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1 QUÍMICA FUNDAMENTAL Tiago Marcel Oliveira FACULDADE ÚNICA DE IPATINGA 2 Tiago Marcel Oliveira Técnico em química industrial pelo CEFET/MG (2002), licenciado em Química pelo Centro Universitário de Caratinga/MG (2005) e Mestre em Engenharia Industrial pelo Centro Universitário Católica do Leste de Minas Gerais (UnilesteMG) (2010). Trabalha no Governo do Estado de Minas Gerais como servidor público efetivo lotado na Secretaria de Educação ministrando a disciplina de química para o ensino médio. Além disso, é Coordenador do curso de Química Licenciatura Plena da Faculdade Única de Ipatinga na modalidade EaD e professor adjunto I-A da mesma instituição. QUÍMICA FUNDAMENTAL 1ª edição Ipatinga – MG 2020 3 FACULDADE ÚNICA EDITORIAL Diretor Geral: Valdir Henrique Valério Diretor Executivo: William José Ferreira Ger. do Núcleo de Educação à Distância: Cristiane Lelis dos Santos Coord. Pedag. da Equipe Multidisciplinar: Gilvânia Barcelos Dias Teixeira Revisão Gramatical e Ortográfica: Izabel Cristina da Costa Revisão/Diagramação/Estruturação: Bárbara Carla Amorim O. Silva Carla Jordânia G. de Souza Rubens Henrique L. de Oliveira Design: Brayan Lazarino Santos Élen Cristina Teixeira Oliveira Maria Luiza Filgueiras © 2020, Faculdade Única. Este livro ou parte dele não podem ser reproduzidos por qualquer meio sem Autorização escrita do Editor. NEaD – Núcleo de Educação as Distancia FACULDADE ÚNICA Rua Salermo, 299 Anexo 03 – Bairro Bethânia – CEP: 35164-779 – Ipatinga/MG Tel (31) 2109 -2300 – 0800 724 2300 www.faculdadeunica.com.br 1 Menu de Ícones Com o intuito de facilitar o seu estudo e uma melhor compreensão do conteúdo aplicado ao longo do livro didático, você irá encontrar ícones ao lado dos textos. Eles são para chamar a sua atenção para determinado trecho do conteúdo, cada um com uma função específica, mostradas a seguir: São sugestões de links para vídeos, documentos científico (artigos, monografias, dissertações e teses), sites ou links das Bibliotecas Virtuais (Minha Biblioteca e Biblioteca Pearson) relacionados com o conteúdo abordado. Trata-se dos conceitos, definições ou afirmações importantes nas quais você deve ter um maior grau de atenção! São exercícios de fixação do conteúdo abordado em cada unidade do livro. São para o esclarecimento do significado de determinados termos/palavras mostradas ao longo do livro. Este espaço é destinado para a reflexão sobre questões citadas em cada unidade, associando-o a suas ações, seja no ambiente profissional ou em seu cotidiano. 2 SUMÁRIO PROPRIEDADES DOS MATERIAIS .................................................. 7 1.1 MATÉRIA .................................................................................................................. 7 1.2 ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA ............................................................................. 8 1.3 PROPRIEDADES EXTENSIVA DO SISTEMA X PROPRIEDADE INTENSIVA DO SISTEMA ............................................................................................................................... 12 1.4 PROPRIEDADES ESPECÍFICAS DA MATÉRIA ......................................................... 13 1.4.1 Densidade ...................................................................................................... 13 1.4.2 Cor ................................................................................................................... 14 1.4.3 Dureza ............................................................................................................. 14 1.4.4 Brilho................................................................................................................. 15 FIXANDO O CONTEÚDO ...................................................................................... 16 MISTURA ................................................................................................... 21 2.1 INTRODUÇÃO AS MISTURAS ................................................................................. 21 2.2 MÉTODOS DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS ........................................................... 22 2.2.1 Decantação .................................................................................................. 22 2.2.2 Filtração .......................................................................................................... 23 2.2.3 Sifonação........................................................................................................ 24 2.2.4 Flotação .......................................................................................................... 25 2.2.5 Separação Magnética ................................................................................ 25 2.2.6 Centrifugação ............................................................................................... 26 2.2.7 Evaporação ................................................................................................... 27 2.2.8 Destilação ....................................................................................................... 28 FIXANDO O CONTEÚDO ...................................................................................... 29 ESTRUTURA DA MATÉRIA ......................................................................... 33 3.1 A IDEIA DE ÁTOMO ............................................................................................... 33 3.2 MODELO DE DALTON ............................................................................................ 33 3.3 MODELO ATÔMICO DE THOMSON ...................................................................... 35 3.4 MODELO RUTHERFORD ......................................................................................... 36 3.5 MODELO DE BOHR ................................................................................................ 38 3.6 O ÁTOMO MODERNO .......................................................................................... 39 3.6.1 Orbital .............................................................................................................. 42 3.6.2 Configuração Eletrônica ............................................................................. 43 3.7 LEI PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS ....................................................... 47 3.7.1 Famílias ou Grupos ........................................................................................ 50 3.7.2 Períodos ........................................................................................................... 51 3.7.3 Classificação dos Elementos....................................................................... 51 3.8 PROPRIEDADES PERIÓDICAS ................................................................................ 53 3.8.1 Raio Atômico ................................................................................................. 53 3.8.2 Energia De Ionização ................................................................................... 54 3.8.3 Afinidade Eletrônica ..................................................................................... 58 3.8.4 Eletronegatividade ....................................................................................... 59 3.8.5 Demais Propriedades Periódicas ............................................................... 61 FIXANDO O CONTEÚDO ...................................................................................... 62 LIGAÇÕES QUÍMICAS .............................................................................66 4.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................ 66 4.2 LIGAÇÃO IÔNICA ................................................................................................ 68 4.2.1 Propriedades Físicas dos Compostos Iônicos ........................................... 71 4.3 LIGAÇÃO COVALENTE ......................................................................................... 72 UNIDADE 01 UNIDADE 02 UNIDADE 03 UNIDADE 04 3 4.3.1 Propriedades dos Compostos Moleculares ou Covalentes .................. 73 4.3.2 Ligação Covalente Coordenativa ............................................................ 74 4.4 LIGAÇÃO METÁLICA ............................................................................................ 74 4.4.1 Propriedades das Substâncias Formadas por Ligação Metálica ........ 75 FIXANDO O CONTEÚDO ............................................................................................... 76 INTERAÇÃO INTERMOLECULARES ........................................................... 79 5.1 FORÇAS DE VAN DER WAALS OU DIPOLO INSTANTÂNEO – DIPOLO INDUZIDO ............................................................................................................................... 79 5.2 DIPOLO – DIPOLO ................................................................................................. 81 5.3 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO ................................................................................. 81 FIXANDO O CONTEÚDO ...................................................................................... 84 INTRODUÇÃO ÀS FUNÇÕES INORGÂNICAS .......................................... 89 6.1 ÓXIDOS ................................................................................................................. 89 6.1.1 Óxidos Neutros ............................................................................................... 90 6.1.2 Óxidos Básicos ............................................................................................... 90 6.1.3 Óxidos Ácidos ou Anidridos ......................................................................... 91 6.1.4 Óxidos Duplos ou Mistos ............................................................................... 91 6.1.5 Óxidos Anfóteros ........................................................................................... 91 6.1.6 Reação de Formação de um Óxido ......................................................... 92 6.1.7 Nomenclatura de Óxidos ............................................................................ 93 6.2 BASES OU HIDRÓXIDOS ........................................................................................ 95 6.2.1 Reação de Obtenção de uma Base ........................................................ 96 6.2.2 Nomenclatura de Hidróxidos ...................................................................... 96 6.3 ÁCIDOS ................................................................................................................. 96 6.3.1 Hidrácidos ....................................................................................................... 97 6.3.2 Oxiácidos ........................................................................................................ 97 6.4 SAIS ........................................................................................................................ 99 6.3.3 Nomenclatura de Sais .................................................................................. 99 FIXANDO O CONTEÚDO .................................................................................... 101 RESPOSTAS DO FIXANDO O CONTEÚDO ......................................... 104 REFERÊNCIAS .................................................................................... 105 UNIDADE 05 UNIDADE 06 4 CONFIRA NO LIVRO Na Unidade 1, você irá conhecer a matéria e suas propriedades. Como ocorre as transformações de estados físicos e suas particularidades ao nível molecular. Também veremos como usar as propriedades dos materiais para identificar as substâncias. Na Unidade 2, você será capaz de aprender como as substâncias se juntam para formar sistemas e como elas interagem formando diferentes tipos de sistemas. Ainda veremos como realizar a separação desses sistemas para que possamos usar as substâncias. Na Unidade 3, buscaremos entender o átomo e sua evolução, também veremos sobre a lei periódica e a organização dos elementos químicos. Na Unidade 4, estudaremos sobre como os elementos se agrupam para formar substâncias e as diferentes propriedades formadas. Na Unidade 5, veremos como ocorre a formação das forças de interações entre as moléculas, também aprenderemos a avaliar o ponto de ebulição bem como diversos fenômenos que ocorrem por meio das forças de interações. Na Unidade 6 buscaremos entender as substâncias inorgânicas. Aprenderemos a formular várias substâncias bem com dar nome e realizar sua reação de obtenção. 5 INTRODUÇÃO Os fenômenos químicos são conhecidos há muito tempo atrás. Existem registros do domínio do fogo pelo homem, das mumificações no Egito antigo, da produção de vinho no Império Romano bem como a fundição de metais e formação de ligas metálicas de interesse na época para produção de vasilhames e armas de guerra. Ficou registrado também a alquimia, que foi uma grande contribuição à química como ciência, embora a alquimia por não utilizar o método científico não pode ser considerada uma ciência. Também não podemos deixar de destacar as contribuições de Paracelso na Iatroquímica. No entanto toda ciência só pode ser considerada assim se empregar o método científico, foi no século XVIII que com a introdução do método científico e influenciada pelos trabalhos de Lavoisier que a química se firma como uma Ciência Moderna. No entanto, o que é a química? Como um conceito geral podemos dizer “química é a ciência que estuda a matéria, suas transformações e suas interações bem como a aplica”. A química é a ciência que estuda a matéria do ponto de vista microscópico, as interações das partículas bem como suas transformações tal como um sólido passando para o estado líquido ou um material que se transforma em outro ao sofrer uma reação química. Existe um pré-conceito com o conhecimento químico. Uma pessoa quando quer se referir a um alimento com muito conservante diz assim, isso faz mal, tem muita química, ou quando uma pessoa observa uma região poluída por uma indústria diz que isso foi a química que fez. Mas em contrapartidas, as pessoas não se referem aos inúmeros benefícios que a química é responsável no nosso organismo ou tem trazido nos dias atuais na produção de medicamentos, alimentos, cosméticos, produtos de limpezas, combustíveis e óleos lubrificantes entre outros inúmeros casos, nos quais a vida moderna já não tem com existir sem eles. A química se divide de uma forma geral em Química Inorgânica, Química Orgânica e Físico-Química. Para entendermos de uma maneira simples podemos dizer que a inorgânica estuda os compostos iônicos ou covalentes sem cadeia carbônica como exemplos os sais, minerais, óxidos tais como minério de ferro e os materiais metálicos. Já a Química Orgânica estuda os compostos do carbono. A exemplo temos as moléculas constantes no nosso organismo como as proteínas, gorduras, vários medicamentos, plásticos e pesticidas. Já a físico-química se ocupa 6 em estudar as variações de energia que ocorre nos fenômenos físico e químicos com as moléculas ou compostos inorgânicos ou moléculas orgânicas, como exemplo podemos citar a velocidade de uma reação química, a espontaneidadede uma reação (se ela ocorre espontaneamente ou precisa ser forçada) e as interações com a radiações no ambiente. Cada área possui uma importância enorme dentro do universo da química, pois é com o somatório das três que possibilitamos hoje presenciar o atual estágio de avanço da química a exemplo realizar a produção de compostos nanotecnológicos ou “inteligentes” no qual apresentam uma eficiência muito maior se comparado os compostos não nanotecnológicos. Podemos observar na Figura 1 a manipulação das substâncias em um laboratório químico. Figura 1: Apresentação da química Fonte: Governo do Estado do Ceará (2017-2020) 7 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 1.1 MATÉRIA A matéria pode ser definida de uma forma clássica como “Tudo que possui massa e ocupa lugar no espaço’, mas e agora se nos perguntarmos, o que é a matéria do ponto de vista da química? Todos os materiais apresentam o mesmo ponto de fusão? Respondendo às perguntas começando pela segunda, óbvio que não, um material que apresenta composição diferente do outro e apresenta ponto de fusão diferente. Então chegamos a uma conclusão que a composição faz apresentar diferentes pontos de fusões. Podemos dizer que o ponto de fusão afere uma propriedade do material que é a capacidade de separar suas partículas. Então começamos a responder a primeira pergunta também, a matéria do ponto de vista químico é um conjunto de partículas sendo que as partículas podem ser átomos, moléculas ou íons que são arranjadas ou organizadas a uma determinada distância, no popular uma partícula pode ficar longe ou mais perto da outra ao se organizar ou compor o material, e de acordo com as forças que chamamos de interação que estão unindo as partículas do material fazem elas ficarem mais perto ou mais longe e também definem o quanto de energia (calor) elas precisam para se distanciar é que define o ponto exato de fusão como acima mencionamos, assim cada material tem o seu ponto de fusão já que se as partículas são diferentes, as interações também são diferentes podendo ser mais forte ou mais fraca e assim necessita de mais energia (calor) para realizar tal processo. Tudo isso explica porque diferentes materiais possuem diferentes propriedades, pois a composição define tudo no material, qual seu ponto de fusão ou ebulição, se é