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RESUMOS TEÓRICOS FÍSICO-QUÍMICA Prof: Thércio Rodrigues TIPOS DE CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES Convenções dos índices: 1 – refere-se ao soluto. m1, por exemplo, é a massa de soluto. 2 – refere-se ao solvente. n2, por exemplo, é a quantidade de matéria (“número de mols”) do solvente. Sem índice – refere-se à solução V, por exemplo, é o volume da solução. a. Concentração comum (C): Faz a relação entre a quantidade de massa do soluto e o volume da solução. Sua unidade mais comum é gramas por litro (g/L). 𝐶 = 𝑚1 𝑉 m1: massa de soluto em gramas V = volume da solução em litros Obs.: Cuidado... Densidade não é igual a concentração comum. A densidade trata da relação entre a massa de solução e o volume ocupado por essa solução. 𝑑 = 𝑚 𝑉 m: massa de solução V = volume da solução b. Concentração em quantidade de matéria (M): Faz a relação entre a quantidade de matéria do soluto (“número de mols”) e o volume da solução. Sua unidade é mol por litro (mol/L). n1: quantidade de matéria de soluto (em mol) V = volume da solução em litros Como a quantidade de matéria (“número de mols) pode ser calculada como 𝑛 = 𝑚 𝑀 onde m: é a massa de substância M: é a massa molar da substância, ANOTAÇÕES: É possível reescrever a fórmula como: A unidade de concentração é a mesma: mol/L. Esse tipo de concentração pode ser tratado para cada íons em solução. Exemplo: Uma solução 0,1 mol/L de Ca(NO3)2 teria a seguinte concentração de íons: [Ca2+] = 0,1 mol/L [NO3–] = 0,2 mol/L Isso acontece devido à dissociação do sal: Ca(NO3)2 → Ca2+ + 2 NO3– 0,1 mol/L 0,1 mol/L 2x0,1 mol/L Sei que parece estranho, já que a soma da concentração dos íons é maior que a concentração inicial do sal. Mas pense nos íons livres como as partes de um todo. Vamos comparar com um carrinho de brinquedo. É um único carrinho, mas pode ser quebrado em uma carcaça e 4 pneus. Então, são 5 carrinhos ao final??? Não. São 5 partes de um só carrinho... c. Título em massa (): Faz a relação entre a massa de soluto e a massa da solução. Pode ser calculado pelas expressões ou m1: é a massa do soluto m2: é a massa do solvente m: é a massa da solução (m1 + m2) Obs1: O título é adimensional, ou seja, não apresenta unidade e pode ser dado em porcentagem (%): Exemplo: = 0,2 % = 20% Obs2: o título pode ser dado em volume ou Obs3: o título pode ser dado ainda em massa/volume Exemplo: Se uma solução apresenta concentração de 30% (m/V), significa que ela apresenta 30g em cada 100 mL de solução (30 por cento). ANOTAÇÕES: RELAÇÃO ENTRE CONCENTRAÇÕES. É possível relacionar as principais formas de concentração para facilitar as conversões. DILUIÇÃO A diluição de uma solução é feita por meio da adição de solvente à solução. A dedução da equação é baseada no fato de toda massa de soluto que está contida na solução inicial (concentrada) também estará contida na solução final (diluída). Trabalhando essa ideia matematicamente (como mostrado na aula – clique aqui), chegamos a duas equações que podemos utilizar: Ci . Vi = Cf . Vf quando utilizamos as concetrações em g/L ou Mi . Vi = Mf . Vf quando utilizamos as concetrações em mol/L MISTURA DE SOLUÇÕES Pode ocorrer através da mistura de: - Mesmo soluto - Solutos diferentes (sem ou com reação entre eles) Mistura de soluções de mesmo soluto Pensando que m1A + m1B = m1C, podemos deduzir CA . VA + CB . VB = CC . VC (em g/L) ou MA . VA + MB . VB = MC . VC (em mol/L) Veja a dedução da eaqução na aula (CLIQUE AQUI) ANOTAÇÕES: https://youtu.be/lO9a8C-Acuk https://youtu.be/w9pgS2Fdhpk Mistura de soluções de solutos diferentes sem reação Trataremos como diluições isoladas. A única coisa das duas primeiras que será usada na solução final (C) é a soma dos volumes. Aí, é fazer as diluições. Primeiramente, uma diluição da solução A para a final (A’) e depois uma diluição da solução B para a final (B’). Mistura de soluções de solutos diferentes com reação entre eles Com base no que conhecemos de soluções, vamos determinar as quantidades de reagentes presentes. Na sequência, vamos utilizar o cálculo estequiométrico seguindo os 4 passos que já vimos no módulo anterior: 1. Equação balanceada da reação. 2. Leitura molar 3. Mol para grandezaz 4. Valores do problema e resolução Acompanhe a aula e a resolução do seguinte exemplo: (PUC - RS) Adicionou-se 100mL de solução de Hg(NO3)2 de concentração 0,40 mol/L a 100mL de solução de Na2S de concentração 0,20 mol/L. Sabendo-se que a reação ocorre com formação de um sal totalmente solúvel (NaNO3) e um sal praticamente insolúvel (HgS), as concentrações em mol/L, de íons Na+, Hg2+ presentes na solução final são, respectivamente: a) 0,1 mol/L e 0,2 mol/L b) 0,2 mol/L e 0,1 mol/L c) 0,4 mol/L e 0,2 mol/L d) 0,4 mol/L e 0,1 mol/L e) 0,2 mol/L e 0,4 mol/L ANOTAÇÕES: PRESSÃO DE VAPOR (Pv) Pressão Máxima de Vapor - ou simplesmente pressão de vapor - é a pressão que um vapor exerce sobre seu líquido. Sofre influência de dois fatores: a. Temperatura Quanto maior a temperatura de um sistema, maior energia cinética possuem as moléculas, facilitando que as moléculas da superfície evaporem, gerando maior número de moléculas na fase de vapor. Assim, a pressão de vapor será maior. Resumidamente: Graficamente: Note que para qualquer uma das substâncias mostradas no gráfico, quanto maior a temperatura, maior a pressão de vapor daquela substância. Observação: A pressão de vapor e a temperatura de ebulição estão diretamente relacionadas. Quando a pressão de vapor de um líquido iguala-se à pressão externa (atmosférica no caso de sistemas abertos) ocorre a ebulição do líquido. Veja no gráfico a pressão de 1 atm (pressão ao nível do mar). Quando cada substância tem sua pressão de vapor igual a 1 atm, ela estará em ebulição. Quanto menor a pressão de vapor de uma substância numa dada temperatura, mais tempo temos que aquecê-la até que se iguale com a externa e maior será sua temperatura de ebulição. ANOTAÇÕES: b. Forças intermoleculares Primeiro, vamos relembrar o que são as forças intermoleculares. As forças intermoleculares são forças que atuam entre moléculas próximas. São elas: Dipolo Induzido: que ocorrem entre moléculas apolares. São as mais fracas. Dipolo Permanente: que ocorrem entre moléculas polares. São mais fortes que o Dipolo Induzido. Ligação de Hidrogênio: que ocorre em moléculas que apresentem o Hidrogênio (H) ligado diretamente em Flúor (F), Oxigênio (O) ou Nitrogênio (N). São as mais fortes das forças intermoleculares. E como a força intermolecular interfere na pressão de vapor? Quanto maior a força de atração intermolecular, mais fortemente atraídas umas pelas outras estarão as moléculas. Isso dificulta o processo de evaporação, fazendo com que a quantidade de moléculas na fase de vapor seja menor, levando a uma menor pressão de vapor. Resumidamente: Graficamente: Dado: O CS2 é uma molécula apolar e tem atração intermolecular por dipolo induzido. A água, por apresentar o Hidrogênio ligado ao