetos. É o ponto de partida para a produção de combustíveis, plásticos, corantes e tantos outros produtos úteis ao homem. Petróleo É um recurso natural abundante, porém sua prospecção envolve elevados custos e complexidade de estudos. É também atualmente a principal fonte de energia, servindo também como base para fabricação dos mais variados produtos, dentre os quais destacam-se benzinas, óleo diesel, gasolina, alcatrão, polímeros plásticos e até mesmo medicamentos. O petróleo é um liquido viscoso, escuro, encontrado no subsolo de certas regiões do globo terrestre, constituindo diferentes jazimentos. Os hidrocarbonetos que constituem no petróleo são principalmente os saturados, embora a sua constituição mude um pouco conforme a procedência. No petróleo encontramos certas impurezas, como o carvão, o enxofre, os mercaptanas e outros compostos, porém em baixo teor. Refino do petróleo É na refinaria que o petróleo é convenientemente tratado, para dele se extraírem materiais importantes, como combustíveis, óleos lubrificantes, vaselina, asfalto, piche, matérias-primas da indústria petroquímica etc. De todos os processos empregados numa refinaria, a destilação é o principal deles. A destilação é feita aquecendo- se o petróleo e fazendo-o passar pelas chamadas colunas de fracionamento, onde as primeiras frações são separadas. O resíduo do primeiro fracionamento, chama-se resíduo atmosférico. Este é reaquecido e introduzido numa outra coluna de fracionamento, que opera a pressão reduzida (destilação a vácuo), sofrendo aí nova destilação e produzindo outras frações menos voláteis. Veja a seguir os constituintes e alguns nomes dessas frações: Fração Número de carbonos Gás de 1 a 4 Gasolina de 5 a 10 Querosene de 12 a 18 Óleo diesel de 15 a 25 Óleo lubrificante acima de 17, com estruturas cíclicas Resíduo sólido; parafinas, ceras, asfalto, piche mais de 20 A utilização dessas funções é extremamente variada. As maisvoláteis são usadas como combustíveis ou como solventes. O gás, para aquecimento (fogões, bicos de gás); o éter de petróleo e a benzina, como solventes; a gasolina, nos motores de explosão (automóveis); o querosene, como combustível nos motores de propulsão (foguetes) e na iluminação (lampiões); o óleo diesel, em motores de compressão(caminhões); o óleo combustível, nos motes marítimos (barcos, navios). As outras frações vão desde a lubrificação (óleos) até o capeamento de estradas e a impermeabilidade de estruturas. Além desses processos, devemos citar a pirólise o cracking, que é a decomposição pelo aquecimento, que nos orientará desde a obtenção de matérias-primas para as indústrias petroquímicas e o enriquecimento quantitativo e qualitativo das matérias-primas obtidas pela destilação. O craqueamento possibilita um aproveitamento quase integral do petróleo. Gás natural O gás natural é um composto formado principalmente pelo gás metano (CH4) e por vários hidrocarbonetos leves, como o etano, propano e o butano. Em sua constituição também há em pequenas quantidades outros hidrocarbonetos mais pesados, além de CO2, N2, H2S, água, ácido clorídrico, metanol e outras impurezas É empregue diretamente como combustível, tanto em indústrias, casas e automóveis. É considerado uma fonte de energia mais limpa que os derivados do petróleo e o carvão. Alguns dos gases de sua composição são eliminados porque não possuem capacidade energética (nitrogênio ou CO2) ou porque podem deixar resíduos nos condutores devido ao seu alto peso molecular em comparação ao metano (butano e mais pesados). Origem do gás natural O gás natural é encontrado no subsolo em rochas porosas, isoladas do exterior por rochas impermeáveis. Suas reservas podem estar associadas ou não a depósitos petrolíferos. É o resultado da degradação da matéria orgânica de forma anaeróbica oriunda de quantidades extraordinárias de micro- organismos que, em eras pré-históricas, se acumulavam nas águas litorâneas dos mares da época. Essa matéria orgânica foi soterrada a grandes profundidades e, por isto, sua degradação se deu fora do contato com o ar, a grandes temperaturas e sob fortes pressões. Composição do Gás Natural A composição do gás natural bruto é função de uma série de fatores naturais que determinaram o seu processo de formação e as condições de acumulação do seu reservatório de origem. 