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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 estão
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