Oxigênio, possui atração por Ligação de hidrogênio. Note que numa mesma temperatura, o CS2 possui maior pressão de vapor que a água, pois como suas moléculas se atraem fracamente; a evaporação é fácil e haverá muitas moléculas na fase de vapor, o que implica numa alta pressão de vapor. Já a água, tem atração por ligação de hidrogênio, que é mito forte. Assim, a evaporação é mais difícil e haverá menos vapor. Logo, a pressão de vapor será menor. Diríamosque o CS2 é mais volátil que a água, ou seja, evapora com mais facilidade e tem maior pressão de vapor. ANOTAÇÕES: PROPRIEDADES COLIGATIVAS São propriedades relacionadas ao número de partículas dispersas num solvente quando adicionamos à ele um soluto não volátil. Não interessa a natureza do soluto (se é iônico ou molecular, se é uma ácido ou uma base) e sim a quantidade final de partículas que esse soluto vai gerar em solução. É muito importante considerar a dissociação/ionização das espécies em solução para que se tenha a concentração final das partículas em solução. Quanto maior a concentração maior o efeito da propriedade. Logo, apesar de terem a mesma concentração inicial, após a ionização do ácido e a dissociação do sal, a solução II teria um efeito coligativo 5 vezes maior que a I. As propriedades ou efeitos coligativos são: Tonoscopia: diminuição da pressão de vapor. Ebulioscopia: aumento da temperatura de ebulição. Crioscopia: diminuição da temperatura de solidificação ou congelamento. Osmometria: aumento da pressão osmótica. TONOSCOPIA Abaixamento da pressão de vapor do sistema devido à adição de um soluto não volátil. Quanto maior a concentração da solução, maior será a queda na PV (pressão de vapor). Nas propriedades coligativas a coisa mais importante é que você entenda o conceito delas. Porém, existem equações matemáticas que nos permitem calcular a interferência dessas partículas nas propriedades físicas do sistema. Para a tonoscopia, o cálculo pode ser feito com base na esquação: ANOTAÇÕES: Onde: ∆PV: variação na pressão de vapor Ppuro: é a pressão de vapor do solvente puro kt: é a constante tonoscópica W: é a molalidade (que quase sempre é substituída pela “molaridade”) i: é o fator de correção de Van’t Hoff Outra equação possível é Onde X1 é a fração molar do soluto. Fator de correção de van’t Hoff i = 1 + .(q – 1) i: fator de correção : grau de dissociação/ionização q: nº de íons gerados na dissociação/ionização Note que, se o grau de ionização for igual a 100% ( = 1), temos que i = q. Entenda que, considerando a ionização/dissociação da espécie - como já foi mostrado anteriormente com o HCl e o Fe2(SO4)3, já estamos levando em conta o Fator de correção de Van’t Hoff. Note a variação da pressão de vapor da água quando comparada às duas soluções. Perceba que o efeito coligativo foi o mesmo nas duas soluções, apesar da concentração inicial do NaCl ser a metade da glicose. Porém, o fator de correção do NaCl é 2 (pois ele sofre dissociação gerando os íons Na+ e Cl–), o que faz com que sua concentração final de partículas seja igual à da glicose (que não sofre ionização/dissociação). Graficamente: ANOTAÇÕES: EBULIOSCOPIA Aumento da temperatura de ebulição do sistema devido à adição de um soluto não volátil. Quanto maior a concentração da solução, maior será o aumento da T.E. (temperatura de ebulição). Como já foi dito, a coisa mais importante é que você entenda o conceito das propriedades coligativas. Mas, existem as equações matemáticas. Para a ebulioscopia, o cálculo pode ser feito com base na esquação: Onde: ∆TE: variação na temperatura de ebulição Ke: é a constante ebuliscópica W: é a molalidade (que quase sempre é substituída pela “molaridade”) i: é o fator de correção de Van’t Hoff Graficamente: ANOTAÇÕES: CRIOSCOPIA Abaixamento da temperatura de congelamento do sistema devido à adição de um soluto não volátil. Quanto maior a concentração da solução, maior será o abaixamento da T.C. (temperatura de congelamento). Lembre-se que o mais importante é entender o conceito das propriedades coligativas. A equação matemática a criscopia é: Onde: ∆TC: variação na temperatura de congelamento Kc: é a constante crioscópica W: é a molalidade (que quase sempre é substituída pela “molaridade”) i: é o fator de correção de Van’t Hoff Graficamente: ANOTAÇÕES: OSMOSCOPIA OSMOSE: Passagem do solvente, através de uma membrana semipermeável (MSP), do meio menos concentrado para o mais concentrado. Pressão osmótica (π): É a pressão que deve ser exercida sobre a solução para impedir a osmose. A equação matemática para a osmoscopia é: Onde: π: é a pressão osmótica M: é a concentração em quantidade de matéria ou “molaridade”) i: é o fator de correção de Van’t Hoff Se aplicarmos uma pressão maior que a pressão osmótica, temos a Osmose Reversa: Pressão exercida > Essa técnica é aplicada na dessalinização da água do mar. ANOTAÇÕES: RADIOATIVIDADE Radioatividade é um fenômeno relacionado exclusivamente com o núcleo de átomos instáveis que, na tentativa de tornarem-se estáveis, emitem radiação. EMISSÕES RADIOATIVAS Podem ocorrer de três formas: a. Partículas alfa (): São formadas por dois prótons e dois nêutrons sendo, portanto positivas. Representação: Devido a sua massa, têm baixo poder de penetração. A emissão de uma partícula alfa por um átomo gera um novo átomo, conforme a 1ª Lei da radioatividade (Lei da emissão alfa) ou Lei de Soddy: Quando um átomo emite uma partícula alfa, o novo átomo formado tem número de massa 4 unidades menor e número atômico 2 unidades menor. 92U238 → 24 + 90Th234 b. Partículas beta (): Resultam da desintegração de um nêutron instável: O elétron formado é a partícula beta, que é expulsa do núcleo. Representação: Devido à sua composição, a partícula beta é negativa e tem médio poder de penetração. A emissão de uma partícula beta por um átomo gera um novo átomo, conforme a 2ª Lei da radioatividade (Lei da emissão beta) ou Lei de Soddy-Fajans-Russel: Quando um átomo emite uma partícula beta, o novo átomo formado tem igual número de massa e número atômico 1 unidade maior. 83Bi210→ –10 + 84Po210 c. Ondas gama (): São ondas eletromagnéticas de alta energia. São liberadas quando um núcleo que emitiu alfa ou beta se reorganiza. Representação: Por não apresentarem massa nem carga, têm um elevado poder de penetração. ANOTAÇÕES: EQUAÇÕES DE DECAIMENTO: Demonstram a série de decaimento para que determinado elemento se converta em outro, pela emissão de partículas alfa e beta. Exemplo: 92U238 → 3 24 + 2 –10 + 88Ba226 Por meio destas equações é possível determinar o número de partículas alfa e beta envolvidas numa série de decaimento. Exemplo: Após algumas desintegrações sucessivas, o 90Th232, muito encontrado na orla marítima de Guarapari (ES), se transforma no 82Pb208. O número de partículas e emitidas nessa transformação foi, respectivamente, de: a) 6 e 4 b) 6 e 5 c) 5 e 6 d) 4 e 6 e) 3 e 3 Iniciamos pela conservação do número de massa antes e depois do decaimento: 90Th232 → x 24 + y –10 + 82Pb208 232 = x . 