14. Química do carbono: 14.1 Propriedades fundamentais do átomo de carbono; 14.2 Notação e nomenclatura dos radicais orgânicos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 88 O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos em muitos lugares do planeta, tanto em terra quanto no mar, tal qual o petróleo, sendo considerável o número de reservatórios que contém gás natural associado ao petróleo. Nestes casos, o gás recebe a designação de gás natural associado. Quando o reservatório contém pouca ou nenhuma quantidade de petróleo o gás natural é dito não associado. Assim como ocorre no petróleo, a composição básica do gás natural são as moléculas de hidrocarbonetos (composto químico formado por átomos de carbono e hidrogênio). Grande parte do gás natural (cerca de 70%) é formada pelo gás metano. Fazem também parte da composição do gás natural o propano, nitrogênio, oxigênio, etano e enxofre Além dos hidrocarbonetos fazem parte da composição do gás natural bruto outros componentes, tais como o Dióxido de Carbono (CO2), o Nitrogênio (N2), Hidrogênio Sulfurado (H2S), Água (H2O), Ácido Clorídrico (HCl), Metanol e impurezas mecânicas. A presença e proporção destes elementos depende fundamentalmente da localização do reservatório, se em terra ou no mar, sua condição de associado ou não, do tipo de matéria orgânica ou mistura do qual se origino, da geologia do solo e do tipo de rocha onde se encontra o reservatório. Principais frações Os gases do petróleo são utilizados como combustível (gás engarrafado). A gasolina é a fração de maior uso pela sua aplicação como combustível nos motores a explosão. O éter de petróleo, benzina especial e ligroína possuem grande aplicação como dissolventes orgânicos. O óleo diesel é utilizado como combustível dos motores a diesel. Os óleos lubrificantes são usados para lubrificação em geral. O asfalto e o piche de petróleo são muito utilizados na pavimentação de vias públicas. A parafina tem aplicação na fabricação de velas, graxas para sapatos, ceras para assoalhos. O querosene é empregado na iluminação, mas atualmente é bem restrito. Propriedades e usos As principais aplicações de alguns dos produtos petroquímicos básicos: Eteno – o seu principal derivado é o polietileno que é usado na fabricação de sacos plásticos para embalagem de produtos alimentícios e de higiene e limpeza, utensílios domésticos, caixas d’água, brinquedos e playgrounds infantis. Dentre suas outras aplicações podemos destacar o PVC, usado na construção civil, em calçados e em bolsas de sangue. Propeno – é a matéria prima para o polipropileno, usado, por exemplo, em embalagens alimentícias e de produtos de higiene e limpeza, peças para automóveis, tapetes, tecidos e móveis. Apresenta, além dessa, diversas outras aplicações como, por exemplo, produção de derivados acrílicos para tintas, adesivos, fibras e polímero superabsorvente para fraldas descartáveis. Butadieno – usado principalmente na produção de borracha sintética, em pneus e solados para calçados, por exemplo. Aromáticos – são matérias-primas para produtos como o PET utilizado em garrafas e fibras sintéticas, e o poliestireno, material empregado em eletroeletrônicos, eletrodomésticos, embalagens de iogurtes, copos, pratos e talheres e material escolar. Metanol – é insumo para produção de biocombustíveis e de diversos intermediários químicos usados, por exemplo, pela indústria de móveis e de defensivos agrícolas. Amônia – é uma das matérias-primas para a indústria de fertilizantes, sendo usada na produção de uréia e de fertilizantes nitrogenados utilizados nas