sólido, líquido ou gasoso a temperatura ambiente, se é mais duro ou mais mole, se possui rigidez ou elasticidade, se possui cheiro ou não ou qual cor vai apresentar. Podemos então dizer que estudar as propriedades dos Materiais é de suma importância para entendermos seu comportamento, prevermos suas transformações ao ser submetido a um processo e realizar a aplicação de seu uso em uma determinada função tecnológica. Assim podemos ver fotos de diversos materiais na UNIDADE 8 Figura 2. Figura 2: Diferentes tipos de matérias existentes Fonte: Mateco (2009, online) 1.2 ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA A matéria possui basicamente três estados físicos, sendo eles o estado sólido, líquido e gasoso. O estado sólido é marcado pelo momento em que as partículas de um determinado material estão no estado de maior proximidade e organização (ou baixa grau de liberdade). Assim as interações (forças) existentes entre as partículas são fortes e estão prevalecendo sobre a energia cinética total das partículas (energia cinética é a energia ligado ao grau de vibração, ou seja, a velocidade no qual as partículas se movimentam) e assim as partículas ficam com pouca vibração se comparado a outros estados e podem assim ficar mais próximas e organizadas. Uma marca do estado sólido é a forma e volume definidos, como exemplo podemos citar ao encher um copo de gelo, o gelo não ocupa todo o volume do copo porque sua forma é rígida e não se deforma de acordo com a forma do copo, ou seja, o gelo tem forma definida e cada cubo tem um determinado volume. O Estado Líquido é o estado no qual a energia cinética se comparado ao estado sólido foi aumentada e as interações (forças) já não conseguem manter as partículas tão próximas quanto no estado sólido. É importante destacar que ainda existe interação já que a interação é de natureza eletrostática a distância interfere na sua intensidade, mas o que faz as partículas se afastarem e vencer a interação é a energia cinética. Assim o estado líquido possui uma organização não uniforme como no estado sólido e as partículas encontram-se um pouco mais distante do que 9 no estado sólido. Uma marca do estado líquido é que ele possui volume, mas não forma definida, a exemplo podemos citar ao encher um copo de água, a água ocupa o volume do copo, mas adquire também a forma do copo assim preenchendo todo o volume do copo. O estado gasoso é o estado de maior energia cinética se comparado aos estados anteriores, assim as partículas estão tão distantes que se avaliado a pressão atmosférica a interação entre as partículas é praticamente nula. Quanto mais longe menor a interação entre as partículas. A falta de interação entre as partículas faz com o estado gasoso seja o estado de menor organização entre as partículas. Uma marca do estado gasoso é que ele não possui forma definida e que por simples difusão ele ocupa o volume do recipiente que se encontra. A exemplo do cotidiano temos as fragrâncias de perfume que são compostos voláteis, assim ao passar para o estado gasoso as pessoas sentem o cheiro a uma determinada distância da pessoa devido a simples difusão. Figura 3: Estados físicos da matéria e sua agregação Fonte: Rafaela (2013a, online) Quando aquecemos um material no estado sólido, o calor absorvido pelo material é transformado em energia cinética pelas partículas (átomos, moléculas ou íons) e o aumento de energia cinética pode chegar a um determinado valor necessário e quebrar as forças de interações entre as partículas o que vai ocasionar a separação das partículas. Como podemos ver na Figura 3 o aquecimento até a quebra das interações em um sólido ocorrendo a fusão do material, assim o material passa do estado sólido para o líquido. Ao aquecer o material no estado líquido até a quebra das interações entre as partículas, vai ocasionar sua ebulição que é a 10 passagem do estado líquido para o estado gasoso. Também existe a evaporação que passa do líquido para o gasoso, mas é uma passagem lenta sem atingir o ponto de ebulição. A Figura 3 também mostra o caminho contrário quando o material e resfriado, assim a passagem do gasoso para o líquido que é a liquefação ou condensação e a passagem do líquido para o sólido que é a solidificação. Ainda existe uma passagem direta do sólido para o líquido ou do líquido para o gasoso que é denominada sublimação. Quando temos um material puro, temos apenas um tipo de interação entre as partículas, no entanto no momento de quebra das interações a energia cinética já chegou ao máximo, por isso as interações estão sendo quebradas e as partículas separadas. A temperatura é por definição a média da energia cinética das partículas (sua vibração), assim se não há aumento da energia cinética, a temperatura de uma substância pura durante a passagem de estado físico permanece constante. Então vem a pergunta, para onde vai o calor que o material está absorvendo? Já que o calor não é convertido em energia cinética, ele é convertido em função trabalho para quebrar e separa as partículas do material fazendo como que ele passe do estado de agregação sólido para o estado de agregação líquido. Ao término de toda a passagem se continuar fornecendo calor ao líquido as partículas voltam a aumentar sua energia cinética até o ponto novamente em que inicia a quebra das interações do estado líquido. Quanto mais forte o tipo de interação (iônica, ligaçãode hidrogênio ou Van Der Waals) maior a quantidade de calor necessário. Assim ocorre o mesmo fenômeno, e durante a passagem do estado líquido para o gasoso de uma substância pura a temperatura permanece constante conforme podemos conferir na Figura 4. Figura 4: Gráfico substância pura x temperatura Fonte: Laboratório de Química Dom Pedro II (2012, online) 11 Já uma mistura possui comportamento diferente. Durante a mudança de estado físico a temperatura não permanece constante. A explicação vem que ao compor a mistura com mais de uma substância durante a fusão ocorre a função trabalho, mas como existe no sistema outras substâncias com ponto de fusão maior ocorre também aumento de energia cinética, e se aumenta vibração aumenta a temperatura. A mesma situação ocorre na passagem do estado líquido para o estado gasoso. Figura 5: Gráfico de mistura x temperatura Fonte: Adaptado de Rendelucci (2006) Também existe a mistura eutética. Uma mistura eutética se comporta como pura na fusão e como mistura na ebulição, ou seja, possui ponto de fusão constante e já no ponto de ebulição ocorre seu aumento durante a passagem como podemos observar na Figura 6. Como exemplo de mistura eutética temos as ligas metálicas de solda de chumbo e estanho. O chumbo tem ponto de fusão 327°C e o estanho funde-se a 232°C ambos a pressão atmosférica, já a liga formada funde-se a 183°C também a pressão atmosférica. Outra mistura existente é a Azeotrópica que possui ponto de fusão variável, mas já o ponto de ebulição é constante como também podemos observar na Figura 6. Como exemplo temos uma solução de água com álcool a famosa solução hidroalcoólica que se comporta como uma mistura Observe na Figura 4 que durante as transições de estado físico não ocorre variação de temperatura. Já na Figura 5 as passagens de estado físico não são constantes que se refere a uma mistura. 12 azeotrópica. Figura 6: Gráfico de uma mistura eutética (esquerda) e de uma mistura azeotrópica (direita) Fonte: Adaptado de Fogaça (2015d) 1.3 PROPRIEDADES EXTENSIVA DO SISTEMA X PROPRIEDADE INTENSIVA DO SISTEMA Um sistema é considerado como o objeto de estudo e ao redor do sistema temos a vizinha que é tudo que rodeia o sistema, ou seja, que faz fronteira como o sistema. Abaixo na Figura 7 temos uma ilustração de um sistema cercado por sua vizinhança. Figura 7: Sistema e vizinhança Fonte: Freire (2012, online) 13 Uma variável que depende do tamanho do sistema é uma variável extensiva do sistema, ou seja, como exemplo podemos citar a massa de cloreto em uma piscina de um clube. Se sabemos a concentração é só multiplicar pelo volume e achamos a massa, caso a piscina tenha um maior volume na mesma concentração a massa será maior, ou seja, a massa depende da extensão do sistema. Já uma variável intensiva é aquela que não depende do tamanho do sistema, ao exemplo anterior seria a concentração, pois qualquer amostra que for coletada em qualquer porção da piscina a concentração será a mesma. 1.4 PROPRIEDADES ESPECÍFICAS DA MATÉRIA Uma propriedade específica é aquela propriedade que serve ou pode ser usada para identifica uma determinada substância. Como exemplo podemos citar a densidade de um material. Densidade é a relação da massa/volume, assim um material puro sólido de uma determinada substância possui por exemplo uma densidade de 3,0 g/cm3. Quer dizer que a cada 1 cm3 do material pesa 3,0 gramas, se misturar outro material a esse, sua densidade irá alterar, então ao medir sua densidade será possível ver que o material não é puro, ou seja, tem outra substância em sua composição. Ponto de fusão e ebulição também são propriedades específicas conforme vimos anteriormente, pois cada substância tem a sua e se alterar quer dizer que não é pura e a passagem também possui comportamento diferente. 1.4.1 Densidade A Densidade é a relação da massa sobre o volume do material, demonstrada conforme a equação (1). D = m v (1) Sendo D a densidade, m a massa em gramas e v o volume em cm3. A densidade serve para avaliar “o volume de espaço vazio que um material possui”. Sendo assim um material que tem maior quantidade de espaço vazio ele é menos denso que um material com menor teor de espaço vazio. Como exemplos podemos 14 ver um pedaço de isopor e um pedaço de ferro. É notório que pedaços de mesmo tamanho e mesmo volume dos dois materiais se forem medidos sua massa em uma balança, o ferro possui uma massa maior. Isso ocorre devido o ferro ter seu interior menor teor de espaço vazio. Quando mergulhamos materiais de diferentes densidades em um meio fluido, se o material tem menor densidade que o fluido, o material vai boiar sobre o fluido, e se, o material tiver maior densidade que o meio fluido o material vai afundar. Como exemplo temos o óleo de mamona que tem densidade 0,951 g/cm3a 20°C, já a água possui densidade 0,998 g/cm3 a 20°C., no entanto se adicionarmos o óleo a água, o óleo ficará sobrenadante ou boiando na água. Isso deve-se ao óleo possuir menor densidade. Já a densidade do chumbo é 11,34 g/cm3 a 20°C. Se adicionarmos um pedaço de chumbo a um copo d’água o chumbo vai afundar. Isso se deve ao chumbo ter maior densidade que a água. Alguns vão se perguntar o motivo de fixar a temperatura para densidade. Isso se deve ao fato de que os materiais possuem capacidade de se dilatar ou seja aumentar de volume com a variação da temperatura. Assim ao alterar o volume altera a densidade. No entanto o correto é comparar todos à mesma temperatura. 1.4.2 Cor A cor é a característica que está associada a composição do material, sendo assim o material tem a capacidade de absorver as radiações eletromagnética e emitir apenas uma faixa específica ou umas faixas específicas de frequência. Assim ele apresenta uma coloração específica, que é denominada a cor do objeto. Assim um material que apresenta coloração diferente do que o habitual pode ter uma composição um pouco diferente da média da maioria dos outros materiais. Sendo um critério de análise e seleção dos materiais. 1.4.3 Dureza A dureza é a característica que está associada a ligações químicas estabelecidas entre átomos, íons ou moléculas do material e sua organização atômica. Geralmente quanto maior a força da ligação ou interação o material irá apresentar uma maior dureza. Variações na composição de um material pode afetar 15 sua dureza, assim a dureza também pode ser um critério de análise e seleção dos materiais. 1.4.4 Brilho Alguns materiais apresentam brilho. Isso é devido as propriedades dos átomos que são envolvidos na composição do material. Geralmente os metais possuem essas propriedades, sendo mais destacados para os metais nobres devido a sua dificuldade de oxidação ou elevado potencial de redução. Podemos destacar os materiais produzidos com Ouro, Prata e Cobre. Você sabia que existe um quarto estado da Matéria? Não? Então entre na rede mundial de computadores, selecione um buscador como Google, SciELO e outros e pesquise sobre o tema. Aproveite e assista o vídeo no sobre o tema. Disponível em: https://bit.ly/2NH31V8. Acesso em: 01 fev. 2020. Descubra qual é o quarto estado da matéria. Após chegar a uma conclusão você irá produzir um relatório explicando como é a nível molecular o quarto estado da matéria em no mínimo uma folha. Bom trabalho e bora buscar conhecimento! 16 FIXANDO O CONTEÚDO 1. (MACKENZIE-SP) Dos três estados de uma substância, a que possui menor energia cinética é o estado ________, cuja característica é apresentar ________. Os termos que preenchem corretamenteas lacunas são: a) sólida - forma e volume variáveis. b) líquida - forma própria e volume variável. c) gasosa - forma variável e volume próprio. d) líquida - forma e volume variáveis. e) sólida - forma, e volume próprios. 2. (ENEM) Ainda hoje, é muito comum as pessoas utilizarem vasilhames de barro (moringas ou potes de cerâmica não esmaltada) para conservar água a uma temperatura menor do que a do ambiente. Isso ocorre porque: a) o barro isola a água do ambiente, mantendo-a sempre a uma temperatura menor que a dele, como se fosse isopor. b) o barro tem poder de "gelar" a água pela sua composição química. Na reação, a água perde calor. c) o barro é poroso, permitindo que a água passe através dele. Parte dessa água evapora, tomando calor da moringa e do restante da água, que são assim resfriadas. d) o barro é poroso, permitindo que a água se deposite na parte de fora da moringa. A água de fora sempre está a uma temperatura maior que a de dentro. e) a moringa é uma espécie de geladeira natural, liberando substâncias higroscópicas que diminuem naturalmente a temperatura da água. 3. (UNESP-SP) À pressão ambiente, o iodo tem pontos de fusão e de ebulição superiores a 100°C. Um estudante colocou iodo sólido em um frasco limpo, que foi hermeticamente fechado. O frasco ficou em absoluto repouso à temperatura ambiente. Após algum tempo, notou-se a formação de cristais de iodo na tampa do frasco devido à: 17 a) pressão osmótica do iodo. b) sublimação do iodo. c) fusão do iodo. d) decomposição do iodo. e) alta reatividade química do iodo. 4. (UFV-MG) Considere as seguintes propriedades de 3 substâncias: Substância A: quando colocada dentro de um recipiente move-se sempre para o fundo; Substância B: quando colocada dentro de um recipiente espalha-se por todo o espaço disponível; Substância C: quando colocada dentro de um recipiente, move-se sempre para o fundo, espalhando-se e cobrindo-o. Os estados físicos das substâncias A, B e C são, respectivamente: a) líquido, sólido e gasoso. b) gasoso, sólido e líquido. c) sólido, gasoso e líquido. d) sólido, líquido e gasoso. e) gasoso, líquido e sólido. 5. (CEFET-MG/2018) Um estudante recebeu uma amostra de água pura, sob pressão de 1 atm, inicialmente à 50 °C. A amostra foi submetida ao resfriamento até alcançar 0°C, permanecendo por alguns minutos, nessa temperatura. Posteriormente, foi aquecida e mantida a 100 °C. Considerando-se que as temperaturas de fusão e ebulição da água pura, a 1 atm, são, respectivamente, 0 e 100 ºC, o gráfico da temperatura em função do tempo que esboça essa transformação é: 18 e) N.D.A 6. (UFJF/PISM 1 – 2015) O gráfico abaixo apresenta a variação de temperatura observada ao se aquecer uma substância A, a partir de 25 ºC, em função do tempo. Assinale a alternativa CORRETA. a) A faixa de temperatura em que a substância permanece sólida é 25 – 41 ºC. 19 b) A substância A não é uma substância pura. c) A temperatura de ebulição da substância A é 41 ºC. d) A faixa de temperatura em que a substância permanece líquida é 25 – 182 ºC. e) Em 25 ºC, a substância é um líquido. 7. Considere o quadro a seguir, que apresenta algumas substâncias e suas respectivas temperaturas de fusão (T.F.) e de ebulição (T.E.), ao nível do mar. Considerando-se esses dados, é INCORRETO afirmar: Substância T.F. / ºC T.E. / ºC Água 0 100,0 Clorofórmio –63,0 62,3 Hidróxido de sódio 318,6 1 389,0 Ácido acético 16,7 118,1 a) O clorofórmio a 70 ºC é gasoso. b) A 85 ºC, o hidróxido de sódio é sólido. c) A 25 ºC, duas das substâncias são líquidas. d) A substância mais volátil é o clorofórmio. e) A 1500 °C o hidróxido de sódio é sólido 8. (UFPI) Em uma cena de um filme, um indivíduo corre carregando uma maleta tipo 007(volume de 20 dm3) cheia de barras de um certo metal. Considerando que um adulto de peso médio (70 kg) pode deslocar com uma certa velocidade, no máximo, o equivalente ao seu próprio peso, indique qual o metal, contido na maleta, observando os dados da tabela a seguir. (Dado: 1 dm3 = 1L = 1 000 cm3.) 