Química geral aplicada à engenharia – Tradução da 3ª edição norte-americana

Lawrence S. Brown | Thomas A. Holme

Lawrence S. Brown | Thomas A. Holme Tradução da 3a edição norte-americana

aplicada à engenharia

Geral aplicada à engenharia

9 7 8 8 5 2 2 11 8 2 0 5

Tradução da 8a edição norte-americana

Steven S. Zumdahl Donald J. DeCoste

Introdução à química geral, orgânica e bioquímica Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim William H. Brown Mary K. Campbell Shawn O. Farrell

Tradução da 6a edição norte-americana

John C. Kotz Paul M. Treichel Gabriela C. Weaver

Química geral e reações químicas vol. 2

Tradução da 6a edição norte-americana

John C. Kotz Paul M. Treichel Gabriela C. Weaver

ISBN 13 978-85-221-1820-5 ISBN 10 85-221-1820-5

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Introdução à química: fundamentos

Química geral e reações químicas vol. 1

Lawrence S. Brown Thomas A. Holme

Aplicações: Livro-texto para as disciplinas de química geral nos cursos técnicos das áreas tecnológica e cursos de graduação em Química e em Engenharia.

Química

Tradução da 3a edição norte-americana

O objetivo desta obra é mostrar a abrangência da química em relação a muitas áreas da engenharia e tecnologia, proporcionando conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que dão suporte à ciência dos materiais.

Química geral aplicada à engenharia apresenta uma introdução concisa, mas consistente, do tema, ampliando o papel da química para muitas áreas da engenharia e da tecnologia moderna. Além disso, mostra a relação entre a química e as outras disciplinas estudadas pelos alunos de engenharia, como matemática e física.

Esta nova edição traz atualizações dos recursos didáticos presentes na edição anterior, como as seções “Por dentro de”, “Problema-modelo” e melhoria nas imagens; foram acrescentados também inúmeros problemas mais desafiadores em vários capítulos, notas de margem e um novo capítulo sobre química nuclear.

Química Geral

Geral

aplicada à engenharia

Química

Tradução da 3a edição norte-americana

Sobre os autores

Cortesia de Lawrence Brown/photo de Sherry Yennello

Larry Brown é membro do corpo docente da Texas A&M University desde 1988 e, em 2013, recebeu o prêmio Presidential Professor for Teaching Excelence. Brown obteve seu diploma de Bacharelado em 1981, pelo Instituto Politécnico de Rensselaer; o mestrado, em 1983; e o doutorado, em 1986, pela Princeton University. Durante a pós-graduação, trabalhou na Alemanha Ocidental. Foi bolsista de pós-doutorado na University of Chicago, de 1986 a 1988, quando iniciou sua carreira como professor na Texas A&M. Durante esses anos, lecionou química geral para mais de 14 mil alunos, a maioria estudantes de engenharia. Seu talento em ensinar foi reconhecido por meio de prêmios da Associação de Ex-alunos da Texas A&M, tanto no nível do ensino médio quanto universitário. Uma versão da aula de Larry Brown é transmitida pela KAMU-TV, uma afiliada da PBS da Estação da Escola e está atualmente disponível no iTunesU. De 2001 a 2004, atuou como representante do Programa para a Educação e Pesquisa Interdisciplinar, na Divisão de Física da Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos. Também coordenou as disciplinas de química para o programa de engenharia em Doha, Qatar. Quando não está ensinando química, gosta de andar de bicicleta e jogar futebol com a filha, Stephanie.

Cortesia de Thomas Holme/photo de Dennis Salisbury

Tom Holme é professor de química na Iowa State University e diretor do Instituto de Exame da ACS. Obteve seu Bacaharelado em 1983, pelo Loras College, e seu doutorado, em 1987, pela Universidade de Rice. Holme começou sua carreira de professor como bolsista da Fulbright na Zâmbia, África, e viveu também em Jerusalém, Israel, e Suwon, na Coreia do Sul. É bolsista da American Chemical Society e da American Association for the Advancement of Science. Seus interesses em pesquisa estão na química computacional, particularmente no entendimento de processos importantes para o crescimento de vegetais. Atua ativamente na pesquisa de educação química e está envolvido com a disciplina de química geral para engenheiros tanto na Iowa State University quanto na University of Wiscosin-Milwaukee, onde foi professor do Departamento de Química e Bioquímica. Recebeu várias verbas para pesquisa da Fundação Nacional de Ciência para planejar novos métodos de avaliação para essa disciplina – a seção Enfoque na resolução de problemas deste livro origina-se do projeto citado. Holme atuou como editor associado na enciclopédia Chemistry foundations and applications. Também é o editor-chefe do manual de laboratório para o novo currículo de química aplicada. Em 1999, ganhou o Prêmio Helen Free para Excelência Pública da ACS, em razão de suas demonstrações ao vivo na televisão, na região de Milwaukee.

v

Sumário

1

Introdução à química 1 1.1

por dentro DE Alumínio................................................................................................................2

1.2

O estudo da química........................................................................................................................4 A perspectiva macroscópica...........................................................................................................................4 A perspectiva microscópica ou particulada..................................................................................................6 Representação simbólica................................................................................................................................9

1.3 A ciência da química: observações e modelos...................................................................................10 As observações na ciência............................................................................................................................10 Interpretando as observações......................................................................................................................12 Modelos na ciência.......................................................................................................................................12 1.4

Números e medições na química...................................................................................................13 Unidades.......................................................................................................................................................14 Números e algarismos significativos............................................................................................................17

1.5

Soluções de problemas na química e na engenharia.....................................................................19 Utilizando proporções..................................................................................................................................20 Proporções em cálculos químicos................................................................................................................21 Problemas de química conceitual...............................................................................................................23 A visualização na química...........................................................................................................................24

1.6

por dentro de Seleção de material e quadros de bicicletas .......................................................26 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................... 27 Resumo................................................................................................................................................... 28 Termos-chave......................................................................................................................................... 29 Problemas e exercícios........................................................................................................................... 29

2. Átomos e moléculas 33 2.1

por dentro DE Polímeros............................................................................................................34

2.2

Estrutura atômica e massa.............................................................................................................35 Conceitos fundamentais do átomo..............................................................................................................36 Número atômico e número de massa.........................................................................................................37 vii

Isótopos.........................................................................................................................................................38 Símbolos atômicos........................................................................................................................................39 Massas atômicas...........................................................................................................................................40 2.3

Íons................................................................................................................................................42 Descrição matemática..................................................................................................................................42 Íons e suas propriedades..............................................................................................................................43

2.4

Compostos e ligações químicas......................................................................................................44 Fórmulas químicas.......................................................................................................................................44 Ligação química...........................................................................................................................................46

2.5

A tabela periódica..........................................................................................................................48 Períodos e grupos..........................................................................................................................................49 Metais, ametais e metaloides.......................................................................................................................51

2.6

Química inorgânica e orgânica......................................................................................................52 Química inorgânica – grupos representativos principais e metais de transição......................................52 Química orgânica.........................................................................................................................................53 Grupos funcionais.........................................................................................................................................56

2.7

Nomenclatura química..................................................................................................................57 Sistemas binários..........................................................................................................................................58 Nomeando compostos covalentes................................................................................................................58 Nomeando compostos iônicos.....................................................................................................................59

2.8

por dentro DE Polietileno ..........................................................................................................61 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................... 63 Resumo................................................................................................................................................... 63 Termos-chave......................................................................................................................................... 64 Problemas e exercícios........................................................................................................................... 64

3. Moléculas, mols e equações químicas 69 3.1

por dentro DE Engenharia de biomassa e biocombustíveis .......................................................70

3.2

Fórmulas e equações químicas......................................................................................................72 Escrevendo equações químicas....................................................................................................................72 Balanceando equações químicas................................................................................................................74

3.3

Soluções aquosas e equações iônicas líquidas...............................................................................78 Soluções, solventes e solutos........................................................................................................................79 Equações químicas para reações aquosas..................................................................................................83 Reações ácido-base.......................................................................................................................................84

3.4

Interpretando equações e mol.......................................................................................................88 Interpretando equações químicas...............................................................................................................88 Número de Avogadro e o mol......................................................................................................................88 Determinando a massa molar.....................................................................................................................90

viii

Química geral aplicada à engenharia

3.5

Cálculos utilizando mols e massas molares....................................................................................91 Análise elementar: determinando as fórmulas empíricas e moleculares..................................................93 Concentração em quantidade de matéria..................................................................................................96 Diluição ........................................................................................................................................................97

3.6

por dentro DE Sequestro de carbono..........................................................................................99 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 100 Resumo................................................................................................................................................. 101 Termos-chave....................................................................................................................................... 101 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 102

4. Estequiometria 108 4.1

por dentro DE Gasolina e outros combustíveis.........................................................................109

4.2

Fundamentos de estequiometria.................................................................................................112 Obtendo proporções a partir de uma equação química balanceada.....................................................113

4.3

Reagentes limitantes....................................................................................................................117

4.4

Rendimentos teóricos e percentuais ...........................................................................................122

4.5

Estequiometria de solução ..........................................................................................................124

4.6

por dentro DE Combustíveis alternativos e aditivos de combustível........................................127 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 129 Resumo................................................................................................................................................. 130 Termos-chave....................................................................................................................................... 130 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 131

5. Gases 138 5.1

por dentro DE Poluição do ar...................................................................................................139 Propriedades dos gases...............................................................................................................................141

5.2

Pressão.........................................................................................................................................142 Medindo a pressão......................................................................................................................................143 Unidades de pressão...................................................................................................................................144

5.3

História e aplicação da lei dos gases............................................................................................145 Unidades e a lei de gás ideal.....................................................................................................................148

5.4 Pressão parcial.............................................................................................................................149 5.5 Estequiometria de reações envolvendo gases ......................................................................................... 152 Condições padrão de temperatura e pressão ...........................................................................................153 5.6 Teoria cinética molecular e gases ideais versus gases reais...........................................................154 Postulados do modelo................................................................................................................................154 Gases reais e limitações da teoria cinética................................................................................................158 Corrigindo a equação de gás ideal............................................................................................................159 Sumário

ix

5.7

por dentro DE Sensores de gás..................................................................................................161 Manômetro de capacitância......................................................................................................................161 Calibrador termoacoplado.........................................................................................................................162 Calibrador de ionização.............................................................................................................................163 Espectrômetro de massas...........................................................................................................................163 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 164 Resumo................................................................................................................................................. 165 Termos-chave....................................................................................................................................... 165 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 166

6. A tabela periódica e a estrutura atômica 172 6.1

por dentro DE Análises de traços .............................................................................................173

6.2

Espectro eletromagnético.............................................................................................................175 A natureza ondulatória da luz..................................................................................................................175 A natureza particulada da luz..................................................................................................................180

6.3

Espectros atômicos.......................................................................................................................184 O átomo de Bohr........................................................................................................................................186

6.4

Modelo atômico da mecânica quântica.......................................................................................187 Energia potencial e orbitais.......................................................................................................................188 Números quânticos.....................................................................................................................................189 Visualização de orbitais.............................................................................................................................192