culturas de milho, cana de açúcar, café, algodão e laranja, entre outras. COMBUSTÃO DE HIDROCARBONETOS As reações de combustão estão presentes em muitos aspectos do nosso cotidiano. Podemos definir como reação de combustão aquela que tem um combustível, isto é, um composto que é consumido e produz energia térmica; e um comburente, que na maioria das vezes é o oxigênio presente no ar. É preciso também que haja uma fonte de ignição para dar início à reação, que pode ser uma chama ou uma faísca. Esses três fatores compõem o triângulo de fogo, pois depois que se dá início à reação de combustão, a energia liberada sustenta a reação e permite que ela continue até que o combustível, o comburente ou o calor (energia liberada), acabe. Isso significa que ocorrerá uma reação em cadeia. Formas de combustão -Combustão Completa A combustão completa ocorrerá quando for feita a ruptura da cadeia carbônica e a oxidação total de todos os átomos de carbono da cadeia carbônica. Os produtos formados por hidrocarbonetos serão o CO2 (dióxido de carbono) e H2O (água). Exemplo: Combustão completa do isoctano, que é um dos componentes da gasolina. -Combustão Incompleta Nesse tipo de combustão não há oxigênio suficiente ou quando há um grande número de átomos de carbono no combustível, consumindo grande quantidade de oxigênio com muita rapidez. Existem duas possibilidades de produtos para serem formados, dependendo da quantidade de oxigênio disponível, podendo ser monóxido de carbono (gás carbônico), CO2, e água, H2O; ou carbono (fuligem), C, e água, H2O. Exemplo: As reações incompletas geralmente são indesejadas, pois o CO é altamente tóxico e já causou a morte de pessoas em garagens mal ventiladas. É por issoque o motor do carro deve estar sempre bem regulado, para não produzir reações incompletas. -Combustão Espontânea É aquela gerada de maneira natural, podendo ser pela ação de bactérias que fermentam materiais orgânicos, produzindo calor e liberando gases. Alguns materiais entram em Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 89 combustão sem fonte externa de calor. Ocorre, também, na mistura de determinadas substâncias químicas, quando a combinação gera calor e libera gases. IMPLICAÇÕES AMBIENTAIS A exploração de hidrocarbonetos é potencialmente causadora de impactos ambientais sobre o ambiente em que se localiza. Segue abaixo alguns exemplos: Etileno O etileno ou eteno (H2C CH2), em condições ambientes, é um gás. Industrialmente, ele é obtido pela quebra (cracking) de alcanos de cadeias longas. A partir dele, pode-se fabricar um grande número de polímeros (plásticos). Em algumas situações particulares, o etileno pode ser usado na produção de álcool etílico, também chamado etanol ou álcool O etanol pode ser obtido pela reação entre etileno e água, de acordo com a seguinte equação: Acetileno Acetileno é o nome usualmente empregado para designar o menor e mais importante dos alquinos: o etino C2H2. O gás acetileno é obtido mediante o seguinte processo: O acetileno tem, como propriedade característica, a capacidade de liberar grandes quantidades de calor durante sua combustão, isto é, durante a reação com oxigênio (O2). Quando, nos maçaricos de oxiacetileno, o acetileno reage com oxigênio puro, com o qual produz dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), a chama obtida pode alcançar a temperatura de 2800 °C. O acetileno é ainda matéria-prima essencial na síntese de muitos compostos orgânicos importantes, como ácido acético, plásticos e mesmo borrachas sintéticas. Por meio de processos ainda não muito conhecidos, o acetileno também age no processo de amadurecimento de frutas, porém com menor eficiência que o etileno. Benzeno O benzeno é o representante dos hidrocarbonetos aromáticos, possui uma estrutura cíclica especial que lhe confere propriedades especiais, como “aromaticidade”. Os compostos agrupados sobre esta denominação “aromáticos”, possuem um odor agradável. O benzeno é