20 a) Alumínio. b) Zinco. c) Prata. d) Chumbo. e) Ouro. 21 MISTURA 2.1 INTRODUÇÃO AS MISTURAS No nosso cotidiano lidamos com misturas o tempo todo. A natureza nos fornece a matéria misturada e somos nós que desenvolvemos tecnologias para separar as substâncias e utilizar as substâncias com maior eficiência em processos tecnológicos. Assim uma mistura é o conjunto de duas ou mais substâncias juntas. Como exemplo de misturas temos a água mineral que tem água (H2O) e os minerais como Na+, Ca2+, K+ entre outros, os refrigerantes que tomamos, o Ar que está na atmosfera que contêm vários gases dentre vários outros exemplos que podem ser citados. As misturas podem ser classificadas em dois tipos básicos. Misturas Homogêneas e Misturas Heterogêneas. As misturas Homogêneas são aquelas que possuem apenas uma fase ao ser analisado o sistema de estudo. Exemplo: Se for produzido uma mistura de água com álcool, no recipiente só irá ser observado uma fase. Assim a mistura é denominada homogênea pois olhando parece todas as partes do sistema são iguais sem existir diferença. Do ponto de vista Físico-Químico, uma mistura homogênea possui suas propriedades iguais em qualquer parte do sistema, ou seja, se selecionarmos qualquer parte da solução de água e álcool e testarmos encontraremos as mesmas características. Abaixo a Figura 8 mostra uma mistura homogênea. Figura 8: Mistura homogênea Fonte: Rafaela (2013b, online) UNIDADE 22 As misturas Heterogêneas são aquelas que possuem duas ou mais fases ao ser analisado o sistema de estudo. Como exemplo podemos citar se for misturado água com óleo, devido a apolaridade do óleo e a polaridade da água o óleo não irá se misturar com a água. O óleo fica por cima boiando devido a sua menor densidade como vimos no capítulo anterior e a água por baixo devido ter maior densidade. O sistema é uma mistura pois satisfaz o critério de ter no mínimo duas substâncias juntas, pode ter mais, mas nesse caso tem apenas duas. Ao observarmos o óleo em cima ele será uma fase em nossa observação e a água em baixo será outra fase. Assim o sistema apresentará duas fases. Todo sistema que apresenta duas ou mais fases é classificado como heterogêneo. Do ponto de vista físico-químico o sistema não possui as mesmas propriedades em toda a sua extensão. Caso retirarmos uma amostra somente da primeira fase e analisarmos iremos encontrar somente óleo, e se retiramos da segunda fase, iremos encontrar somente água. No entanto as propriedades de cada parte do sistema são diferentes o que caracteriza um sistema como heterogêneo. Como foi dito acima, uma substância polar não se mistura com uma apolar, já as substâncias polares dissolvem ou solubilizam as polares e as apolares solubilizam as apolares, assim na química foi criado o seguinte ditado “ Semelhante dissolve semelhante, já os diferentes não se dissolvem entre si”. 2.2 MÉTODOS DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS 2.2.1 Decantação A Decantação é um método de separação de sistemas heterogêneos, O método se baseia na diferença de densidade entre as partes misturadas. No entanto para separar, a mistura fica parada, assim a parte mais densa vai para o fundo, e a menos densa fica por cima, então depois é só usar algum método para remover uma parte da outra e pronto está separado. Em alguns casos pode ser empregado uma substância denominada floculante para forçar a floculação e melhorar a decantação.Não é uma separação muito eficiente, mas é empregada em muitos processos da indústria e do tratamento de água. Podemos ver a decantação na Figura 9. 23 Figura 9: Esquema de decantação Fonte: Feltre (2004, p. 33) 2.2.2 Filtração A Filtração é um método de separação de sistemas heterogêneos, a filtração se baseia na produção de um filtro que pode ser uma matriz ou uma película perfurada no qual consegue passar apenas o fluido e a partícula do tamanho a ser separada, a partícula a ser separada é maior que o furo da matriz ou meio filtrante, assim a partícula fica retida não passando e o fluido passa para outro meio realizando a separação. Como exemplo de filtração temos a filtração da água nas residências, a filtração do ar em chaminés de indústrias evitando a emissão de partículas ao ambiente. Podemos ver a filtração na Figura 10. Para saber mais sobre o uso da decantação no tratamento da água veja vídeo da SABESP sobre o tratamento de água. Disponível em: Link: https://bit.ly/2VbWcyA. Acesso em: 06 fev. 2020. 24 Figura 10: Esquema de filtração Fonte: Feltre (2004, p. 32) 2.2.3 Sifonação A sifonação é o método que se baseia em remover dois fluidos de diferentes polaridades no qual a densidade é diferente e assim um fica por cima do outro. No entanto o método é de separação de misturas heterogêneas no qual é produzido um sifão, esse sifão é adicionado bem próximo a zona de interface entre os dois fluidos (a região que divide um do outro) e pelo princípio o empuxo é succionado o fluido que está por cima até que ele se acabe, realizando a separação, já que cada um estará em recipientes diferentes. Podemos ver a sifonação na Figura 11. Figura 11: Esquema de sifonação Fonte: Só Biologia (2008-2020, online) 25 2.2.4 Flotação A flotação consiste em ter dois sólidos de diferentes densidades misturados de forma não ser possível realizar a separação por meio da catação. Assim é selecionado um líquido de densidade intermediária entre os dois sólidos e adicionado ao sistema, o sólido de densidade menor que o líquido selecionado irá boiar, já o de densidade maior que o líquido selecionado ficará no fundo, realizando a separação dos dois sólidos. Para finalizar é só empregar um equipamento remover o sólido de cima e secar, e depois retirar o sólido de baixo e secar, se o debaixo for muito cominuído (em pó) poderá empegar a filtração. A flotação é um método de separação de sistemas heterogêneos. Podemos ver a flotação na Figura 12. Figura 12: Esquema de flotação Fonte: Dias (2018, online) 2.2.5 Separação Magnética A separação magnética é o método que se baseia em separar metais em pó ou pedaços, no qual um dos metais tem propriedade magnética e o outro não. A mistura também pode ser composta por apenas um metal e a outra fração não ser metal, mas é necessário que exista um metal que tenha propriedade magnética já que a separação é realizada por meio de ímã no qual é passado sobre a mistura e então vai removendo a parte que tem propriedade magnética que é o metal. Podemos ver na Figura 13 a separação magnética. 26 Figura 13: Esquema de separação magnética Fonte: Bunde (2019, online) 2.2.6 Centrifugação A centrifugação é um método de separação de misturas heterogêneos. Muitas pessoas não concordam quando em algumas atividades que a resposta correta é que o leite é heterogêneo. Muitos dizem, mas o leite novo ou de caixinha só apresenta uma fase. O motivo pelo qual classificamos o leite como heterogêneo é que ao ser centrifugado (método de separação de misturas heterogênea) é separado na fração sólida do seu soro, fração líquida. Assim ele é mesmo heterogêneo, A mesma coisa serve para o sangue que é heterogêneo e também sofre separação por centrifugação. A centrifugação se baseia em colocar a substância em recipiente próprios, como tubos de ensaio, em uma centrífuga. A centrifuga é um equipamento de alta rotação no qual os tubos são levantados e a força centrífuga atua levando a fração sólida para o fundo do tudo e a fração líquida fica sobrenadante. Só tem que tomar cuidado para deixar a centrífuga balanceada, colocar tubos em lados opostos para ela não começar a pular devido ao não balanceamento. Como podemos ver na Figura 14 ocorre uma centrifugação. Figura 14: Esquema de centrifugação Fonte: Mancio et. al., (2010, p. 05) 27 2.2.7 Evaporação A evaporação consiste na separação geralmente de sistemas homogêneos, no qual existe uma substância dissolvida em um líquido, a substância dissolvida vamos chamar de soluto já que ela está em menor fração. Assim é empregado a luz solar como calor ou outra fonte de aquecimento não muito forte, espera-se o tempo e o líquido vai evaporando. A evaporação é diferente da ebulição, pois a ebulição como vimos no primeiro capítulo é uma mudança de estado físico forçada no qual se tem que atingir o ponto de ebulição. Já a evaporação apenas o calor do ambiente que no caso acima na luz solar ou da fonte fraca de aquecimento fornece energia e as moléculas da superfície de pouco a pouco adquirem energia cinética suficiente para romper a interação e mudar de estado físico. Então a evaporação é lenta e de pouco a pouco. Assim todo o líquido vai se evaporar e a substância dissolvida que é o soluto vai ficar no recipiente devido ao fato de ter maio ponto de fusão e ebulição. Um exemplo muito comum de emprego desse método é na produção de sal nas salmouras, no qual a água do mar é retida, e o sol evapora a água e o sal fica, é recolhido, tratado e iodado para ser vendido, assim podemos ver na Figura 15. Figura 15: Imagem de Evaporação Fonte: Magalhães (2019, online) 28 2.2.8 Destilação A destilação é um método de separação de sistemas homogêneos. No primeiro caso abordaremos a destilação simples, no qual um soluto não volátil como o sal de cozinha está dissolvido em água. O sal de cozinha por ser um composto iônico ele possui ponto de fusão e ebulição muito maior que o da água. Então é feito um sistema de destilação, no qual a mistura é adicionada em um recipiente fechado hermeticamente e ligado por meio de uma mangueira. O recipiente é aquecido e a água chega ao ponto de ebulição. Assim a água passa por um recipiente no qual existe troca de calor com água fria. Esse sistema não deixa as águas se misturarem, apenas tem contato por meio de um vidro ou outro material permitindo a troca de calor, assim a água que está na fase gasosa se condensa e volta para o estado líquido e é recolhida em outro recipiente. Já o sal que tem ponto de ebulição elevado fica no recipiente inicial e é recolhido após toda a água ter passado para o estado gasoso e ser condensada e recolhida no outro recipiente. Essa destilação é classificada como destilação simples por envolver um sólido e líquido. Já quando envolver no mínimo dois líquidos a destilação e classificada como destilação fracionada. Como podemos ver na Figura 16. Figura 16: Esquema de destilação simples (esquerda) e fracionada (direita) Fonte: Fogaça (2015a, online) 29 FIXANDO O CONTEÚDO 1. (UNISC) Dependendo do método de separação apresentado abaixo, é possível separar: a) A - água e sal; B- óleo e água; C- solventes orgânicos com ponto de ebulição próximos. b) A - óleo e água; B- solventes orgânicos com ponto de ebulição próximos; C- líquidos imiscíveis. c) A - água e sal; B- solventes orgânicos com ponto de ebulição próximos; C- líquidos de densidades diferentes. d) A - solventes orgânicos com ponto de ebulição próximos; B- líquidos e sólidos; C- líquidos de densidadesdiferentes. e) A - água e sal; B- solventes orgânicos com ponto de ebulição próximos; C - líquidos imiscíveis. 2. (UFES) Na perfuração de uma jazida petrolífera, a pressão dos gases faz com que o petróleo jorre para fora. Ao reduzir-se a pressão, o petróleo bruto para de jorrar e tem de ser bombeado. Devido às impurezas que o petróleo bruto contém, ele é submetido a dois processos mecânicos de purificação, antes do refino: separá-lo da água salgada e separá-lo de impurezas sólidas como areia e argila. Esses processos mecânicos de purificação são, respectivamente: a) decantação e filtração. b) decantação e destilação fracionada. 30 c) filtração e destilação fracionada. d) filtração e decantação. e) destilação fracionada e decantação 3. (IME – RJ) Considere as afirmativas. I. Água e mercúrio, em condições ambiente, compõem um sistema bifásico. II. Água e óleo podem ser separados por decantação. III. Nitrogênio e oxigênio, em condições ambiente, formam sempre uma mistura homogênea. IV. Mistura de cloreto de sódio e areia pode ser separada por dissolução do primeiro em água seguida de filtração. V. Os constituintes de uma mistura homogênea líquida podem ser separados apenas por decantação seguida de centrifugação. São corretas: a) apenas I e II. b) apenas I, II e IV. c) apenas III e V. d) apenas II, III e V. e) apenas I, II, III e IV. 4. (Mack) Para se separarem os componentes de uma mistura heterogênea formada por um líquido e um sólido deve-se fazer uma: a) destilação simples. b) titulação. c) condensação. d) destilação fracionada. e) filtração simples. 5. (UFJF) Em geral, as águas dos rios que cortam as regiões metropolitanas são poluídas. Esse fato ocorre principalmente devido ao lançamento de esgoto 31 doméstico e rejeitos industriais diretamente nos rios. Considere as afirmativas abaixo: I. A água potável consiste em uma substância pura. II. Na água potável, pode haver muitas substâncias dissolvidas, dentre elas, os sais minerais. III. O ato de filtrar a água consiste em uma operação para eliminar os sais minerais dissolvidos na água. IV. Algumas bactérias prejudiciais à saúde podem estar presentes no ambiente aquático e podem ser eliminadas pelo processo de desinfecção, através da adição de “cloro” na água. Assinale a alternativa que contém somente afirmativas corretas: a) I e II. b) II e III. c) III e IV. d) II e IV. e) I e III. 6. (Fuvest) Descargas industriais de água pura aquecida podem provocar a morte de peixes em rios e lagos porque causam: a) aumento do nitrogênio dissolvido. b) aumento do gás carbônico dissolvido. c) diminuição do hidrogênio dissolvido. d) diminuição do oxigênio dissolvido. e) alteração do pH do meio aquático. 32 7. (UEBA) A obtenção industrial do oxigênio (PE = –183ºC) e do nitrogênio (PE = – 196ºC) é feita por destilação fracionada do ar. Comprimindo-se o ar fortemente e resfriando-o até aproximadamente 200ºC abaixo de zero ele se liquefaz. Então se destila o ar líquido. Com base nos dados acima, podemos afirmar que: a) o gás que primeiro é obtido é o oxigênio, cujo ponto de ebulição é – 196ºC, e a seguir vem o nitrogênio, cujo ponto de ebulição é – 196ºC. b) o gás que primeiro é obtido é o nitrogênio, cujo ponto de ebulição é –196ºC, e a seguir vem o oxigênio, cujo ponto de ebulição é – 183ºC. c) o gás que primeiro é obtido é o nitrogênio, cujo ponto de ebulição é 196ºC, e a seguir vem o oxigênio, cujo ponto de ebulição é 183ºC. d) o gás que primeiro é obtido é o oxigênio, cujo ponto de ebulição é 183ºC, e a seguir vem o oxigênio, cujo ponto de ebulição é 196ºC. e) os dois gases são obtidos juntos na temperatura de 190ºC, aproximadamente. 8. Industrialmente, a extração do cloreto de sódio a partir da água do mar é feita por: a) evaporação. b) destilação. c) filtração. d) centrifugação. e) sedimentação. 33 ESTRUTURA DA MATÉRIA 3.1 A IDEIA DE ÁTOMO A ideia de átomo surgiu na Grécia antiga por um filósofo chamado Demócrito. Demócrito disse que ao se dividir um material chegaria a ponto em que ele se tornaria indivisível. Assim em grego tomo é divisível e o A vem da negação, chamando então de Átomo, o indivisível. Demócrito não propôs um modelo atômico, ele apenas propôs uma ideia, até porque para ser um modelo, precisa de ser baseado no método científico. Também não se conhecia muitas particularidades da menor partícula da matéria. 3.2 MODELO DE DALTON Por Volta de 1808, John Dalton um hábil químico e estudioso das diversas áreas das ciências se propôs explicar algumas leis que já estavam enunciadas e não podiam ser explicadas a nível molecular. Uma das leis é a lei da conservação da massa de Lavoisier que já tinha sido enunciada e comprovada a nível macroscópico em 1785, assim era necessário já que o enfoque da química é o nível molecular, de uma explicação microscópica. Assim Dalton baseou na lei de Lavoisier e nas proporções constante de Proust para enunciar o primeiro modelo atômico. 1. Os átomos são esferas maciças. 2. Os elementos são constituídos por partículas muito pequenas chamadas átomos. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos, tendo em particular o mesmo tamanho, massa e propriedades químicas. Os átomos de diferentes elementos diferem entre si em, pelo menos, uma propriedade. 3. Os compostos são constituídos por átomos de mais de um elemento. Em qualquer composto, a razão entre o número de átomos dos dois elementos constituintes é um número inteiro, ou então uma fração simples. 4. Todas as reações químicas consistem na separação, combinação ou rearranjo de átomos, mas nunca na criação ou destruição destes. UNIDADE 34 5. Os átomos são indivisíveis e indestrutíveis. 6. Os átomos são neutros. Podemos ver a representação do modelo na Figura 17. Figura 17: Figura modelo de Dalton Fonte: Fogaça (2015e, online) O modelo de Dalton foi importantíssimo pois validou a nível molecular a lei de Lavoisier, com a lei de Dalton foi possível realizar a simulação com modelos moleculares. Vejamos a Figura 18 como é possível demonstrar modelos moleculares. Figura 18: Demonstração da utilização da teoria de Dalton para confecção de modelos moleculares. Fonte: Adaptado de Feltre (2004) 35 Figura 19: Reação Química com modelo molecular de Dalton Fonte: Dias (2016, online) Vejamos que a Figura 20 que demonstra a reação química. Isso demonstra que Dalton conseguiu provar a nível molecular a lei de Lavoisier. Observe que todos os átomos envolvidos nos reagentes estão presentes no produto. Assim a somatória das massas do reagente é igual a somatória das massas no produto. 3.3 MODELO ATÔMICO DE THOMSON O cientista Joseph John Thomson realizou estudos com tubos de raios catódicos para elucidar um novo modelo atômico e observar se o átomo possui comportamento elétrico já que o modelo de Thomson não previa o comportamento elétrico da matéria. Assim, após Thomson estudar o comportamento dos raios catódicos, ele percebeu que o raio catódico é composto por uma diminuta partícula menor do átomo que ele denominou de elétron. Pela primeira vez foi percebido uma subpartícula atômica. Thomson também percebeu que o elétron possui como comportamento elétrico o caráter negativo. Assim ele propôs um modelo que ficou conhecido como pudim de passas, no qual uma massa positiva era incrustada de Leia sobre a definição de tubos de raios catódicos e faça um resumo do mecanismo de funcionamento de um tubo de raio catódico para sua melhor compressão do modelode Thomson. Disponível em: https://bit.ly/2BbdqpH. Acesso em: 07 fev. 2020. 