6.5

P rincípio da exclusão de Pauli e as configurações eletrônicas.....................................................195 Energias de orbitais e configurações eletrônicas.......................................................................................195 Regra de Hund e o princípio da edificação (aufbau)................................................................................197

6.6

T abela periódica e as configurações eletrônicas ................................................................................................199

6.7

Tendências periódicas nas propriedades atômicas .......................................................................... 200 Tamanho atômico......................................................................................................................................200 Energia de ionização..................................................................................................................................202 Afinidade eletrônica...................................................................................................................................203

6.8

por dentro DE Fontes modernas de luz: LEDs e lasers .............................................................205 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 207 Resumo................................................................................................................................................. 208 Termos-chave....................................................................................................................................... 208 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 209

7. Ligação química e estrutura molecular 213 7.1

x

por dentro DE Materiais para a engenharia biomédica ...........................................................214

Química geral aplicada à engenharia

7.2

Ligação iônica..............................................................................................................................215 Formação de cátions..................................................................................................................................215 Formação de ânions...................................................................................................................................217

7.3

Ligação covalente.........................................................................................................................220 Ligações químicas e energia.......................................................................................................................220 Ligações químicas e reações.......................................................................................................................221 Ligações químicas e a estrutura de moléculas..........................................................................................222

7.4

Eletronegatividade e polaridade da ligação ................................................................................224 Eletronegatividade......................................................................................................................................224 Polaridade da ligação................................................................................................................................224

7.5

Mantendo o rastro da ligação: estruturas de Lewis........................................................................... 227 Ressonância................................................................................................................................................232

7.6 Superposição de orbitais e ligação química ................................................................................234 7.7

Orbitais híbridos...........................................................................................................................236

7.8

Arranjos das moléculas ...............................................................................................................238

7.9 por dentro DE Engenharia em escala molecular para a entrega de medicamentos ................245 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 246 Resumo................................................................................................................................................. 247 Termos-chave....................................................................................................................................... 247 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 248

8. Moléculas e materiais 252 8.1

por dentro DE Carbono.............................................................................................................253

8.2

Fases condensadas – sólidos .......................................................................................................255

8.3

Ligações nos sólidos: metais, isolantes e semicondutores ...........................................................261 Modelos de ligação metálica .....................................................................................................................261 Teoria de banda e condutividade..............................................................................................................264 Semicondutores...........................................................................................................................................264

8.4

Forças intermoleculares ..............................................................................................................268 Forças entre moléculas...............................................................................................................................268 Forças de dispersão.....................................................................................................................................268 Forças dipolo-dipolo...................................................................................................................................270 Ligação de hidrogênio................................................................................................................................271

8.5

Fases condensadas – líquidos ......................................................................................................273 Pressão de vapor.........................................................................................................................................273 Ponto de ebulição.......................................................................................................................................275 Tensão superficial.......................................................................................................................................276

8.6

Polímeros ....................................................................................................................................277

Sumário

xi

Polímeros de adição...................................................................................................................................278 Polímeros de condensação.........................................................................................................................280 Copolímeros................................................................................................................................................282 Propriedades físicas ...................................................................................................................................283 Polímeros e aditivos...................................................................................................................................284 8.7

por dentro DE Sistemas microelétricos-mecânicos (MEMS) ......................................................284 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 286 Resumo ................................................................................................................................................ 286 Termos-chave....................................................................................................................................... 287 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 287

9. Energia e química 291 9.1

por dentro DE O uso de energia e a economia mundial ..........................................................292

9.2

Definindo energia .......................................................................................................................295 Formas de energia......................................................................................................................................295 Calor e trabalho..........................................................................................................................................296 Unidades de energia...................................................................................................................................296

9.3

T ransformação de energia e conservação de energia...................................................................297 Desperdício de energia...............................................................................................................................299

9.4

Capacidade calorífica e calorimetria ...........................................................................................300 Capacidade calorífica e calor específico....................................................................................................301 Calorimetria................................................................................................................................................304

9.5

Entalpia .......................................................................................................................................306 Definindo entalpia......................................................................................................................................306 H de mudanças de fases..........................................................................................................................307 Vaporização e produção de eletricidade...................................................................................................310 Calor de reação...........................................................................................................................................311 Ligações e energia.......................................................................................................................................311 Calores de reação para algumas reações específicas................................................................................312

9.6

Lei de Hess e calores de reação ...................................................................................................313 Lei de Hess...................................................................................................................................................313 Reações de formação e lei de Hess.............................................................................................................315

9.7

Energia e estequiometria ............................................................................................................317 Densidade de energia e combustíveis........................................................................................................319

9.8

por dentro DE Distribuição de energia e a grade elétrica ........................................................319 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 321 Resumo................................................................................................................................................. 322

xii

Química geral aplicada à engenharia

Termos-chave....................................................................................................................................... 323 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 323

10. Entropia e a segunda lei da termodinâmica 329 10.1 por dentro DE Reciclagem de plásticos.....................................................................................330 10.2 Espontaneidade ...........................................................................................................................331 Sentido da natureza...................................................................................................................................331 Processos espontâneos................................................................................................................................332 Entalpia e espontaneidade........................................................................................................................333 10.3 Entropia.......................................................................................................................................333 Probabilidade e variação espontânea.......................................................................................................334 Definição de entropia.................................................................................................................................335 Julgando as variações de entropia nos processos.....................................................................................336 10.4 A segunda lei da termodinâmica .................................................................................................337 A segunda lei...............................................................................................................................................337 Implicações e aplicações............................................................................................................................338 10.5 A terceira lei da termodinâmica...................................................................................................339 10.6 Energia livre de Gibbs ..................................................................................................................341 Energia livre e variação espontânea..........................................................................................................341 Energia livre e trabalho..............................................................................................................................344 10.7 Energia livre e reações químicas .................................................................................................345 Implicações de G° para uma reação.......................................................................................................346 10.8 por dentro DE O sistema econômico da reciclagem ................................................................347 Enfoque na resolução de problemas ................................................................................................. 351 Resumo ................................................................................................................................................ 351 Termos-chave ...................................................................................................................................... 351 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 352

11. Cinética química 360 11.1 por dentro DE A destruição do ozônio .....................................................................................361 11.2 Velocidades de reações químicas ................................................................................................363 Conceito de velocidade e velocidades de reação.......................................................................................363 Estequiometria e velocidade......................................................................................................................364 Velocidade média e velocidade instantânea.............................................................................................366 11.3 Leis de velocidade e a dependência da concentração em relação às velocidades........................367 A lei de velocidade......................................................................................................................................367 Determinação da lei de velocidade...........................................................................................................369

Sumário

xiii

11.4 Leis de velocidade integrada........................................................................................................371 Lei de velocidade integrada de ordem zero..............................................................................................372 Lei de velocidade integrada de primeira ordem.......................................................................................373 Lei de velocidade integrada de segunda ordem........................................................................................375 Meia-vida....................................................................................................................................................378 11.5 Temperatura e cinética ...............................................................................................................380 Efeitos da temperatura e moléculas que reagem......................................................................................380 Comportamento de Arrhenius ..................................................................................................................382 11.6 Mecanismos de reação.................................................................................................................387 Etapas elementares e mecanismos de reação...........................................................................................388 Mecanismos e velocidade: a etapa determinante de velocidade ............................................................390 11.7 Catálise.........................................................................................................................................391 Catalisadores homogêneos e heterogêneos...............................................................................................391 Perspectiva molecular da catálise ............................................................................................................392 Catálise e engenharia de processos ...........................................................................................................393 11.8 por dentro DE O ozônio troposférico.......................................................................................393 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 396 Resumo................................................................................................................................................. 396 Termos-chave....................................................................................................................................... 397 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 397

12. Equilíbrio químico 407 12.1 por dentro DE Produção e desgaste do concreto .....................................................................408 12.2 Equilíbrio químico ......................................................................................................................410 Reações diretas e inversas..........................................................................................................................410 Relações matemáticas................................................................................................................................413 12.3 Constantes de equilíbrio .............................................................................................................414 A expressão de equilíbrio (ação da massa)................................................................................................414 Equilíbrios de fase gasosa: Kp versus Kc.....................................................................................................415 Equilíbrios homogêneos e heterogêneos....................................................................................................416 Importância numérica da expressão de equilíbrio...................................................................................417 Manipulação matemática de constantes de equilíbrio ...........................................................................418 Invertendo a equação química .................................................................................................................418 Ajustando a estequiometria da reação química.......................................................................................419 Constantes de equilíbrio para uma série de reações ...............................................................................420 Unidades e a constante de equilíbrio........................................................................................................421 12.4 Concentrações no equilíbrio ........................................................................................................421 Concentrações no equilíbrio a partir das concentrações iniciais.............................................................422 Técnicas matemáticas para cálculos de equilíbrio...................................................................................425

xiv

Química geral aplicada à engenharia

12.5 Princípio de LeChatelier ..............................................................................................................426 O efeito no equilíbrio de uma variação na concentração de reagente ou produto................................426 O efeito no equilíbrio de uma variação na pressão quando estão presentes gases................................428 O efeito no equilíbrio de uma variação na temperatura.........................................................................430 Efeito de um catalisador no equilíbrio......................................................................................................431 12.6 Equilíbrios de solubilidade...........................................................................................................431 Constante do produto de solubilidade......................................................................................................431 Definindo a constante do produto de solubilidade..................................................................................432 A relação entre Kps e a solubilidade molar................................................................................................432 Efeito do íon comum..................................................................................................................................434 Confiabilidade no uso de concentrações em quantidade de matéria.....................................................435 12.7 Ácidos e bases .............................................................................................................................435 A teoria de Brønsted-Lowry de ácidos e bases...........................................................................................436 O papel da água na teoria de Brønsted-Lowry.........................................................................................436 Ácidos e bases fracos...................................................................................................................................437 12.8 Energia livre e equilíbrio químico ...............................................................................................441 Perspectiva gráfica......................................................................................................................................441 Energia livre e condições não-padrão ......................................................................................................442 12.9 por dentro DE Concreto flexível ...............................................................................................443 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 445 Resumo................................................................................................................................................. 446 Termos-chave....................................................................................................................................... 446 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 446