líquido, inflamável, incolor e tem um aroma doce e agradável. É um composto tóxico, cujos vapores, se inalados, causam tontura, dores de cabeça e até mesmo inconsciência. Se inalados em pequenas quantidades por longos períodos causam sérios problemas sanguíneos, como leucopenia. Também é conhecido por ser carcinogênico. É uma substância usada como solvente (de iodo, enxofre, graxas, ceras, etc.) e matéria-prima básica na produção de muitos compostos orgânicos importantes como fenol, anilina, trinitrotolueno, plásticos, gasolina, borracha sintética e tintas. A benzina é uma mistura de hidrocarbonetos obtida principalmente da destilação do petróleo que possui faixa de ebulição próxima ao benzeno. Naftaleno Uma das principais formas de obtenção do naftaleno é a partir da destilação do alcatrão de hulha (um tipo de carvão mineral, também conhecido como carvão de pedra). Também é possível obtê-lo a partir do petróleo, porém, em quantidades mínimas, o que torna o processo inviável economicamente. Na indústria petroquímica, a substância pode ser obtida, ainda, pelo reforming catalítico (ou reforma catalítica), processo em que hidrocarbonetos de cadeia normal são transformados em hidrocarbonetos aromáticos (neste caso) através do aquecimento e de catalisadores especiais. O naftaleno entra no ambiente de usos industriais, desde a sua utilização como repelente de traça, a partir da queima de madeira ou de tabaco e de derramamentos acidentais. Naftalina em sites de resíduos perigosos e aterros sanitários pode se dissolver na água e estar presentes na água potável. Naftaleno pode tornar-se fracamente ligado ao solo ou passar através das partículas do solo em água subterrânea. A maioria dos naftaleno entram no ambiente a partir da queima de florestas e combustíveis fósseis em casa. A segunda maior liberação de naftaleno é através do uso de repelentes de traça. Apenas cerca de 10% do naftaleno entrar no ambiente da produção de carvão e destilação. Menos de 1% do naftaleno liberado para a atmosfera pode ser atribuído às perdas da produção de naftalina. O tabagismo também libera pequenas quantidades de naftalina no ar. Tolueno Um aromático, de uso comum em algumas indústrias, extremamente prejudicial ao ser humano, é o tolueno ou metil benzeno. Além dos problemas comuns a todos os aromáticos, o tolueno, quando inalado, produz uma excitação semelhante à provocada por bebidas alcoólicas: visão dupla, falta de coordenação e fala inarticulada. Pode levar a pessoa ao estado de coma e à morte. O tolueno é comumente utilizado na produção de certas colas, conhecidas por cola de sapateiro, e afeta não só os profissionais que as usam no seu trabalho diário, mas também as pessoas que as utilizam como droga. Questões 01. (SAEG-TÉCNICO DE SANEAMENTO - ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA-VUNESP-2015) Os compostos orgânicos são agrupados em funções orgânicas de acordo com as suas características semelhantes. Muitos deles possuem padrões de potabilidade por apresentarem riscos à saúde. Um desses compostos é o benzeno (C6H6), cujo valor máximo permissível é de 5 μg/L, de acordo com a Portaria nº 2.914/2011 do Ministério da Saúde. Qual é a classificação do benzeno, dentre as funções orgânicas? (A)Hidrocarboneto. (B)Álcool. (C)Éter. (D)Aldeído. (E)Ácido carboxílico. 02. “O petróleo continua sendo um recurso básico para a moderna sociedade industrial, apesar de ter sofrido um relativo declínio nas últimas décadas. Em 1971, representava cerca de 68% da energia consumida no mundo, mas em 2007 essa proporção tinha baixado para cerca de 34%, uma porcentagem ainda significativa e maior que a de qualquer outra fonte de energia isoladamente. Se somarmos o petróleo ao gás natural, geralmente associado a ele e que sozinho Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 90 representa cerca de 20% do consumo energético mundial, teremos um total de 54% da energia produzida pela humanidade, com essas suas fontes fósseis em conjunto”23. Em função de suas importâncias, podemos concluir que o petróleo e o gás natural são fontes de energia utilizadas em diversos setores de atividades, dentre os quais podemos assinalar: (A) residencial, energético, transportes e industrial. (B) transportes, agrícola, industrial e extrativista (C) industrial, residencial, energético e construção civil (D) comercial, residencial, transportes e ambiental. 