36 elétrons negativos, os elétrons eram as passas nesse modelo conforme podemos ver na Figura 20. Figura 20: Modelo de Thomson Fonte: Magalhães (2020, online) 3.4 MODELO RUTHERFORD Ernest Rutherford realizou estudos com emissão de partículas alfa. No entanto Rutherford contou com a ajuda de dois de seus alunos Geiger e Marsden para realizar um experimento no qual o ajudou a elucidar um novo modelo atômico. Rutherford orientou para a montagem de um aparto no qual uma pequena caixa de chumbo contendo uma pequena amostra de polônio foi colocada com No final do século XIX, Rutherford descobriu que as partícula alfa são apenas os núcleos do hélio, (segundo elemento da tabela periódica). Portanto, seu núcleo contém dois prótons. Para manter o equilíbrio do núcleo, dois nêutrons devem ser colocados juntos. Portanto, partículas alfa ou núcleos de hélio contêm dois prótons e dois nêutrons e têm as seguintes características: Massa de repouso: 6,64 ∙ 10 kg Massa de repouso em unidades de massa atômica: 4,0026 u (u = 1,66 ∙ 10 kg) Carga elétrica: +3,20 ∙ 10 kg Razão carga/massa: +4,82 ∙ 10 C/kg Disponível em: https://bit.ly/3o8Z5Nf. Acesso em: 07 fev. 2020 (Adaptado). 37 um pequeno ofício orientado a incidir em uma finíssima placa de ouro. Após a placa de ouro, foi colocado um material fotográfico de sulfeto de zinco (ZnS) para registrar caso a radiação incidente na placa de ouro atravessasse. Já que a radiação alfa possui massa conforme podemos ver no Box Fique atento acima e também é positiva Rutherford realizou o experimento com o objetivo de entender a estrutura interna dos átomos. Figura 21: Experimento de Rutherford e seu modelo atômico Fonte: Feltre (2004, p. 78) Assim Rutherford chegou à definição de um novo modelo atômico. Ele percebeu que a radiação alfa passou sem dificuldades pela lâmina de Ouro devido ao número de registros no material fotográfico. Ele também verificou que algumas radiações se desviaram da trajetória original. Assim Rutherford percebeu que o átomo era na sua maior parte um espaço vazio no qual denominou de eletrosfera. Já que o elétron é pequeno e de massa desprezível, no seu modelo ele ficou na eletrosfera que é a maior parte do átomo. No centro do átomo ficou o núcleo contendo toda a massa e sua carga é positiva. O raio do núcleo na visão de Rutherford era de 10.000 (dez mil) a 100.000 (cem mil) vezes menor do o raio do átomo. Ou seja, a eletrosfera que é o espaço vazio possui elétrons em trajetória Por que Rutherford usou o ouro e não outro metal? Faça uma pesquisa e em seguida discuta com seu tutor. 38 circular em torno do núcleo sendo muito maior que o núcleo, o átomo era vazio e não preenchido como na visão de Thomson. Assim o modelo ficou conhecido como planetário por se associar ao sistema solar como também podemos observar na Figura 21 acima. 3.5 MODELO DE BOHR Niels Bohr resolveu estudar os fenômenos de emissão para entender um modelo atômico que fosse capaz de explicar os fenômenos de emissão que vinha sendo observado e que não era explicado pelo modelo de Rutherford. Também no modelo de Rutherford não explicava como que os elétrons ao girarem em torno do núcleo positivo não iam perdendo energia e não colidia com o núcleo não gerando o colapso da matéria. Bohr submeteu uma ampola de vidro contendo gás hidrogênio a uma grande descarga elétrica e assim foi emitido uma luz. A luz emitida foi colimada por uma lente e incidida em um prisma. Bohr então registrou um chapa os comprimentos de onda emitidos e assim pela primeira vez registrou o espectro de linha de um elemento químico. Podemos ver na Figura 22 um experimento semelhante. Figura 22: Experimento de emissão 39 Antes do experimento de Bohr, físico renomado chamado Max Planck propôs a quantização da energia para explicar os fenômenos de emissão, foi muito criticado, Albert Einstein explicou o efeito fotoelétrico e com isso ganhou o prêmio Nobel de física. Assim Bohr para explicar seu modelo fez os seguintes postulados: Os elétrons, move-se em órbitas circulares em torno no núcleo do átomo. A energia total de um elétron (potencial + cinética) não pode apresentar nenhum valor, mas, sim, valores múltiplos de um quantum. Apenas algumas órbitas eletrônicas são permitidas para o elétron, e ele não emite energia ao percorrê-las. Quando o elétron passa de uma órbita para outra, emite ou absorve uma quantidade de energia, definida como quantum de energia. O modelo de Bohr descreve que o átomo possui órbitas específicas com energias quantizadas. Assim o elétron só pode assumir determinado valor de energia e não qualquer valor mais. Essa órbita muitas vezes é denominada de camada eletrônica ou nível de energia. Tabela 1: Níveis eletrônicos NÍVEL CAMADA QUANTIDADE E ELÉTRONS 1 K 2 2 L 8 3 M 18 4 N 32 5 O 32 6 P 18 7 Q 8 Fonte: Elaborado pelo Autor (2020) 3.6 O ÁTOMO MODERNO Com o passar do tempo foram surgindo vária contribuições acerca do estudo O que é um espectro de linha? Faça uma pesquisa e discuta o resultado com seu tutor. Vamos lá construir a aprendizagem, não fique parado! 40 do átomo. Uma grande contribuição entro da mecânica quântica além da proposição de Max Planck e da explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein já citado anteriormente, foi o princípio da incerteza de Heisenberg. O princípio da Incerteza trata do nível de precisão para se medir um sistema quântico. Para entendermos o princípio da incerteza vamos analisar dois sistemas não quânticos, mas apenas por semelhança didática. Sistema I: um copo com água e Sistema II: uma gota de orvalho em uma planta pela manhã de um dia frio. Agora vamos medir a temperatura dos dois sistemas empregando um termômetro tradicional. Imagine o termômetro no copo, obviamente o termômetro vai passar um pouco de calor ou retirar um pouco de calor da água ao entrar em contato e estabelecer equilíbrio térmico, mas devido ao tamanho do sistema essa alteração não trará um desvio muito grande na temperatura da água ao fazer a leitura final da temperatura da água no copo. Agora, imagine à medida da gota de orvalho, a ponta do termômetro toca a gota de orvalho que é quase do mesmo tamanho ou menor que a ponta do termômetro, assim a temperatura final da leitura será bem diferente da real da gota de orvalho antes do termômetro tocar. Ou seja, um sistema menor sofre interferência devido a medida, quanto menor, ao medir a medida interfere no resultado. Depois de 1913, diversos cientistas estudaram o átomo e realizaram posições que permitiu chegar a um modelo que hoje chamamos de modelo orbital ou modelo atômico da mecânica quântica. O modelo exibe uma grande complexidade, no entanto devido a sua abstração e seus aspectos quantitativos ele não é trabalhado no Ensino Médio, já no curso de química (superior) ele será trabalhado mais detalhado em química inorgânica e físico-química, aqui nessa disciplina discutiremos apenas alguns conceitos qualitativos para compreender o átomo e realizar as operações necessárias. Em um átomo, é mais importante conhecer sobre a energia do elétron do que sobre sua posição ou velocidade. Assim o princípio da incerteza nos induz a pensar que ao medir sua posição altera-se sua velocidade e ao medir sua velocidade altera-se sua posição devido o sistema ser microscópico. 41 Henry G. I. Moseley, em 1914, determina os números atômicos para os elementos. Número atômico é a carga nuclear ou número de prótons existentes no núcleo de um átomo. Louis deBroglie, em 1924, propõe a natureza dual do elétron, ou seja, o elétron apresentando comportamento de partícula e de onda. Erwin Schrödinger, em 1926, propõe uma equação de onda para o elétron. Werner Karl Heisenberg, em 1927, propõe o princípio da incerteza que abordamos logo acima: Não é possível determinar, simultaneamente, a posição ou velocidade do elétron. James Chadwick, em 1932, descobre mais uma partícula nuclear: O nêutron – partícula sem carga e com massa próxima à do próton. Assim podemos dizer que o átomo que conhecemos hoje possua duas regiões distintas, a primeira é o núcleo onde ficam concentrados todo a massa do átomo com os prótons e os nêutrons, e a segunda é a eletrosfera onde contêm os elétrons. Assim um átomo vai ser neutro quando o número de partículas positivas for igual ao de partículas negativas, ou seja, o número de prótons (prótons são positivos) que ficam no núcleo forem iguais ao de elétrons (elétrons são negativos) que ficam na eletrosfera. O número de prótons, ou seja, a carga do núcleo, é denominado número atômico e representado pela letra Z. Portanto, se um átomo possui 11 prótons em seu núcleo, representamos que esse átomo tem um Z = 11, assim como vimos na afirmação de Moseley através do número atômico podemos distinguir um elemento de outro, já que na natureza não existe outro elemento com o número atômico Z = 11, assim outro elemento vai ter número atômico Z =10 ou Z=12, e somente terá Z = 11 quando for o mesmo elemento químico. Prótons equivale aos elétrons apenas em carga, a carga do próton é 1+ e do elétron -1 se neutralizando quando a razão é 1 para 1. Mas não em massa, próton tem massa já o elétron a massa dele é desprezível de tão pequena mesmo para um sistema quântico, então dizemos que elétron não tem massa. 42 Assim podemos representar: A → Número de Massa Z → Número atômico ou número de prótons N → Número de nêutrons Onde podemos concluir já que no núcleo ficam as partículas com massa (prótons e nêutrons) e na eletrosfera as partículas “sem massa” que são os elétrons, temos a equação (2): 𝐀 = 𝐙 + 𝐍 (2) Assim já que os elétrons não possuem massa eles não entram na equação (2). Na representação de um elemento, usamos a seguinte forma: Sendo X o símbolo do elemento então AZX assim A é representado em a cima sobrescrito e z embaixo sobrescrito. É importante destacarmos que o número de massa não é a massa do átomo. Isso apenas representa a soma dos números de prótons e nêutrons que se encontram no núcleo. Tabela 2: Partículas que compõe alguns átomos Partículas presentes no núcleo Soma de prótons e nêutrons Partículas presentes na eletrosfera Elementos N°de prótons N° de nêutrons N° de massa N° de elétrons 24He 2 2 4 2 714N 7 7 14 7 614C 6 8 14 6 Fonte: Elaborado pelo Autor (2020) 3.6.1 Orbital No modelo de Bohr o mesmo afirmou que o giro do elétron ao redor do núcleo se dava na forma de órbita circular, ou seja, em uma região onde se tem raio definido “Trocando em miúdos” podemos dizer que o número atômico caracteriza um átomo de um elemento e o diferencia de outro. 43 e também energia definida. No modelo quântico, o giro do elétron ao redor do núcleo não ocorre na forma de órbita, seja ele qual for (circular ou elíptica), o giro ocorre em uma região que denominamos de orbital. 3.6.2 Configuração Eletrônica A forma de como os orbitais de um átomo são preenchidos por elétrons é denominada de configuração eletrônica. Podemos realizar a distribuição eletrônica de muitos elementos, empregando o seguinte diagrama de Pauling: Neste diagrama, possuem sete níveis de energia como podemos ver, variando assim de 1 a 7. Os níveis são divididos em subníveis. Os subníveis são representados pelas letras, e os quatro principais são s, p, d e f que vem do inglês Sharp, Principal, difuse e fundamental. Como o subnível é preenchido por elétrons, dentro de cada um existe um número máximo de elétrons permitido que são conforme a tabela: O orbital é, portanto, a região ao redor do núcleo onde existe maior probabilidade de se encontrar o elétron. 44 Tabela 3: Subníveis Subnível Número máximo de elétrons Representação S 2 s2 P 6 p6 D 10 d10 F 14 f14 Fonte: Elaborado pelo Autor (2020) Observe que varia de uma P.A (progressão aritmética) 2, o próximo 2 + 4 que é 6, o próximo 6 + 4 que é 10 e o próximo 10 + 4 que é 14. O subnível são formados por orbitais. Assim para realizar a distribuição seguimos o final da seta do diagrama de Pauling até sua ponta e retornamos ao final até novamente sua ponta usando a seguinte ordem de preenchimento: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f14, 5d10, 6p6, 7s2, .... Vejamos alguns exemplos de distribuições eletrônicas de elementos neutros: a) 1H Possui 1 próton e 1 elétron configuração: 1s2 b) 7N Possui 7 prótons e 7 elétrons configuração: 1s2, 2s2, 2p3 c) 9F Possui 9 prótons e 9 elétrons 45 configuração: 1s2, 2s2, 2p5 d) 17Cl Possui 17 prótons e 17 elétrons configuração: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5 e) 28Ni Possui 28 prótons e 28 elétrons configuração: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8 Agora vamos analisar se a distribuição eletrônica for a de um íon. Vimos anteriormente que o átomo estava no estado neutro, ou seja, seu número de próton é igual ao de elétrons. Mas e se ele ganhar ou perder elétrons? Assim quando ganhar ele se transforma em um íon negativo denominado de ânion e quando perde ele se transforma em um íon positivo denominado de cátion. Para entender melhor porque quando ganha finca negativo e quando perde fica positivo veja o exemplo: Cátion: 11Na então ele tem 11 prótons e 11 elétrons 11+ = 11- Retira um elétron: fica então 11 prótons e 10 elétrons Repare que ao perder um elétron ficou no total um próton a mais sobrando, ou seja, 10 prótons neutralizam 10 elétrons, e o que sobrou é positivo assim se forma um cátion de sódio Na+. Ânion: 17Cl então ele tem 17 prótons e 17 elétrons 17+ = 17- 46 Ao adicionar um elétron: fica então 17 prótons e 18 elétrons. Repare que ao ganhar um elétron ficou no total um elétron a mais sobrando, ou seja, 17 prótons neutralizam 17 elétrons, e o que sobrou é negativo assim se forma um ânion de cloro Cl-. Vejamos alguns exemplos da distribuição eletrônica: a) 11Na+ Átomo neutro: 1s2, 2s2, 2p6, 3s1 Íon: Retira-se um elétron de 3s1 Assim a configuração de Na+ é: 1s2, 2s2, 2p6 b) 17Cl- Átomo neutro: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5 Íon: Adiciona-se um elétron em 3p5 ficando 3p6 Assim a configuração de Cl- é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6 c) 26Fe2+ Átomo neutro: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6 Íon: Retira-se dois elétrons de 4s2 (por que 4s2 e não 3d6? Retira-se do último nível, então do nível 4 e não do nível 3.) Assim a configuração de Na+ é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6 d) 26Fe3+ Átomo neutro: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6 Íon: Retira-se dois elétrons de 4s2 (por que 4s2 e não 3d6? Retira-se do último nível, então do nível 4 e não do nível 3.) e como são três tira mais 1 de 3d6 Assim a configuração de Na+ é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d5 e) 16S-2 Átomo neutro: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p4 Íon: Adiciona-se dois elétrons em 3p4 ficando 3p6 Assim a configuração de S-2 é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6 47 Ao comparáramos os elementos químicos temos quatro situações que são: Isótopos, Isóbaros, Isótonos e Isoeletrônicos, vejamos os conceitos de cada um. Isótopos: Átomos que apresentam mesmo número atômico e diferente número de massa, exemplo 11H e 12H. Isóbaros:Átomos que apresentam o mesmo número de massa e número atômico diferente. Exemplo 2040Ca e 1940K. Isótonos: Átomos que apresentam o mesmo número de nêutrons e diferentes número de massa e atômico. Exemplo 2040Ca e 1939K, sendo A = Z + N, então N = A-Z, assim no Ca N = 40-20 = 20 e no K N= 39-19 = 20, observe que o N = 20 nos dois casos, assim se possui mesmo número de neutros e satisfaz as condições apresentados são considerados isótonos. Isoeletrônicos: São elementos ou íons diferentes que possuem a mesma configuração eletrônica. Exemplo 16S-2 possui a configuração 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6 e 17Cl- que também possui a configuração 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6. 3.7 LEI PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS Ao longo de vários anos foi se estudando o comportamento dos elementos químicos e percebeu-se que alguns elementos possuem característica próximas e muitas das vezes pode ser explicado por sua configuração eletrônica. Antes de conhecer sobre a configuração eletrônica dos elementos químicos Dalton estudou os gases ideais e fez experimentos com seu peso empregando balões e chegou à conclusão que sua densidade estava relacionada com a massa do elemento. Newlands estudou os elementos e relacionou com notas musicais que se repetem em um piano e ficou conhecido como as oitavas de Newlands. No entanto vários pesquisadores tentaram explicar e propor uma organização dos elementos químicos. Após essas várias tentativas um químico chamado Dimitri Mendeleev após tentar por vários anos e chegou à uma classificação que até hoje adotamos, criando assim a Tabela Periódica dos Elementos Químicos. Mendeleev deixou alguns buracos na tabela periódica, eram elementos que ele sabia que existiam na natureza, mas ainda não eram conhecidos pela comunidade científica, mas sabia que como por exemplo o Gálio era um elemento que possuía baixo ponto de fusão, que ao ser colocado na mão de uma pessoa a temperatura corporal e calor fornecido pelo 48 corpo era capaz de levar a fusão do pedaço de gálio que estivesse na mão. Mais para frente a tabela foi aperfeiçoada já que inicialmente ela foi proposta em ordem crescente de massa atômica, Henry Mosley um químico novo e fantástico que morreu em combate de guerra, realizou estudos como raio X e percebeu que ao interagir o raio X com os elementos cada elemento emitia uma frequência diferente e isso estava associado ao núcleo do elemento. Assim ficou consolidado que o número atômico é que define o elemento químico, ou seja, o número de prótons no núcleo do átomo é que define o elemento, assim um núcleo, com um próton é o Hidrogênio, com dois prótons ai já é o Hélio e se quebrarmos o núcleo do hélio em dois núcleos cada um com um próton ai se formam dois átomos de hidrogênio. Podemos ver a representação atualizada da tabela periódica na Figura 23. O tipo de elemento químico é definido pelo seu número de prótons, e não sua massa, como exemplo temos o carbono que possui Z = 6 ou seja 6 prótons, mas podemos ter o carbono de massa 12 e massa 14. O que difere sua massa é o número de nêutrons que não interfere na definição do elemento químico. Quando dois elementos possuem mesmo número de prótons e diferente número de nêutron denominamos que são isótopos. 