13. Eletroquímica 454 13.1 por dentro DE Corrosão ...........................................................................................................455 13.2 Reações de oxirredução e células galvânicas................................................................................456 Reações de oxirredução e semirreações.....................................................................................................456 Construindo uma célula galvânica............................................................................................................458 Terminologia para células galvânicas.......................................................................................................459 Perspectiva atômica das células galvânicas..............................................................................................460 Corrosão galvânica e corrosão uniforme...................................................................................................461 13.3 Potenciais da célula.....................................................................................................................462 Medindo o potencial da célula..................................................................................................................462 Potenciais padrão de redução...................................................................................................................465 Proteção catódica.......................................................................................................................................468 Condições não padrão................................................................................................................................468 13.4 Potenciais da célula e equilíbrio..................................................................................................470 Potenciais da célula e energia livre...........................................................................................................470 Constantes de equilíbrio.............................................................................................................................471 Sumário

xv

13.5 Baterias........................................................................................................................................472 Células primárias........................................................................................................................................473 Células secundárias....................................................................................................................................475 Células de combustível...............................................................................................................................477 Limitações das baterias..............................................................................................................................478 13.6 Eletrólise .....................................................................................................................................478 Eletrólise e polaridade................................................................................................................................479 Eletrólise passiva no refino de alumínio...................................................................................................479 Eletrólise ativa e galvanoplastia................................................................................................................480 13.7 Eletrólise e estequiometria...........................................................................................................482 Corrente e carga..........................................................................................................................................482 Cálculos com a utilização de massas de substâncias na eletrólise..........................................................484 13.8 por dentro DE Baterias no projeto de engenharia ...................................................................485 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 487 Resumo................................................................................................................................................. 488 Termos-chave....................................................................................................................................... 488 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 489

14. Química nuclear 495 14.1 por dentro DE Raios cósmicos e datação de carbono ..............................................................496 14.2 Radioatividade e reações nucleares.............................................................................................497 Decaimento radioativo...............................................................................................................................497 Decaimento alfa.........................................................................................................................................498 Decaimento beta........................................................................................................................................499 Decaimento gama......................................................................................................................................500 Captura de elétrons....................................................................................................................................501 Emissão de pósitron....................................................................................................................................501 14.3 Cinética do decaimento radioativo..............................................................................................502 Datação de radiocarbono..........................................................................................................................504 14.4 Estabilidade nuclear.....................................................................................................................506 14.5 Energética de reações nucleares...................................................................................................508 Energia de ligação......................................................................................................................................508 Números mágicos e níveis nucleares.........................................................................................................510 14.6 Transmutação, fissão e fusão.......................................................................................................510 Transmutação: mudando de um núcleo para outro................................................................................510 Fissão...........................................................................................................................................................511 Reatores nucleares......................................................................................................................................513 Lixo nuclear.................................................................................................................................................514 Fusão...........................................................................................................................................................516

xvi

Química geral aplicada à engenharia

14.7 A interação entre radiação e matéria...........................................................................................517 Potência penetrante e ionizante da radiação...........................................................................................517 Métodos de detecção de radiação..............................................................................................................518 Medindo a dose de radiação......................................................................................................................519 14.8 por dentro DE Métodos modernos de imagem médica.............................................................520 Enfoque na resolução de problemas.................................................................................................. 521 Resumo................................................................................................................................................. 522 Termos-chave....................................................................................................................................... 522 Problemas e exercícios......................................................................................................................... 523

Apêndices A

Tabela Internacional de Peso Atômico.........................................................................................529

B

Constantes Físicas.........................................................................................................................531

C

Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental...................................................532

D

Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns...........................533

E

Dados Termodinâmicos Selecionados a 298,15 K.........................................................................534

F

Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C........................................................................540

G

Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C.........................................................................542

H

Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C.....................543

I

Potenciais-padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C......................................................546

J

Respostas dos exercícios de Verifique seu entendimento...............................................................550

K

Respostas dos exercícios de ímpares dos finais de capítulos........................................................553

Glossário................................................................................................................................................583 Índice Remissivo...................................................................................................................................599

Sumário

xvii

Prefácio

A Origem deste Livro Como químicos, vemos conexões entre a química e praticamente tudo. Dessa forma, a ideia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenheiro deve estar familiarizado, e o currículo de graduação deve encontrar espaço para muitos tópicos. Consequentemente, os currículos de engenharia na maioria das universidades estão em processo de redução: atualmente, as aulas de química geral tradicional, praticadas em um ano, ocupam um único semestre. Em muitos casos, essas instituições oferecem uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Quando as escolas – incluindo a nossa – começaram a oferecer essa disciplina, não havia livros no mercado com esse enfoque, e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres necessitava sempre de modificação para encaixar. Apesar de isso ser possível, está longe de ser o ideal. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. Escrevemos este livro para preencher a lacuna.

Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tecnologia por meio de interação entre as duas áreas em uma variedade de tecnologias modernas. Para muitos estudantes de engenharia, a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. Essas disciplinas em geral adotam abordagem fenomenológica dos materiais, em vez de enfatizar a perspectiva molecular da química. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que suportam a ciência dos materiais. Isso não significa que a obra se destine apenas à ciência dos materiais; a intenção é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área.

O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. A engenharia, afinal, é a aplicação criativa e prática de vastíssima gama de princípios científicos, de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais.

Conteúdo e organização O conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser ensinado em um semestre, logo, temos de decidir qual conteúdo incluir. Há basicamente dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. O primeiro é incluir a abordagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o número de exemplos, mas manter quase todo o conteúdo dos tópicos tradicionais. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apropriados e relevantes para os leitores, nesse caso, futuros engenheiros. Escolhemos a última abordagem e produzimos um livro de 14 capítulos com base nos fundamentos para satisfazer o que pensamos ser os objetivos da disciplina: xix

• Fornecer introdução concisa, mas total à ciência da química.

• Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e de ligação, as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais.

• Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas observáveis.

• Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de engenharia, especialmente matemática e física.

Considerados em sua totalidade, os 14 capítulos deste livro provavelmente representam mais material do que poderia ser incluído em disciplina-padrão de um semestre. Os departamentos ou os professores, individualmente, necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo mais adequado aos seus estudantes. Julgamos que muitos professores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12, por exemplo. Similarmente, incluímos mais tópicos no Capítulo 8, sobre fases condensadas, do que muitos professores esperariam introduzir em suas disciplinas.

Cobertura dos tópicos

Cortesia do U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory

A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os químicos constantemente utilizam conceitos múltiplos para entender seu campo; em geral utilizam mais de um modelo simultaneamente.

O estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múltiplas perspectivas: macroscópica, microscópica e simbólica. As duas últimas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos, moléculas e reações. Nos Capítulos 4 e 5, estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópico no nosso tratamento de estequiometria e gases. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. Os aspectos de energia da química, incluindo as importantes consequências macroscópicas, são considerados nos Capítulos 9 e 10, e cinética e equilíbrio, tratados nos Capítulos 11 e 12, respectivamente. O Capítulo 13 lida com eletroquímica e corrosão, importante aplicação da química para muitas disciplinas de engenharia. Finalmente, concluímos com uma discussão sobre química nuclear.

Cobertura de conteúdo específico Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros engenheiros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma: Química orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia, particularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. Em vez de utilizarmos um único capítulo de orgânica, integramos nossa cobertura do assunto por todo o livro, enfocando em polímeros. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2.1 e os usamos com seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais, e termina com uma seção sobre síntese, estrutura e propriedades do polietileno. O Capítulo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis, um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros, e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica, no Capítulo 10.

Química ácido-base: As reações ácido-base representam outra importante área da química com aplicações na engenharia, e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Inicialmente, definimos ácidos e bases na conjunção com a introdução a soluções no Capítulo 3. A estequiometria simples de soluções é apresentada no xx

Química geral aplicada à engenharia

Capítulo 4. Por fim, um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios, no Capítulo 12.

Química nuclear: É incluído um capítulo sobre química nuclear para aqueles que desejam ensinar este tópico. A cobertura inclui fundamentos de reações nucleares, estabilidade e radioatividade nuclear, cinética de decaimento e as consequências energéticas dos processos nucleares.

Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia em geral são mais fortes que as de outros alunos, e a maioria dos estudantes, atendendo a uma disciplina do tipo para o qual este livro está direcionado, estará simultaneamente matriculada em uma disciplina introdutória de cálculo. Em razão disso, incluímos referências ao papel do cálculo na seção Conexões matemáticas. Esses ensaios expandem e revisam os conceitos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado, e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem especialmente significativas. Essas seções têm a intenção de ser suplementares, de tal forma que os estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. Não se pretende com a inclusão de cálculo dificultar o material apresentado, mas indicar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas.

Conexões entre química e engenharia

Lawrence S. Brown

Uma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estudantes de engenharia, esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente lhes interessam. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. Cada capítulo começa e termina com uma seção Por dentro de, que introduz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. Essa seção representa apenas o começo das conexões, e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo.

Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que possível. Assim, por todo o livro, discutimos as inovações-chave recentes em vários campos.

Por exemplo, o Capítulo 3 inclui a discussão da química e da engenharia envolvida na conversão de biomassa em biocombustíveis. No Capítulo 7, descrevemos as nanopartículas de sílica mesoporosa, tópico de pesquisa de ponta que pode ter aplicações importantes na engenharia biomédica no futuro. O Capítulo 8 encerra com uma discussão sobre a fabricação de sistemas microelétricos-mecânicos (MEMS).

Abordagem para a resolução de problemas A resolução de problemas é parte-chave nas disciplinas de química do ensino superior e especialmente importante como habilidade transferida amplamente para os alunos de engenharia. Em razão disso, o livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os Problemas-modelo introduzem a seção Estratégia logo após seu enunciado, na qual enfatizamos os conceitos e as relações que a serem considerados para trabalhar no problema. Após a solução, em geral consta a seção Analise sua resposta, que ajuda os estudantes a aprender a estimar se a resposta obtida é razoável. Em muitos exemplos, nós incluímos a seção Discussão que ajuda a explicar a importância dos conceitos da resolução de problemas ou alertar sobre algumas armadilhas que podem ser evitadas. Finalmente, cada exemplo termina com um problema ou uma pergunta da seção Verifique seu entendimento para ajudar o leitor a generalizar ou entender o que aprendeu no Problema-modelo.

Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. Além disso, percebemos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Adequadamente, incluímos uma característica única ao final de cada capítulo, a seção Enfoque na reso-

Prefácio

xxi

lução de problemas. Nessa seção, as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica, mas pede-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. Em geral, as perguntas propostas exigem que se identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. Na maioria dos casos, não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas; assim, os leitores são forçados a desenvolver uma solução, em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza, o que significa que a seção Enfoque na resolução de problemas pode ser totalmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de avaliação de resolução de problemas nas aulas de química, financiado pela National Science Foundation (NSF).

Características do texto Empregamos uma série de recursos, alguns dos quais já citados, que permitirão que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia. por dentro de Seções Por dentro de: Cada capítulo é construído em torno da seção Por dentro de, na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo, os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo, frequentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. O símbolo especial da seção é utilizado para identificar os locais onde as ideias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro.

ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS

Seções Enfoque na resolução de problemas: Professores de engenharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de problemas. Entretanto, é importante fazer uma distinção entre problemas e exercícios. Os exercícios fornecem oportunidade de praticar uma habilidade limitada, enquanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informação fornecida. A seção Enfoque na resolução de problemas oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades nessa tarefa. Sempre no final de cada um dos capítulos, ela inclui uma mistura de questões qualitativas e quantitativas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema, não a solução em si. Em razão disso, incluímos também problemas similares adicionais no material de fim de capítulo.