03. A comercialização do petróleo em nível internacional está, em grande parte, associada à atividade da OPEP – Organização dos Países Exportadores de Petróleo –, cuja principal função é: (A) diversificar o preço do produto em todo o planeta, a fim de dinamizar a livre concorrência entre os países petrolíferos. (B) cartelizar e controlar o valor do barril de petróleo entre os seus países-membros. (C) incentivar e financiar pesquisas científicas sobre a extração e o refino de petróleo. (D) organizar os produtores de petróleo em cooperativas a fim de livrar os produtores das ações do Estado. 04. O petróleo é um importante hidrocarboneto, utilizado como fonte de energia e como matéria-prima para a produção de plástico, tintas, solventes e outras mercadorias. Sua formação é resultante da decomposição de matéria orgânica animal e vegetal retida nos subsolos. Dessa forma, as regiões geográficas onde é mais provável encontrar poços de petróleo são:(A) regiões costeiras, situadas nas zonas de encontro entre duas placas tectônicas. (B) em zonas oceânicas e locais que já estiveram cobertos pelos oceanos. (C) em regiões continentais, em pontos de profundas depressões absolutas. (D) em zonas próximas à Linha do Equador, a exemplo do Oriente Médio. 05. (PUC-Rio - adaptada) Petróleo mais caro preocupa EUA, União Europeia e Japão. Em 2004, os preços do petróleo no mercado internacional tiveram sucessivas altas, lançando dúvidas sobre o crescimento econômico mundial. A elevação do preço do petróleo é consequência de uma série de fatores e tem graves repercussões em alguns países. A alternativa que NÃO apresenta corretamente uma dessas situações é: (A) a alta do preço do petróleo interfere na economia japonesa que depende do petróleo importado. (B) o preço do petróleo depende das cotas de petróleo estabelecidas pelos países da OPEP. (C) o preço do petróleo aumenta devido aos estoques acumulados pelos Estados Unidos. (D) o preço do petróleo oscila devido à situação de insegurança existente no Oriente Médio. 23 VESENTINI, J. W. Geografia: o mundo em transição. São Paulo: Editora Ática, 2012. p.75. Respostas 01. Resposta: A De acordo com a fórmula do benzeno abaixo: Verifica-se que existem apenas C (carbono) e H (hidrogênio), portanto trata-se de um hidrocarboneto. 02. Resposta A O petróleo e o gás natural, enquanto fontes de energia, são principalmente utilizados no campo residencial, na indústria, nos transportes e no setor energético. 03. Resposta A A principal função da OPEP é a de cartelizar ou controlar os preços do petróleo através da associação dos principais exportadores desse produto. Assim, o preço do barril pode ser elevado por razões econômicas e até políticas, como no episódio da crise do petróleo dos anos 1970. Alternativa correta: letra B. 04. Resposta A A existência de petróleo na natureza é mais comum em regiões oceânicas – ou que já foram constituídas por mares –, uma vez que esses locais apresentam uma sedimentação e uma diagênese mais consolidada. 05. Resposta A A) Correto – o preço do petróleo afeta diretamente a economia do Japão, pois esse país é o segundo maior importador desse produto. B) Correto – a OPEP regula o preço, a produção e as cotas de petróleo entre os seus países-membros. C) Incorreto – os Estados Unidos não possuem estoques acumulados, pois são os maiores consumidores. E mesmo que possuíssem, isso contribuiria para o aumento da oferta e a consequente diminuição dos preços. D) Correto – as instabilidades políticas no Oriente Médio influenciam a alta dos preços do petróleo. FUNÇÕES ORGÂNICAS As funções orgânicas são grupos em que os compostos orgânicos são divididos de acordo com o seu comportamento químico e presença de certos agrupamentos de átomos em suas estruturas. 