49 Figura 23: Tabela Periódica atualizada IUPAC Fonte: Batista (2020, online) 50 3.7.1 Famílias ou Grupos Uma família ou Grupo é caracterizado pela vertical na tabela. O que caracteriza os elementos estarem na mesma família é que eles possuem as mesmas propriedades químicas e assim possuem o mesmo número de elétrons no último nível energético. Algumas famílias possuem nomes que estão relacionadas a sua origem e que por alguma situação cultural ficou assim conhecidas: Família 1A: Família dos metais alcalinos; Família 2A: Família dos metais alcalinos terrosos; Família 3A: Família do Boro; Família 4A: Família do Carbono; Família 5A: Família do Nitrogênio; Família 6A: Família dos Calcogênios; Família 7A: Família dos Halogênios; Família 0 ou grupo 18: Família dos Gases Nobres. Já os elementos dos grupos ou famílias B’s são classificadas de forma diferente e varia de 1B a 8B. Podemos ver melhor as classificações na Figura 24. Também ao analisar uma família é possível concluir sobre a valência (número de elétrons que falta para ganhar ou perder e adquirir estabilidade). Assim podemos concluir que um elemento que está no estado fundamental e possui o mesmo número de elétrons que outro na última camada ele possui as mesmas propriedades e por isso estão na mesma família. 51 Figura 24: Classificação de famílias e elementos Fonte: Batista (2019, online) 3.7.2 Períodos Os períodos são as linhas horizontais e estão relacionados ao número de níveis energéticos que um elemento possui. Exemplo: 7N: então se é igual a 7, sua distribuição eletrônica considerando que está neutro (número de prótons igual ao número de elétrons) é 1S22S22P3. Assim o nitrogênio possui o nível 1S2 preenchido e nível 2S22P3 não totalmente preenchido. Como possui dois níveis então se encontra no segundo período da tabela periódica, ou seja, na segunda linha horizontal de cima para baixo. Já um elemento que está no quarto período possui quatro níveis energéticos. 3.7.3 Classificação dos Elementos Os elementos químicos são classificados como metais ou ametais, ametais também podem ser chamado como um não metal. Essa classificação se dá quanto a sua propriedade. Um metal possui poucos elétrons no seu último nível energético, assim o elemento para adquirir estabilidade química (algo que iremos abordar em ligações químicas) é necessário perder elétrons e assim os elementos tem um caráter 52 eletropositivo. Os metais são a maioria dos elementos da tabela periódica. Os Ametais ou não metais possuem muitos elétrons no último nível energético, assim precisam ganhar poucos elétrons para adquirir estabilidade e ao ganhar se tornam negativos, assim ou elementos que possuem elevada eletronegatividade (iremos abordar ainda nesse capítulo) são ametais, são a minoria na tabela periódica e iniciam na família 3A apenas o Boro, pegam alguns da família 4A , 5A , 6A e a toda a família 7A. Os elementos também são classificados em elementos representativos e elementos de transição. Os elementos representativos terminam sua configuração eletrônica em s e p e estão presentes nas famílias de 1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A, 7A e 0, já os elementos de transição terminam sua configuração eletrônica em d e f e estão presentes na família B’s. Os elementos de transição de dividem em elementos de transição interna por que possuem a série de transição de s a d, e os elementos de transição externa que possuem a série de transição de s a f. Podemos observar os aspectos discutidos na Figura 25 e 26 abaixo. Figura 25: Classificação quanto a natureza dos elementos na tabela periódica Fonte: Adaptado de Feltre (2004) 53 Figura 26: Organização dos elementos químicos Fonte: Adaptado de Feltre (2004) 3.8 PROPRIEDADES PERIÓDICAS 3.8.1 Raio Atômico O raio atômico é uma forma de comparar o tamanho de um elemento químico com o outro, e a partir disso entender e aferir outras propriedades já que o tamanho e carga efetiva nuclear é o que determina as propriedades de um elemento. Quando vamos avaliar os elementos químicos no mesmo período, é comum para quem ainda não conhece sobre essa análise, pensar que no mesmo período um elemento de maior número atômico por possuir mais prótons e elétrons ser maior do que outro de menor número atômico. Mas para fazer essa análise é importante primeiro lembrar que os elementos estãono mesmo período, ou seja, possuem o mesmo número de níveis energéticos (a grosso modo, mesmo número de camadas). Assim os elétrons estão distribuídos em uma mesma lógica, o elemento que possui maior no número de prótons (Z) possui então maior carga efetiva nuclear que é positiva, assim essa carga efetiva nuclear atrai os elétrons com maior intensidade, ocasionando assim uma redução do raio atômico. Portanto no mesmo período um Carga efetiva nuclear é a carga do núcleo de um átomo que é definida pela proporcionalidade do número de prótons no núcleo, assim quanto mais prótons no núcleo maior será a carga efetiva nuclear do elemento químico. 54 elemento de maior número atômico é menor seu raio atômico do que um elemento de menor número atômico. Já quando vamos avaliar um elemento na mesma família, não podemos usar a mesma lógica anterior. Uma família se encontra na vertical e assim cada elemento da família está em um período diferente. Um elemento da família 1A no segundo período tem dois níveis energéticos (a grosso modo duas camadas) e outro elemento na mesma família no terceiro período tem três níveis energéticos (a grosso modo três camadas). O efeito do aumento de camadas sobrepõe ao efeito do aumento da carga efetiva nuclear. O elemento que está então no terceiro período é maior do que o elemento que está no segundo período, lembrando que estamos comparando ambos os elementos na forma neutra e não na forma iônica. Podemos ver a tendência do raio atômico na Figura 27. Figura 27: Tendência do raio atômico Fonte: Feltre (2004, p. 126) 3.8.2 Energia De Ionização A definição de energia de ionização é o calor necessário para um mol de átomos gasosos receber e remover seu último elétron para o infinito. Muitos vão se perguntar, por que átomos gasosos? A resposta é que se a amostra de átomos estiver no estado sólido, ao receber o calor, ele será usando para a função cinética de aquecimento, posteriormente para função trabalho de separação dos átomos para a fusão, e assim vai até chegar ao estado gasoso, a energia aferida estará relacionada com a mudança de estado físico, quando aferimos apenas a partir do estado gasoso a energia está relaciona apenas com o rompimento da interação núcleo elétron e sua ejeção para o infinito, realmente o 55 que foi usado para ionizar a amostra de átomos em questão. A energia de Ionização se divide em 1ª energia de ionização, 2ª energia de ionização até a última energia de ionização de um mesmo elemento. Primeiramente vamos avaliar a 1ª energia de ionização de mais de um elemento ao longo da tabela para entendermos a variação global da energia de ionização e usaremos como abreviação a sigla 1ª E.I. 1ª E.I ao longo de um mesmo período: Quando vamos da esquerda para direita em um determinado período como exemplo vamos pegar o terceiro período, o elemento reduz de tamanho como estudamos acima com o raio atômico que é devido ao aumento da carga efetiva nuclear. No mesmo período os átomos possuem mesmo número de níveis energéticos (a grosso modo de camadas) e assim se pegarmos o Na e o Mg, o sódio é maior que o magnésio. O elemento que é maior o sódio, o seu último elétron que será retirado para ionizar está mais longe do núcleo, e pela força de atração eletrostática elétron núcleo ela é menor do que no elemento que é menor no caso o Magnésio. No entanto a 1ª E.I no sódio será menor, já que o elétron está mais longe do núcleo e mais fracamente atraído do que no magnésio onde o elétron está mais perto e mais fortemente atraído do que no sódio. Mas fique atento, por que existe algumas descontinuidades que chamamos de blindagem, por exemplo o alumínio que vem depois do magnésio no mesmo período é menor e espera-se que aumente ainda mais a 1ª E.I, isso não acontece no Alumínio que a 1ª E.I reduz e não aumenta e depois no silício que vem depois continua aumentando. Isso é devido a um efeito que chamamos de blindagem eletrônica, como o alumínio é o primeiro elemento a completar um subnível anterior o 3s2 o próximo 3p1 tem apenas um elétron e essa blindagem sobre o 3p1 reduz a atração núcleo elétron funcionando como uma proteção da atração do núcleo elétron e causando essa descontinuidade. Podemos ver esses valores na Figura 28 e no gráfico da Figura 29. Pela lei de Coulomb ou força eletrostática uma carga positiva atrai outra negativa inversamente proporcional ao quadrado da distância, ou seja, se afasta reduz muito a atração e se aproxima aumenta muito a atração entre as cargas. 56 Figura 28: Valores de Energia de Ionização (E.I) em Kj.mol-1 para o segundo período da tabela periódica. Fonte: Adaptado de Fogaça (2014) Figura 29: Gráfico dos valores da energias de ionização para o segundo período da tabela periódica Fonte: Elaborado pelo Autor (2020) Também quando analisamos um mesmo elemento temos o número E.I igual ao número de elétrons que o elemento possui, assim se ele tiver 4 elétrons teremos a 1ª E.I, a 2ª E.I, a 3ª E.I e a 4ª E.I. O sódio neutro possui 11 elétrons, quando ocorre a 1ª ionização ele fica assim: Na(g ) + Calor → Na+ + é0 Assim o calor é o 1ª ∆H de ionização O sódio possui a seguinte distribuição em níveis energéticos 2 ) 8) 1 Ao perder um elétron no último nível ele não tem mais para perder e esse nível 57 acaba nesse momento 2 ) 8 Agora para perder o segundo elétron deverá perder o mais energético dos oito elétrons que possui no segundo nível que é o 2p6, assim ao acabar com o terceiro nível e só ficar dois níveis ocorre uma redução drástica no raio atômico e assim os elétrons ficam muito mais próximos do núcleo atômico potencializando a ação da carga efetiva nuclear conforme vimos na Lei de Coulumb. Assim: Na+(g ) + Calor → Na2+ + é0 Onde o calor que é a 2ª ∆H de ionização é muito maior que a 1ª ∆H de ionização, esse muito maior se deve ao término do terceiro nível energético. Toda vez que existir o término de um nível energético a próxima energia de ionização será muito maior que a anterior. Vamos analisar o magnésio. Mg 2) 8) 2 Ao perder o primeiro elétron ficará com a seguinte distribuição 2) 8) 1 Observe que ainda tem um elétron no último nível, assim ao retirar um elétron também ocorreu uma redução do raio atômico, mas esse efeito se dá somente porque no núcleo fica 12 prótons e na eletrosfera 11 elétrons, assim corre apenas porque a carga efetiva nuclear é maior que o número de elétrons, então essa redução é menor que no primeiro caso que discutimos do sódio, não acabou nível eletrônico. Assim a 2ª E.I será maior que a 1ª E.I devido os elétrons estarem mais próximos ao núcleo sofrendo uma maior influência da carga efetiva nuclear, mas não será muito maior porque não acabou com nível energético (a grosso modo camada). Ao retirar o segundo elétron acabou com o terceiro nível energético, assim para retirar agora o terceiro elétron do magnésio tendo a 3ª E.I o elétron será retirado do segundo nível energético e a 3ª E.I sofrerá o mesmo efeito que discutimos no sódio, sendo a 3ª E.I do magnésio muito maior que a 2ª E.I e 1ª E.I. Podemos ver a tendência geral da energia de ionização na Figura 29 abaixo. 58 Figura 30: Tendência da energia de ionização Fonte: Feltre (2004, p. 127) 3.8.3 Afinidade Eletrônica A afinidade eletrônica por definição é a quantidade de calor absorvida ou liberada que um mol de um determinado elemento no estado gasoso absorve para recebe um elétron. Do ponto de vista termodinâmico quando libera calor (exotérmico) é que o processo é espontâneo (a grosso modo o elemento gosta de receber o elétron). A termodinâmica não avalia apenas a entalpia paradefinir espontaneidade. Quando o elemento absorve calor para receber o elétron quer dizer que é não espontâneo ou não é favorecido. Agora falado de forma mais compreensível quer dizer que quanto mais calor o elemento libera ao receber o elétron, maior será sua afinidade eletrônica. Assim a afinidade eletrônica tem uma relação com o tamanho do átomo, já que átomos menores possuem geralmente carga efetiva nuclear maior e assim atraem mais fortemente elétron para receber, ao receber estabiliza a carga efetiva nuclear e como toda estabilização termodinamicamente liberam calor tendo assim alta afinidade eletrônica, já átomos maiores sofrem menor influência da carga efetiva nuclear e não atraem fortemente o elétron, ao receber ocorre um aumento do raio atômico e para estabilizar esse aumento necessita absorver calor tendo assim baixa afinidade eletrônica. Geralmente íons bivalentes como é o caso do S-2, possui uma liberação de calor para receber o primeiro elétron e uma absorção de calor para receber o segundo elétron já que o segundo é mais difícil receber devido ao excesso de Em qualquer elemento podemos concluir que devido a redução do raio atômico a: 1ª∆H E.I < 2ª ∆H E.I < 3ª ∆H E.I< nª ∆H E.I 59 elétrons sobre a carga efetiva nuclear. Mas a soma da absorção com a liberação no final é exotérmica o que explica a tendência espontânea de formar o íon. Podemos ver a tendência geral da afinidade eletrônica na Figura 30 abaixo. O( ) + 1é → O( ) ∆H 1° . = − 57 kj ∙ mol O( ) + 1é → O( ) ∆H 2° . = + 702 kj ∙ mol Figura 31: Tendência da afinidade eletrônica Fonte: Feltre (2004, p. 127) 3.8.4 Eletronegatividade A eletronegatividade é um conceito muito próximo a afinidade eletrônica, ou seja, os elementos que “gostam” de receber elétrons. Já o conceito de eletronegativa de Pauling está ligado ao elemento que participa de uma ligação química covalente e nessa ligação ao disputar o elétron devido a carga efetiva o que atrai o elétron mais próximo a ele, e no caso de uma quebra da ligação (heterólise) o elétron acaba ficando com o elemento mais eletronegativo, deixando assim o elemento menos eletronegativo deficiente de elétron. Exemplo: 𝐇𝐂𝐥 → 𝐇 + 𝐂𝐥 Assim podemos concluir que quanto menor um átomo e maior a sua carga efetiva nuclear maior será sua afinidade eletrônica. No entanto a tendência do aumento da afinidade eletrônica é o contrário do raio atômico, ou seja, o aumento da afinidade eletrônica se dá no período da esquerda para a direita e nas famílias de baixo para cima. 60 No exemplo temos o cloro muito mais eletronegativo que o hidrogênio, assim na ligação H − Cl os elétrons na prática ficam mais próximos ao cloro que possui uma maior carga efetiva nuclear e atrai com mais forças os elétrons dele e do hidrogênio, ao quebrar a ligação o cloro leva o elétron do hidrogênio ionizando o hidrogênio e o cloro se transforma em um ânion. Muitos estão se perguntando, e os gases nobres? Não seria o Hélio o mais eletronegativo? A resposta é não, os gases nobres como não participam espontaneamente de ligações químicas por estarem estáveis energeticamente e eletronicamente eles não possuem eletronegatividade já que o conceito de Pauling envolve elementos em uma ligação química. Podemos ver a tendência geral da eletronegatividade na Figura 31 abaixo. Figura 32: Tendência da variação da eletronegatividade Fonte: Feltre (2004, p. 165) A eletronegatividade varia na diagonal da tabela sendo menor na família 1A no sétimo período no Frâncio e aumentando sendo maior no Flúor, ou seja, o Flúor é o elemento mais eletronegativo da tabela periódica. Falamos que os gases nobres não possuem eletronegatividade, mas possuem afinidade eletrônica que é baixa pois por estarem estáveis absorvem muito calor ao receber um elétron. 61 3.8.5 Demais Propriedades Periódicas Nos tópicos acima abordamos as propriedades periódicas mais usuais e que a partir delas é possível compreender uma lógica de análise das propriedades e então entender qualquer outra. No entanto existe outras propriedades periódicas que são derivadas das que abordamos, observe abaixo na Figura 33 os diagramas de tendência dentro da tabela periódica das demais propriedades periódicas: Figura 33: Tendências das demais propriedades periódicas Fonte: Adaptado de Química sem Mistério (2015) 62 FIXANDO O CONTEÚDO 1. A construção de um modelo atômico tem como finalidade dar suporte ao entendimento de certos fenômenos e experimentos, por esta razão, cada modelo atômico existente, surgiu para explicar um fato novo, por este motivo não podemos dizer que um modelo é certo ou errado, podemos apenas dizer que determinado modelo é capaz ou não de explicar certo fenômeno. As alternativas indicam um determinado fenômeno que pode ser satisfatoriamente explicado por um certo modelo, EXCETO: a) A emissão de raios catódicos em uma ampola - Modelo de Thompson. b) A formação de espectros descontínuos pelos átomos – Modelo de Bohr. c) A atração de corpos atritados – Modelo de Dalton. d) O funcionamento de um televisor convencional – Modelo de tomos. e) Diferença de densidade dos elementos-Modelo de Rutherford. 