Seções Conexões matemáticas: Em nossa experiência, uma peculiaridade que distingue os estudantes de engenharia dos de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Normalmente, a maioria deles que têm aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Portanto, parece natural apontarmos os suportes matemáticos de vários dos conceitos da química indicados neste livro, uma vez que permitirá que estudantes moldem conexões mentais entre as matérias cursadas. Ao mesmo tempo, admitimos que quem cursa uma disciplina de matemática de pré-cálculo não pode ser impedido de cursar química. Para tanto, colocamos quaisquer conceitos matemáticos mais avançados na seção Conexões matemáticas, os quais são independentes do restante do texto.

Com relação aos estudantes familiarizados com a matemática, nosso objetivo é que possam conhecer a origem de tudo que está em nosso entorno e integrar esse conhecimento às leis da velocidade. Quanto àqueles com base menos extensa em matemática, nossa intenção é que, após a leitura deste livro, possam dominar a química apresentada.

Seções Problemas-modelo: Nossos exemplos são desenvolvidos para ilustrar boas práticas de resolução de problemas, enfocando inicialmente o raciocínio por trás da solução antes de partir para qualquer cálculo necessário. Enfatizamos a abordagem do

xxii

Química geral aplicada à engenharia

“pensamento inicial” com a seção Estratégia, que esboça um plano para a resolução da questão. Muitos estudantes aceitam rapidamente qualquer resposta que sua calculadora mostre. Para combater isso, a maioria das soluções são seguidas da seção Analise sua resposta, a qual utiliza estimativa e outras estratégias para que os estudantes confiram suas respostas. Cada exemplo termina com um exercício da seção Verifique seu entendimento para permitir que os alunos pratiquem ou estendam a habilidade que acabaram de aprender. As respostas aos exercícios adicionais estão incluídas no Apêndice J, no fim do livro.

Características do final do capítulo: Cada capítulo é concluído com um resumo, destacando os principais pontos discutidos e uma lista de termos-chave, com o número da seção onde apareceu primeiro. As definições de todos os termos-chave estão no Glossário.

Conjunto de problemas: Cada capítulo inclui aproximadamente 100 problemas e exercícios, abrangendo um faixa muito grande de dificuldade. A maioria desses exercícios é identificada com seções específicas para fornecer a prática de que muitos estudantes precisam para dominar o assunto da seção. Cada capítulo inclui também um número de Problemas adicionais, que não estão vinculados a nenhuma seção em particular e que podem incorporar ideias de várias seções. Logo em seguida, como descrito, temos os exercícios da seção Enfoque na resolução de problemas. Na maioria dos capítulos, há a seção Problemas cumulativos, os quais pedem aos estudantes que sintetizem as informações do capítulo atual com aquelas que aprenderam nos capítulos anteriores para formular a resposta. Para esta edição, adicionamos inúmeros problemas mais desafiadores em vários capítulos. As respostas para todos os problemas ímpares aparecem no fim do livro no Apêndice K. Notas de margem: As notas de margem apontam fatos adicionais, enfatizam mais pontos ou apontam para discussões similares que apareceram antes ou depois no livro. As Notas de margem são destacadas com o símbolo  i dentro do texto e estão relacionadas à passagem relevante do conteúdo abordado.

Novidades nesta edição Existem várias mudanças importantes nesta edição. Como fizemos na anterior, substituímos inúmeras seções Por dentro de para torná-la mais atual e tentar incluir tópicos que atrairão interesses mais amplos dos leitores. Portanto, introduzimos dois novos tópicos para essas seções quando na abertura de capítulo: Engenharia de biomassa e biocombustível, no Capítulo 3, e Análises de traços, no Capítulo 6. Ambos os temas estão mais facilmente ligados a aplicações de engenharia que os substituídos. As seções Por dentro de de encerramento dos Capítulos 3, 8, 9, 12 e 13 também foram reescritas para destacar tópicos com relevância mais atual. Uma lista mais detalhada das mudanças específicas é apresentada a seguir.

Capítulo

Resumo das mudanças

1

• Referências atualizadas aos contextos usados em todo o livro, porque vários destes contextos foram modificados.

• Figuras melhoradas mostrando a natureza particulada da matéria e fases.

• Uso ordenado das notas de margem por todo o texto.

• Adicionaram-se problemas de fim de capítulo.

2

• Adicionou-se uma seção sobre as novas massas atômicas aprovadas pela IUPAC e uma explanação de qual massa atômica usar nos cálculos manuseados neste livro. Essa mudança inclui tabela com as novas faixas aprovadas e referências aos aspectos de investigações científicas, como mudança climática, que se apoiam neste nível de informação.

• Adicionaram-se problemas de fim de capítulo que constroem ligação entre isótopos e espectroscopia de massas.

• Ordenação do uso de notas de margem por todo o texto.

• Arte melhorada para várias figuras.

Prefácio xxiii

3

Principal mudança • Mudou-se o contexto para todo o capítulo de explosões para biocombustíveis.

• Inclusão de nova seção de abertura Por dentro de.

• Inclusão de mudanças em vários Problemas-modelo.

• Inclusão de variações em muitos pontos no texto em que são feitas referências ao contexto.

• Inclusão de várias mudanças em muitas figuras (3.1, 3.2, 3.10).

• Inclusão de variações nos Problemas-modelo relacionados ao tema de contexto.

Outras mudanças • Mudou-se a seção Por dentro de de fechamento do capítulo de explosivo e química verde para sequestro de carbono.

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

4

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Substituiu-se a seção Enfoque na resolução de problemas por um novo estilo de problema que inclui raciocínio gráfico.

• Substituíram-se vários problemas de final de capítulo.

5

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Adicionaram-se vários problemas de final de capítulo.

6

Principal mudança • Mudou-se o contexto para todo o capítulo de lâmpadas para análises de traços.

• Inclusão de nova seção Por dentro de de abertura de capítulo.

• Inclusão de mudanças em vários Problemas-modelo.

• Inclusão de mudanças em vários pontos no texto em que são feitas referências ao contexto.

• Inclusão de mudanças em várias Figuras (6.2, 6.2, 6.10, que substituem o que era a 6.16).

• Inclusão de mudanças nos problemas de fim de capítulo relacionados ao tema de contexto.

Outras mudanças • Correção no estilo de Conexões matemáticas.

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Arte corrigida na Figura 6.20 para refletir os valores exatos dos raios atômicos.

• Mudaram-se as palavras no parágrafo introdutório da seção Por dentro de de tal forma que não seja dependente do contexto agora renovado.

7

• • • • •

8

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Ordenação da arte em várias figuras.

• Substituíram-se as Figuras 8.1 e 8.24 para acurar a representação de ciência.

• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo.

• Substituiu-se a seção Por dentro de de fechamento do capítulo sobre a invenção de novos materiais por uma em sistemas microeletromecânicos (com referências à nova arte de capa incluída).

9

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo.

• Substituiu-se a seção Por dentro de de abertura do capítulo sobre baterias por distribuição de energia e a grade elétrica com referências específicas às demandas da ciência da computação.

• Alguns dos conceitos mais importantes sobre baterias foram movidos para a seção no Capítulo 13 que aborda o tema.

• Atualização de arte de informação com datas.

• Atualização de vários problemas de fim de capítulo para refletir as mudanças de conteúdo no capítulo.

xxiv Química geral aplicada à engenharia

Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

Ordenação da arte em várias figuras.

Adicionaram-se vários problemas de final de capítulo.

Corrigiu-se a informação quantitativa sobre raios atômicos na Figura 7.1.

Removeram-se as citações de hibridizações sp3d e sp3d2 para melhor mostrar o entendimento atual da inutilidade delas na descrição de ligações.

10

• • • •

Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

Ordenação da arte em várias figuras.

Refez-se a descrição de entropia do ciclo de Carnot.

Substituíram-se os dois parágrafos finais da seção Por dentro de de encerramento do capítulo para incluir o papel dos plásticos nos ambientes marinhos – inclusão de nova figura em adição ao conteúdo do texto.

• Fixaram-se erros reais em um problema de final de capítulo e adicionaram-se novos problemas de final de capítulo.

11

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Ordenação da arte em várias figuras, incluindo atualizações na arte que tem dados de anos específicos.

• Substitui-se o estilo da seção Enfoque na resolução de problemas por um novo que inclui raciocínio gráfico.

12

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Ordenação de informação numérica relacionada à constante de equilíbrio para algumas reações no texto e apêndices.

• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo e ordenaram-se alguns subtítulos usados nos problemas de final de capítulo.

• Substitui-se a seção Por dentro de de encerramento do capítulo sobre boratos e ácido bórico por concreto flexível.

13

• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

• Adicionou-se material sobre proteção catódica à Seção 13.3.

• Revisou-se informação sobre baterias, mudando exemplos, na Seção 13.5.

• Incluiu-se mudança de materiais sobre baterias primárias e secundárias do Capítulo 9 para este capítulo.

• Inclui-se mudança de informação sobre densidade de energia de baterias do Capítulo 9 para este capítulo.

• Substituiu-se a seção Por dentro de de encerramento de capítulo sobre prevenção de corrosão por uma sobre baterias de lítio-íon e o uso delas na engenharia aeroespacial.

• Substituíram-se os problemas de fim de capítulo por outros apropriados aos novos materiais adicionados.

Inclusão do Capítulo 14

• Com Notas de margem ordenadas por todo o texto.

• Apresentando várias descrições de parágrafo na Seção 14.6 sobre o acidente do reator de Fukushima e a liberação de radioatividade dele.

• Com um grande número de problemas de fim de capítulo.

Agradecimentos Estamos bastante entusiasmados com mais esta edição e somos gratos à ajuda e o apoio de grande e talentosa equipe de profissionais. Há várias pessoas sem as quais jamais poderíamos ter feito esta obra. Porém, mais importante dentre elas estão nossas famílias, a quem este livro é novamente dedicado.

A origem desta obra vem de muitos anos atrás e, à medida que caminhamos para a próxima edição, gostaríamos de agradecer novamente algumas pessoas que colaboraram para que este projeto se iniciasse. Jennifer Laugier nos uniu para trabalhar em um livro para estudantes de engenharia. O trabalho de Jay Campbell como editora de desenvolvimento para a primeira edição foi tremenda e, sem seus esforços, o livro jamais teria sido publicado. Quando Jay se envolveu, o projeto tinha se enfraquecido por algum tempo e os ganhos subsequentes claramente não foram coincidências. A equipe editorial naquela época, consistindo em Michelle Julet, David Harris e Lisa Lockwood, também foi crucial para o projeto frutificar. A decisão de lançar uma obra em um segmento de mercado, que, na realidade, não existia, não foi fácil e apreciamos a confiança em nós por cada um membro da Brooks/Cole.