4 + y . 0 + 208 232 – 208 = x . 4 24 = x . 4 24/4 = x x = 6 partículas alfa Em seguida, utilizamos a conservação de carga total antes e depois do decaimento. 90 = x . 2 + y . (– 1) + 82 90 = 6 . 2 – y + 82 90 = 12 – y + 82 90 = – y + 94 y = 94 – 90 y = 4 partículas beta Resposta: alternativa a. TEMPO DE MEIA-VIDA (t1/2): É o tempo necessário para que metade de uma amostra radioativa sofra decaimento, convertendo-se em outro elemento. Equações: 𝑚 = 𝑚0 2𝑥 m = massa restante m0 = massa inicial x = nº de meias-vidas passadas Obs.: a massa pode ser substituída por número de mols, número de átomos, número de emissões. O tempo de meia-vida pode ser determinado, também, através da equação: 𝑡1/2 = ln 2 : é a constante de decaimento ou desintegração e é característica de cada radioisótopo. ANOTAÇÕES: Para resolver problemas com tempo de meia-vida, nãoé obrigatório utilizar a equação. Em muitos casos, pode-se pensar que a quantidade de amostra radioativa vai caindo pela metade a cada meia-vida que se passa. Pode-se trabalhar em: - Massa: - Fração: - Porcentagem: GRAFICAMENTE: De N0 até N0/2 passam uma meia-vida. Assim, para se localizar no gráfico o valor da meia-vida, bastaria ver o tempo decorrido de 0 (zero) no eixo do tempo até o valor . Exemplo: O acidente do reator nuclear de Chernobyl, em 1986, lançou para a atmosfera grande quantidade de 38Sr90 radioativo. Seu tempo de meia-vida, pode ser obtido através do gráfico a seguir: ANOTAÇÕES: Supondo ser este isótopo a única contaminação radioativa e sabendo que o local poderá ser considerado seguro quando a quantidade de 38Sr90 se reduzir, por desintegração a 1/16 da quantidade inicialmente presente, o local poderá ser habitado novamente a partir do ano de: a. 2014 b. 2106 c. 2266 d. 2986 e. 3000 Resolução: Como estamos trabalhando com uma fração da radioatividade inicial (1/16), devemos iniciar do inteiro (1) e decair até que se chegue na fração desejada: Passaram-se 4 meias-vidas até 1/16 da radioatividade inicial. Através do gráfico, podemos determinar que a meia-vida do Sr-90 é de 30 anos, pois de 10 g até 5 g, decorrem-se 30 anos. Logo: 4 . 30 anos = 120 anos 1986 (ano do acicente) + 120 (tempo até 1/16) = 2106 Resposta: alternativa b. REAÇÕES NUCLEARES: ANOTAÇÕES: FISSÃO NUCLEAR: Representa a quebra de átomos grandes (através da utilização de nêutrons) em átomos menores, com a liberação de nêutrons e grande quantidade de energia. Exemplo: 92U235 + 0n1 → 56Ba141 + 36Kr92 + 3 0n1 + energia Bomba atômica Usina Nuclear Enriquecimento a 80% Enriquecimento a 4% É utilizada na produção de energia nas usinas nucleares e na fabricação de bombas atômicas. FUSÃO NUCLEAR: União de átomos pequenos (geralmente hidrogênio) formando átomos maiores e liberando uma quantidade imensa de energia. Exemplo: 1H2 + 1H3 → 2He4 + 0n1 + energia É a reação que ocorre no sol. Reação solar Bomba H É utilizada apenas para a produção de bombas nucleares, cujo poder de destruição é bem maior que as bombas de fissão, como as usadas em Hiroshima e Nagasaki. ANOTAÇÕE: NÚMERO DE OXIDAÇÃO (NOX) Carga (real ou aparente) que surge sobre um átomo devido à diferença de eletronegatividade entre os átomos em uma ligação química. RELEMBRANDO: Fila de eletronegatividade (elementos mais comuns): F O N Cl Br I S C P H Ordem decrescente de eletronegatividade Mais eletronegativo Menos eletronegativo Alguns elementos apresentam NOX fixo e outros variável, que terão seu NOX determinado através dos que são fixos. ELEMENTOS DE NOX FIXO: Formando compostos: - HIDROGÊNIO NOX = + 1 Exceção: Hidretos metálicos (Metal+Hidrogênio) NOX = – 1 Ex.: NaH - OXIGÊNIO NOX = – 2 Exceções: Peróxidos (– O – O –) NOX = – 1 Ex.: H2O2 Fluoretos: NOX = + 1 Ex.: O2F2 NOX = + 2 Ex.: OF2 - FAMÍLIAS: 1 (1A): NOX = + 1 2 (2A): NOX = + 2 16 (6A) (à direita no composto): NOX = – 2 Ex.: CaS 17 (7A) (à direita no composto): NOX = – 1 Ex.: KCl - PRATA (Ag+): NOX = + 1 - ZINCO (Zn2+): NOX = + 2 - ALUMÍNIO (Al3+): NOX = + 3 Substância simples: Toda substância simples têm NOX igual à zero. Exemplo: Fe(s), N2(g), Ag(s), H2(g), Na(s), O2(g). ELEMENTOS DE NOX VARIÁVEL: Deverão ter seu NOX determinado através daqueles que tem NOX fixo, por meio de cálculos. ANOTAÇÕES: - Para moléculas neutras: a soma das cargas é igual à zero. 2 + x – 8 = 0 x – 6 = 0 x = +6 +6 é o NOX do enxofre (S) no H2SO4 - Para íons: a soma das cargas é igual à carga do íon. x – 8 = – 3 x = – 3 + 8 x = +5 +5 é o NOX do fósforo (P) no PO43– REAÇÃO REDOX São aquelas nas quais ocorre variação no NOX participantes da reação. Exemplo: *Oxidação: Perda de elétron Aumento do NOX. No exemplo, elemento que sofreu oxidação: Zn0. * Redução: Ganho de elétron Redução do NOX No exemplo, elemento que sofreu redução: H+. AGENTES DA OXIRREDUÇÃO *Agente Oxidante: Espécie que contém o elemento que sofreu REDUÇÃO. No exemplo: HCl * Agente Redutor: Espécie que contém o elemento que sofreu OXIDAÇÃO. No exemplo: Zn ANOTAÇÕES: REAÇÃO AUTO-REDOX (ou de desproporcionamento) É aquela na qual um mesmo elemento sofre oxidação e redução. Exemplo: *Agente Oxidante: Cl2 * Agente Redutor: Cl2 BALANCEAMENTO DE REAÇÕES REDOX Balancear uma equação é igualar o número de átomos e a carga no reagente e no produto. No caso de reações em que há oxidação e redução, é possível seguir alguns passos que facilitam esse procedimento: Método da variação dos elétrons: 1. Determinar o NOX de todos os participantes; 2. Identificar o ramo da oxidação e o da redução; 3. Calcular o número de elétrons envolvido em cada ramo, multiplicando pelo maior índice do elemento que sofre a mudança de NOX () – se possível, simplifique; 4. Inverter os valores de entre as espécies dos ramos de oxidação e redução 4a. do lado em que o índice do elemento for maior 4b. se for igual, do lado em que o elemento aparece mais vezes. 5. Prosseguir por tentativas. Exemplo: KMnO4 5 Cl2 2 Invertendo os valores, temos: ANOTAÇÕES: Acertando os demais por tentativas, teríamos: Observação 1: - Em reações com H2O2, analisar essa substância (oxidando ou reduzindo) de acordo com outra espécie na reação que esteja sofrendo mudança de NOX. Exemplo: KMnO4 5 H2O2 2 Obs.: Note que poderíamos ter tomado a mudança do oxigênio do H2O2 (–1) para o H2O (–2), mas aí, teríamos uma redução e a redução já ocorre no Mn do KMnO4 para MnSO4. Por isso, tomamos a mudança do O – 1 do H2O2 para o O 0 do O2, onde temos uma oxidação. Invertendo os valores, temos: Acertando os demais por tentativas, teríamos: Observação 2: - Nas reações iônicas, há casos em que fica impossível prosseguir por tentativas. Será necessário o uso de artifício matemático para determinar outro coeficiente base para dar continuidade às tentativas. ANOTAÇÕES: Exemplo Cr(OH)3 1 IO3– 2 Invertendo os valores, temos: Acertando os demais por tentativas, teríamos: Porém agora, não é possível determinar os coeficientes do OH– e da H2O por tentativas. Utilizamos então um artifício: chamamos de x o coeficiente do OH– e fazemos a soma das cargas no reagente e no