2. Observando a montagem, todas afirmativas estão corretas, EXCETO: a) O bastão possui carga negativa. b) Esse fenômeno pode ser explicado usando o modelo de Thomson. c) O atrito foi responsável pela eletrização do Bastão. d) De acordo com Dalton, o bastão ficou eletrizado com a perda de carga 63 negativa. e) O fenômeno se deve a existência de elétrons no átomo. 3. Com relação à estrutura do átomo, podemos afirmar, EXCETO: a) A massa do átomo está concentrada no seu núcleo. b) O número de massa de um elemento é igual ao número de prótons + número de nêutrons. c) Não existe elementos diferentes com o mesmo número de prótons. d) Toda espécie neutra apresenta o número de nêutrons igual ao de elétrons. e) Os elétrons possuem carga negativa 4. O entendimento dos fenômenos que nos cercam continuam sendo uma das grandes preocupações dos seres humanos, para tal, frequentemente surgem modelos com o objetivo de compreender o universo em toda sua dimensão. Um dos pensamentos mais antigos que se tem registro em relação à matéria, é dado por Demócrito e Leucipo. Em relação às ideias de ambos podemos AFIRMAR QUE: a) A matéria possui carga positiva e negativa. b) Uma barra de ferro pode ser dividida de forma infinita. c) A matéria é formada por pequenas partes indivisíveis. d) Um átomo de um determinado elemento, pode se transformar em outro elemento. e) O átomo possui espaço vazio. 5. O modelo atômico proposto por Thompson, auxiliou a ciência no entendimento de alguns acontecimentos naturais e outros criados pelo homem. Usando o modelo de tomos, podemos entender os seguintes acontecimentos, EXCETO: a) O funcionamento de um ebulidor elétrico (corrente elétrica). b) A formação de raios catódicos no tubo de televisão. c) A atração entre pedaços de papéis após serem atritados. d) A emissão de luz de uma lâmpada fluorescente. e) A atração do cabelo pelo pente após pentear os cabelos. 64 6. Durante o réveillon, é comum as pessoas ficarem maravilhadas com os efeitos pirotécnicos realizados em várias cidades, principalmente quanto à coloração dos fogos que encantam pela sua diversidade de cores. Em relação à explicação da técnica pirotécnica usada para colorir os fogos de artifício, é CORRETO afirmar que: a) A coloração vem de pigmentos colocados no interior da pólvora e durante a explosão eles são pulverizados no ar dando o aspecto colorido. b) Durante aexplosão alguns elementos presentes nos sais colocados na pólvora absorvem energia e emitem luz visível em determinados comprimentos de onda. c) A coloração depende do tipo de pólvora usada na confecção dos fogos, já que a sua composição corresponde a enxofre, salitre do Chile e carvão. d) Durante a explosão o processo libera energia que queima os pigmentos presentes na pólvora e devido a sua queima há liberação de determinadas cores. e) A coloração se deve a tinta adicionada no momento de fabricação da pólvora. 7. Algumas marcas de sabão prometem o “branco mais branco” durante a lavagem das roupas, na verdade o segredo desse efeito não está no poder de limpeza do sabão, e sim no uso de branqueador óptico na sua composição. Os branqueadores ópticos são compostos geralmente por orgânicos que absorvem a luz U.V e transformam essa radiação em luz visível, aumentando assim a emissão da radiação pela roupa e dando a sensação de um “branco mais branco”. Em relação ao enunciado e ao conceito de energia quantizada é correto afirmar, EXCETO: a) Os branqueadores ópticos exibem um comportamento quântico, ou seja, só absorvem e liberam certas quantidades de energia. b) Um sabão que não contêm branqueador óptico retira a sujeira com a mesma intensidade. c) A radiação U.V excita os elétrons do branqueador óptico que realiza transições eletrônicas emitindo a energia na região do visível. d) A presença do branqueador óptico auxilia o sabão em pó a retirar a sujeira, dando 65 uma sensação de maior limpeza devido à absorção de U.V. e) Os branqueadores ópticos são compostos geralmente por orgânicos que absorvem a luz U.V e transformam essa radiação em luz visível. 8. Observe a representação da estrutura eletrônica do Hidrogênio de acordo com Bohr. Em relação a essa estrutura é correto afirmar, EXCETO: a) A energia nesse modelo é quantizada, sendo possível encontrar o elétron somente nos níveis de energia. b) São possíveis 6 tipos de emissões diferentes pelo elétron. c) Ao receber energia o elétron passa para um nível mais distante do núcleo. d) Ao girar em torno do núcleo, em um dado nível, o elétron vai gastando energia. e) Ao perder energia o elétron retorno para o nível de origem. 66 LIGAÇÕES QUÍMICAS 4.1 INTRODUÇÃO Por que um elemento busca fazer ligação Química? Na vida, na natureza, na economia e em qualquer situação os processos tendem a buscar uma situação de estabilidade, assim não é diferente com os elementos químicos. Ao longo do tempo a pergunta acima foi realizada por vários químicos pesquisadores, no entanto existe um conjunto de elementos na tabela periódica que não buscam realizar ligações químicas e, no entanto, se apresentam na forma monoatômica na natureza, que são os gases nobres: Hélio, Neônio, Criptônio, Xenônio e Radônio. Assim os pesquisadores se perguntaram ao longo do tempo o motivo disso. Foi observado que os gases nobres possuem baixa energia, e a baixa energia potencial do sistema é o motivo do elemento ganhar estabilidade, no entanto se os outros elementos conseguirem adquirir essa baixa energia os mesmos também se tornam estáveis. Mas qual o mecanismo que os elementos buscam a realizar para baixar a energia? Ficou evidenciado que a energia de um átomo está relacionada com a interação elétron núcleo, se o elemento minimizar a energia potencial do sistema o mesmo abaixará sua energia e ganhará estabilidade. Observou-se que os gases nobres com exceção do Hélio todos possuem oito elétrons em seu último nível energético (a grosso modo camada), assim foi instituído a regra do octeto. A regra do octeto ficou sendo o mecanismo no qual é possível confeccionar a união de dois ou mais elementos modificando a configuração eletrônica da sua camada de valência. Regra do Octeto: Todo elemento químico busca ficar com 8 (oito) elétrons em seu último nível energético para copiar a configuração de um gás nobre, ganhar estabilidade abaixando sua energia. UNIDADE 67 O Hidrogênio por exemplo só tem uma camada com um elétron, no entanto o gás nobre mais próximo é o Hélio que tem uma camada com 2 elétrons e já é estável, assim o hidrogênio copia o gás nobre mais próximo, embora não fica com 8 elétrons e sim 2 elétrons na última camada não é considerado uma exceção da regra do octeto por que copia também um gás nobre. Embora vamos basear na regra do octeto no nosso curso para explicar as ligações químicas, existem as exceções da regra do octeto como é no caso o BF3, mas as teorias que explicam mais a fundo a estabilidade e essas exceções como a TOM (Teoria dos Orbitais Moleculares) e a CLOA (Combinação Linear de Orbitais Atômicos). Assim, ao unir dois elementos ocorre um outro fenômeno termodinâmico que não ocorre nos gases nobres. Os gases nobres são monoatômicos, e, no entanto, não existe uma repulsão internuclear, assim quando juntamos por exemplo um átomo de oxigênio com outro de oxigênio, agora ao aproximar esses dois para realizar uma ligação química existe uma repulsão entre os núcleos dos dois átomos que iremos chamar de repulsão internuclear. Para que essa repulsão seja minimizada já que é positivo com positivo é necessário aumentar a densidade de elétrons entre os dois núcleos pois assim abaixará a energia potencial do sistema e o sistema será estável possibilitando uma aproximação limite dos elementos (a aproximação limite será a distância ou tamanho da ligação química) estabelecendo assim a ligação química. Veremos nas Figuras 34 e 35 o primeiro momento e segundo momento respectivamente. Camada de Valência: É a última camada, ou seja, último nível energético que vai ganhar, perder ou compartilhar elétrons para copiar um gás nobre e ganhar estabilidade. 68 Figura 34: Digrama de repulsão dos núcleos atômicos em uma aproximação (Primeiro momento) Fonte: Elaborado pelo autor (2020) Figura 35: Diagrama de estabilização da ligação química e abaixamento da energia potencial pelo aumento da densidade eletrônica na região internuclear (Segundo momento) Fonte: Elaborado pelo autor (2020) 4.2 LIGAÇÃO IÔNICA A ligação iônica é caracterizada pela união de dois ou mais elementos que possuem propriedades opostas. Nesse caso será realizada pela união de um metal mais um ametal. Como a ligação depende da formação de íons é necessário que ocorre perda e ganho de elétrons, assim o metal que é eletropositivo possui pouco elétrons na camada de valência vai perder os elétrons da camada de valência (última camada) e se transformar em um cátion que é uma espécie carregada positivamente, já o ametal que possui um número de elétrons que fica mais próximo de 8 ( oito é a quantidade para atender a regra do octeto) vai ganhar elétrons e se transformar em um ânion que é uma espécie carregada negativamente. Exemplo: 69 Na 1s22s22p63s1 F 1s22s22p5 Assim o sódio fica Assim o Flúor fica Na 2 ) 8 ) 1 7 ( 2 F Observe que na última camada (camada de valência) do sódio só possui um 1 elétron, assim na natureza é sempre buscado o processo que possui menor gasto energético, no entanto vamos pensar se para o sódio atingir o octeto é mais fácil ele perder 1 elétron que ele tem e assim essa camada vai acabar ficando a anterior com 8 ou se ele ganha 7 elétrons completando a última com 8 elétrons? Obviamente que do ponto de vista energético é mais fácil ele perder 1 elétrons e atingir o octeto ganhando estabilidade. Assim o sódio ao perder esse elétron se transforma em um cátion: Na( ) + calor →Na( ) + 1é ( equação derivada do ciclo de Born Habber) Formando o Na( ) que é um cátion, no entanto possui carga positiva capaz de exercer atração eletrostática por outra carga oposta que é a negativa. Já o Flúor possui como vimos acima 7 elétrons na última camada, no entanto para ele é mais fácil ganhar elétron do posto de vista energético do que perde os 7 e copiar o Hélio como faz o hidrogênio. Então o Flúor ganha 1 elétron ficando com 8 elétrons na última camada e atingindo o octeto, assim ganha estabilidade formando um ânion: F( ) + 1é → F( ) + Calor (equação derivada do ciclo de Born Habber) Formando o F( ) que é um ânion, no entanto o cátion formando pelo sódio pode atrair o ânion formado pelo flúor ou vice versa, no balanço de elétron o sódio precisou perder um elétron e o flúor ganhar um, no entanto é necessário apenas um sódio para um flúor na proporção formando assim a estrutura do 𝐍𝐚𝐅 que é o fluoreto de sódio e a soma das cargas totais dos íons tem que ser igual a zero (neutra). A ligação iônica é uma ligação forte pois a força que uni os elementos é de natureza eletrostática, ou seja, atração de carga positiva com negativa, por isso muito forte e vai influenciar em tudo nas propriedades físicas dos compostos iônicos. As representações oficiais da estrutura após a formação são: 70 I – Íon-Fórmula ou fórmula dos compostos: NaF (nunca pode ser chamada de molécula porque compostos iônicos não são moleculares) II – Fórmula de Lewis ou Fórmula eletrônica: Observe que na fórmula de Lewis o cátion é representado sem os elétrons da camada de valência já que perdeu com a carga positiva e sempre entre colchete, já o ânion é representado com os elétrons completos na camada da valência com a carga negativa também entre colchete, entre os dois colchetes não se coloca nada apenas aproxima os dois colchetes. Essa fórmula também é denominada eletrônica porque demonstra como ficam os elétrons após a ligação ocorrer. ·· - Na+ : F : Existe uma forma mais fácil de formular os compostos iônicos. Primeiro é então selecionado o cátion e o ânion. Exemplo: Mg e Cl Olha-se a valência de cada um, o magnésio é da família 2A então ele tem dois elétrons na última camada, é mais fácil perder os 2 elétrons do que ganhar 6 elétrons. Formando então o Mg após perder os elétrons. Já o cloro é da família 7ª, no entanto ele tem 7 elétrons na última camada e é mais fácil ganhar 1 elétron formando o Cl – após ganhar o elétron. Mas observe que um precisa perder dois elétrons e o outro só ganhar 1 elétron, o balanço não fecha, assim serão necessários 1 magnésio e 2 cloros, mas para fechar esse balaço fica mais fácil cruzar as cargas (sem levar o caráter positivo ou negativo), assim pega-se o 2+ do magnésio e leva só o 2 para o índice de quantidade do cloro e pega-se o 1- leva-se apenas o 1 para o índice de quantidade do magnésio, então fica: Mg + Cl → Mg Cl como o 1 não precisa de aparecer que já indica 1 fica então MgCl . Pronto a fórmula do composto é o MgCl e observa-se que as cargas ficam igual a zero, 2+ do magnésio mais 2X (1-) dos dois cloros sendo tudo igual a zero. 71 4.2.1 Propriedades Físicas dos Compostos Iônicos Como abordamos anteriormente a ligação iônica por ser entre íons e a atração de natureza eletrostática é uma ligação muito forte. No entanto a formação dos compostos iônicos libera uma grande quantidade de calor na formação da rede, assim esse calor é conhecido com energia de rede. Os compostos iônicos formam estruturas cristalinas, no entanto é possível calcular o calor exato da energia de rede. Devido a ligação ser forte os compostos iônicos apresentam elevado ponto de fusão e ebulição. Como o ponto de fusão de todos os compostos iônicos são bem maiores que a temperatura ambiente, os compostos iônicos se apresentam no estado físico sólido na natureza, contundo é muito comum denominarmos os compostos iônicos ou amostras que contem grande porcentagem de compostos iônicos de sólidos iônicos. Os compostos iônicos formam uma rede cristalina no qual sempre vai alternar um cátion, um ânion e um cátion, e assim sucessivamente até o final do material, essa estrutura é repetitiva por que é cristalina, ou seja, possui a mesma regularidade ao longo de todo o material. Como é positivo negativo positivo negativo positivo, por cisalhamento uma carga se desloca de lugar e então fica positivo próximo de positivo ou vice e versa, assim ocorre repulsão e faz com que os sólidos cristalinos sejam quebradiços, já observou que o sal de cozinha (NaCl), a cal virgem (CaO) todos compostos iônicos se apresentam na forma quebradiça, em pedaços ou em pó, nunca em barra, isso é devido ao que discutimos aqui. Para finalizarmos, um composto iônico quando sólido não permite mobilidade de seus íons, assim não conduz corrente elétrica, já quando dissolvido em água ocorre a dissociação ficando: NaCl( ) + H O( ) → Na( ) + Cl( ) Os íons em meio aquoso, permite a mobilidade e a consequente condução de corrente elétrica. Também quando ocorre a fusão do sólido iônico e ele se encontra no estado líquido os íons também ficam livres como ocorre no meio da água, assim um composto iônico puro fundido conduz também corrente elétrica. Podemos observar o discutido na Figura 36. 72 Figura 36: Condução elétrica de uma substância iônica Fonte: Adaptado de Quinelato (2019) 4.3 LIGAÇÃO COVALENTE A ligação covalente ocorre entre elementos que querem precisam de poucos elétrons para atingir o octeto e assim ganhar estabilidade. Uma ligação covalente diferente do que vimos anteriormente ocorre entre dois ametais, ou entre o hidrogênio e um ametal. Vamos demonstrar como o mesmo exemplo que começamos para explicar a formação da ligação química no início desse capítulo. Vamos pegar dois átomos de oxigênio. O: 1s22s22p4 O: 1s22s22p4 Podemos observar que na camada de valência no subnível energético 2s22p4 possui apenas 6 elétrons, por isso o oxigênio se encontra na família 6A da tabela periódica. Então para completar o octeto o oxigênio precisa ganhar dois elétrons. Mas os dois precisam de ganhar, então não se pode usar o mesmo mecanismo da ligação iônica onde um doa o outro recebe, pois aqui ambos precisam ganhar. Assim surge um outro mecanismo para solucionar a questão, os elementos irão compartilhar seus elétrons. Mas a frente em outras disciplinas como na química inorgânica e na orgânica será explicado em termos de sobreposição de orbitais e somatório de funções de ondas, mas por enquanto aqui na química geral falaremos em compartilhamento de elétrons. Fórmula de Lewis: 73 Fórmula estrutural: 𝐎 = 𝐎 Fórmula Molecular: O Uma ligação covalente pode ser classificada como: Simples: Quando ocorre o compartilhamento de um par de elétrons. Apenas um traço (), ou pode ser chamada de sigma (𝜎) Dupla: Quando ocorre o compartilhamento de dois pares de elétrons. dois traços (=) onde a de cima é uma ligação pi (𝜋) e a de baixo é uma ligação sigma (𝜎) Tripla: Quando ocorre o compartilhamento de três pares de elétrons. Três traços (≡) onde a de cima e debaixo são ligações pi (𝜋) e a do meio é uma ligação sigma (𝜎). 4.3.1 Propriedades dos Compostos Moleculares ou Covalentes Os compostos moleculares apresentam: Baixo ponto de fusão e ebulição quando comparados aos compostos iônicos, Apresentam baixa dureza; Apresentam alta tenacidade quando comparados a um composto iônico; Apresentam baixa capacidade de condução de corrente elétrica e de calor. Em temperaturaambiente, os compostos covalentes podem ser encontrados nos estados físicos sólido, líquido e gasoso dependendo de sua massa molecular e Na fórmula de Lewis de um composto covalente ou molecular nunca use colchete. 74 interação intermolecular. 