Prefácio

xxv

No desenvolvimento desta edição, nossa equipe na Cengage Learning inclui uma mistura dos conhecidos e novos. Gostaríamos de agradecer nossa gerente de produto, Lisa Lockwood, cujo apoio contínuo foi sempre apreciado. Nossa nova desenvolvedora de Conteúdo, Alyssa White, junto com Lisa, contribuiu enormemente para discussões nas quais focou nossos esforços nesta revisão. Alyssa nos guiou por todo o processo de revisão e mostrou maravilhosa flexibilidade quando encontramos problemas para nos manter no cronograma original de produção. A editora Assistente Brendan Killion está relendo as revisões de materiais antigos. Carol Samet na Cengage e Teresa Christie na MPS Limited reviram todos os aspectos do processo de produção atual. Richard Camp como editor de Revisão nos ajudou na coerência de diversos tópicos de estilo e Jill Reichenbach forneceu uma pesquisa de fotos. David Shinn nos ajudou a conferir as provas e forneceu muitos comentários valiosos que melhoraram a exatidão do texto. O livro em nossas mãos reflete verdadeiramente os melhores esforços de muitos profissionais que trabalham duro; somos gratos a todos eles por seus papéis neste projeto.

São aproximadamente oito anos desde que a primeira edição norte-americana foi publicada e, por todo esse tempo, recebemos comentários úteis de inúmeros estudantes e colegas. Muitos dos comentários são informais, incluindo e-mail de alunos ou professores apontando erros que encontraram ou nos informando sobre seções que realmente gostaram. Embora não exista uma maneira de listar todas as pessoas que contribuíram dessa forma, agradecemos sinceramente a todos.

Professores de uma gama enorme de instituições também forneceram comentários mais formais sobre o texto em vários estágios deste desenvolvimento. Agradecemos os seguintes revisores pela sua contribuição para a obra atual.

Darrel Axtell, Saint Martin´s University Simon Bolt, University of Houston Patricia Muisener, University of South Florida Diana Phillips, Kettering University Steve Rathbone, Blinn College Agradecemos também os seguintes revisores pela sua contribuição ao desenvolvimento da edição anterior deste livro.

Paul A. DiMilla, Norteastern University Walter England, University of Wisconsin-Milwaukee Mary Hadley, Minnesota State University, Mankato Andy Jorgensen, University of Toledo Karen Knaus, University of Colorado-Denver Pamela Wolff, Carleton University Grigoriy Yablonsky, Saint Louis University Robert Angelici, Iowa State University Allen Apblett, Oklahoma State University Jeffrey R. Appling, Clemson University Rosemary Bartoszek-Loza, The Ohio University Danny Bedgood, Charles Sturt University James D. Carr, University of Nebraska Victoria Castells, University of Miami Paul Charlesworth, Michigan Technological University Richard Chung, San Jose State University Charles Cornett, University of Wisconsin–Platteville Robert Cozzens, George Mason University Ronald Evilia, University of New Orleans John Falconer, University of Colorado Sandra Greer, University of Maryland Benjamin S. Hsaio, State University of New York at Stony Brook

xxvi Química geral aplicada à engenharia

Gerald Korenowski, Rensselaer Polytechnic Institute Yinfa Ma, University of Missouri–Rolla Gerald Ray Miller, University of Maryland Linda Mona, Montgomery College Michael Mueller, Rose-Hulman Institute of Technology Kristen Murphy, University of Wisconsin–Milwaukee Thomas J. Murphy, University of Maryland Richard Nafshun, Oregon State University Scott Oliver, State University of New York at Binghamton Ao saudoso Robert Paine, Rochester Institute of Technology Steve Rathbone, Blinn College Jesse Reinstein, University of Wisconsin–Platteville Don Seo, Arizona State University Mike Shaw, Southern Illinois University–Edwardsville Joyce Solochek, Milwaukee School of Engineering Jack Tossell, University of Maryland Peter T. Wolczanski, Cornell University Larry Brown Tom Holme Novembro, 2014

Prefácio xxvii

Introdução ao estudante

Química e engenharia Ao iniciarmos esta disciplina, as apostas são de que você possa se perguntar: “Por que tenho de estudar química? Na realidade, nunca precisarei dessa disciplina para ser um engenheiro”. Gostaríamos de começar oferecendo aos nossos leitores, futuros engenheiros, alguns exemplos das muitas ligações entre nosso campo da química escolhido e os vários ramos da engenharia. Os exemplos mais óbvios, naturalmente, vêm da engenharia química. Muitos engenheiros químicos estão envolvidos com o desenvolvimento ou a otimização de processos na indústria química, o que significa que lidarão com conceitos da química no cotidiano. De maneira similar, os engenheiros civis e ambientais que trabalham com a proteção ou recuperação ambiental devem gastar muito tempo pensando sobre reações químicas que ocorrem no fornecimento de água ou no ar. Mas e os outros campos da engenharia?

Grande número de engenheiros elétricos modernos conta com dispositivos no estado sólido cujas propriedades podem ser adaptadas por meio do controle cuidadoso de suas composições químicas. Apesar de muitos deles não fabricarem regularmente seus próprios chips, um entendimento de como funcionam em uma escala atômica é certamente muito útil. À medida que a pressão por novos componentes de circuitos cada vez menores continua, os vínculos entre a química e a engenharia elétrica crescerão ainda mais. Desde diodos emissores de luz (OLED) a transmissores moleculares únicos, novas experiências e novos projetos continuarão a ser desenvolvidos nos laboratórios de química para dispositivos de funcionamento, em velocidade impressionante.

Algumas aplicações da química na engenharia são muito menos óbvias. Nos seus 452 metros, as torres Petronas em Kuala Lampur, Malásia, eram os prédios mais altos do mundo quando sua construção terminou em 1998. Faltava aço na Malásia, logo, os arquitetos das torres decidiram construir as estruturas a partir de algo que fosse abundante no país e com o que os engenheiros estivessem familiarizados: concreto. Mas a impressionante altura das torres exigia concreto excepcionalmente resistente. Os engenheiros optaram então por um material que veio a ser conhecido como concreto de alta resistência, no qual as reações químicas entre os vapores de sílica e o cimento Portland produzem material mais forte, mais resistente à compressão. Esse exemplo ilustra a relevância da química mesmo em campos muito tradicionais da engenharia, e abordaremos alguns aspectos da química do concreto no Capítulo 12, incluindo o desenvolvimento do novo concreto flexível.

Sobre este livro Nós dois ministramos química geral por muitos anos e estamos familiarizados com as dificuldades que os estudantes encontram no assunto. Talvez mais importante, temos ministrado para estudantes de engenharia o tipo de disciplina de um semestre para o qual

xxix

este livro foi desenvolvido. A abordagem dos assuntos apresentados aqui foi extraída de ambos os níveis de experiência.

Trabalhamos muito para tornar este livro o mais claro possível e fácil para o estudante. Uma característica que o torna diferente de qualquer outro que pudesse ser utilizado para essa disciplina é que incorporamos conexões entre a química e a engenharia como componente fundamental. Você observará que cada capítulo começa e termina com a . Ela é apenas o começo das conexões, e o tema introduzido na seção Por dentro de abordagem inicial aparece regularmente por todo o capítulo. Esse símbolo especial identifica o material que está intimamente relacionado com o tema da seção Por dentro de.

Ouvimos muitos estudantes reclamarem sobre o que a química tem a ver com os campos escolhidos por eles, e esperamos que a abordagem adotada aqui possa ajudá-los a ver algumas conexões.

Em geral, os estudantes de engenharia atendem a um razoável conjunto-padrão de disciplinas no primeiro ano na universidade, portanto é muito provável que você esteja fazendo disciplinas de cálculo e de física junto com química. Tentamos salientar os pontos em que existem conexões fortes entre esses assuntos e, ao mesmo tempo, fazer isso de maneira vantajosa para um estudante que esteja cursando uma disciplina de matemática de pré-cálculo. Portanto, podemos nos referir às similaridades entre as equações vistas aqui e aquelas encontradas nos livros de física, mas não presumimos que o leitor já esteja familiarizado com aquelas equações. No caso da matemática, utilizamos uma seção especial, Conexões matemáticas, para discutir o uso da matemática, e especialmente o cálculo, na química. Se você está familiarizado com cálculo ou fazendo concomitantemente essa disciplina, o conteúdo da seção o ajudará a entender como algumas das equações utilizadas na química surgem do cálculo. Mas se não for o caso, pode pular essa seção, pois, mesmo assim, será capaz de trabalhar com as equações necessárias.

Embora a nossa intenção primordial seja ajudá-lo a aprender química, acreditamos que este livro e a disciplina para a qual é utilizado podem ajudá-lo a desenvolver um conjunto amplo de habilidades que será útil durante seus estudos e carreira. A principal habilidade é a resolução de problemas. Muito do trabalho dos engenheiros caracteriza-se como resolução de problemas. Os problemas das aulas de química definitivamente são diferentes daqueles examinados na engenharia, na física ou na matemática. No entanto, quando estudados de forma integrada, todos os assuntos o ajudarão a formular abordagem consistente a ser usada na resolução de praticamente qualquer problema.

Grande parte de nossos estudantes tende a “pular etapas” e a começar a escrever equações quando se deparam com um problema. Antes disso, é fundamental que haja uma estratégia para resolvê-lo, especialmente se for difícil ou não familiar. Todos os nossos exemplos resolvidos incluem a seção Estratégia, na qual esboçamos o caminho para solução antes de começar a calcular qualquer coisa. A seção Solução põe então a estratégia em ação. Para muitos exemplos numéricos, seguimos a solução por meio da seção Analise sua resposta, em que utilizamos a estimativa ou comparação para valores conhecidos, para confirmar que nossa resposta faz sentido. Encontramos muitos estudantes que acreditam que qualquer valor apresentado por sua calculadora deve ser a resposta correta, mesmo quando é fácil verificar que um erro foi cometido. Diversos exemplos também incluem a seção Discussão, na qual abordamos as armadilhas mais comuns a se evitar ou como o problema que acabamos de resolver se relaciona com outras ideias já exploradas. Por fim, cada problema-modelo termina com uma pergunta ou problema da seção Verifique seu entendimento, que lhe fornece a oportunidade de praticar as habilidades ilustradas no exemplo ou ampliá-las mais rapidamente. As respostas para as perguntas dessa seção estão no Apêndice J. Enquanto estamos pensando sobre os problemas-modelo, algumas palavras sobre arredondamento e algarismos significativos estão no método. Na resolução dos problemas-modelo, empregamos massas atômicas com o número completo de algarismos significativos da tabela periódica no final do livro. Usamos também algarismos signifi-

xxx

Química geral aplicada à engenharia

cativos disponíveis para constantes, como a velocidade da luz ou a constante universal dos gases. Tentamos escrever os resultados intermediários com o número apropriado de algarismos significativos. Mas quando esses mesmos resultados são utilizados em cálculo subsequente, não arredondamos os valores. Em vez disso, mantemos o resultado completo da calculadora. Apenas a resposta final é arredondada. Se você adotar esse procedimento, será capaz de obter as mesmas respostas que nós. (Usamos o mesmo processo para gerar as respostas para os problemas numéricos do Apêndice K.) Para os problemas que envolvem encontrar a inclinação ou a interseção de uma linha, os valores mostrados foram obtidos por meio de regressão linear, utilizando algoritmos construídos em planilha ou em calculadora gráfica.