15. Função orgânica: 15.1 Conceito; 15.2 Grupamento funcional; 15.3 Fórmulas geral e estrutural; 15.4 Notação e nomenclatura IUPAC das funções orgânicas. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 91 Nomenclatura dos compostos orgânicos Os compostos orgânicos recebem nomes oficiais que levam em consideração o número de carbonos, os tipos de ligações entre eles e a função que as substâncias pertencem. O esquema apresentado no quadro abaixo mostra, as partes básicas da nomenclatura de um composto orgânico. A seguir serão estudadas as principais funções orgânicas: HIDROCARBONETOS São compostos formados apenas por carbono (C) e hidrogênio (H). Os hidrocarbonetos podem ser subdivididos em várias classes em função do tipo de ligação que apresenta entre os carbonos. Sua fórmula geral é dada por CXHY. Os hidrocarbonetos se dividem de acordo com a sua estrutura e tipo de ligações entre carbonos. São tipos de hidrocarbonetos: -alcanos -alcenos -alcinos -alcadienos -cicloalcanos -cicloalcenos -aromáticos Alcanos Definição: são hidrocarbonetos de cadeia aberta saturados, ou seja, possuem somente ligações simples entre os carbonos. Fórmula Geral: CnH2n + 2(em que n = qualquer número inteiro). Exemplos: CH4:metano H3C — CH3: etano Alcenos Definição: são hidrocarbonetos de cadeia aberta que possuem somente uma ligação dupla entre carbonos. Fórmula Geral: CnH2n Exemplos: Alcinos Definição: são hidrocarbonetos de cadeia aberta que possuem tripla ligação entre carbonos. O infixo “in” identifica a ligação tripla dos alcinos. Fórmula Geral: CnH2n-2 (em que n = qualquer número inteiro). Exemplos: Alcadienos ou dienos: Definição: são hidrocarbonetos de cadeia aberta que possuem duas duplas ligações entre carbonos. O infixo “dien" identifica as duas duplas ligações dos alcadienos. Fórmula Geral: CnH2n-2 (em que n = qualquer número inteiro). Exemplos: Hidrocarbonetos cíclicos: Definição: são hidrocarbonetos de cadeia fechada. Podem ser cicloalcanos (só possuem ligações simples), cicloalcenos (possuem dupla ligação entre carbonos) e cicloalcinos (com tripla ligação entre carbonos). Fórmula Geral: - Cicloalcanos: CnH2n - Cicloalcenos: CnH2n-2 Hidrocarbonetos aromáticos: Definição: são hidrocarbonetos que possuem um ou mais anéis benzênicos (núcleos aromáticos), que são representados conforme a figura abaixo: Nomenclatura para hidrocarbonetos ramificados Para realizar a nomenclatura de um hidrocarboneto ramificado, é necessário identificar a cadeia principal, que, geralmente, apresenta o maior número de carbonos. Para isso, temos que levar em consideração a classe dos hidrocarbonetos com a qual estamos trabalhando, como relatado em cada caso: a) Nomenclatura de alcanos ramificados Passo 1: Determinar a cadeia principal e seu nome (A cadeia principal de um alcano é sempre aquela que apresentar o maior número de carbonos e o maior número de ramificações) Passo 2: Reconhecer os radicais e dar nome aos mesmos. Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 92 Passo 3: Numerar a cadeia principal de moto a obter os menores números possíveis para indicar as posições dos radicais. Passo 4: Quando houver mais de um radical do mesmo tipo, seus nomes devem ser precedidos de prefixos que indiquem a quantidade: di, tri, treta, penta e etc. Passa 5: Quando houver dois ou mais radicais de tipos diferentes, seus nomes podem ser escritos de duas maneiras: a) Pela ordem de complexidade crescente dos radicais b) Pela ordem alfabética (Notação recomentada pela IUPAC). Exemplo: ALCOOIS Álcool é toda substância orgânica que contém um ou mais grupos oxidrila ou hidroxila (OH) ligado diretamente à átomos de carbono saturados. Grupo funcional: Classificação Os álcoois podem ser classificados de duas