4.3.2 Ligação Covalente Coordenativa Também é formado um tipo de ligação covalente nos quais o par de elétrons provém de apenas um dos átomos, assim o outro elemento que está ligando não contribui como nenhum elétron. Essas ligações são então denominadas ligação covalente coordenativa e antigamente era denominada ligação dativa e podemos observar alguns exemplos na Figura 37. Figura 37: Exemplos de Ligação covalente coordenativa Fonte: Fogaça (2015c, online) 4.4 LIGAÇÃO METÁLICA A ligação metálica é caracterizada pelo modelo do “mar de elétrons” e ocorre entre os átomos dos metais formando assim as substâncias metálicas que são os metais usados no cotidiano e as inúmeras ligas metálicas presente também no nosso cotidiano. Assim o modelo da ligação metálica descreve que os metais são formados por íons positivos (do metal em questão) empacotados geralmente segundo um dos três Uma ligação covalente coordenativa só é diferente na forma de se realizar, mas do ponto de vista das propriedades são exatamente iguais a de uma covalente comum, tal como sua energia de ligação, por isso é representada apenas por um traço (-). 75 arranjos cristalinos: I – Cúbico de face centrada (CFC). II – Hexagonal compacto (HC). III – Cúbico de corpo centrado (CCC). Os elétrons negativos que foram liberados pelos íons positivos têm a função de manter os próprios íons positivos unidos. Assim o número total de cargas positivas e negativas são exatamente iguais gerando assim um balanço de carga e deixando a estrutura neutra como podemos observar na Figura 38. Figura 38: Modelo do mar de elétrons Fonte: Maria (2019, online) 4.4.1 Propriedades das Substâncias Formadas por Ligação Metálica As propriedades mais importantes dos metais são a condutividade elétrica e térmica muito alta. Assim essas propriedades mais importantes são em função da mobilidade dos elétrons através do empacotamento cristalino. Além disso podemos dizer que os metais são maleáveis, possuem normalmente elevado ponto de fusão e ebulição e por final são dúcteis (capacidade transformar em fios). Faça uma pesquisa para saber o que é um supercondutor, em seguida faça um paralelo como um metal bom condutor como é o caso do cobre. Escreva um texto destacando a diferença entre um material bom condutor e um material supercondutor. Vamos lá, não vamos ficar parado. 76 FIXANDO O CONTEÚDO 1. Considere as seguintes informações sobre os elementos X e O. Elemento N° de elétrons na última camada Período 0 6 2 x 4 2 Marque a opção correspondente em que a combinação de X e O pode formar substâncias não iônicas e gasosas a temperatura e pressão ambientes. Dados: números atômicos: C= 6; N=7; O=8; S=16 a) NO e CO. b) CO e CO2. c) CO e SO2. d) SO3 e SO2. e) NO2 e SO2. 2. Dados os compostos: I. NaCl. II. HBr. III. CO2. IV. CH3OH. V. Fe2O3. Apresentam ligações covalentes os compostos: a) I e V. b) III e V. c) II, IV e V. d) II, III e IV. e) II, III, IV e V. 77 3. Na ligação entre átomos dos elementos químicos 15P 31 e Ca, que tem 20 prótons, forma-se o composto de fórmula: a) CaP. b) Ca3P. c) CaP3. d) Ca2P3. e) Ca3P2. 4. As propriedades exibidas por um certo material podem ser explicadas pelo tipo de ligação química presente entre suas unidades formadoras. Em uma análise laboratorial, um químico identificou para um certo material as seguintes propriedades: • Alta temperatura de fusão e ebulição; • Boa condutividade elétrica em solução aquosa; • Mau condutor de eletricidade no estado sólido; A partir das propriedades exibidas por esse material, assinale a alternativa que indica o tipo de ligação predominante no mesmo: a) metálica. b) covalente. c) dipolo induzido. d) iônica. e) Covalente coordenativa. 5. O sal de cozinha (NaCl), o ácido clorídrico (HCl) e a glicose (C6H12O6) apresentam em suas estruturas, respectivamente, ligações do tipo: a) iônica, iônica e iônica. b) covalente, covalente e covalente. c) metálica, covalente e covalente. d) iônica, covalente e covalente. e) iônica, metálica e covalente. 78 6. O gosto amargo da cerveja é devido à seguinte substância de fórmulas estrutural plana: Essa substância, denominada mirceno, provém das folhas de lúpulo adicionadas durante a fabricação da bebida. O número de ligações pi presentes na estrutura do mirceno é igual a: a) 3. b) 5. c) 8. d) 15. e) 9. 7. Em 1916, G. N. Lewis publicou o primeiro artigo propondo que átomos podem se ligar compartilhando elétrons. Esse compartilhamento de elétrons é chamado, hoje, de ligação covalente. De modo geral, podemos classificar as ligações entre átomos em três tipos genéricos: ligação iônica, ligação metálica e ligação covalente. Assinale a alternativa que apresenta substâncias que contêm apenas ligações covalentes. a) H2O, C(diamante), Ag e LiH. b) O2, NaCl, NH3 e H2O. c) CO2, SO2, H2O e Na2O. d) C(diamante), Cl2, NH3 e CO2. e) C(diamante), O2, Ag e KCl. 8. Qual a fórmula do composto formado entre os elementos 20Ca40 e 17Cl 35 e qual a ligação envolvida? a) CaCl, iônica. b) CaCl, covalente. c) CaCl2, iônica. d) CaCl2, covalente. e) Ca2Cl, iônica. 79 INTERAÇÃO INTERMOLECULARES Também existe cristais covalentes. O que deixa um cristal covalente coeso são as interações intermoleculares que são forças de atração de uma molécula com a outra. A natureza da força de interação molecular depende do grau de polaridade das moléculas envolvidas. Deu uma forma geral podemos dizer que quanto maior for a polaridade das moléculas envolvidas maior será força de atração e quanto menor for a polaridade das moléculas envolvidas menor será a força de interação. Quem iniciou o estudo e elucidou as primeiras considerações sobre as interações intermoleculares foi o físico holandês Johannes Diderik van der Waals (1837 – 1923) mais conhecido como Van Der Waals e o mesmo teve suas primeiras publicações acerca das interações intermoleculares em 1873. 5.1 FORÇAS DE VAN DER WAALS OU DIPOLO INSTANTÂNEO – DIPOLO INDUZIDO As forças de Van Der Waals são de natureza fraca, as mesmas são encontradas em moléculas apolares. Então é de se pensar, como que moléculas que não apresentam uma região positiva e nem uma região negativa, pode gerar uma força de atração entre elas? Então vamos lá. Imaginemos uma molécula e como vimos anteriormente no tópico ligações químicas, uma molécula possui ligações covalentes, e uma molécula apolar é aquela cuja a distribuição de elétrons ao longo da ligação é simétrica, não ficando mais próximo de um determinado elemento, assim quer dizer que, as eletronegatividades dos átomos envolvidos são iguais, ou a geometria da molécula contribui para que essa distribuição seja simétrica. Como vimos no capítulo estrutura da matéria, elétrons não ficam parados e nem quando estão se ligando, assim em um determinado momento os elétrons da molécula apolar podem se acumular em UNIDADE 80 uma região da molécula e assim a região que fica deficiente de elétrons que é a contrária à da acumulação vai ficar com uma carga parcial positiva devido a ação da carga efetiva do núcleo, pronto, assim foi gerado um dipolo instantâneo. A região parcialmente positiva de um dipolo instantâneo ao seaproximar de outra molécula vai fazer com que a nuvem eletrônica da outra molécula mude para próximo dele (positivo atrai negativo) assim como esse dipolo na outra molécula foi induzido pelo dipolo instantâneo ele é denominado Dipolo Induzido. Por isso uma a interação de Van Der Waals também é conhecida como dipolo instantâneo – dipolo induzido ou força de dispersão de London. Podemos ver o discutido na Figura 39 abaixo. Figura 39: Forças de dispersão Fonte: Fogaça (2015b, online) Como falamos inicialmente, as forças são fracas devido os dipolos serem bem fracos e não permanentes na molécula, mas não se engane, uma interação mesmo fraca quando bem orientada pode se tornar muito intensa. Conheça mais sobre o potencial das forças de Van der Waals em: https://bit.ly/31o6hNo. Acesso em: 18 fev. 2020. 81 5.2 DIPOLO – DIPOLO As forças de interação dipolo – dipolo já é uma interação forte. Ela é denominada dipolo-dipolo porque ela ocorre entre um dipolo permanente e interage com outro dipolo permanente. Assim um dipolo permanente como o próprio nome diz, permanente, é um dipolo formado em uma molécula polar. Uma molécula polar é aquela que apresenta permanentemente uma região com carga positiva e outra com carga negativa, isso se deve também aos átomos envolvidos que geralmente possuem grande diferença de eletronegatividade gerando uma assimetria na distribuição dos elétrons ao longo da ligação e também pela geometria da molécula gerando um momento dipolo diferente de zero (tendência vetorial não nula). Podemos ver o discutido na Figura 40 abaixo. Figura 40: Força dipolo – dipolo Fonte: Nahra (2018, online) A interação dipolo – dipolo é de natureza forte devido os dipolos serem permanentes e a diferença de eletronegatividade dos elementos gerarem uma forte atração. 5.3 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO A interação ligação de hidrogênio por muito tempo foi conhecida como ponte de hidrogênio. Embora hoje chamamos de ligação de hidrogênio ainda se encontra na literatura sobre tudo nas das áreas biológicas a denominação ponte de hidrogênio. A ligação de hidrogênio ocorre pelo mesmo mecanismo do dipolo-dipolo 82 explicado no tópico anterior. Mas então qual a diferença? A diferença é que na ligação de hidrogênio como ela é muito mais forte que a dipolo-dipolo ela precisa de ter uma força de atração maior entre as moléculas e uma atração maior se dá em uma polaridade mais acentuada, para a polaridade ser muito acentuada na molécula é necessária uma grande diferença de eletronegatividade entre os elementos envolvidos. Assim para formar ligação de hidrogênio pega-se um elemento da outra ponta da tabela que é o Hidrogênio, nome bem sugestiva ligação de hidrogênio e ele então se liga aos elementos bastante eletronegativos da tabela periódica que são oxigênio, nitrogênio e flúor, assim chamamos de Hidrogênio ligados ao FON (flúor, nitrogênio ou Oxigênio). Vejamos como exemplo da ligação de hidrogênio que ocorre entre as moléculas de água e que são responsáveis pelo elevado ponto de ebulição da água se comparado a um líquido molecular. Podemos observar na Figura 41 abaixo. Figura 41: Ligação de hidrogênio na água (átomos de hidrogênio em cinza e átomos de oxigênio em vermelho) Fonte: Adaptado de Feltre (2004) Para verificarmos como uma ligação de hidrogênio é mais forte que uma dipolo-dipolo vejamos a Figura do gráfico 42 que descreve essa diferença Figura 42: Gráfico dos pontos de ebulição de alguns compostos Fonte: Blog Ciências Gerais (2017, online) 83 Observe que no gráfico o HCl, HBr e HI devido ao hidrogênio não realizar ligação com FON então não ocorre ligação de hidrogênio, embora as moléculas sejam muito mais pesadas devido a massa molecular (mais pesada maior ponto de ebulição) elas possuem ponto de ebulição muito menor que o HF que é leve, isso é devido a interação intermolecular que é a força que liga as moléculas de HF serem muito mais forte que nas outras moléculas, no caso HF o hidrogênio se liga ao flúor que faz parte do FON assim faz ligação de hidrogênio que é mais forte. As duas cadeias de nucleotídeos do DNA são unidas uma à outra por ligações chamadas de pontes de hidrogênio, que se formam entre as bases nitrogenadas de cada fita. Faça uma leitura do artigo “Uma Abordagem Problematizadora para o Ensino de Interações Intermoleculares e Conceitos Afins” de Francisco Jr. (2008) para entender um pouco mais sobre o assunto. Disponível em: https://bit.ly/3fOVfWB. Acesso em: 20 fev. 2020. Após a leitura proponha uma forma de abordar o conteúdo em sala de aula escrevendo uma lauda no formato de resenha crítica. Vamos lá pessoal, nada de ficar parado! 84 FIXANDO O CONTEÚDO 1. O CO2 é de importância crucial em vários processos que se desenvolvem na Terra, participando, por exemplo, da fotossíntese, fonte de carbono para formação da matéria que compõe as plantas terrestres e marinhas. Sabendo que a molécula de CO2 é apolar, podemos afirmar que as forças intermoleculares que unem as moléculas de CO2 são do tipo: a) iônico. b) ponte de hidrogênio. c) forças dipolo-dipolo. d) forças de London. e) forças dipolo-permanente. 2. A compreensão das interações intermoleculares é importante para a racionalização das propriedades físico-químicas macroscópicas, bem como para o entendimento dos processos de reconhecimento molecular que ocorrem nos sistemas biológicos. A tabela abaixo apresenta as temperaturas de ebulição (TE), para três líquidos à pressão atmosférica. Com relação aos dados apresentados na tabela acima, podemos afirmar que: as interações intermoleculares presentes na acetona são mais fortes que aquelas presentes na água. a) as interações intermoleculares presentes no etanol são mais fracas que aquelas presentes na acetona. b) dos três líquidos, a acetona é o que apresenta ligações de hidrogênio mais fortes. c) a magnitude das interações intermoleculares é a mesma para os três líquidos. d) as interações intermoleculares presentes no etanol são mais fracas que aquelas presentes na água. 85 3. A comunicação implica transmissão de informação. É o que acontece no processo de hereditariedade através do DNA, em que são passadas informações de geração em geração. A descoberta da estrutura do DNA, na metade do século XX, representou um grande avanço para a humanidade. Wilkins, Watson e Crick ganharam o Prêmio Nobel em 1962 por essa descoberta. Para que seja mantida a estrutura da dupla hélice do DNA, segundo as regras de Chargaff, existem ligações químicas entre pares das bases abaixo mostradas, observando-se, também, que os pares são sempre os mesmos. A representação simplificada da estrutura do DNA, vista ao lado, pode ser comparada a uma ―escada espiralada‖ (α-hélice), onde o tamanho dos degraus é sempre o mesmo e a largura da escada é perfeitamente constante. As bases estão ligadas ao corrimão da escada pelo nitrogênio assinalado com asterisco nas fórmulas abaixo. Considerando apenas as informações dadas em negrito, quais seriam as possíveis combinações entre as bases 1, 2, 3 e 4? a) base 1 com base 3, base 1 com base 4, base 2 com base 3 e base 2 com base 4 b) base 1 com base 2, base 1 com base 4, base 2 com base 3 e base 2 com base 4 c) base 1 com base 3, base 1 com base 4, base 3 com base 4 e base 2 com base 4 d) base 1 com base 1, base 2 com base 2, base 3 com base 3 e base 4 com base 4. e) devido as interações intermoleculares não existe possibilidade de combinações entre as bases. 86 4. Um dos testes realizados para a determinação da quantidadede álcool na gasolina é aquele em que se adiciona água à mesma, ocasionando a extração do álcool pela água. Isso pode ser explicado pelo fato de álcool e água possuírem: a) ligações covalentes simples e dativas. b) forças de atração por pontes de hidrogênio. c) forças de atração por forças de Van der Waals. d) o grupo OH- carboxila. e) moléculas apolares. 5. O gráfico a seguir foi construído com dados dos hidretos dos elementos do grupo 16. Com base neste gráfico, são feitas as afirmações seguintes. I. Os pontos P, Q, R e S no gráfico correspondem aos compostos H2Te, H2S, H2Se e H2O, respectivamente. II. Todos estes hidretos são gases a temperatura ambiente, exceto a água, que é líquida. III. Quando a água ferve, as ligações covalentes se rompem antes das intermoleculares. Das três afirmações apresentadas a) apenas I é verdadeira. b) apenas I e II são verdadeiras. c) apenas II é verdadeira. d) apenas I e III são verdadeiras. e) apenas III é verdadeiro 87 6. O conhecimento das estruturas das moléculas é um assunto bastante relevante, já que as formas das moléculas determinam propriedades das substâncias como odor, sabor, coloração e solubilidade. As Figuras apresentam as estruturas das moléculas CO2, H2O, NH3, CH4, H2S e PH3. Quanto às forças intermoleculares, a molécula que forma ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio) com a água é: a) H2S b) CH4 c) NH3. d) PH3. e) CO2. 7. Água e etanol são dois líquidos miscíveis em quaisquer proporções devido a ligações intermoleculares, denominadas: a) iônicas. b) pontes de hidrogênio. c) covalentes coordenadas. d) dipolo induzido - dipolo induzido. e) dipolo permanente. 8. Relativamente às substâncias HF e NaF, fazem-se as seguintes afirmações. [Dados: H (Z = 1); Na (1A) e F (7A)] I - Pertencem à mesma função inorgânica. II - Somente o HF forma pontes de hidrogênio. III - O HF é molecular enquanto o NaF é uma substância iônica. IV - Apresentam o mesmo tipo de ligação em sua estrutura. 88 São corretas apenas: a) I e IV. b) II e III. c) II e IV. d) I e II. e) I e III. 89 INTRODUÇÃO ÀS FUNÇÕES INORGÂNICAS 6.1 ÓXIDOS Exemplo: MgO onde o Mg tem NOX (número de oxidação) igual a +2 e o Oxigênio tem NOX igual a -2. Lembrando como vimos no item ligações químicas a soma das cargas (NOX) tem que ser igual a zero para um composto. Assim Mg O sendo um composto binário porque possui dois elementos Mg e O e também o oxigênio pela carga é o mais eletronegativo, assim atende a definição acima. Em outras palavras sempre que tiver um composto no qual direita tem o oxigênio e a esquerda tenha qualquer outro elemento desde que seja um elemento (não em número de átomos) acompanhando. Temos vários exemplos de óxidos, assim podemos citar alguns: Na O BaO CaO CO CO Fe O Em um óxido a ligação pode ser iônica ou covalente já que o oxigênio é um ametal. Quando o oxigênio se ligar a um ametal a ligação é covalente e quando o oxigênio se ligar a um metal a ligação é iônica. Os óxidos se dividem basicamente em óxidos neutros, óxidos básicos e óxidos ácidos ou anidridos. Também temos outros óxidos tais como os óxidos duplos e óxidos anfóteros. Vamos agora então conhecer um pouco mais do universo químico que envolve os óxidos. Óxidos são compostos binários contendo o oxigênio como elemento mais eletronegativo. UNIDADE 90 6.1.1 Óxidos Neutros Os óxidos neutros são aqueles que não apresentam um caráter determinado quando estão na sua forma, mas quando reage com o oxigênio formando outro tipo de óxido pode perder sim seu caráter de neutralidade. A substância base que reage com um óxido e produz o que de acordo é seu caráter é a água (H2O). Assim um óxido neutro não reage com a água. Como exemplos dos principais óxidos neutros temos: CO, N O e o NO. 6.1.2 Óxidos Básicos Os óxidos básicos são aqueles no qual o oxigênio combina com um metal para ser formado, e que ao reagir com a água (H O) forma uma base ou hidróxido como produto da uma reação. Exemplo: MgO, assim como vimos no item classificação periódica o Mg é um metal alcalino terroso. Então se é oxigênio com metal vai formar um óxido básico. Agora vamos ver sua reação com a água. 