Uma característica deste livro é a inclusão de uma pergunta na seção Enfoque na resolução de problemas, no final de cada capítulo. As perguntas propostas são desenvolvidas para estimulá-lo a pensar sobre o processo de resolução do problema, em vez de apenas a obtenção de resposta. Em muitos casos, esses problemas não incluem informações suficientes para permitir que se chegue a uma solução final. Apesar de sabermos que a maioria dos estudantes iniciantes de engenharia pode considerar isso frustrante, percebemos que é uma boa aproximação do tipo de problemas que um engenheiro pode confrontar.

Raramente um cliente fornece todos os tipos de informações de que se precisa para resolver o problema.

Uma das perguntas mais comuns dos estudantes é: “Como devo estudar química?”.

Lamentavelmente, essa questão é feita com mais frequência depois que os estudantes vão mal em uma ou mais provas. Uma vez que pessoas diferentes aprendem melhor de maneira diferente, não existe uma fórmula mágica que assegure que todos se saiam bem em química. Porém, há algumas estratégias e práticas comuns que podemos recomendar.

Inicialmente e mais importante, sugerimos que você evite atrasar-se em relação a qualquer de suas disciplinas. Aprender toma tempo, e poucas pessoas são capazes de dominar três capítulos de química (ou física, ou matemática, ou engenharia) na noite anterior a uma grande prova. Atrasar-se em uma disciplina inevitavelmente o levará a deixar muitas coisas de lado, logo, deve tentar manter-se em dia desde o começo. Muitos professores estimulam os estudantes a ler o relevante material do livro antes que seja apresentado na aula. Essa é certamente a melhor abordagem, porque uma ideia geral e prévia do conteúdo contribuirá para que você possa aproveitar melhor a aula.

Ao estudar para as provas, deve tentar fazer uma estimativa daquilo que entende e do que não entende. Apesar de ser desconfortável voltar toda a atenção a problemas que não parece ser capaz de resolver, gastar mais tempo estudando itens que já domina provavelmente terá menos impacto na sua nota. Os estudantes de engenharia tendem a focar muito mais atenção em problemas numéricos. Apesar de tais cálculos serem provavelmente muito importantes na sua aula de química, o encorajamos também a tentar dominar os conceitos químicos por trás deles. Provavelmente, seu professor o testará também em temas qualitativos ou conceituais.

Por fim, enfatizamos que este livro é rico em informações. Aqui são apresentados vários tópicos que em geral aparecem em uma disciplina de química de graduação com um ano de duração, mas eles são desenvolvidos para uma disciplina que toma apenas um semestre. Para gerenciarmos a tarefa de equiparar o volume de material, deixamos de fora alguns tópicos e encurtamos a discussão de outros. Em todo esse processo de aprendizagem, a internet é uma ferramenta imprescindível, pois por meio dela pode-se encontrar mais informações sobre um assunto de interesse.

Ficamos felizes que este livro tenha chegado às suas mãos. Esperamos que aproveite o seu semestre de aprendizado em química e que esta obra seja parte positiva de sua experiência.

Larry Brown Tom Holme Novembro de 2014 Introdução ao estudante xxxi

1

Introdução à Química 1.1

POR DENTRO DE Alumínio

1.2

O estudo da química

1.3

A ciência da química: observações e modelos

1.4

Números e medições na química

1.5

Soluções de problemas na química e na engenharia

1.6

POR DENTRO DE Seleção de material e quadros de bicicletas

Os cientistas do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia em Berkeley desenvolveram essa “correia transportadora” em nanoescala. Os átomos individuais de metal são transportados ao longo de um nanotubo de carbono a partir de uma gotícula metálica a outra. Essa pesquisa possibilita uma maneira para a construção em escala atômica de dispositivos óticos, eletrônicos e mecânicos. Cortesia do Grupo de Pesquisa Zettl, do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia em Berkeley.

Em um futuro não muito distante, os engenheiros devem projetar e montar dispositivos mecânicos e eletrônicos em miniatura, engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. Tais dispositivos poderão ser construídos átomo por átomo: cada um seria especificado com base em critérios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de técnicas como a da “correia transportadora” mostrada na figura acima.  i Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites, mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos, ou seja, por meio de ligações químicas. Evidentemente, esses engenheiros do futuro terão de compreender os átomos e as forças que os ligam, isto é, terão de entender a química.

Por enquanto, essa engenharia relacionada aos átomos permanece ainda como uma possibilidade a ser concretizada no futuro. E em relação aos engenheiros de hoje? Quanto de suas decisões depende do conhecimento da química? Como estudante de engenharia, quais são os motivos para você estudar química?

O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for Engineering and Technology – ABET) é uma organização profissional que supervisiona o

A nanociência trabalha com objetos cujos tamanhos são similares àqueles de átomos e moléculas. Faça uma busca na internet por “nanociência” ou “máquinas moleculares” para saber mais. i

1

ensino de engenharia. De acordo com a definição da ABET, “engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos, experiências e prática é aplicado com bom-senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar, economicamente, os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade”. Logo, como uma das ciências, a química está claramente incluída no campo de conhecimento de um engenheiro. Ainda assim, os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o papel da química na profissão que escolheram. Dessa forma, um dos principais objetivos deste livro é inspirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia, bem como uma interação entre a química e a engenharia, em uma variedade de tecnologias modernas.

O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. A filosofia deste livro é apresentar algumas ideias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia em que a química é importante. Cada capítulo começará com um exemplo da química relacionada à engenharia. Alguns desses exemplos, como a queima de combustíveis, envolverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos, o papel da química pode não ser tão aparente. No Capítulo 10, por exemplo, consideraremos a reciclagem de plásticos e examinaremos alguns fatores que limitam tanto a exequibilidade quanto a lucratividade da reciclagem. Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e como pequenas variações na composição podem influenciar as propriedades de ligas que são frequentemente usadas nos projetos de engenharia. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de...”, e as questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos fundamentos relevantes de química apresentados por todo o capítulo. Nosso primeiro caso contempla a produção e história do alumínio como material estrutural.

Objetivos do capítulo Após dominar o assunto deste capítulo, você será capaz de:

descrever como a química e a engenharia auxiliaram a transformar o alumínio de um metal precioso em um material estrutural barato.

explicar a utilidade das perspectivas macroscópica, microscópica e simbólica na compreensão dos sistemas químicos.

desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre sólidos, líquidos e gases) em escala molecular.

explicar, com suas próprias palavras, a diferença entre o raciocínio indutivo e o dedutivo.

utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra.

expressar os resultados de cálculos com o número correto de algarismos significativos.

por dentro de

1.1 Alumínio A cada ano, são produzidas em torno de 130 bilhões de latas de alumínio nos Estados Unidos. i

2

Quando está com sede, você tem várias opções para saciar sua vontade. Mas, ao optar por uma latinha de refrigerante, dificilmente você se perguntará: “De onde veio a lata que contém este refrigerante? Por que ela é feita de alumínio?”. Hoje, a lata de alumínio se tornou um material tão comum que é fácil considerá-la algo normal.  i O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou tão comum em nossa vida?

Química geral aplicada à engenharia

Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. Comparado à maioria dos outros metais, o alumínio é leve, mas bem forte. Desse modo, uma lata de alumínio comum é bem mais leve que uma de estanho ou aço. Isso significa que a lata não adiciona muito peso ao refrigerante; consequentemente, a lata é mais fácil de ser manuseada e mais barata para ser transportada. Uma lata de refrigerante feita de chumbo seria certamente menos vantajosa. O fato de o alumínio não sofrer facilmente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que a lata é transportada e armazenada também é importante. Porém, apesar de todas essas características positivas da lata de alumínio, elas não teriam muita utilidade prática se o metal não estivesse disponível e não fosse razoavelmente barato.

A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressionante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. No século XIX, o alumínio era um metal raro e precioso. Na Europa, Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de extravagantes talheres de alumínio. Nos Estados Unidos, os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no topo do Washington Monument, um tributo ao “fundador do país”, e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (aproximadamente 2,8 kg), o topo do monumento era a maior peça única de alumínio puro fundido até então. Hoje, chapas de alumínio com mais de 45 kg são encontradas com regularidade em muitas oficinas. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para ele se tornar tão acessível hoje?

Uma discussão inicial dessa questão pode ser pensada ao se observar a Figura 1.1, que expressa bem as interações da sociedade humana com o planeta Terra. A sociedade, re-

A matéria flui da ecosfera para a economia humana como matéria-prima.

Sociedade humana

Ecosfera

A matéria flui da economia humana para a ecosfera como lixo.

Figura 1.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão de bens obtidos da matéria-prima em resíduos. Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. Como ciência da matéria, a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos.

Capítulo 1  Introdução à química

3

O alumínio na bauxita é normalmente encontrado em um dos três minerais: gibbsita, boemita e diásporo. i

presentada pelo globo, tem necessidades de bens e materiais. Atualmente e para o futuro previsível, a matéria-prima necessária para a produção desses bens deverá ser extraída de alguma forma da Terra. Quando os bens são utilizados, os restos se tornam lixo e, por isso, são descartados, completando o ciclo com o retorno dos materiais exauridos para o ecossistema. O papel da engenharia nesse ciclo é maximizar com eficiência os materiais que são extraídos e minimizar a quantidade de resíduo gerado.

Consideremos o alumínio nesse contexto. Esse metal puro nunca é encontrado na natureza. Em vez disso, ele é encontrado em um minério, chamado bauxita, que é composto tanto por rocha sem utilidade como por alumínio em combinação com oxigênio.  i Logo, antes de o alumínio poder ser utilizado na lata de refrigerante, ele deve ser primeiro extraído ou “lavrado” de seu minério e purificado. O fato de o alumínio se combinar facilmente com o oxigênio traz sérios desafios. Alguns desses desafios são químicos e serão vistos no Capítulo 13 deste livro. Certas etapas iniciais, no entanto, podem ser resolvidas por meio de habilidosas aplicações das propriedades físicas. Estudaremos algumas delas ao investigarmos os materiais introdutórios neste capítulo. Ao estar diante de uma mistura complexa de materiais, como um minério, de que maneira um químico resolve separar a mistura?

Para examinarmos esse tipo de questão, devemos adotar a abordagem que é utilizada comumente na ciência. A expressão método científico tem diversas definições possíveis, mas ela será examinada mais profundamente na Seção 1.4. Nesse momento, consideraremos método científico como uma abordagem ao entendimento que se inicia com a observação da natureza, passa para a hipótese ou a construção de modelo em resposta àquela observação e finalmente inclui experimentos adicionais que ampararão ou refutarão a hipótese. Nessa definição, a hipótese é uma suposição baseada em fatos ou informações para explicar a natureza. Neste capítulo, veremos como esse método se relaciona à química em geral e também a assuntos referentes a materiais como o alumínio e sua utilidade na sociedade.