produto: Assim, o coeficiente da água pode ser determinado por tentativas: ANOTAÇÕES: Método das semi-reações: Este é um método alternativo ao que normalmente se ensina no ensino médio (é o preferido do Prof. Marx). Procedimento Etapa 1: Fazer esboço da reação de oxidação e outro da redução. Etapa 2: Balancear cada semi-reação: a) Todos os átomos, exceto H e O, começando por aquele que sofre a mudança de Nox; b) Balancear O com H2O do lado deficiente; c) Balancear o H: c1) Solução ácida: Adiciona H+ do lado deficiente em H. c2) Solução básica: Adicionar H2O em quantidade igual ao número de H necessários do lado deficiente e 1 OH– do lado oposto para cada H2O adicionada. d) Adicionar e– do lado deficiente de carga negativa; à esquerda na redução e à direita na oxidação. Etapa 3: Multiplicar uma semi-reações pelo número de elétrons da outra. Etapa 4: Somar as semi-reações “cortando” tudo que aparecer repetidamente nos reagentes e produtos. Clique no ícone e assista às videoaulas BÔNUS no módulo 15. [AULA BÔNUS] Balanceamento - Método das semi- reações (meio ácido) Balanceamento - Método das semi- reações (meio básico)ANOTAÇÕE: https://cursodequimicaprofmarx.club.hotmart.com/lesson/Pb4Klq3leX/aula-bonus-balanceamento-metodo-das-semi-reacoes-(meio-acido) https://cursodequimicaprofmarx.club.hotmart.com/lesson/ZNOwWYzbOm/aula-bonus-balanceamento-metodo-das-semi-reacoes-(meio-basico) POTENCIAL ELETROQUÍMICO Potencial de redução mede a tendência de uma espécie química sofrer redução. O eletrodo padrão de hidrogênio (EPH) - 2H+(aq., 1M)/H2 (1 atm) – é utilizado como referencial das medidas de potencial de redução e a ele foi atribuído potencial padrão de redução igual a zero Volt (Eo = 0,00 V). Semi-reação E0 (V) Ag+ + e- Ag +0.80 Cu2+ + 2e- Cu +0.34 2H+ + 2e- H2 (g) 0.00 Fe2+ + 2e- Fe – 0.44 Zn2+ + 2e- Zn – 0.76 Al3+ + 3e- Al – 1.66 Mg2+ + 2e- Mg – 2.37 Assim, quanto maior o potencial de redução mais facilmente a espécie sofre redução, oxidando outra espécie. Dessa forma, quanto maior o potencial de redução, melhor agente oxidante é a espécie. ESPONTANEIDADE DE UMA REAÇÃO Uma reação de oxirredução é espontânea quando segue a tendência natural dos potenciais eletroquímicos: a espécie de maior potencial de redução sofre redução e a outra, oxidação. “QUEM TIVER O MAIOR POTENCIAL DE REDUÇÃO VAI SOFRER REDUÇÃO.” Reações espontâneas apresentam E > 0. Exemplo 1: Qual a reação espontânea que ocorre entre magnésio e zinco? Observando os potencias de redução da tabela, vemos que o maior valor é o do zinco (– 0,76V). Assim, o Zinco deve sofrer redução e o magnésio, oxidação. Redução Zn+2 + 2e- → Zn Oxidação Mg → Mg+2 + 2e- Reação espontânea Zn+2 + Mg → Zn + Mg+2 ANOTAÇÕES: http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrog%C3%AAnio Exemplo 2: A reação representada por Cu + Fe+2 → Cu2+ + Fe é espontânea? Com base na tabela de potenciais, nota-se que o cobre possui maior potencila de redução. Portanto, deve sofrer a redução numa reação espontânea. Como se pode observar na equação, o cobre tem seu NOX elevado de 0 para 2+. Isso representa uma oxidação, que vai contra o que acabamos de prever pra ele. Assim, concluímos que a reação não é espontânea. Outra forma de se analisar é calcular a variação de potencial da reação proposta. Note que, pela proposta, o cobre sofre oxidação. Assim, invertemos a reação oferecida na tabela e o sinal do seu potencial: Cu → Cu + 2e– – 0,80 V Pela proposta da reação, o ferro sofre redução. Invertemos, também, a equação do ferro dada na tabela e o sinal do seu potencial: Fe+2 + 2e–→ Fe + 0,44 V Somando as duas reações: E0 Cu → Cu + 2e– – 0,80 V Fe+2 + 2e–→ Fe + 0,44 V Cu + Fe+2 → Cu+2 + Fe – 0,36 V O sinal negativo do potencial resultante indica que a reação não é espontânea. ELETRODO DE SACRIFÍCIO Em geral, é um metal utilizado para sofrer oxidação protegendo outra espécie (ou estrutura). O metal de sacrifício sofre a corrosão (oxidação) para garantir que a outra espécie continue na sua forma reduzida. Isso é muito comum em cascos de navios, torres de metal, trilhos de trem, comportas de usinas hidrelétricas. Para que uma espécie possa servir como eletrodo de sacrifíco, ela precisa ter um potencial de redução menor que o da espécie a ser protegida. E0metal < E0protegido ANOTAÇÕES: Exemplo: UFG GO A corrosão é um processo de óxido-redução que ocorre em metais. Este problema é frequentemente observado em canalizações de água e lataria de automóveis. Em automóveis, por exemplo, a lataria (constituída de ferro) é oxidada facilmente quando exposta à maresia. A corrosão pode ser evitada pelo uso de revestimentos de proteção, como tintas, graxas ou alguns metais de sacrifício, tornando a lataria mais resistente ao processo oxidativo. A tabela a seguir apresenta as semirreações e o potencial padrão (Eo) para cinco metais. Semi-reações E o (V) Mg2+ + 2 e– → Mg – 2,36 Zn2+ + 2 e– → Zn – 0,76 Fe2+ + 2 e– → Fe – 0,44 Sn2+ + 2 e– → Sn – 0,14 Pb2+ + 2 e– → Pb – 0,13 De acordo com os dados apresentados, conclui-se que os metais mais indicados para proteger o ferro e, consequentemente, retardar sua corrosão são: a) Mg e Pb c) Zn e Pb e) Sn e Pb b) Mg e Zn d) Sn e Mg Para proteger o ferro é necessário ter E0RED menor que o do ferro. Podem ser, então, o Zn e o Mg. Resposta: B PILHAS Pilha, célula galvânica, pilha galvânica ou ainda pilha voltaica é um dispositivo eletroquímico que converte a energia química de reações de óxido-redução espontâneas em energia elétrica. Nesse dispositivo, têm-se dois eletrodos que são constituídos de metais diferentes, que fornecem a superfície na qual ocorrem as reações de oxidação e redução, em dois compartimentos e imersos em um meio contendo íons em concentrações conhecidas. Os compartimentos são unidos por uma placa ou membrana porosa, ou ainda por uma ponte salina. Finalmente, os dois eletrodos são conectados por um circuito elétrico, localizado fora da célula, denominado circuito externo, garantindo o fluxo de elétrons do ânodo para o cátodo. ANOTAÇÕES: http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Circuito_externo&action=edit&redlink=1 PILHA DE DANIELL Potenciais de redução: Zn+2 + 2e- Zn Eo = – 0,76 V Cu+2 + 2e- Cu Eo = + 0,34 V Eletrodos: São definidos através da espontaneidade das reações de oxido-redução: Regra do CRAO (Cátodo = Redução; Ânodo = Oxidação) • Cátodo: compartimento no qual ocorre a redução. É o pólo positivo da pilha. Sofre deposição (aumento) de massa. Cu+2 + 2e- → Cu • Ânodo: compartimento no qual ocorre a oxidação. É o pólo negativo da pilha. Sofre desgaste (diminuição) de massa. Zn → Zn+2 + 2e- Reação global da pilha: É a soma das semi-reações de oxidação e redução, com igual número de elétrons cedidos e recebidos. Redução Cu+2 + 2e- → Cu Oxidação Zn → Zn+2 + 2e- Reação global Cu+2 + Zn → Cu + Zn+2 Sentido dos elétrons: Os elétrons movem-se do ânodo (-) para o cátodo (+). Na pilha de Daniell, do zinco para o cobre. Tensão elétrica ou d.d.p. (E): Na pilha pode ser calculada por: E = EMAIOR – Emenor sendo que os dois potenciais devem ser de mesma natureza (ambos de redução ou ambos de oxidação). Na pilha de Daniell: E = 0,34 – (– 0,76) E = + 1,10 V Ponte salina: Trata-se de um tubo de vidro na forma de um "U" que contém uma solução de um sal, geralmente KCl, que tem a função de permitir o intercâmbio de íons entre as semi-células, mantendo a neutralidade de cargas nos dois compartimentos da pilha. ANOTAÇÕE: http://pt.wikipedia.org/wiki/Vidro http://pt.wikipedia.org/wiki/Sal http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Don ELETRÓLISE A eletrólise é um processo eletroquímico que utiliza corrente elétrica para a decomposição de substâncias. O processo da eletrólise é uma reação de oxirredução oposta àquela que ocorre numa célula galvânica (pilha), sendo, portanto, um fenômeno físico-químico não espontâneo. A palavra eletrólise é originária dos radicais eletro (eletricidade) e lisis (decomposição), ou seja, decomposição por eletricidade. Na eletrólise, o sinal do cátodo e do ânodo invertem- se, em relação à pilha. Porém, as reações são as mesmas: no cátodo ocorre redução e no ânodo, oxidação (CRAO). Há dois tipos de eletrólise: ígnea e aquosa. ELETRÓLISE IGNEA: não tem água no processo. A substância a ser eletrolisada deve ser fundida (aquecida até a fusão). Exemplo: Eletrólise ígnea do NaCl NaCl(s) → Na+(l) + Cl–(l) Cátodo(–): 2 Na+(l) + 2e– → 2 Na(l) Ânodo(+): 2 Cl (aq) → Cl2(g) + 2e– Global: 2 Na+(l) + 2 Cl–(aq) → 2 Na(l) + Cl2(g) ELETRÓLISE AQUOSA: a substância a ser eletrolisada está dissolvida em água. Neste caso, é necessário observar uma ordem de descarga dos íons (quem reage preferencialmente): Cátions: 1A, 2A e Al+3 < H+ (H2O) < demais cátions Ânions: oxigenados, F– < OH– (H2O) < não oxigenados ANOTAÇÕES: http://pt.wikipedia.org/wiki/Oxida%C3%A7%C3%A3o_e_redu%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_galv%C3%A2nica REAÇÕES DA ÁGUA: Oxidação: 2 H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e– Redução: 2 H2O(l) + 2e– → H2(g) + 2OH–(aq) Exemplo: Eletrólise aquosa do NaCl NaCl(s) → Na+(aq) + Cl–(aq) H2O(l) → H+(aq) + OH–(aq) A preferência de descarga do cátion é do H+ (na realidade ocorrerá a redução da água): será a reação do cátodo. A preferência de descarga do ânion é do Cl–: será a reação do ânodo. Cátodo(–): 2H2O(l) + 2e– → H2(g) + 2OH–(aq) Ânodo(+): 2Cl–(aq) → Cl2(g) + 2e– Global: 2H2O(l) + 2Cl–(aq) → H2(g) + Cl2(g) + 2OH–(aq) O Na+ é um íon expectador, uma vez que não se envolve no processo de reação. Nessa caso, juntamente com o OH– formado, ele irá originar um subproduto: NaOH. ASPECTOS QUANTITATIVOS DA ELETRÓLISE LEI DE FARADAY A quantidade de substância produzida numa eletrólise é proporcional à quantidade de carga que passa pelo sistema e à massa molar da substância. Para cada 1 mol de elétrons envolvido numa oxidação ou redução, ocorre a transferência de 1 Faraday (ou 96500 Coulombs). Portanto, a quantidade de carga que passa por um sistema depende da quantidade de elétrons que envolvidos. Tal quantidade de carga pode ser determinada através da corrente e do tempo de eletrólise. Q = i . t Q: quantidade de carga (em Coulombs – C) i: intensidade da corrente elétrica (em Ampere – A) t: tempo (em segundos) 1 mol e– → 1 Faraday → 96500 C ANOTAÇÕES: EXEMPLO: UFRS Sabendo que um Faraday é igual a 96500 C, o tempo, em segundos, necessário para eletrodepositar 6,35 g de Cu2+ utilizando uma corrente de 2 amperes é de: Dado: Cu = 63,5 u. a) 6,3 b) 12,6 c) 4825 d) 9650 e) 19300 Como cda mol de elétrons equivale a 96500C, temos Como MCu = 63,5 g/mol, podemos substituir: O exercício fala em 6,35g de Cu produzidas. Então: ANOTAÇÕES: Finalizando: Como Q = i . t ELETRÓLISE EM SÉRIE A quantidade de carga (Q) em todas as cubas é a mesma. Conhecendo a quantidade de carga que passa por uma das cubas, sabe-se em todas: o valor é o mesmo. Os problemas te darão consdições de determinar essa quantidade de carga e aí, basta aplicar para as demais cubas de acordo com o que a questão pede. ANOTAÇÕES: REFINO ELETROLÍTICO Técnica utilizada para aumentar o grau de pureza de um metal numa amostra (a eficiência pode chegar a 99.9% de pureza). A única reação que ocorre é a oxidação e a redução do metal que se está purificando. Objetivo: - Purificação de metais É muito utilizada para a purificação de cobre para a produção de fios elétricos. Montagem: Cátodo (–): Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s) Ânodo (+): Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e– Global: Não existe O cobre no eletrodo do metal impuro sobre oxidação e, na sequência, sobre redução no eletrodo de cobre puro. A purificação é necessária para diminuir a resistência do fio à passagem de corrente elétrica, o que leva a perdas de energia!!! ANOTAÇÕES: GALVANOPLASTIA Processo eletrolítico para recobrimento metálico de objetos (douração, niquelagem, cromação, etc.) Objetivos: - Proteção contra corrosão - Melhoria na condutividade elétrica - Estética DOURAÇÃO CROMAÇÃO Cuidados: Cátodo: Deve ser a peça que se quer recobrir. Ânodo: Feito do metal que irá recobrir a peça. Solução: Deve conter o íon do metal que irá recobrir a peça. Exemplo: Douração para a produção de semijoias e bijouterias: Cátodo (–): Au3+(aq) + 3e– → Au(s) Ânodo (+): Au(s) → Au3+(aq) + 3e– Global: Não existe Note que, assim como no refino eletrolítico, a única reação que ocorre é a oxidação e redução do metal em questão. Nesse caso, o ouro. ANOTAÇÕES: TERMOQUÍMICA Parte da química que estuda o calor envolvido nos processos físicos e químicos. Nessa parte, o calor é chamado Entalpia (H). A entalpia tem como unidades caloria (cal) ou Joule (J). A relação entre tais unidades é a seguinte: 1 cal = 4,18 J De acordo com a entalpia (calor), há dois tipos de processos: a. Endotérmico: absorve calor b. Exotérmico: libera calor ENTALPIA E ESTADO DE AGREGAÇÃO: ENTALPIA NAS REAÇÕES QUÍMICAS: a. Reação endotérmica: ➢ é aquela que absorve calor ➢ resfria a vizinhança ➢ HP > HR Reagente → PRODUTO GRAFICAMENTE VARIAÇÃO DE ENTALPIA (H): H = HP – HR Como HP > HR, temos que o H é maior que zero (positivo). ANOTAÇÕES: b. Reação exotérmica: ➢ é aquela que libera calor ➢ aquece a vizinhança ➢ HP < HR REAGENTE → Produto GRAFICAMENTE VARIAÇÃO DE ENTALPIA (H): H = HP – HR Como HP < HR, temos que o H é menor que zero (negativo). ENTALPIA E ESTADO PADRÃO Estado Padrão: é a forma mais estável de uma substância a 25 ºC e 1 atm. Exemplo: H2(g), H2O(l), Fe(s), CO2(g), O2(g), O3(g). Para as substâncias simples no estado padrão, atribui- se entalpia igual a zero (H = 0). Nos exemplos: H2(g), Fe(s) e O2(g) teriam H = 0. O O3(g) não é a forma alotrópica mais estável do elemento oxigênio, por isso não tem entalpia igual a zero. CALORES DE REAÇÃO: a. Calor de formação: é o calor envolvido na síntese de 1 mol de substância, a partir de seus elementos no estado padrão. Exemplo: 2C(grafite) + 3 H2(g) + ½ O2(g) → C2H5OH(l) H = – 278 kJ/mol Como todos os reagentes têm entalpia igual a zero, a entalpia da reação é o calor necessário para formar 1 mol do produto. Logo, a entalpia padrão de formação (Hof ) do etanol é – 278 kJ/mol. ANOTAÇÕES: b. Calor de combustão: é o calor liberado na queima de 1 mol de substância, no estado padrão. Exemplo: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) H = – 890 kJ/mol CÁLCULO DO H a. Através dos calores de formação: H = HP – HR Exemplo: Determine a entalpia de combustão do etanol, em kJ/mol, sendo dados: C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) H = ? Entalpia de formação de C2H5OH(l) H = – 278 kJ/mol Entalpia de formação de CO2(g) H = – 394 kJ/mol Entalpia de formação de H2O(l) H = – 286 kJ/mol H = HP – HR H = [2.