𝐌𝐠𝐎(𝐬)(𝐬) + 𝐇𝟐𝐎(𝐥) → 𝐌𝐠(𝐎𝐇)𝟐(𝐚𝐪) Observe que formou a substância 𝐌𝐠(𝐎𝐇)𝟐 que é uma base ou hidróxido. Embora veremos ainda nesse capítulo sobre as bases, vimos que atende ao critério, no entanto MgO é um óxido básico. Vejamos alguns exemplos de óxidos básicos: Na O BaO CaO Fe O Óxido neutro + H2O → não ocorre 91 6.1.3 Óxidos Ácidos ou Anidridos Os óxidos ácidos ou anidridos já são aqueles que o oxigênio combina com um ametal e quando reage com água forma um ácido. Como exemplos vamos citar o SO3, assim repare que o S é um ametal e combina como o oxigênio. Assim: SO ( ) + H O( ) → H SO ( ) Observe que o SO3 ao reagir com água formou o H2SO4(aq) que é um ácido muito conhecido, o ácido sulfúrico. Por isso classificamos como óxido ácido ou anidrido. Vejamos alguns exemplos de óxidos ácidos: CO Cl O SO 6.1.4 Óxidos Duplos ou Mistos Os óxidos duplos são aqueles que possui mais de um tipo de elemento diferente ou com o mesmo elemento, mas com o nox diferente. Como exemplo temos o Fe O que é formado pelo FeO e pelo Fe O , ou seja, em sua composição tem o Fe e o Fe , assim se somar o FeO com Fe O forma o Fe O . 6.1.5 Óxidos Anfóteros Não existem muitos metais anfóteros na tabela periódica, assim são poucos os óxidos anfóteros. No caso são óxidos que por ser formado com metais eram para reagir com água e formar bases, mas isso não ocorre e acabam formando ácidos. Como exemplo temo o Mn O , onde o Manganês é um metal e que ao reagir com água forma o ácido permangânico. Mn O ( ) + H O( ) → HMnO ( ) 92 No entanto observamos nesse caso que um é um óxido que era para ser básico e acaba apresentando caráter ácido. Mas fique tranquilo, são poucos casos. 6.1.6 Reação de Formação de um Óxido Para formar um óxido é necessário pegar a forma mais estável do elemento que quer formar o óxido na condição de substância simples e reagir com o gás oxigênio (O ). Vamos dar o exemplo da formação do CO2. No caso escolhemos um óxido que é formado com o carbono, então vamos pegar a forma simples mais estável que é o C( ). C( ) + O ( ) → CO ( ) Vamos para outro exemplo. Vamos formar um óxido agora sabendo apenas qual elemento vai reagir que no caso será o Cálcio, não sabemos a fórmula do composto. Assim a forma mais estável simples do Ca é o Ca( ) metálico. Então vamos pegar o Ca e reagir como oxigênio: Ca( ) + O ( ) → Substância simples é quando uma substância é formada por apenas um elemento tal como o O2, C(grafite) ou H2. Claro que a forma mais estável do cálcio não é o Ca metálico, mas fique atento que estamos falando da forma mais estável simples do elemento em questão. 93 Para saber qual o composto que forma vamos pegar o primeiro nox do elemento, no caso do cálcio ele só exibe quando é oxidado o +2 devido ele ser da família 2A. Então formule o óxido formado: Ca + 2O Como no caso as cargas são iguais, ao somar o resultado é zero. Assim quando o resultado é zero não é necessário cruzar as cargas como vimos em ligações químicas. No entanto o óxido formado é o CaO. Assim o resultado final da reação: Ca( ) + 1/2O ( ) →CaO( ) 6.1.7 Nomenclatura de Óxidos As nomenclaturas são distribuídas em oficial da IUPAC (União Internacional da Química Pura e Aplicada) e nomenclatura antiga. Vamos ver primeiro a oficial IUPAC. I – Elemento apresenta apenas um nox: ÓXIDO + DE + NOME DO ELEMENTO Exemplo: MgO – Óxido de Magnésio II – Elemento apresenta dois ou mais nox: ÓXIDO + DE + NOME DO ELEMENTO + NOX DO ELEMENTO EM ALGARISMO ROMANO ENTRE PARÊNTESE Exemplo: Fe O Sabendo que O é da família 6A então seu nox é -2, assim monta-se a equação 2 ferros, então ferro igual a X, 3 oxigênios então 3 multiplicado por – 2 e iguala a zero já que vimos que as cargas de um composto se anulam. 2X + 3(-2) = 0 Assim X = +3 94 No entanto a nomenclatura de Fe O é Óxido de Ferro (III). Agora vamos para a nomenclatura antiga. Para dar o nome aos óxidos segundo a nomenclatura antiga, devemos adotar o seguinte procedimento: I – Elemento possui 1 nox: Igual ao procedimento da nomenclatura oficial ÓXIDO + DE + NOME DO ELEMENTO Exemplo: Al O – Óxido de alumínio. II – Elemento possui 2 nox. ÓXIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO ICO PARA MAIOR NOX ÓXIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO OSO PARA MENOR NOX Exemplo: Fe O vimos que o Fe é +3. Nesse caso é o Óxido Férrico. FeO vimos que o Fe é +2. Nesse caso é o Óxido Ferroso. III – Quando o elemento apresenta 4 nox Se apresenta nox +1 então é: ÓXIDO + PREFIXO HIPO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO OSO Se o elemento apresenta nox +3: ÓXIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO OSO PARA MENOR NOX Se o elemento apresenta nox +5: ÓXIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO ICO PARA MAIOR NOX Se o elemento apresenta nox +7: ÓXIDO + PREFIXO PER + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO ICO 95 Como exemplo temos os óxidos do cloro, que são o Cl O, Cl O , Cl O e Cl O que assumem os seguintes nox respectivamente +1, +3, +5 e +7. Então as nomenclaturas ficam: Cl O – Óxido hipocloroso. Cl O – Óxido Cloroso. Cl O – Óxido Clórico. Cl O – Óxido perclórico. Observe que em alguns casos usamos o acento agudo apenas por uma questão fonética. 6.2 BASES OU HIDRÓXIDOS As bases ou hidróxidos são compostos que em meio aquoso (meio de água) liberam a presença de OH( ). OH é o ânion hidroxila que tem presença obrigatória em uma base inorgânica. Exemplo: NaOH( ) → Na( ) + OH( ) Observe que o NaOH sólido ao ser adicionado em meio aquoso liberou o íon OH( ) hidroxila que é um ânion. Uma base formada dos metais da família 1A e 2A são fortes e as demais bases são consideradas bases fracas. Sua força está associada ao seu grau de dissociação, ou seja, qual o percentual de hidroxila libera em meio de água. Na nomenclatura de um óxido ácido a palavra óxido pode ser substituída por anidrido, assim o óxido perclórico por exemplo pode ser denominado anidrido perclórico. Mas atenção, apenas para os óxidos ácidos. 96 6.2.1 Reação de Obtenção de uma Base Para obter uma base é necessário reagir um óxido básico com água, vejamos o exemplo: Na O( ) + H O( ) → NaOH( ) Assim qualquer óxido básico que reagir com uma água vai formar um hidróxido em reação similar. Lembrando que no final é necessário fazer o balanço do nox do elemento que está combinando com a hidroxila. O nox da hidroxila sempre -1 então quando cátion não é +1 zerando é necessário cruzar a cargas para fazer o balaço. 6.2.2 Nomenclatura de Hidróxidos Para dar nome aos hidróxidos, usamos as mesmas regras de óxidos, ou seja, tem a nomenclatura oficial e a nomenclatura antiga. No caso, em vez de usar a palavra óxido iremos usar a palavra hidróxido. No entanto o Na O( ) que é o óxido de sódio pois só assume um nox, ao reagir com água forma NaOH que é o hidróxido de sódio, observe que só trocou a palavra óxido por hidróxido. Assim se o Fe O que é o óxido de ferro (III) na nomenclatura oficial e o óxido férrico na nomenclatura antiga, ao reagir com água forma o Fe (OH) que é o hidróxido de ferro (III) na nomenclatura oficial e hidróxido férrico na nomenclatura antiga. 6.3 ÁCIDOS Os ácidos inorgânicos são substâncias largamente empregadas no nosso cotidiano. Os ácidos também são muito importantes para a compreensão das demais funções inorgânicas. Vejamos a definição. Quando em meio de água: HCl( ) → H( ) + Cl( ) , Esse processo é denominado de ionização, todo ácido se ioniza devido ao fato do composto ser molecular a Segundo Arrhenius ácidos são substâncias que em meio aquoso liberam o íon H+. 97 ligação química é quebrada e o elemento mais eletronegativo fica com o elétron do hidrogênio assim o ionizando. É comum errar dizendo que foi uma dissociação, mas é só lembrar que dissociar é separar aquilo que já existe, no entanto em um composto iônico se dissocia, já nos ácidos que são moleculares ioniza-se. Entre os ácidos existem dois tipos que são os Hidrácidos e os Oxiácidos. 6.3.1 Hidrácidos São ácidos que não contêm oxigênio. Como exemplo podemos citar o HCl, HF, HCN e outros. Uma reação de formação de um hidrácido se dá por meio da reação da substância simples com o gás hidrogênio. H ( ) + Cl ( ) → 2HCl Para avaliar a força de um hidrácido é necessário saber que: Forte: HCl, HBr ou HI; Moderado: HF Fraco: Todos os outros Hidrácidos. A nomenclatura dos Hidrácidos segue a seguinte regra: ÁCIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO ÍDRICO Então, HCl, como não tem oxigênio é um hidrácido. Aplica-se a regra de nomenclatura para hidrácidos. Como ele é um ácido com o elemento cloro o nome será Ácido Clorídrico. H S – Ácido Sulfídrico. Lembrando que alguns elementos como no caso o enxofre utiliza-se se nome em latim que é súlfur (sulphur). 6.3.2 Oxiácidos Os Oxiácidos são ácidos que contêm oxigênio, no entanto já são derivados dos óxidos ácidos ou anidridos que aprendemos no tópico óxidos. Como exemplo de ácidos Oxiácidos temos o H SO , HNO , H PO dentre vários outros. Como reação de obtenção de um ácido oxiácido é necessário saber qual 98 ácido precisa formular. Assim se quer formular o ácido sulfúrico então é só selecionar o óxido correspondente que é o óxido sulfúrico e reagir com H O. SO ( ) + H O( ) → H SO ( ) Para avaliar a força de um ácido oxiácido é necessário saber o Ka do ácido, mas como equilíbrio iônico só será ensinado mais à frente, então existe uma regra que funciona bem. Faça o cálculo do número de oxigênio – o número de hidrogênios presentes no ácido oxiácido: n°O – n°H = Se o resultado for zero, o ácido é fraco. Se o resultado for 1 ele é moderado. Se o resultado for ≥ 2 o ácido é forte. Exemplo: 𝐇𝟐𝐒𝐎𝟒 então, 4-2= 2, como o resultado foi 2 o ácido é forte. A nomenclatura dos ácidos Oxiácidos seguem a mesma regra dos óxidos ácidos que aprendemos, até mesmo porque os ácidos Oxiácidos são derivados dos óxidos ácidos. Lembre-se, em vez de utilizar a palavra óxido irá usar ácido já que mudou a função. Exemplo: SO3, óxido sulfúrico, se transforma em H2SO4, então é o ácido sulfúrico. O enxofre vale +6 nos dois casos, por isso a terminação ico nos dois casos. SO2, óxido sulfuroso, se transforma em H2SO3, então é o ácido sulfuroso. O enxofre vale +4 nos dois casos, por isso a terminação oso nos dois casos. N2O5, Óxido nítrico, se transforma em HNO3, então é o ácido nítrico. O nitrogênio vale +5 nos dois casos, por isso a terminação ico nos dois casos. Cl2O7, Óxido perclórico, se transforma em HClO4, então ácido perclórico. O cloro vale +7 nos dois casos, por isso o prefixo per e a terminação ico nos dois casos. Então: ÁCIDO + NOME DO ELEMENTO + TERMINAÇÃO ICO PARA MAIOR NOX ÁCIDO + NOME DO ELEMENTO+ TERMINAÇÃO OSO PARA MENOR NOX 99 6.4 SAIS Um sal é o produto da neutralização entre um ácido e uma base. Em uma reação entre um sal e uma base, sempre terá como produto sal e água. HCl + NaOH → NaCl + H O H SO + KOH → K SO + H O HNO + Mg(OH) → Mg(NO ) + H O Assim NaCl, K SO e Mg(NO ) são sais. Um sal ao colocar em meio aquoso é dissociado em íons, aqui ocorre a dissociação e não ionização porque o sal é um composto iônico e não molecular. Veja abaixo. Em meio aquoso: NaCl( ) → Na( ) + Cl( ). Observe que os íons foram separados em Na e Cl 6.3.3 Nomenclatura de Sais Para dar nome a um sal é necessário saber de qual ácido ele é proveniente, assim de o ácido terminar em ídrico, transforma-se a nomenclatura do ânion proveniente em eto, se o ácido terminar em oso, transforma-se a nomenclatura do ânion proveniente em ito, e caso o ácido termine em ico, transforma-se a nomenclatura do ânion proveniente em ato. Mas para dar nome não basta apenas o ânion. Também é necessário nomear o cátion. Para nomear o cátion podemos usar a regra oficial que empregamos nos óxidos, quando só tem um nox apenas empregue o nome, se tiver mais de um nox empregue o nox entre parêntese em algarismos romanos, ou podemos usar a nomenclatura antiga empregando o oso e ico. Exemplo: NaCl: Cl é um ânion proveniente do HCl, então se é o ácido clorídrico, ídrico conforme vimos vira eto, já o cátion é o Na que só tem um nox, usa-se apenas o nome do elemento. 100 Então NaCl é o Cloreto de sódio. CaSO : SO é um ânion proveniente do H SO , então se é o ácido sulfúrico, ico conforme vimos vira ato, já o cátion é o Ca+2 que só tem um nox, usa-se apenas o nome do elemento. Então CaSO é o Sulfato de cálcio. Fe(NO ) : NO é um ânion proveniente do HNO , então se é o ácido nitroso, oso conforme vimos vira ito, já o cátion é o Fe e o ferro pode assumir o nox +2 ou +3, assim emprega-se a oficial com algarismo romano ou a antiga com oso e ico. Então Fe(NO ) é o Nitrito de Ferro (II) ou Nitrito Ferroso IDRICO → ETO OSO → ITO ICO → ATO 101 FIXANDO O CONTEÚDO 1. O estômago produz o suco gástrico de caráter ácido para digerir os alimentos ingeridos pelo indivíduo, porém em alguns casos, tais como doença ou stress, há uma produção excessiva de suco podendo causar a gastrite ou úlcera. Em casos de produção excessiva, além de uma mudança na dieta alimentar o médico poderá indicar uma medicação de caráter básico, tendo como PRODUTO da ingestão do medicamento um: a) Ácido e base. b) Óxido neutro e água. c) Sal e óxido neutro. d) Sal e água. e) Anidrido e água. 2. O Bicarbonato é tradicionalmente usado por algumas pessoas para combater a azia estomacal. Sabendo que o suco gástrico é composto principalmente pelo HCl, podemos dizer que o Bicarbonato de sódio CORRESPONDE a um: a) Óxido básico. b) Sal neutro. c) Sal ácido. d) Sal básico. e) Hidróxido 3. Durante as férias na fazenda do seu avô, Gabriel, por ser um menino muito levado acabou brincando com uma casa de abelhas e foi picado. Sabendo que a dor é causada pela presença de ácidos orgânicos, dentre eles o ácido fórmico, imediatamente o seu pai pegou uma solução de bicarbonato de sódio e passou no local da picada, aliviando a dor. Com base no enunciado é CORRETO afirmar que o bicarbonato de sódio é: a) Um sal de comportamento básico. b) Um ácido muito fraco. 102 c) Um base ou hidróxido forte. d) Um sal de comportamento ácido. e) Um hidróxido fraco. 4. Observe a tabela Ácido Grau de ionização (α) HF 8% HCN 0,008% H2SO4 61% H3PO4 27% Em relação a esses dados podemos afirmar, EXCETO: a) O ácido HF é monoprótico e o mais forte em relação aos outros. b) O ácido Sulfúrico é diprótico é muito forte e mais reativo que o Fluorídrico. c) O ácido Fosfórico é triprótico e menos reativo que o Sulfúrico. d) O ácido Cianídrico é monoprótico e pouco reativo. e) O HF é monoprótico e mais fraco que o sulfúrico. 5. Todos os compostos abaixo têm caráter ácido, EXCETO: a) CO2, HNO3, SO2. b) CO2, CaO, SO2. c) CO2, HNO2, SO2. d) H2S, H2SO4, SO2. e) HNO3, SO2, H2S 6. Além do efeito estufa, a chuva ácida vem sendo um dos maiores problemas ambientais da atualidade, e seu agravamento teve início a partir da Revolução Industrial, com a queima acentuada de combustíveis fósseis, dentre eles o carvão e o petróleo. O PRINCIPAL componente dos combustíveis que aumentam a acidez da chuva é o: 103 a) carbono. b) enxofre. c) oxigênio. d) nitrogênio. e) Fósforo. 7. A reação da hematita (fórmula química Fe2O3) com monóxido de carbono (CO) em alto-forno representa o processo industrial para a obtenção do ferro metálico (Fe), que, após resfriamento, solidifica-se. Fe2O3 (s) + CO (g) Fe (s) + CO2 (g) Em relação a esse processo podemos afirmar, EXCETO: a) A hematita é um óxido de caráter básico. b) O dióxido de carbono é um óxido de caráter ácido. c) O monóxido de carbono é um óxido neutro. d) O monóxido de carbono forma um ácido em meio aquoso. e) O ferro produzido é caracterizado por conter ligações metálicas 8. A opção que CORRESPONDE ao ácido perclórico é: a) HClO. b) HCl2O. c) HClO4. d) HClO3. e) HCl. 104 RESPOSTAS DO FIXANDO O CONTEÚDO UNIDADE 01 UNIDADE 02 QUESTÃO 1 E QUESTÃO 1 E QUESTÃO 2 C QUESTÃO 2 A QUESTÃO 3 B QUESTÃO 3 E QUESTÃO 4 C QUESTÃO 4 E QUESTÃO 5 B QUESTÃO 5 D QUESTÃO 6 A QUESTÃO 6 D QUESTÃO 7 C QUESTÃO 7 B QUESTÃO 8 A QUESTÃO 8 A UNIDADE 03 UNIDADE 04 QUESTÃO 1 C QUESTÃO 1 B QUESTÃO 2 D QUESTÃO 2 D QUESTÃO 3 D QUESTÃO 3 E QUESTÃO 4 C QUESTÃO 4 D QUESTÃO 5 D QUESTÃO 5 D QUESTÃO 6 B QUESTÃO 6 A QUESTÃO 7 D QUESTÃO 7 D QUESTÃO 8 D QUESTÃO 8 C UNIDADE 05 UNIDADE 06 QUESTÃO 1 D QUESTÃO 1 D QUESTÃO 2 E QUESTÃO 2 D QUESTÃO 3 A QUESTÃO 3 A QUESTÃO 4 B QUESTÃO 4 A QUESTÃO 5 C QUESTÃO 5 B QUESTÃO 6 C QUESTÃO 6 B QUESTÃO 7 B QUESTÃO 7 D QUESTÃO 8 B QUESTÃO 8 C 105 REFERÊNCIAS ATKINS, P. Físico-Química: Fundamentos. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003. 476 p. BATISTA, C. Famílias da tabela periódica. Toda Matéria, 2019. Disponível em: https://bit.ly/2ZL7L1Q. Acesso em: 21 jan. 2020. 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