1.2 O estudo da química A química é chamada de “ciência central” porque ela é importante para muitos outros campos do estudo científico. Mesmo que você nunca tenha feito um curso de química, é bem possível que já tenha visto alguma coisa sobre o assunto. Este livro e a disciplina na qual ele está sendo utilizado ajudarão a conectar partes de informações que você já obteve, aumentarão sua compreensão dos conceitos químicos e proporcionarão um quadro mais coerente e sistemático da química. O objetivo principal das disciplinas de graduação de introdução à química é auxiliá-lo a avaliar o ponto de vista químico e a forma como ele pode ajudá-lo a entender o mundo natural. Esse tipo de perspectiva habilita os químicos e engenheiros a planejarem estratégias para o refino de metais a partir de seus minérios, bem como a abordarem os muitos outros problemas aplicados que serão explorados aqui.

Esse quadro coerente envolve três níveis de compreensão ou de perspectivas sobre a natureza da química: macroscópico, microscópico e simbólico. Ao final desta disciplina, você será capaz de optar entre essas perspectivas para examinar problemas que envolvem a química de diversas maneiras. O que podemos ver sobre as substâncias e suas reações fornece a perspectiva macroscópica. Devemos interpretar esses eventos considerando a perspectiva microscópica (ou “particulada”), na qual focalizamos os menores componentes do sistema. Finalmente, devemos ser capazes de transmitir esses conceitos de forma eficiente. Para isso, os químicos inventaram uma perspectiva simbólica que nos permite realizar essa comunicação. Podemos examinar esses três aspectos da química inicialmente para obter uma referência que molde nossos estudos do princípio.

A perspectiva macroscópica Quando observamos as reações químicas no laboratório ou no mundo à nossa volta, percebemos a matéria no nível macroscópico. Matéria é qualquer coisa que tenha massa e possa

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Química geral aplicada à engenharia

ser observada. Estamos tão em contato com a matéria que tendemos a aceitar nossa percepção intuitiva de sua existência como uma definição adequada. No entanto, ao estudarmos química, precisamos estar conscientes de que nem tudo que observamos na natureza é matéria. A luz, por exemplo, não é considerada matéria porque não tem massa.

Quando examinamos mais de perto a matéria, nesse caso o alumínio, surgem diversas perguntas. O comportamento do alumínio em uma lata é previsível. Se ela for jogada para o alto, pouco acontecerá, com exceção de que cairá por causa da força da gravidade. As latas de alumínio e outros bens de consumo como os mostrados na Figura 1.2 não se decompõem no ar nem sofrem outras reações químicas. No entanto, se o alumínio de uma lata de refrigerante for triturado em um pó fino e jogado ao ar, ele pode pegar fogo ao se combinar quimicamente com o oxigênio do ar. Acredita-se hoje que o dirigível Hindenburg pegou fogo basicamente porque era coberto com uma tinta que continha pó de alumínio e não porque estava cheio de gás hidrogênio (você pode encontrar um resumo dessas evidências fazendo uma pesquisa na internet).

Uma das maneiras mais comuns de observar a matéria é permitir que ela se modifique de alguma forma. Duas variações podem ser distinguidas: físicas e químicas. As substâncias envolvidas em uma variação física não perdem suas identidades químicas. As propriedades físicas são variáveis que podemos medir sem alterar a identidade da substância que está sendo observada. Massa e densidade são propriedades físicas familiares. A massa é medida por meio da comparação do objeto dado com algum padrão, geralmente uma balança. A densidade é uma razão entre massa e volume (às vezes, essa variável é chamada densidade de massa). Para determinar a densidade, tanto a massa quanto o volume devem ser medidos. Esses valores podem ser obtidos sem alterar o material; logo, a densidade é uma propriedade física. Outros exemplos familiares de propriedades físicas incluem a cor, a viscosidade, a resistência e a temperatura. Algumas propriedades físicas, que serão definidas mais tarde, incluem capacidade de calor, ponto de ebulição, ponto de fusão e volatilidade.

As propriedades químicas estão associadas aos tipos de variações químicas que uma substância sofre. Por exemplo, alguns materiais queimam facilmente, enquanto outros não. A queima em oxigênio é uma reação química chamada combustão. A corrosão, que é a degradação de metais na presença de ar e umidade, é outra variação química comumente observada.  i O tratamento de um metal com algum outro material, como a tinta, pode frequentemente evitar o dano causado pela corrosão. Desse modo, uma importante propriedade química da tinta é sua resistência à corrosão. As propriedades químicas podem ser determinadas apenas pela observação de como uma substância altera sua identidade nas reações químicas.

Abordaremos a corrosão e sua prevenção com mais detalhes no Capítulo 13. i

© Cengage Learning/Charles D. Winters

Figura 1.2 Todos os

utensílios comuns de cozinha mostrados aqui são feitos de alumínio.

O baixo peso do metal, a resistência à corrosão e o baixo custo tornam o alumínio uma escolha viável para muitos bens de consumo.

Capítulo 1  Introdução à química

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O alumínio é normalmente o segundo na classificação de maleabilidade, ficando atrás só do ouro. i

Os outros dois estados da matéria são os plasmas e os condensados de Bose-Einstein, que não existem em temperaturas normais. i

As propriedades químicas e físicas do alumínio são importantes para sua utilidade. Um material estrutural é útil somente se puder ser formado em moldes desejados, o que requer que ele seja maleável. A maleabilidade é a propriedade que um material possui de ser passado em rolos ou forjado em folhas finas sem se romper. No caso dos metais, essa capacidade ajuda a conferir valor a eles.  i Trata-se de uma propriedade física porque a substância permanece intacta. Ela ainda é o mesmo metal, apenas com um perfil diferente. Uma lata de alumínio é conformada durante seu processo de fabricação, mas sua configuração pode ser alterada, como você já deve ter feito ao espremer uma lata para colocá-la em uma lixeira de coleta seletiva. Do mesmo modo, as propriedades químicas do alumínio são importantes. O alumínio puro provavelmente reagiria com os ácidos em muitos refrigerantes. Em razão disso, as latas de refrigerante são revestidas internamente com uma fina camada de polímero – um plástico – para evitar que o metal reaja com o conteúdo. Isso demonstra como o conhecimento das propriedades químicas permite que os projetistas de produto evitem reações prejudiciais em potencial.

Quando observamos macroscopicamente reações químicas, encontramos três formas comuns, ou fases, da matéria: sólida, líquida e gasosa.  i No nível macroscópico, os sólidos são rígidos e não alteram sua forma facilmente. Quando um sólido é colocado em um recipiente, ele conserva seu perfil, em vez de assumir a forma do recipiente. Mesmo um sólido em pó demonstra esse traço, uma vez que as partículas individuais ainda mantêm sua forma, apesar de o conjunto delas poder tomar a forma do recipiente.

Os líquidos podem ser distinguidos dos sólidos macroscopicamente, uma vez que, diferentemente dos primeiros, se adaptam à forma do recipiente no qual são colocados. Eles podem não preencher o volume por inteiro, mas a porção que eles ocupam tem sua forma definida pelo recipiente. Os gases podem ser diferenciados macroscopicamente tanto dos líquidos quanto dos sólidos em razão de sua propriedade de expandir-se para ocupar todo o volume de seu recipiente. Apesar de muitos gases serem invisíveis, a observação do preenchimento do volume disponível é uma experiência comum; quando andamos, por exemplo, numa sala grande, não ficamos preocupados em encontrar um espaço sem ar.

O alumínio que encontramos diariamente é um sólido, mas, durante o processo de refino, torna-se fundido ou líquido. O manuseio do metal derretido, sua colocação em recipientes e a separação de impurezas fornecem tanto desafios químicos quanto de engenharia para aqueles que projetam indústrias de produção de alumínio.

Frequentemente, as propriedades químicas e físicas são difíceis de serem distinguidas no nível macroscópico. Podemos garantir que a ebulição da água é uma variação física, mas, se você não fizer nada além de observar que a água fervendo em uma panela desaparece, como saberá se ela sofreu uma variação química ou física? Para responder a esse tipo de pergunta, precisamos considerar as partículas que formam a água, ou o que quer que observemos, e aquilo que ocorre no nível microscópico.

A perspectiva microscópica ou particulada

A palavra átomo vem do grego “átomos”, que significa indivisível. i

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O princípio mais fundamental da química é que toda matéria é composta por átomos e moléculas. É por isso que os químicos tendem a pensar em tudo como “uma substância química” de um tipo ou outro. Em muitos casos, a matéria que encontramos é uma mistura complexa de substâncias químicas e nos referimos a cada componente individual como uma substância química. Definiremos esses termos mais extensivamente à medida que nosso estudo da química se desenvolver, mas aqui utilizaremos definições básicas.

Toda matéria compreende um número limitado de “blocos construtivos”, chamados elementos. Frequentemente, os elementos são associados à tabela periódica, mostrada no fim deste livro e decerto pendurada na sala onde você tem aula de química. Átomos são partículas inimaginavelmente pequenas que não podem se tornar menores e ainda se comportam como um sistema químico.  i Quando estudamos a matéria em níveis menores que um átomo, passamos para a física de partículas elementares ou nucleares. Mas

Química geral aplicada à engenharia

os átomos são as menores partículas que podem existir e mantêm a identidade química de qualquer elemento que seja. Moléculas são grupos de átomos mantidos unidos de tal maneira que formem uma unidade cuja identidade é distintamente diferente do átomo isolado. Finalmente, veremos como as forças chamadas “ligações químicas” são responsáveis por manter os átomos unidos nessas moléculas.

A perspectiva particulada fornece uma visão mais detalhada sobre a distinção entre as variações químicas e físicas. Como os átomos e as moléculas são pequenos demais para serem observados diretamente ou fotografados, normalmente utilizaremos desenhos esquemáticos simplificados para representá-los neste livro. Em geral, átomos e moléculas serão desenhados como círculos para representá-los e avaliar suas variações.

Se considerarmos sólidos, líquidos e gases, como eles se diferem no nível particulado? A Figura 1.3 apresenta uma ilustração bem simples, porém útil. Observe que os átomos em um sólido são empacotados bem próximos, e isso é representado como mantendo sua forma – aqui como um tijolo ou naco. A fase líquida também tem suas partículas constituintes empacotadas bem próximas umas às outras, mas elas são mostradas como se preenchessem a base do recipiente, em vez de manterem sua forma. Finalmente, o gás é mostrado com distâncias bem maiores entre as partículas, que se movimentam livremente pelo volume inteiro do recipiente. Essas figuras foram inferidas de experimentos conduzidos durante muitos anos. Vários sólidos, por exemplo, têm estruturas bem ordenadas chamadas cristais; em geral e consequentemente, a perspectiva particulada de sólidos inclui esse sentido de ordem.

Como podemos distinguir uma variação química de uma física nessa perspectiva?

A diferença é denotada facilmente nesse nível, apesar de nem sempre ser mais óbvia à observação. Se um processo é uma variação física, os átomos e as moléculas em si não variam. Para examinarmos essa ideia, utilizaremos uma molécula “famosa”: a água. Muitas pessoas que nunca estudaram química sabem que a fórmula da água é “H dois O”.