(HCO2) + 3.(HH2O)] – [HC2H5OH + 3.(HO2)] H = [2.( – 394) + 3.( – 286)] – [– 278 + 3.0] H = [( – 788) + ( – 858)] – [– 278] H = [– 788 – 858] + 278 H = – 1646 + 278 H = – 1368 kJ/mol b. Através da Lei de Hess: Lei de Hess: O calor envolvido numa reação depende apenas dos reagentes iniciais e dos produtos finais, sendo independente de intermediários da reação. Dessa forma, podemos calcular o H de uma reação pela soma de reações adequadas. Teremos uma equação problema (aquela cujo H se deseja calcular) e reações auxiliares. Utilizando a Lei de Hess: ➢ Trabalhar matematicamente (multiplicando, dividindo, invertendo) as equações auxiliares, de forma que a soma delas, forneça a equação problema. Exemplo: Determine a variação de entalpia da reação equacionada: C2H4(g) + 6 F2(g) → 2 CF4(g) + 4 HF(g) H = ? Dados: I - H2(g) + F2(g) → 2 HF(g) H = – 546 kJ/mol II - C(graf.) + 2F2(g) → CF4(g) H = – 680 kJ/mol III - 2C(graf.) + 2H2(g) → C2H4(g) H = – 52 kJ/mol Inverte a III: C2H4(g)→ 2C(graf.) + 2H2(g) H = + 52 kJ/mol ANOTAÇÕES: Multiplica por 2 a II: 2 C(graf.) + 4F2(g) → 2 CF4(g) H = – 1360 kJ/mol Multiplica por 2 a I: 2 H2(g) + 2 F2(g) → 4 HF(g) H = – 1092 kJ/mol Somando as equações: C2H4(g)→ 2C(graf.) + 2H2(g) H = + 52 kJ/mol 2 C(graf.) + 4F2(g) → 2 CF4(g) H = – 1360 kJ/mol 2 H2(g) + 2 F2(g) → 4 HF(g) H = – 1092 kJ/mol C2H4(g) + 6 F2(g) → 2 CF4(g) + 4 HF(g) H = – 2400 kJ/mol b. Através das energias de ligação: Energia de ligação: energia necessária para romper 1 mol de ligações entre dois átomos. H – H(g) → 2 H(g) H = 436 kJ/mol Utilizando as energias de ligação: Ligações rompidas reagentes sinal + Ligações formadas produtos sinal – H = das energias de ligação Exemplo: Determine a variação de entalpia da reação equacionada a seguir: C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g) H = ? Dados: Ligação Energia de ligação (kJ/mol) C = C 612 C – C 348 C – H 412 H – H 436 Procedimento: H = das energias de ligação H = [4 . (+ 412)] + 612 + 436 + (– 348) + 6 . (– 412) H = 1648 + 612 + 436 – 348 – 2472 H = 2696 – 2820 H = – 124 kJ/mol ANOTAÇÕES: Entropia e Energia livre de Gibbs Esse assunto só aparece em alguns vestibulares muito específicos como ITA, IME e algumas federais! Entropia (S): Grandeza termodinâmica que mede o estado de desordem de um sistema. S(s) < S(l) < S(g) Nos produtos há maior ordem (organização), pois existe apenas uma molécula de gás (estado de maior desordem) e duas líquidas, enquanto no reagente havia 3 moléculas de gás. VARIAÇÃO DE ENTROPIA (S) S = Sf – Si Energia Livre de Gibbs (G): Grandeza termodinâmica que mede a espontaneidade de uma transformação. G = H – T . S G < 0: Transformação espontânea. G > 0: Transformação não espontânea. G = 0: Sistema em equilíbrio. H S G Espontânea < 0 > 0 < 0 Sim > 0 < 0 > 0 Não < 0 < 0 ? Depende de T > 0 > 0 ? Depende de T ANOTAÇÕES: CINÉTICA QUÍMICA Parte da química que estuda a velocidade das reações químicas. VELOCIDADE MÉDIA DE REAÇÃO (Vm): Pode ser medida como sendo a variação na quantidade de qualquer reagente ou produto em função do tempo: 𝑉𝑚 = |𝑋| 𝑡 X está em módulo para evitar variação negativa, quando tratamos de reagentes que terão suas quantidades diminuídas com o tempo. Exemplo: N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) A velocidade média de cada reagente ou produto pode ser calculada por: 𝑉𝑁2 = |∆𝑁2| 𝑡 ou 𝑉𝐻2 = |∆𝐻2| 𝑡 ou 𝑉𝑁𝐻3 = |∆𝑁𝐻3| 𝑡 Tal relação é valida para o mesmo intervalo de tempo, uma vez que a velocidade de uma reação não é constante. A velocidade da reação pode ser dada em função da velocidade de qualquer reagente ou produto, dividida pelo respectivo coeficiente estequiométrico: 𝑉𝑚 = 𝑉𝑁2 1 = 𝑉𝐻2 3 = 𝑉𝑁𝐻3 2 Comportamento Gráfico: Reagente: Concentração diminui com o tempo Produto: Concentração aumenta com o tempo ANOTAÇÕES: LEI DA AÇÃO DAS MASSAS (Equação de Guldberg-Waage) “A velocidade de uma reação química é proporcional ao produto das concentrações molares dos reagentes, elevadas a expoentes.” V = k . [Reagente A]x . [Reagente B]y k: Constante de proporcionalidade (varia com a temperatura) x e y: chamados de ordem de reação, podem ser determinados. DETERMINANDO x E y Para Reação Elementar: aquela que ocorre em uma única etapa. x e y serão os coeficientes estequiométricos da equação balanceada da reação. Exemplo genérico: 2A + B → C + 2D Considerando esta reação elementar, a lei da velocidade seria: V = k . [A]2 . [B]1 Ordem em relação a A: 2ª ordem ou ordem 2; Ordem em relação a B: 1ª ordem ou ordem 1; Ordem da reação: 3ª ordem ou ordem 3 (2 + 1) Para Reação Não-Elementar: aquela que ocorre em mais de uma etapa. x e y serão os coeficientes estequiométricos da equação balanceada da etapa lenta. Exemplo genérico: 3A + 2B → C (etapa rápida) C + 2D → 4E (etapa lenta) Considerando apenas a etapa lenta, a lei da velocidade seria: V = k . [C]1 . [D]2 Ordem em relação a C: 1ª ordem ou ordem 1; Ordem em relação a B: 2ª ordem ou ordem 2; Ordem da reação: 3ª ordem ou ordem 3 (1 + 2) ANOTAÇÕES: Determinação experimental: através de dados colhidos em laboratório é possível determinar a expressão da lei da velocidade. Para tanto, são fornecidos dados de concentrações e velocidades de reação, como no quadro a seguir: Experimento [A] (mol.L– 1) [B] (mol.L– 1) Velocidade (mol.L–1.min– 1) I 2,0 3,0 0,5 II 4,0 6,0 2,0 III 4,0 3,0 2,0 Considere a reação equacionada por: 2A + B → C + 2 D Através dos dados, devemos determinar a expressão da velocidade da reação. V = k . [A]x . [B]y x: devemos analisador dois experimentos nos quais a concentração de A esteja variando e a de B não (de I III) Note que quando a [A] foi dobrada, a velocidade aumentou 4 vezes. Assim temos que: 2X = 4 2x = 22 x = 2 O expoente x de A é 2 (ordem 2). y: devemos analisador dois experimentos nos quais a concentração de B esteja variando e a de A não (de III II) Note que quando a [B] foi dobrada, a velocidade não sofreu alteração. Assim temos que: 2y = 1 2y = 20 y = 0 O expoente x de B é 0 (ordem 0). Isto significa que B não influencia na velocidade da reação, logo não aparece na expressão da velocidade: V = k . [A]2 . [B]0 V = k . [A]2 ANOTAÇÕES: TEORIA DAS COLISÕES Explica a reação química como sendo o resultado do choque entre as moléculas reagentes. Somente choques efetivos dão origem ao produto. Para que um choque seja efetivo é