maneiras: - de acordo com a posição da hidroxila - de acordo com o número de hidroxila Posição da Hidroxila Álcool Primário – tem a hidroxila ligada a carbono primário. Álcool Secundário – tem a hidroxila ligada a carbono secundário. Álcool Terciário – tem a hidroxila ligada a carbono terciário. Número de Hidroxila - Monoálcool – álcool que contém uma hidroxila. - Diálcool ou Diol – álcool que contém duas hidroxilas. - Triálcool ou Trióis – álcool que contém três hidroxilas. Fenol Fenol é todo composto orgânico que contém uma ou mais hidroxilas (OH) ligadas diretamente a um anel aromático. Exemplos: Nomenclatura oficial dos álcoois A nomenclatura oficial dos álcoois segue as mesmas regras estabelecidas pela IUPAC para os hidrocarbonetos,com apenas uma diferença: como o grupo funcional é diferente, o sufixo é “OH” no lugar de “o”, que é o usado para os hidrocarbonetos. Prefixo Intermediário Sufixo N° de Carbono Tipo de Ligação OL Exemplos: -H3C — OH: met + an + ol = metanol -H3C — CH2 — OH: et + an + ol = etanol Quando um álcool alifático apresentar mais de dois átomos de carbono, devemos indicar a posição do OH numerando a cadeia a partir da extremidade mais próxima do carbono que contém a hidroxila. Exemplos: 1-butanol 2-butanol ALDEÍDOS Os aldeídos contêm o grupo carbonila em carbono primário (extremidade da cadeia). Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 93 Grupo funcional: Exemplos: Nomenclatura IUPAC - A terminação do nome oficial é AL. - A cadeia principal deve ser a mais longa possível que apresentar o grupo funcional. - Para cadeias ramificadas ou insaturadas, devemos numerar pela extremidade que contenha o grupo funcional. Este será sempre posição 1. E não precisa ser mencionado no nome. Exemplos: Nomenclatura usual Os quatro primeiros aldeídos têm nomes usuais, tais como: CETONAS As cetonas também apresentam o grupo carbonila, sendo que o carbono do grupo deve ser secundário. Grupo funcional: Exemplos: Nomenclatura IUPAC De acordo com a nomenclatura da IUPAC a terminação das cetonas é ONA. A cadeia principal é a mais longa que possui a carbonila e a numeração é feita a partir da extremidade mais próxima da carbonila. Exemplos: Quando a numeração for necessária, ela deve ser iniciada da extremidade mais próxima da carbonila. ÁCIDO CARBOXÍLICO Os ácidos carboxílicos apresentam pelo menos uma função carboxila. -Grupo funcional: Exemplos: Nomenclatura IUPAC Inicia-se com a palavra ácido e a terminação utilizada é óico. A cadeia principal é a mais longa e que possua a carboxila. Para cadeias ramificadas, devemos numerar a partir do carbono da carboxila (e não precisa mencionar a posição 1). Exemplos: O nome usual para os ácidos é associado à sua origem ou a suas propriedades. Os nomes comuns de muitos ácidos carboxílicos são baseados em suas origens históricas ou ao seu odor exalado por quem os produz. Veja o motivo dos nomes usuais não seguirem regras: Nome oficial Nome comercial Origem do nome Ácido metanóico Ácido fórmico Existe nas formigas Ácido etanóico Ácido acético Formado no azedamento do vinho Ácido propanóico Ácido própiônico gordura Ácido butanóico Ácido butírico Encontrado na manteiga Ácido pentanóico Ácido valérico Encontrado na planta valeriana Ácido hexanóico Ácido capróico Produzidos por cabras e bodes Ácido octanóico Ácido caprílico Produzidos por cabras e bodes Ácido decanóico Ácido cáprico Produzidos por cabras e bodes Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 94 ÉSTERES Ésteres são compostos orgânicos produzidos através da reação química denominada de esterificação: ácido carboxílico e álcool reagem entre si e os produtos da reação são éster e água. Os ésteres são encontrados em muitos alimentos, perfumes, objetos e fármacos que temos em casa. Grupo funcional: Os ésteres possuem aroma bastante agradável. São usados como essência de frutas e aromatizantes nas indústrias alimentícia, farmacêutica e cosmética. Constituem também óleos vegetais