Representamos essas moléculas com a utilização de círculos de diferentes tamanhos; o círculo maior representa o oxigênio e os círculos menores representam o hidrogênio. Na Figura 1.4 vemos que, quando a água ferve, a composição das moléculas individuais é a mesma na fase líquida e na fase gasosa. A composição da água não foi alterada, e esse fato é característico de uma variação física.

Contraste isso com a Figura 1.5, que representa um processo chamado eletrólise no nível particulado. A eletrólise ocorre quando a água é exposta a uma corrente elétrica.

Observe que as moléculas se alteram nessa representação à medida que as moléculas de água são convertidas em moléculas de hidrogênio e de oxigênio. Aqui, então, temos uma variação química.

Sólido

Líquido

Gasoso

Figura 1.3 Visões no nível particulado das fases sólida, líquida e gasosa da matéria.  i Em um

sólido, as moléculas mantêm uma estrutura ordenada, por isso a amostra mantém seu tamanho e sua forma. Em um líquido, as moléculas permanecem próximas entre si, mas o arranjo ordenado se quebra. No nível macroscópico, isso permite que o líquido flua e adquira a forma do recipiente onde se encontra. Na fase gasosa, as moléculas estão amplamente separadas e se movimentam independentemente umas das outras, o que permite que o gás preencha o volume disponível do recipiente.

Para representar corretamente as densidades relativas de um gás e um líquido, seria necessário muito mais espaço entre as partículas em um gás que o mostrado na Figura 1.3. i

Capítulo 1  Introdução à química

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H2O (gás)

Visão Macroscópica

Visão Microscópica

© Cengage Learning/Charles D. Winters/

H2O (líquido)

Figura 1.4 A ebulição da água é uma variação física na qual a água líquida é convertida em um gás. Tanto

a fase líquida quanto a fase gasosa são formadas por moléculas de água; cada uma contém dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. As inserções em escala particulada nessa figura enfatizam esse fato e também mostram que a separação entre as moléculas de água é bem maior no gás que no líquido.

Água líquida

Gás hidrogênio

© Cengage Learning/Charles D. Winters/

Gás oxigênio

Figura 1.5 Se uma corrente elétrica adequada passar através da água líquida, ocorre uma variação

química conhecida como eletrólise. Nesse processo, as moléculas de água são convertidas em moléculas de gases de hidrogênio e oxigênio, como mostrado nas inserções em escala particulada na figura.

Se observarmos macroscopicamente essas duas reações, o que veremos e como saberemos a diferença? Em ambos os casos, notaremos a formação de bolhas. Somente em um caso as bolhas conterão vapor de água (gás) e, no outro, hidrogênio. Apesar dessa semelhança, podemos fazer observações no nível macroscópico para distinguir essas duas possibilidades. O Problema-modelo 1.1 propõe um experimento que poderia ser realizado para fazer tal observação.

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Química geral aplicada à engenharia

PROBLEMA-MODELO  1.1

Thomas Holme and Keith Krumnow

Considere o aparelho experimental mostrado na foto ao lado. Esse equipamento poderia ser utilizado para testar uma hipótese sobre a composição química do gás nas bolhas que surgem da água em ebulição. Qual seria a observação se as bolhas fossem compostas por (a) água, (b) hidrogênio ou (c) oxigênio?

Estratégia Este problema pede que você pense sobre o que espera observar em um experimento e as alternativas para diferentes hipóteses. Nessa etapa, você deverá realizar uma pesquisa para responder a essa questão, que é descobrir como o gás hidrogênio se comporta quimicamente na presença de uma chama. Você deve também lembrar alguns fatos básicos sobre o fogo que viu em aulas de ciências. Para ser mantido, o fogo requer tanto um combustível como um oxidante, geralmente o oxigênio do ar.

Solução (a) Se as bolhas que saem do líquido contêm água, esperava-se que a chama diminuísse de tamanho ou fosse extinta. A água não mantém a reação química de combustão (como o oxigênio faz); logo, se as bolhas forem de água, a chama não deve queimar tão vivamente. (b) Ao examinar o hidrogênio, você deve ter descoberto (na internet, por exemplo) que ele tende a queimar explosivamente. Se as bolhas que saem da água fossem de gás hidrogênio, o que esperaria era ver a chama inflamar o gás com algum tipo de explosão (pequena, espera-se). (c) Se as bolhas fossem de oxigênio, a chama deveria queimar mais vivamente. A quantidade de combustível permaneceria a mesma, mas as bolhas aumentariam a quantidade de oxigênio presente e tornariam a reação mais intensa.

Verifique seu entendimento Ponha em prática, com seus colegas ou com seu profes-

sor, a construção desse aparelho e veja se suas observações confirmam ou não qualquer uma das hipóteses apresentadas. Faça um desenho representando uma explicação no nível particulado para o que você observar.

Uma amostra de bauxita.

© Cengage Learning/Charles D. Winters

O terceiro modo pelo qual os químicos compreendem sua disciplina é com a utilização de símbolos para representar os átomos, as moléculas e as reações que constituem a ciência. Esperaremos os próximos dois capítulos para introduzir essa perspectiva com mais detalhes, mas certamente você já se deparou com símbolos químicos em seus estudos anteriores. A famosa molécula “H dois O” que observamos nunca é representada como fizemos entre aspas aqui. Em vez disso, você já viu a representação simbólica da água como H2O. No Capítulo 2, examinaremos as fórmulas químicas e, no Capítulo 3, veremos como utilizá-las para descrever reações usando equações químicas. No momento, apenas observamos que esse nível simbólico de compreensão é muito importante, já que ele fornece um meio de abordar algumas das partes mais abstratas da química.

Precisamos pensar sobre átomos e moléculas, e a representação simbólica proporciona um modo conveniente para nos mantermos informados sobre essas partículas que nunca realmente veremos. Esses símbolos serão um dos meios-chave para interagirmos com ideias no nível particulado.

Como podemos utilizar essas representações para nos ajudar a pensar sobre o minério de alumínio ou o alumínio metálico? A representação macroscópica é a mais familiar, especialmente para o engenheiro. Em uma perspectiva prática, as diferenças entre o minério não refinado e o alumínio metálico utilizável são imediatamente aparentes. O principal minério do qual o alumínio é refinado é chamado bauxita, e esta se parece mui-

© Siim Sepp/Shutterstock.com

Representação simbólica

Um bloco de alumínio.

Capítulo 1  Introdução à química

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to com uma rocha comum. Não há dúvida de que a bauxita seja diferente do alumínio metálico. No nível molecular, devemos focalizar no óxido de alumínio (também chamado alumina) no minério e compará-lo ao alumínio metálico, como mostrado na Figura 1.6. Esse tipo de desenho enfatiza o fato de o minério ser formado por dois tipos diferentes de átomos, enquanto somente um tipo de átomo está presente no metal. (Observe que os metais geralmente contêm pequenas quantidades de impurezas, algumas vezes introduzidas intencionalmente para fornecer propriedades específicas desejadas. Mas, nesse caso, simplificamos a ilustração ao eliminar quaisquer impurezas.) Finalmente, a Figura 1.6 mostra também a representação simbólica para o óxido de alumínio, ou seja, sua fórmula química. Essa fórmula é um pouco mais complicada que aquela da água, e examinaremos esse tipo de simbolismo com mais detalhes no Capítulo 2.

1.3 A ciência da química: observações e modelos A química é uma ciência empírica. Em outras palavras, os cientistas que estudam química fazem-no por meio da medida de propriedades de substâncias químicas e da observação de reações químicas. Uma vez que as observações tenham sido feitas, modelos são criados para ajudar a organizar e a explicar os dados. Essa estrutura de observações e modelos fornece o pano de fundo da ciência que exploraremos neste livro. Embora tanto os cientistas quanto os engenheiros confiem nos seus conhecimentos, intelectos e criatividades, existem diferenças nos frutos de seus esforços. Os cientistas geralmente se esforçam para criar modelos para o entendimento da natureza, enquanto os engenheiros utilizam ou restringem a natureza para atingir algum propósito específico. Ambas as áreas devem começar pela observação da natureza.

As observações na ciência

Uma única lata de alumínio pode ter a massa de aproximadamente 14 gramas ou, aproximadamente, metade de uma onça. i

As observações na química são realizadas em ampla variedade de modos e razões. Em alguns casos, as observações são feitas porque os materiais com determinadas propriedades são necessários. Por exemplo, recipientes que contêm líquidos como refrigerantes devem ser fortes o suficiente para mantê-lo, mas, ao mesmo tempo, leves para não aumentar muito o custo de transporte do produto.  i Antes de as latas de alumínio serem muito utilizadas, as latas de aço eram os recipientes mais empregados. Contudo, o peso do aço incentivou a busca por um material diferente para o acondicionamento. Cientistas e engenheiros trabalharam em parceria para reunir observações que confirmassem as vantagens do alumínio para esse fim.

Óxido de alumínio (Alumina) Al2O3

Alumínio Al

Figura 1.6 Uma representação no nível particulado do óxido de alumínio (à esquerda) e do alumínio puro (à direita). As esferas de tons claro representam átomos de alumínio e as escuras, de oxigênio.

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Química geral aplicada à engenharia

Lawrence S. Brown | Thomas A. Holme

Lawrence S. Brown | Thomas A. Holme Tradução da 3a edição norte-americana

aplicada à engenharia

Geral aplicada à engenharia

9 7 8 8 5 2 2 11 8 2 0 5

Tradução da 8a edição norte-americana

Steven S. Zumdahl Donald J. DeCoste

Introdução à química geral, orgânica e bioquímica Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim William H. Brown Mary K. Campbell Shawn O. Farrell

Tradução da 6a edição norte-americana

John C. Kotz Paul M. Treichel Gabriela C. Weaver

Química geral e reações químicas vol. 2

Tradução da 6a edição norte-americana

John C. Kotz Paul M. Treichel Gabriela C. Weaver

ISBN 13 978-85-221-1820-5 ISBN 10 85-221-1820-5

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Introdução à química: fundamentos

Química geral e reações químicas vol. 1

Lawrence S. Brown Thomas A. Holme

Aplicações: Livro-texto para as disciplinas de química geral nos cursos técnicos das áreas tecnológica e cursos de graduação em Química e em Engenharia.

Química

Tradução da 3a edição norte-americana

O objetivo desta obra é mostrar a abrangência da química em relação a muitas áreas da engenharia e tecnologia, proporcionando conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que dão suporte à ciência dos materiais.

Química geral aplicada à engenharia apresenta uma introdução concisa, mas consistente, do tema, ampliando o papel da química para muitas áreas da engenharia e da tecnologia moderna. Além disso, mostra a relação entre a química e as outras disciplinas estudadas pelos alunos de engenharia, como matemática e física.

Esta nova edição traz atualizações dos recursos didáticos presentes na edição anterior, como as seções “Por dentro de”, “Problema-modelo” e melhoria nas imagens; foram acrescentados também inúmeros problemas mais desafiadores em vários capítulos, notas de margem e um novo capítulo sobre química nuclear.

Química Geral

Geral

aplicada à engenharia

Química

Tradução da 3a edição norte-americana