necessário que haja: ➢ Orientação espacial favorável ➢ Energia suficiente para a formação do complexo ativado. Complexo ativado: é um intermediário de alta energia entre os reagentes e os produtos. É altamente instável e necessita de uma energia mínima para sua formação. Energia de ativação (Ea): é a energia mínima que deve ser fornecida ao sistema para que os reagentes formem o complexo ativado. Quanto maior a energia de ativação, menor é a velocidade da reação. Graficamente: Conhecendo o mecanismo de uma reação, é possível modificar a velocidade de uma reação, de acordo com nossas necessidades, alterando alguns fatores. FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO QUÍMICA Temperatura: Quanto mais agitadas as moléculas, mais choques irão ocorrer, aumentando estatisticamente as chances de que os choques sejam efetivos, aumentando a velocidade da reação. Temperatura nº de choques velocidade ANOTAÇÕES: Concentração: Quanto maior o número de moléculas num mesmo espaço, mais choques irão ocorrer, aumentando estatisticamente as chances de que os choques sejam efetivos, aumentando a velocidade da reação. Concentração nº de choques velocidade Obs1.: O aumento de concentração de reagentes gasosos pode dar-se por redução de volume. Obs2: Não é possível aumentar a “concentração” de um sólido. Superfície de contato: Quanto mais expostos um ao outro estiverem os reagentes; quanto mais contato eles tiverem entre si, mais choques irão ocorrer, aumentando estatisticamente as chances de que os choques sejam efetivos, aumentando a velocidade da reação. Sup. de contato nº de choques velocidade Catalisador: O catalisador é uma substância química que age diminuindo a Energia de ativação da reação. Na presença do catalisador a reação ocorre através de um mecanismo que apresenta um complexo ativado de menor energia, facilitando assim sua formação e aumentando a velocidade da reação. Catalisador: ➢ Diminui a energia de ativação ➢ Participa da reação ➢ Não é consumido ➢ É regenerado Obs.: Enzimas são catalisadores biológicos. Graficamente: ANOTAÇÕES: EQUILÍBRIO QUÍMICO Situação atingida somente por reações reversíveis (aquelas que ocorrem em sentido direto e inverso) quando a velocidade da reação direta iguala-se à velocidade da reação inversa. V1: velocidade da reação direta V2: velocidade da reação inversa CARACTERÍSTICAS DO EQUILÍBRIO: Para uma reação em equilíbrio químico: ➢ V1 = V2 ➢ As concentrações molares de reagentes e produtos serão constantes. OBS: o equilíbrio é dinâmico. Uma vez atingida tal situação a reação continua ocorrendo, porém com V1 = V2. GRAFICAMENTE: Velocidade em função do tempo: O equilíbrio é atingido quando as curvas de velocidade da reação direta (V1)e inversa (V2) se tocam. Concentração em função do tempo: O equilíbrio é atingido a partir do instante em que as concentrações de reagentes e produtos forem constantes. ANOTAÇÕES: CONSTANTE DE EQUILÍBRIO: Fornece informação sobre o comportamento da reação, indicando se o equilíbrio é atingido com grande ou pequena formação de produto. Pode ser fornecida em função das concentrações molares e das pressões parciais (para gases) dos participantes da reação. Em função das concentrações molares (Kc): Considere a reação genérica: Podemos escrever as expressões da velocidade para as reações direta e inversa: Reação direta: V1=K1 . [A]a . [B]b Reação inversa: V2=K2.[C]c . [D]d Como no equilíbrio V1 = V2,temos: K1 . [A]a . [B]b = K2 . [C]c . [D]d Reordenando: 𝐾1 𝐾2 = [𝐶]𝑐 . [𝐷]𝑑 [𝐴]𝑎 . [𝐵]𝑏 𝐾𝑐 = [𝐶]𝑐 . [𝐷]𝑑 [𝐴]𝑎 . [𝐵]𝑏 A constante de equilíbrio (Kc) é a relação entre as concentrações dos produtos e a dos reagentes. Obs1: quanto maior o valor de Kc , mais deslocada no sentido dos produtos estará o equilíbrio (a concentração dos produtos será maior que a dos reagentes). Obs2: substância no estado sólido não aparece na constante de equilíbrio. Obs3: a constante de equilíbrio tem seu valor alterado com a temperatura. ANOTAÇÕES: Em função das pressões parciais (Kp): A constante de equilíbrio pode ser obtida também em termos das pressões parciais, utilizando a equação de estado dos gases ideais (P.V = n .R.T) e o Kc. A partir de P.V = n.R.T, podemos deduzir que 𝑃 𝑅. 𝑇 = 𝑛 𝑉 como 𝑛 𝑉 = 𝑚, e utilizando [ ] como símbolo de molaridade, temos: 𝑃 𝑅. 𝑇 = [ ] ➢ para uma substância qualquer: 𝑝𝑋 𝑅. 𝑇 = [𝑋] Substituindo [ ] no Kc , temos: 𝐾𝐶 = ( 𝑝𝐶 𝑅𝑇 ) 𝑐 . ( 𝑝𝐷 𝑅𝑇 ) 𝑑 ( 𝑝𝐴 𝑅𝑇) 𝑎 . ( 𝑝𝐵 𝑅𝑇) 𝑏 𝐾𝑝 = (𝑝𝐶) 𝑐 . (𝑝𝐷) 𝑑 (𝑝𝐴) 𝑎 . (𝑝𝐵) 𝑏 Obs: somente substância gasosa aparece na expressão de Kp. PRINCÍPIO DE LE CHATELIER (DESLOCAMENTO DO EQUILÍBRIO) Após atingida a situação de equilíbrio químico ela irá se manter até que uma perturbação externa modifique tal condição. É o que diz o Principio de Le Chatelier: “Quando uma perturbação externa é imposta sobre um sistema em equilíbrio químico, este responde de forma a minimizar a perturbação imposta”. FATORES QUE PODEM DESLOCAR O EQUILÍBRIO Concentração: Ação Desloca para o Adição (aumento) Sentido oposto à adição Retirada (diminuição) Mesmo sentido da retirada Obs.: adição ou retirada de sólido não desloca o equilíbrio. ANOTAÇÕES: Temperatura: Ação Desloca para o Aumento Sentido endotérmico Diminuição Sentido exotérmico Obs.: o H sempre se refere ao sentido direto da reação. Pressão: Ação Desloca para o sentido com Aumento Menor nº de moléculas gasosas Redução Maior nº de moléculas gasosas Obs.: considerar apenas as moléculas de gás. ATENÇÃO: Catalisador não desloca o equilíbrio químico. ✓ Deslocar para significa que a reação está ocorrendo mais rapidamente naquele sentido. Desta forma, haverá maior formação das espécies que estão no sentido do deslocamento. Exemplo: Para a reação equacionada por: N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) H = – 22 kcal, descreva o efeito sobre o equilíbrio se houver: Desloca para a Retirada de N2(g) Aumento da pressão Aumento da temperatura Adição de H2(g) Adição de catalisador Respostas: ANOTAÇÕES: EQUILÍBRIO IÔNICO Equilíbrio entre uma substância e seus íons em solução AB(aq) A+(aq) + B–(aq) É muito utilizado no estudo de ácido e bases fracas. Para ácidos fracos: Considere o ácido genérico HA: HA(aq) H+(aq) + A–(aq). Como a força de um ácido refere-se a quanto de H+ ele forma em solução (do seu grau de ionização ), quanto mais forte o ácido, mais deslocado para a direita estará o equilíbrio. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO IÔNICO (Ki): Para ácidos fracos (Ka): 𝐾𝑎 = [𝐻+]. [𝐴−] [𝐻𝐴] Obs.: Quanto maior o Ka, mais forte o ácido, pois maior será sua [H+] e menor será sua [HA], indicando um equilíbrio deslocado para a direita. GRAU DE IONIZAÇÃO (): É outra forma de se determinar a força de um ácido: = 𝑛º 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑛º 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎𝑠 Quanto maior o valor de , maior o número de moléculas ionizadas, indicando ácido mais forte. < 5%: 5% < 50%: 50%: ácido fraco ácido moderado ácido forte LEI DA DILUIÇÃO DE OSTWALD: Demostra o efeito da diluição de uma solução sobre o grau de ionização (𝛼) de um ácido ou base fracos. ➢ Para ácidos fortes e moderados( 5%) 𝐾𝑎 = 𝛼2. 