e animais, ceras e gordura. Nomenclatura IUPAC Colocando-se o grupo funcional como referencial, podemos dividir o nome em duas partes: Prefixo + Saturação + oato de + Nome do radical Exemplos: ÉTERES Éter é todo composto orgânico onde a cadeia carbônica apresenta – O – entre dois carbonos. O oxigênio deve estar ligado diretamente a dois radicais orgânicos (alquila ou arila). A fórmula genérica do éter é R – O – R, onde “R” é o radical e “O” é o oxigênio. Grupo funcional: Nomenclatura oficial A nomenclatura oficial pode ser obtida da seguinte maneira: Prefixo R (menor n° de carbonos) + Infixo (tipo de ligações) + oato de + nome do radical R’ + a Ou Radical R + Radical R’ + éter Exemplos: AMINAS As aminas são consideradas as bases orgânicas e são obtidas a partir da substituição de um ou mais hidrogênios da amônia (NH3) por radicais. Nomenclatura da IUPAC Na sua nomenclatura, basta indicar (o)s radical (is) ligados ao nitrogênio acrescido da palavra amina. As aminas aromáticas nas quais o nitrogênio se liga diretamente ao anel benzênico Ar–NH2 são, geralmente, nomeadas como se fossem derivadas da amina aromática mais simples: a fenilamina (Anilina). Para aminas mais complexas, consideramos o grupo NH2 como sendo uma ramificação, chamada de amino. AMIDAS As amidas são caracterizadas pelo grupo funcional: Nomenclatura da IUPAC O nome das amidas, de acordo com a IUPAC é dado da seguinte maneira: Prefixo + Saturação + Amida Apostila Digital Licenciada para Marina Almeida Damaceno - daviteodoroad@hotmail.com (Proibida a Revenda) - www.apostilasopcao.com.br APOSTILAS OPÇÃO Conhecimentos Específicos 95 Exemplo: HALETOS ORGÂNICOS Os haletos orgânicos são compostos resultantes da substituição de um ou mais hidrogênios em moléculas de hidrocarbonetos, por átomos de halogênios, que podem ser o flúor, o cloro, o bromo ou o iodo. Os Haletos orgânicos são representados por R – X onde X = Cl, Br, F, I. Repare que o Cl está ligado a uma cadeia de hidrocarbonetos. Questões 01(ANP- TÉCNICO EM REGULAÇÃO DE PETRÓLEO E DERIVADOS - ESPECIALIDADE TÉCNICO EM QUÍMICA- CESGRANRIO-2016) A Figura abaixo representa a estrutura de um composto que possui fórmula molecular C8H16O. De acordo com as regras da IUPAC, o nome do composto é: (A)2,3-dimetil-hexan-1-ol. (B)2,3-dimetil-ciclo-hexanol. (C)3,4-dimetil-ciclo-hexanol. (D)1,2-dimetil-ciclo-hexan-4-ol. (E)1,6-dimetil-ciclo-hexan-4-ol. 02(SEDUC-RJ- PROFESSOR DOCENTE I - QUÍMICA CEPERJ) A Daptomicina é um lipopeptídeo cíclico isolado do fungo Streptomyces roseosporus, que apresenta elevada atividade sobre bactérias resistentes. Este antibiótico foi recentemente aprovado pelo US-FDA para tratamento de infecções cutâneas graves, sendo comercializado pelo nome de Cubicin. Sua estrutura é mostrada a seguir: Algumas das funções orgânicas presentes na estrutura da Daptomicina são: (A)cetona, álcool, aldeído, amina e amida (B)ácido carboxílico, éter, aldeído, amina e amida (C)álcool, amina, amida, ácido carboxílico e éster (D)ácido carboxílico, amina, amida, éter e álcool (E)amina, amida, anidrido, álcool e éster 03. Considere os compostos: ciclo-hexanotiol, 2-mercapto- etanol e 1,2-etanoditiol. A característica comum aos três compostos relacionados anteriormente é: (A) Os três são álcoois cíclicos. (B) Os três são álcoois alicíclicos. (C) Os três são altamente cancerígenos. (D) Os três têm átomos de enxofre substituindo o oxigênio em ligações como carbono e hidrogênio nos álcoois correspondentes. (E) Os três têm átomos de enxofre substituindo o carbono em ligações como oxigênio e hidrogênio nos compostos correspondentes. 04. “A cafeína é um dos alcaloides mais utilizados pelas pessoas. Está presente nas sementes do café, nas folhas de alguns tipos de ervas usadas na preparação de chás, no cacau e na fruta do guaraná.” (Cafeína, texto 8, Química, Ensino Médio). Assinale as funções presentes na cafeína: (A) Cetona e amina. (B) Cetona e fenol. (C) Amina e amida. (D) Cetona