𝑚 1 − 𝛼 ANOTAÇÕES: ➢ Para ácidos fracos (𝛼 < 5%) 𝐾𝑎 = 𝛼 2. 𝑚 Como Ka é constante (a dada temperatura), concluímos que a diluição (queda na concentração da solução) leva a aumento do grau de ionização (). OBS.: Todas estas deduções são válidas também para bases fracas. EQUILÍBRIO IÔNICO DA ÁGUA A água apresenta um equilíbrio de auto-ionização: H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH–(aq) Simplificadamente: H2O(l) H+(aq) + OH–(aq) Tal equilíbrio, endotérmico no sentido direto, está muito deslocado para a esquerda. Logo, as concentrações de H+ o OH– na solução é muito baixo. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA ÁGUA (Kw): 𝐾𝑐 = [𝐻+]. [𝑂𝐻−] [𝐻2𝑂] A [H2O] é muito elevada e, portanto, constante. Assim, escrevemos: Kc . [H2O] = [H+] . [OH–] O termo Kc . [H2O] é constante e chamado de Kw: Kw = [H+] . [OH–] Kw pode ser obtido em laboratório e depende da temperatura. A 25 ºC, Kw = 1,0 x 10–14 mol2/L2. Assim, podemos deduzir o caráter de uma solução (ácida, básica ou neutra) de acordo com sua [H+] ou de [OH–]. ➢ Solução neutra: [H+] = [OH–] Kw = [H+] . [OH–] Kw = [H+] . [H+] 1,0 x 10–14 = [H+]2 [H+] = √1,0𝑥10−14 [H+] = 1,0 x 10-7 mol/L [OH–] = 1,0 x 10-7 mol/L ➢ Solução ácida: [H+] > [OH–] [H+] > 1,0 x 10-7 mol/L [OH–] < 1,0 x 10-7 mol/L ➢ Solução básica: [OH–] > [H+] [OH–] > 1,0 x 10-7 mol/L [H+] < 1,0 x 10-7 mol/L ANOTAÇÕES: FACILITANDO: CÁLCULO DO pH Criada para facilitar a análise do caráter de uma solução. Lembrete: ➢ pH = – log [H+] log a . b = log a + log b log a/b = log a – log b ➢ pOH = – log [OH– ] log ab = b . log a log a = b 10b = a ESCALA DE pH Quanto mais baixo o pH, mais ácido o meio. Quanto mais alto o pH, mais básico o meio. INDICADORES São substâncias químicas que apresentam coloração diferente de acordo com o meio (ácido, básico ou neutro) Dentre os mais utilizados estão a fenolftaleína e o tornassol. Fenolftaleína Tornassol Ácido Incolor ácido Vermelho Básico Vermelho básico Azul HIDRÓLISE SALINA Reação de um sal (ou parte dele) com a água, podendo modificar o caráter do meio (ácido, básico ou neutro). É necessário analisar a força do ácido e da base que originaram o sal. RELEMBRANDO: Na hidrólise forma-se o fraco e o forte determina o meio. ANOTAÇÕES: Caso 1: Sal de base fraca e ácido forte (hidrólise do cátion) NH4Cl(aq) → NH4+(aq) + Cl–(aq) H2O H+(aq) + OH–(aq) Unindo o positivo de uma equação com o negativo da outra, temos as possibilidades de formação: NH4OH base fraca HCl ácido forte Assim, ocorre hidrólise daquele que formará o fraco: NH4+. NH4+(aq) + H2O(l) → NH4OH(aq) + H+(aq) O H+ livre torna o meio ácido. Caso 2: Sal de base forte e ácido fraco (hidrólise do ânion) KCN(aq) → K+(aq) + CN–(aq) H2O H+(aq) + OH–(aq) Unindo o positivo de uma equação com o negativo da outra, temos as possibilidades de formação: KOH base forte HCN ácido fraco Assim, ocorre hidrólise daquele que formará o fraco: CN–. CN–(aq) + H2O(l) → HCN(aq) + OH–(aq) O OH– livre torna o meio básico.Caso 3: Sal de base e ácido fracos (hidrólise do cátion e do ânion) NH4CN(aq) → NH4+(aq) + CN–(aq) H2O H+(aq) + OH–(aq) Unindo o positivo de uma equação com o negativo da outra, temos as possibilidades de formação: NH4OH base fraca HCN ácido fraco Assim, ocorre hidrólise dos dois íons: NH4CN(aq) + H2O(l) → NH4OH(aq) + HCN(aq) Para determinar o meio, será necessário compara os valores Ka e Kb. O maior valor define o caráter do meio. No exemplo anterior: NH4OH Kb = 1,8 x 10–5 HCN Ka = 4,9 x 10–10 Como Kb é maior que o Ka, o meio seria levemente básico. ANOTAÇÕES: ATENÇÃO: Se cátion e ânion vierem de ácido e base fortes, não ocorre hidrólise e o meio será neutro. NaCl(aq) → Na+(aq) + Cl–(aq) H2O H+(aq) + OH–(aq) Unindo o positivo de uma equação com o negativo da outra, temos as possibilidades de formação: NaOH base forte HCl ácido forte Assim, não ocorre hidrólise o meio será neutro. CONSTANTE DE HIDRÓLISE (Kh) Como as demais constantes de equilíbrio, é calculada pela relação entre as concentrações dos produtos e a dos reagentes. Porém, como a concentração de água é constante, ela não entra na expressão de Kh. Exemplo: NH4+(aq) + H2O(l) → NH4OH(aq) + H+(aq) A expressão da constante de hidrólise seria: RELAÇÃO ENTRE A CONSTANTE DE HIDRÓLISE (Kh) E A CONSTANTE DE IONIZAÇÃO DA ÁGUA (KW) PRODUTO DE SOLUBILIDADE Equilíbrio entre uma substância pouco solúvel e seus íons em solução. Exemplo: Ag2S(s) 2Ag+(aq) + S2–(aq) ANOTAÇÕES: CONSTANTE DO PRODUTO DE SOLUBILIDADE (Kps) 𝐾𝑐 = [𝐴𝑔+]2 . [𝑆2−] [𝐴𝑔2𝑆] Como a [Ag2S] é constante (sólido), temos: Kc . [Ag2S] = [Ag+]2 . [S2–] O termo Kc . [Ag2S] é constante e chamado Kps. Kps = [Ag+]2 . [S2–] Assim, concluímos que o Kps será igual ao produto das concentrações dos íons em solução, elevados a seus coeficientes estequiométricos. ➢ Quanto maior o Kps, mais solúvel é a substância. (porém, só podemos comparar a solubilidade de substâncias diretamente pelo Kps se as substâncias tiverem a mesma razão entre seus íons). Exemplo: CaSO4 com PbCO3 CaF2 com PbCl2 ➢ O Kps é especialmente utilizado para o estudo de sais e bases pouco solúveis. ➢ Por meio do Kps é possível determinar a solubilidade de uma substância. Solubilidade (S) não é o Produto de Solubilidade (KPS). Solubilidade é a quantidade de soluto dissolvida em dado volume de solução. Produto de solubilidade (KPS) é uma constante de equilíbrio relacionada com a solubilidade. Podemos determinar a solubilidade de uma substância conhecendo seu Kps. Ou o contrário. Exemplo: O Kps do BaSO4 é 1,0.10–10 a 25 C. Calcule a solubilidade de sulfato de bário em água, em mol/L. BaSO4(s) Ba2+(aq) + SO42–(aq) S S S Kps = [Ba2+] . [SO42–] 1,0.10–10 = S . S S2 = 1,0.10–10 S = 1,0.10–5 mol/L ANOTAÇÕES: Precipitação e Produto de Solubilidade (KPS). É possível fazer a previsão das concentrações dos íons que causam a precipitação de uma substância. Para isso, o produto das concentrações dos íons precisa superar o valor de Kps. Exemplo: Mediu-se a concentração de chumbo (II) nas águas de um lago e encontrou-se o valor de 1,1x10–3 mol/L. Qual deverá ser a mínima concentração de íons iodeto (I–) para que se inicie a precipitação de chumbo II? Dado: Kps do PbI2: 9,9x10–9. PbI2(s) Pb2+(aq) + 2 I–(aq) Kps = [Pb2+] . [I–]2 9,9x10–9 = 1,1x10–3 . [I–]2 (9,9x10–9) / 1,1x10–3 = [I–]2 9,0x10–6 = [I–]2 [I–] = 3,0x10–3 mol/L Conclusão: para que se inicie a precipitação, a concentração mínima de íons iodeto (I–) deve ser de 3,0x10–3 mol/L. Ordem de precipitação Para espécies que apresentem a mesma proporção de íons, podemos comparar diretamente pelo valor de Kps: quanto menor o Kps, menos solúvel é a substância e mais rapidamente ela precipita. Para espécies com diferentes proporções entre os íons, devemos primeiro calcular suas solubilidades e então comparar. A substância de menor solubilidade precipita primeiro. ANOTAÇÕES:
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